激光原理-概述

激光原理與技術(shù)(2014年秋季學期)張春峰南京大學物理學院cfzhang@課程內(nèi)容概述：激光發(fā)展簡史光學增益產(chǎn)生的基本原理a.自發(fā)輻射，受激輻射b.輻射和原子相互作用c.半導體中的能級躍遷速率方程高斯光束與光學諧振腔相干性頻域與時域線寬調(diào)Q與鎖模技術(shù)激光頻率轉(zhuǎn)變

典型激光器激光光譜學方法參考書目《激光原理》（第6版）周炳琨，國防工業(yè)出版社《PrinciplesofLasers》OrazioSveltoAPS,AIP,NPG等雜志社期刊知識儲備普通物理光學，量子力學初步考查方式期中考試50%平時表現(xiàn)50%作業(yè)25%項目25%

下半學期前兩學時課程教學，第三節(jié)課同學項目報告2023/2/25激光原理與技術(shù)第一章概述光：波粒二象性(wave-particleduality)2023/2/27Wavelength(m)ScaleFrequency(Hz)Photon&Electromagneticwave2023/2/28160017001800190020002100萌芽時期幾何光學波動光學量子光學/現(xiàn)代光學9LASERLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation1、gainmedium2、pumpingsource3、cavity4、outputcoupler5、laserbeamCoherence Spatialcoherence TemporalcoherenceThefoundationoflasersThegreatmind曼哈頓計劃C.TownsTheconceptof“stimulatedemission”(Einstein,1916)“MASER”(pulse)(CharlesHTownes,1954,withJ.Gordon,H.Zeiger)“MASER”(cw)(N.Basov&A.Prokhorov)NobelLaureates1964N.BasovA.ProkhorovGordonGouldA.SchawlowC.TownsThecompetitionOpticalmaserLaser(NobelLaureate1981)T.MaimanTRGRuby,1960PulseredlaserU3+:CaF2(Fourlevelsystem,1960)P.Sorokin&M.J.StevensonHeNe(1961)A.Javan2023/2/213Rubywasruledout…(Wilde&Schalow)PulseoperationAnotherepisoderelatedtomasersT.MaimanLaserOdysseyWillisLambCaliforniaManInventedDeathRay,Laser科學家很難判斷研究工作的價值和影響，愛因斯坦做不到，梅曼也做不到1964:AlexsanderM.Prokhorov,CharlesH.Townes,andNicolayG.Basov(量子電子學與激光理論,導致激光的實現(xiàn))。1981:NicolaasBloembergen&ArthurL.Schawlow(激光光譜與非線性光學)。Ruby1960年,梅曼(T.Maiman)2023/2/214Commerciallasersources2023/2/215Milestones2023/2/216Nat.Photonics4,281(2010)中國各類激光器的“第一臺”名

稱研制成功時間

研

制

人

紅寶石激光器1961年9月王之江等He-Ne激光器1963年7月

鄧錫銘等

摻釹玻璃激光器1963年6月干福熹等GaAs同質(zhì)結(jié)半導體激光器1963年12月王守武等脈沖Ar+激光器1964年10月萬重怡等CO2分子激光器1965年9月王潤文等CH3I化學激光器1966年3月鄧錫銘等YAG激光器1966年7月屈乾華等1918,Quanta(Planck)1921,Einstein1947,Stimulatedemissioninhydrogen(Lamb&Reherford)1950,Opticalpump.(Kastler)1964,Maser(Townes,Basov,Prokhorov)1971,Holography(Gabor)1981,Laserspectroscopy&Nonlinearoptics(Bloembergen&Schawlow)1989,Atomicclock(Ramsey)1997,Lasercoolingandtrapping(Chu,Cohen-Tannoudji,&Phillips)1999,Femtochemistry(Zewail)2001,BEC(Cornell,Ketterle,&Wieman)2005,Frequencycomb(Hall&Hansch);Quantumtheoryofopticalcoherence(Glauber)2009,Opticalfiber(Kao),CCD(Boyle&Smith)2014,BlueLED(Akasaki,Amano,&Nakamura)BlackBodyEmission2023/2/219MaxPlanck,19002023/2/220MaxPlanck190121LightAmplificationAlbertEinstein,190522LightAmplification23LightAmplificationlossspontaneousemissionamplification24LightAmplification25LightAmplification26LightAmplificationFour-levelsystem激發(fā)閾值27NOVA(LLNL實驗室)足球場大小740mm口徑100kJ/25ns放大后100TW(100ps)(全球電量3TW)國家點火裝置(NLF)----雅典娜(投資12億美元)Yb:glass主振----192路光束放大----1.8MJThemostpowerfullaser世界上最小的激光器TheUniversityofTexasatAustin，施至剛教授&臺灣清華大學，果尚志教授Science337,450(2012)

更集成

各種通信用的激光模塊，往往包含十幾個甚至幾十個半導體激光器，并且集成了調(diào)制、功率檢測、溫度監(jiān)測等功能模塊。29更快-更高的調(diào)制頻率：GHz；更短的脈沖寬度：飛秒激光器(FemtosecondLaser)；阿秒激光器(AttosecondLaser)更多樣化-多樣化的泵浦方式：光泵浦、電泵浦、化學能泵浦、熱泵浦等、磁泵浦；-多樣化的工作物質(zhì)：固體（Nd：YAG）、氣體（He-Ne、CO2）、液體、染料、半導體、自由電子等；302023/2/2312023/2/232固態(tài)激光器氣體激光器光纖激光器半導體激光器半導體激光器2023/2/233—與普通光的區(qū)別低于振蕩閾值高于振蕩閾值

極佳單色性極高相干性極好方向性極高強度(極高亮度)極高的光子簡并性時間相干性空間相干性{}}560580600620560580600620激光器泵浦光強激光光強閾值激光的特性34激光器激光的特性1、單色性好：

波長只集中在十分窄的光譜波段或頻率范圍內(nèi)

普通光源發(fā)射的光子，在頻率上是各不相同的，所以包含有各種頻率（顏色）。

激光發(fā)射的各個光子頻率相同，只包含一個頻率，因此激光是最好的單色光源。

35波長400nm700nm激光的特性2、相干性好

空間相干性好不同地點同一時刻的光之間的相干性

激光波面上各個點可以做到都是相干的（如基橫模）

時間相干性好同一地點不同時刻的光之間的相干性36相干長度可達幾十公里激光的特性373、方向性好激光束的發(fā)散角很小(幾個毫弧度)，幾乎是一平行的光線。用來測量地球到月球的距離，精度達幾厘米（17cm-2mm）；通過測量單一激光脈沖在月球表面和地球表面的往返時間得到。激光的特性4、亮度高

激光亮度：

單位截面和單位立體角內(nèi)發(fā)射的光功率

38Sp光源的亮度：脈沖瞬時功率可達～1014W強度：

在聚焦狀態(tài)

激光強度可達到可產(chǎn)生108K的高溫，引起核聚變。激光的亮度可比普通光源高出1012－1019倍，是目前最亮的光源，強激光甚至可產(chǎn)生上億度的高溫。39（1）大氣激光通信1960年，激光器誕生后幾個月后，貝爾實驗室的科學家試驗成功大氣光通信，距離為25英里。缺點：由于天氣和障礙物的影響，加上地球表面為球形，光的直線傳播距離很短。激光通信（2）空間激光通信在接近真空的環(huán)境下進行的激光通信，如衛(wèi)星和衛(wèi)星之間的通信。優(yōu)點：激光在真空中傳播衰減小，可用小功率激光器實現(xiàn)遠距離通信。

（3）水下通信。利用波長為0.46~0.53m的蘭綠色激光（能穿透幾百到幾千米海水）在海水中進行通信。（4）激光光纖通信：讓載有信號的激光束通過光導纖維傳輸至對方以實現(xiàn)通信的方法。激光全息（1）全息照相普通照相僅僅記錄光波的強度，丟失了光波的相位信息；全息照相借助于物體的物光和另外一束簡單的參考光的干涉，同時記錄來自物體光波的振幅和相位，也就是記錄了光波所承載的全部信息。具有長相干長度的激光誕生后，開始了全息的新紀元。（2）全息防偽激光醫(yī)學（1）強激光治療利用激光的光熱效應對組織進行凝固、汽化或切割，從而消除病變。出血少，操作定為精確，非接觸，無菌，對周圍組織損傷小。人體組織75%以上是水臨床上最早用于強激光治療的激光器有CO2激光器，Nd:YAG激光和Ar+激光。CO2激光，10.6um，廣泛用于治療皮膚科、婦科、普外科多種疾病，如色素痣，老年斑等。Ho:YAG激光，2.06~2.09um，接近水在2.0um附近的吸收峰，具有理想的切割、汽化和凝聚組織止血效果，可以通過光纖傳導，應用于各內(nèi)窺鏡手術(shù)，如食道、胃、腸鏡下治療息肉。Ar+激光器，血紅蛋白是人體組織中的另一種主要吸光基團,血紅蛋白對Ar+激光(488nm、514nm)的吸收率高,所以Ar+激光凝固作用好,切割作用差。激光近視眼校正用準分子激光通過對角膜瓣下基質(zhì)層進行屈光性切削，從而降低瞳孔區(qū)的角膜曲率，達到矯正近視的目的。（2）弱激光治療弱激光又稱為低強度、低水平激光.弱激光作用于生物組織時,不造成生物組織不可逆的損傷,但可以刺激機體產(chǎn)生一系列的生理生化反應,對組織或機體起到調(diào)節(jié)、增強或抑制的作用,從而達到治病的目的.機制目前不是很清晰。激光理療，用于口腔潰瘍、甲溝炎和皮膚帶狀皰疹等。激光針灸治療，包括損傷、甲狀腺功能亢進、高血脂和高血壓等。用于弱激光治療的激光器波長632.8nm的He-Ne激光波長630—690nm半導體激光器和波長780—980nm半導體激光器激光光動力治療利用激光的光化學效應,即在有氧條件下光敏劑經(jīng)激光激發(fā)后,經(jīng)過一系列光化學反應,產(chǎn)生大量活性氧物質(zhì),從而損傷靶組織達到治療的目的。臨床診斷技術(shù)激光多普勒技術(shù)，利用多普勒效應，測定局部組織的血流。