激光原理第0章緒論

激光原理與激光技術(shù)邴丕彬華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院2一、物理學(xué)發(fā)展進程：經(jīng)驗物理學(xué)時期(17世紀以前)：我國和古希臘形成兩個東西交相輝映的文化中心，主要通過直觀觀察和猜測性思維獲得。經(jīng)典物理學(xué)時期(17世紀初—19世紀末)：牛頓力學(xué)體系的建立，標志著經(jīng)典物理學(xué)的誕生?，F(xiàn)代物理學(xué)（※）時期(20世紀初至今)，研究對象由低速到高速，由宏觀到微觀，深入到廣垠的宇宙深處和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。相對論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。前言3二、電磁波譜

普通光源-----自發(fā)輻射

激光光源-----受激輻射

激光

(Laser)（鐳射）

(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)

“輻射的受激發(fā)射光放大”“激光”——錢學(xué)森在1964年提出，既反映了“受激輻射”的科學(xué)內(nèi)涵，又表明它是一種很強烈的新光源，貼切、傳神而又簡潔，得到我國科學(xué)界的一致認同并沿用至今。4激光的發(fā)展歷史

從歷史來看，任何科學(xué)發(fā)現(xiàn)或科學(xué)發(fā)明，都不外是兩條道路：一、自然界業(yè)已存在，當人們自覺或不自覺地發(fā)現(xiàn)以后再產(chǎn)生理論，并加以證明和利用，如萬有引力、氧氣、電磁等，這種情況稱為“科學(xué)發(fā)現(xiàn)”；二、自然界（至少地球上的自然界）并不存在的事物，但人們先從理論上推導(dǎo)、預(yù)測，然后再通過努力加以證明和實現(xiàn)，如相對論、核衰變、核聚變等，這種情況稱為“科學(xué)發(fā)明”。而后者則更有科學(xué)理論性和挑戰(zhàn)性，激光的誕生過程就是屬于后者。激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。5激光發(fā)明的理論基礎(chǔ)可以追溯到1917年，著名的物理學(xué)家愛因斯坦在研究光輻射與原子相互作用的時候發(fā)現(xiàn)，除了受激吸收和自發(fā)輻射躍遷過程外，還存在受激輻射躍遷過程。

20世紀50年代初，電子學(xué)和微波技術(shù)的應(yīng)用提出了將無線電技術(shù)從微波推向光波的要求。1952年，美國馬里蘭大學(xué)的韋伯開始應(yīng)用以上理論去放大電磁波。從微波振蕩器到光波振蕩器微波振蕩器的實現(xiàn)原理：

一個尺度和波長可比擬的封閉的諧振腔；利用自由電子與電磁場的相互作用實現(xiàn)電磁波的放大和振蕩。61954年，美國的湯斯(CharlesH.Towns)、蘇聯(lián)的巴索夫(NikolaiG.Basov)和普洛霍洛夫(AleksanderM.Prokhorov)第一次實現(xiàn)了氨分子微波量子振蕩器。7C.H.TownesA.M.Prokhorov

N.G.Basov8湯斯1954年在量子電子學(xué)研究中實現(xiàn)了氨分子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，研制了微波激射器；普羅霍洛夫和巴索夫1958年幾乎同時在量子電子學(xué)的基礎(chǔ)研究中，根據(jù)微波激射器原理研制了振蕩器和放大器。以上工作為激光器的發(fā)明奠定基礎(chǔ)，并因此獲得1964年諾貝爾物理學(xué)獎。1958年，湯斯和肖洛(ArthurL.Schawlow)拋棄了一個尺度和波長可比擬的封閉的諧振腔，提出了利用尺度遠大于波長的開放式光諧振腔，實現(xiàn)了激光器的新思想。布隆伯根(NicolaasBloembergen)提出了利用光泵浦三能級原子系統(tǒng)實現(xiàn)原子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的新構(gòu)想。湯斯和肖洛在PhysisRevies上發(fā)表論文，指出了實現(xiàn)受激輻射為主的可能性，并給出了實現(xiàn)這個愿望需要滿足的條件。1960年7月，世界第一臺紅寶石固態(tài)激光器問世，標志了激光技術(shù)的誕生。

美國休斯公司實驗室梅曼演示的。

波長為694.3nm的激光9

至此，一門新的科學(xué)技術(shù)——量子電子學(xué)中的激光技術(shù)以科學(xué)史上罕見的高速度向前發(fā)展！

101960年，梅曼成功完成世界上第一臺固體激光器Ruby激光出光（休斯實驗室）694.3nm同年12月，梅曼的研究生賈萬（A.Javan）成功地制造并運轉(zhuǎn)了全世界第一臺氣體激光器——He-NeLaser（貝爾實驗室）632.8nm，并于1961年2月正式報道。11激光器發(fā)展進程：1961年，有人提出了Q調(diào)制技術(shù)，并制成第一臺調(diào)Q激光器。同年，制成了釹玻璃脈沖激光器。1962年，美國三個研究小組幾乎同時分別發(fā)布砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體激光器運轉(zhuǎn)的報道。12僅1961—1962年間世界各國發(fā)表的激光方面的論文達200篇以上。1963年建立了激光的半經(jīng)典理論。對激光的頻率特性和功率特性進行了比較完善的探討。1964年研制成了氬離子（Ar+）氣體激光器二氧化碳氣體激光器化學(xué)激光器（HF氟化氫）摻釹的釔鋁石榴石固體激光器1965年實現(xiàn)了鈮酸鋰光學(xué)參量振蕩器(通過激光和非線性晶體產(chǎn)生寬范圍可調(diào)諧相干激光光源），借助半經(jīng)典理論預(yù)言了鎖模效應(yīng)的存在。131966年，科學(xué)家們研制成了固體鎖模激光器獲得了超短脈沖。1966年，又研制成了波長可在一段范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)的有機染料激光器。1970年研制成了準分子激光器。1977年研制成了紅外波段的自由電子激光器（FEL）1984年研制出光孤子激光器（SL）（通信用的保密性比較好的激光器）此外，還有輸出能量大、功率高，而且不依賴電網(wǎng)的化學(xué)激光器等紛紛問世。

因?qū)す饧捌鋺?yīng)用的創(chuàng)造性貢獻而先后獲諾貝爾物理學(xué)獎的科學(xué)家超過10位.14151961長春光機所RubyLaser出光1962He－NeLaser出光1964上海光機所成立我國第一臺激光器是中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所王之江院士領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計并和鄧錫銘、湯星里、杜繼祿等人共同實驗研制成的，

(builtin19862beam/f200mm,1.6KJ/1ns)我國研制的神光-I裝置的兩路激光(LD泵浦釹玻璃激光器）系統(tǒng)美國電話電報公司貝爾實驗室的研究人員于1992年研制出當時世界上最小的固體激光器它在掃描電子顯微鏡下看起來就像一個個微型圖釘，其直徑只有2至10微米。在一個大頭針的針頭上，可以裝下1萬個這樣的新型半導(dǎo)體激光器。1990年美國研制成功畸變量子阱激光器，開關(guān)速度達280億次/秒，這是激光器有史以來達到的最高速度。161980-2030激光約束核聚變激光驅(qū)動器研制階段1987年6月，1012W的大功率脈沖激光系統(tǒng)－－－神光（神光I）裝置，在中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所研制成功。2004年4月，神光Ⅱ裝置成功突破100萬億瓦（1014瓦）大關(guān)，輸出峰值功率達到120萬億/36飛秒（10-15秒）。目前，國際上只有少數(shù)發(fā)達國家的著名實驗室鈦寶石激光裝置輸出功率超過100萬億瓦。這意味著神光Ⅱ在1000萬億分之36秒的超短瞬間內(nèi)，迸發(fā)出相當于全球電網(wǎng)發(fā)電總和數(shù)十倍的強大功率。17目前神光III已圓滿完成，達到"8束出光，脈沖-萬兆焦耳"的水平，標志著我國成為繼美、法后世界上第三個系統(tǒng)掌握新一代高功率激光驅(qū)動器總體技術(shù)的國家，使我國成為繼美國之后世界上第二個具備獨立研究、建設(shè)新一代高功率激光驅(qū)動器能力的國家。

神光III不是武器系統(tǒng)，僅神光III占的面積就有幾個標準足球場那么大。根據(jù)規(guī)劃，目前我國正在研制“神光IV”核聚變點火裝置。18一.激光特點：1方向性好（發(fā)散角～10-4弧度）手電筒的光射到~m處，擴展成很大的光斑。一束激光射到~38萬km的月球上，光斑的直徑只有~2km利用激光準直儀可使長為2.5km的隧道掘進偏差不超過16nm.192

單色性好單色性最好的氪燈Kr86

（非激光）

Δ

=4.7×10-3nm

穩(wěn)頻He—Ne激光器Δ

=10-9

nm

激光的單色性比普通光高倍.203能量集中——

脈沖瞬時功率大（可達～1014瓦）亮度極高激光的顏色非常單純，而且只向著一個方向發(fā)光，亮度極高激光在屏上形成的小光斑，有極大的照度

太陽表面的亮度比白熾燈大幾百倍。普通的激光器的輸出亮度，比太陽表面的亮度大10億倍。激光是當今世界上高亮度的光源。21激光的能量在空間上、在時間上高度集中光能量不僅在空間上高度集中，同時在時間上也可高度集中，因而可以在一瞬間產(chǎn)生出巨大的光熱。在工業(yè)上，激光打孔、切割和焊接。醫(yī)學(xué)上視網(wǎng)膜凝結(jié)和進行外科手術(shù)。在測繪方面，可以進行地球到月球之間距離的測量和衛(wèi)星大地測量。在軍事領(lǐng)域，可以制成摧毀敵機和導(dǎo)彈的激光武器

224相干性好空間相干性好，有的激光波面上各個點幾乎都是相干光源。時間相干性好（

～10-8埃），相干長度可達幾十公里。23按工作方式分連續(xù)式（功率可達104W）脈沖式（瞬時功率可達1014W

）三.波長：極紫外──可見光──亞毫米

(100nm）（1.222mm）二.種類：固體（如紅寶石Al2O3）液體（如某些染料）氣體（如He-Ne，CO2）半導(dǎo)體（如砷化鎵GaAs）

按工作物質(zhì)分24四、激光的應(yīng)用

40多年來，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個學(xué)科相結(jié)合形成多個應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，比如光電技術(shù)，激光醫(yī)療與光子生物學(xué)，激光加工技術(shù)，激光檢測與計量技術(shù)，激光全息技術(shù)，激光光譜分析技術(shù)，非線性光學(xué)，超快激光學(xué)，激光化學(xué)，量子光學(xué)，激光雷達，激光制導(dǎo)，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等等。這些交叉技術(shù)與新的學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。251.激光軍事應(yīng)用2.激光加工技術(shù)3.激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用4.激光在科技前沿問題中的應(yīng)用261.激光軍事應(yīng)用

激光在軍事上的應(yīng)用涉及到了雷達、測距、定向能武器、導(dǎo)彈、航空航天、電子對抗等方面。除軍事應(yīng)用外，這些技術(shù)也能同樣應(yīng)用于民用。

1.1、激光武器

由于強激光束具有很強的燒蝕作用，因而可以破壞制導(dǎo)系統(tǒng)、引爆彈頭和毀壞殼體、攔擊制導(dǎo)炸彈、炮彈、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛機、巡航導(dǎo)彈和破壞雷達、通信系統(tǒng)等。激光武器的威力強大，命中率極高，是真正意義上的“殺手锏”。目前美國已研制出機載（ABL）和車載激光武器。當激光能量不高時，主要使敵方人員致盲和使某些光電測量儀器的光敏元件受到破壞甚至失效，或可用來在城市、森林大面積點火。27美國雷神公司制造“百夫長”激光炮波音公司另外研發(fā)的一款可以安裝在悍馬車上的激光防空武器281.2、激光制導(dǎo)

激光制導(dǎo)具有投擲精度高、捕獲目標靈活，導(dǎo)引頭成本低、抗干擾性能好、操作簡單等優(yōu)點。其主要制導(dǎo)方式有半主動制導(dǎo)、主動制導(dǎo)、波束制導(dǎo)。激光制導(dǎo)可同時攻擊多個來襲目標，即把激光信號經(jīng)過編碼以數(shù)個指示器分別控制數(shù)枚導(dǎo)彈，打擊來襲目標。

著名的英－阿馬島戰(zhàn)爭中，英國就曾經(jīng)使用了激光武器對付阿方飛機，導(dǎo)致飛行員失明而機毀人亡。在反坦克、反潛艇中，激光致盲武器也有很大發(fā)展?jié)摿Γ瑢蕽撏R入口發(fā)射激光，就會把在用潛望鏡觀看外部情況的敵方人員的眼睛損傷，坦克和潛艇也就失去作戰(zhàn)能力。偵察衛(wèi)星靠裝在其中的各種光電傳感器偵察地面目標，如果用激光束照射其中的光電傳感器也會使偵察衛(wèi)星變?yōu)?瞎子"。29301.3、激光測距與激光雷達(Lidar)

激光測距與普通測距相比，具有遠、準、快、抗干擾、無盲區(qū)等優(yōu)點。激光測距在常規(guī)兵器中已廣泛應(yīng)用，正在逐步取代普通光學(xué)測距手段。1.4、激光陀螺

激光陀螺利用光的多普勒效應(yīng)來精確測量飛行器、艦船的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)導(dǎo)航。相比普通機械陀螺，激光陀螺精度提高了上百倍，而且體積更小。激光陀螺廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、定位及航空航天中。1.5、激光偵察對抗

激光偵察在軍事上占有十分重要的地位。利用激光技術(shù)進行多光譜攝影(全息攝影)，可以識別偽裝目標。31激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打標、打孔、微加工以及做為光源識別物體等的一門技術(shù)，傳統(tǒng)應(yīng)用最大的領(lǐng)域為激光加工技術(shù)。

目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器。2.激光加工技術(shù)32

隨著激光器制作工藝的不斷改進，特別是激光的傳導(dǎo)輸出方式和它有效的輸出功率，使醫(yī)生的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。低功率激光治療不再局限于體表的照射，光針穴位照射和血管內(nèi)照射在臨床已很多。高功率的激光手術(shù)刀，由表面的切割氣化進入內(nèi)窺鏡手術(shù)，使病員免受常規(guī)手術(shù)的痛苦；激光光敏診斷及光動力學(xué)治療為腫瘤的診治開辟了新的途徑；激光角膜成形術(shù)、激光血管成形術(shù)、激光心肌打孔術(shù)成為當前重要的應(yīng)用課題；中紅外激光的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，以及用X波段光的來揭示人類生命奧秘，高速定序DNA分子結(jié)構(gòu),將掀起一場體視和顯微成像的革命。另外,激光美容也給愛美之士提供了新的選擇!光子嫩膚,激光祛斑………3.激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用333.1.激光在外科中的應(yīng)用利用高功率激光開展激光手術(shù),包括切割、汽化、貫通組織、燒灼止血、凝固封閉血管和吻合焊接神經(jīng)、血管等.利用低功率激光照射產(chǎn)生的生物刺激作用治療各種炎癥和促進創(chuàng)口的愈合;通過光導(dǎo)纖維將激光送入消化道、膽道、尿道和腹腔內(nèi)進行各種治療.3.2.激光在皮膚科中的應(yīng)用我國應(yīng)用激光治療皮膚病已有30余年,由于體表組織淺顯,易于觀察、操作和便于對照、研究,而且療效很好,激光在皮膚病的治療中占有突出的地位.皮膚科常用的激光有Nd:YAG激光、CO2激光、He-Ne激光和氬激光.目前,激光可用于治療數(shù)十類百余種皮膚病,如:疣與疣狀痣及其它皮膚贅生物、血管瘤及黑色素性皮膚病、皮脂腺囊腫、汗管瘤和皮膚潰瘍等.343.3激光在婦產(chǎn)科的臨床應(yīng)用20多年來,國內(nèi)已將CO2激光用來治療多種宮頸疾病,如宮頸炎、宮頸息肉和宮頸瘤等,還將低功率氦氖激光用于穴位照射治療痛經(jīng)、輸卵管炎性不孕癥和矯正胎位.3.4激光在眼科中的應(yīng)用已知激光視網(wǎng)膜剝離凝固術(shù)(1961年)是開激光醫(yī)學(xué)的先河.目前,在眼科領(lǐng)域中,國內(nèi)各級醫(yī)院也廣泛利用高能激光手術(shù)治療視網(wǎng)膜剝離、切割虹膜和治療青光眼等,利用低能激光照射穴位治療假性近視等各種眼病.打激光，紅光所在點為對焦（準分子激光是紅外光）354.1激光核聚變4.激光在科學(xué)技術(shù)前沿問題中的應(yīng)用

“國家點火裝置”位于加州，投資約合24億英鎊，占地約一個足球場大小?？茖W(xué)家希望該激光器能模仿太陽中心的熱和壓力?！皣尹c火裝置”由192個激光束組成，產(chǎn)生的激光能量將是世界第二大激光器、羅切斯特大學(xué)的激光器的60倍。2010年，192束激光將被匯聚于一個氫燃料小球上，創(chuàng)造核聚變反應(yīng)，打造出微型“人造太陽”。1999年6月，吊裝直徑10米的靶室

(NationalIgnitionFacility）36勞倫斯利弗莫爾國家實驗室鳥瞰圖當激光束的熱和壓力達到足以熔化小圓柱目標中氫原子的時候，所釋能量要比激光本身產(chǎn)生的能量更多。氫彈爆炸和太陽核心會發(fā)生這類反應(yīng)?？茖W(xué)家相信，總有一天通過核聚變而不是核裂變會產(chǎn)生一種清潔安全的能源。激光束進入國家點火裝置的一個小目標球的藝術(shù)概念圖，它會引起核反應(yīng)374.2激光冷卻(lasercooling)和微粒操縱

激光冷卻利用激光和原子的相互作用減速原子運動以獲得超低溫原子的高新技術(shù)。20世紀初人們就注意到光對原子有輻射壓力作用，只是在激光器發(fā)明之后，才發(fā)展了利用光壓改變原子速度的技術(shù)。人們發(fā)現(xiàn)，當原子在頻率略低于原子躍遷能級差且相向傳播的一對激光束中運動時，由于多普勒效應(yīng)，原子傾向于吸收與原子運動方向相反的光子，而對與其相同方向行進的光子吸收幾率較小;吸收后的光子將各向同性地自發(fā)輻射。平均地看來，兩束激光的凈作用是產(chǎn)生一個與原子運動方向相反的阻尼力，從而使原子的運動減緩(即冷卻下來)。381985年美國國家標準與技術(shù)研究院的WilliamD.Phillips和斯坦福大學(xué)的朱棣文首先實現(xiàn)了激光冷卻原子的實驗，并得到了極低溫度(24μK)的鈉原子氣體。他們進一步用三維激光束形成磁光阱將原子囚禁在一個空間的小區(qū)域中加以冷卻，獲得了更低溫度的"光學(xué)粘膠"。之后，許多激光冷卻的新方法不斷涌現(xiàn)，其中較著名的有"速度選擇相干布居囚禁"和"拉曼冷卻"，前者由法國巴黎高等師范學(xué)院的ClaudCohen-Tannodji提出，后者由朱棣文提出，他們利用這種技術(shù)分別獲得了低于光子反沖極限的極低溫度。朱棣文、柯亨-達諾基和菲利浦斯三人也因此而獲得了1997年諾貝爾物理學(xué)獎。激光冷卻有許多應(yīng)用，如:原子光學(xué)、原子刻蝕、原子鐘、光學(xué)晶格、光鑷、玻色-愛因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光譜以及光和物質(zhì)的相互作用的基礎(chǔ)研究等等。39朱棣文得知獲獎后與妻子擁抱時任美國能源部部長的朱棣文404.3激光化學(xué)傳統(tǒng)的化學(xué)過程，一般是把反應(yīng)物混合在一起，然后往往需要加熱(或者還要加壓)。加熱的缺點，在于分子因增加能量而產(chǎn)生不規(guī)則運動，這種運動破壞原有的化學(xué)鍵，結(jié)合成新的鍵，而這些不規(guī)則運動破壞或產(chǎn)生的鍵，會阻礙預(yù)期的化學(xué)反應(yīng)的進行。

414.4超快超強激光：超快超強激光主要以飛秒激光的研究與應(yīng)用為主，作為一種獨特的科學(xué)研究的工具和手段，飛秒激光的主要應(yīng)用可以概括為三個方面，即飛秒激光在超快領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用、在超強領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用和在超微細加工中的應(yīng)用。

飛秒激光在超快現(xiàn)象研究領(lǐng)域中所起到的是一種快速過程診斷的作用。飛秒激光尤如一個極為精細的時鐘和一架超高速的"相機"可以將自然界中特別是原子、分子水平上的一些快速過程分析、記錄下來。飛秒激光在超強領(lǐng)域中的應(yīng)用(又稱為強場物理)歸因于具有一定能量的飛秒脈沖的峰值功率和光強可以非常之高。這樣的強光所對應(yīng)的電磁場會遠大于原子中的庫侖場，從而很容易地將原