激光原理-概述

激光原理與技術(shù)(2014年秋季學(xué)期)張春峰南京大學(xué)物理學(xué)院cfzhang@課程內(nèi)容概述：激光發(fā)展簡史光學(xué)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(dǎo)體中的能級(jí)躍遷速率方程高斯光束與光學(xué)諧振腔相干性頻域與時(shí)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(xué)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(shí)儲(chǔ)備普通物理光學(xué)，量子力學(xué)初步考查方式期中考試50%平時(shí)表現(xiàn)50%作業(yè)25%項(xiàng)目25%

下半學(xué)期前兩學(xué)時(shí)課程教學(xué)，第三節(jié)課同學(xué)項(xiàng)目報(bào)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(shí)期幾何光學(xué)波動(dòng)光學(xué)量子光學(xué)/現(xiàn)代光學(xué)9LASERLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation1、gainmedium2、pumpingsource3、cavity4、outputcoupler5、laserbeamCoherence Spatialcoherence TemporalcoherenceThefoundationoflasersThegreatmind曼哈頓計(jì)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(xué)家很難判斷研究工作的價(jià)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(xué)與激光理論,導(dǎo)致激光的實(shí)現(xiàn))。1981:NicolaasBloembergen&ArthurL.Schawlow(激光光譜與非線性光學(xué))。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(tái)”名

稱研制成功時(shí)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(dǎo)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(xué)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(shí)驗(yàn)室)足球場大小740mm口徑100kJ/25ns放大后100TW(100ps)(全球電量3TW)國家點(diǎn)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(tái)灣清華大學(xué)，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(gè)甚至幾十個(gè)半導(dǎo)體激光器，并且集成了調(diào)制、功率檢測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)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(xué)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(dǎo)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(dǎo)體激光器半導(dǎo)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(qiáng)度(極高亮度)極高的光子簡并性時(shí)間相干性空間相干性{}}560580600620560580600620激光器泵浦光強(qiáng)激光光強(qiáng)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(gè)光子頻率相同，只包含一個(gè)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(diǎn)同一時(shí)刻的光之間的相干性

激光波面上各個(gè)點(diǎn)可以做到都是相干的（如基橫模）

時(shí)間相干性好同一地點(diǎn)不同時(shí)刻的光之間的相干性36相干長度可達(dá)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(gè)毫弧度)，幾乎是一平行的光線。用來測(cè)量地球到月球的距離，精度達(dá)幾厘米（17cm-2mm）；通過測(cè)量單一激光脈沖在月球表面和地球表面的往返時(shí)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(shí)功率可達(dá)～1014W強(qiáng)度：

在聚焦?fàn)顟B(tài)

激光強(qiáng)度可達(dá)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(qiáng)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(gè)月后，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家試驗(yàn)成功大氣光通信，距離為25英里。缺點(diǎn)：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(jìn)行的激光通信，如衛(wèi)星和衛(wèi)星之間的通信。優(yōu)點(diǎn)：激光在真空中傳播衰減小，可用小功率激光器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(jìn)行通信。（4）激光光纖通信：讓載有信號(hào)的激光束通過光導(dǎo)纖維傳輸至對(duì)方以實(shí)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(qiáng)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(shí)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(jì)元。（2）全息防偽激光醫(yī)學(xué)（1）強(qiáng)激光治療利用激光的光熱效應(yīng)對(duì)組織進(jìn)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(duì)周圍組織損傷小。人體組織75%以上是水臨床上最早用于強(qiáng)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(dǎo)，應(yīng)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(tuán),血紅蛋白對(duì)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(zhǔn)分子激光通過對(duì)角膜瓣下基質(zhì)層進(jìn)行屈光性切削，從而降低瞳孔區(qū)的角膜曲率，達(dá)到矯正近視的目的。（2）弱激光治療弱激光又稱為低強(qiáng)度、低水平激光.弱激光作用于生物組織時(shí),不造成生物組織不可逆的損傷,但可以刺激機(jī)體產(chǎn)生一系列的生理生化反應(yīng),對(duì)組織或機(jī)體起到調(diào)節(jié)、增強(qiáng)或抑制的作用,從而達(dá)到治病的目的.機(jī)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(jìn)、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(dǎo)體激光器和波長780—980nm半導(dǎo)體激光器激光光動(dòng)力治療利用激光的光化學(xué)效應(yīng),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(xué)反應(yīng),產(chǎn)生大量活性氧物質(zhì),從而損傷靶組織達(dá)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(yīng)，測(cè)定局部組織的血流。