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激 光 原 理

激 光 原 理. 黄楚云. E-Mail ： chuyunh@163.com Tel: 13554379977. 绪论. 先修科目 几何光学 物理光学 量子力学 参考书目 激光技术，科学出版社，蓝信矩等编 量子电子学，科学技术出版社， 1983 年版 Amnon Yariv ，刘颂豪 等译 激光原理与激光技术 ，北工大出版社，俞宽新编 激光原理 ，浙江大学出版社， 陈钰清 Principles of Lasers, Orazio Svelto, Plenum Press, 1998. 绪论. 绪论. 提到激光时脑海中的第一印象？. 绪论.

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激 光 原 理

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Presentation Transcript

  1. 激 光 原 理 黄楚云 E-Mail：chuyunh@163.com Tel: 13554379977

  2. 绪论 先修科目 • 几何光学 • 物理光学 • 量子力学 • 参考书目 • 激光技术，科学出版社，蓝信矩等编 • 量子电子学，科学技术出版社，1983年版 Amnon Yariv，刘颂豪 等译 • 激光原理与激光技术 ，北工大出版社，俞宽新编 • 激光原理，浙江大学出版社， 陈钰清 • Principles of Lasers, Orazio Svelto, Plenum Press, 1998

  3. 绪论

  4. 绪论 • 提到激光时脑海中的第一印象？

  5. 绪论 • 什么是激光？ • LASER： • Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation • 激光： • 受激辐射光放大 • 死光：叶永烈《珊瑚岛上的死光》 • 镭射：LASER的音译

  6. 绪论之激光发展史 • 史前时代 • 17世纪—对光的本性的探求： • 波动说：以一定方式沿空间传输的波动过程，惠更斯、虎克； • 微粒说：以经典方式运动着的微小粒子，牛顿； • 19世纪： • 光的波动本性有了进一步发展 • 电磁场理论、麦克斯韦方程组

  7. 绪论之激光发展史 • 19世纪下半叶发展起来的电磁场理论能够解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和双折射等现象； • 然而到了20世纪初，出现了黑体辐射、原子线状光谱、光电效应、光化学反应和康普顿散射等实验现象，这些涉及到光与物质相互作用时能量与动量交换特征的现象无法用当时的经典理论来解释。

  8. 绪论之激光发展史 • 黎明前的黑暗 • 1900年，Planck提出了能量量子化概念，并因此获得1918年诺贝尔物理学奖； • 1905年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效应，并因此获得1921年诺贝尔物理学奖； "in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta" "for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect"

  9. 绪论之激光发展史 • 1913年，玻尔(Bohr)借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的原子结构模型，并因此获得1922年诺贝尔物理学奖； • 1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础； • 1928年，Landenburg证实了受激辐射和“负吸收”的存在； "for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them"

  10. 绪论之激光发展史 • 1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖； • 1950年，Kastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝尔奖。 "for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum" "for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms"

  11. 绪论之激光发展史 • 1951年,Townes提出受激辐射微波放大，即MASER的概念。 • 1954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背景辐射。Townes由于在受激辐射放大方面的成就获得1964年诺贝尔物理学奖。 "for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle"

  12. 绪论之激光发展史 • 突破 • 1958年Schawlow和Townes在Phy. Rev. 上发表论文“Infrared and Optical Maser”，标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。 • 1960年5月，休斯实验室的Maiman和Lamb共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。

  13. 绪论之激光发展史 • 1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第一台四能级固体激光器； • 1960年12月，Bell实验室的Javan，Bennett和Herriott制成了第一台氦氖气体激光器； • 1962年，GaAs半导体激光器； • 1963年，液体激光器； • 1964年，CO2激光器； • 1964年，离子激光器； • 1964年，Nd：YAG固体激光器； • 1965年，HCl化学激光器； • 1966年，生物染料激光器； • 从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到1960年第一台激光器诞生，其间用了近半个世纪，而实际上却没有太多理论上的突破，为什么激光器没有早半个世纪诞生？

  14. 绪论之激光发展现状 • 发展 • 更大 • 为了进行高能物理、热核聚变等方面的研究工作，激光器产生的能量密度和功率不断提高。 • 现在世界上功率最大的激光器是美国的国家点火工程（NIF）中使用的NOVA激光系统，其峰值功率达到1.3PW（1015W），该系统有望在今年投入使用。

  15. 绪论之激光发展现状 • 更小 • 各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器或者半导体泵浦固体激光器向着小型化方向发展；

  16. 绪论之激光发展现状 • 更集成 • 各种通信用的激光模块，往往包含十几个甚至几十个半导体激光器，并且集成了调制、功率检测、温度监测等功能模块。

  17. 绪论之激光发展现状 • 更快 • 更高的调制频率：GHz； • 更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecond Laser)； • 更多样化 • 多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、热泵浦等、磁泵浦； • 多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体（He-Ne、CO2）、液体、染料、半导体、自由电子等；

  18. 绪论之激光理论体系 • 经典理论（Classical Laser Theory） • 电磁场－麦克斯韦方程组；原子－电偶极振子 • 半经典理论（Semiclassical Laser Theory） • 电磁场－麦克斯韦方程组；原子－量子力学描述 • 量子理论（Quantum Laser Theory） • 电磁场和原子——二者作为一个统一的物理体系作量子化处理 • 速率方程理论（Rate Equation Theory） • 量子理论的简化形式，忽略光子的相位特性和光子数的起伏特性

  19. 绪论之激光发展现状 • 激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上的量子理论，在原则上可以描述激光器的全部特性； • 不同近似程度的理论用来描述激光器的不同层次的特性，每种近似理论都揭示出激光器的某些特性，因此可以根据具体应用选择合适的近似理论； • 本课程主要用到的理论是经典理论和速率方程。

  20. 绪论之激光应用 • 从科幻到现实 • 第一个描述激光的作品？ • 威尔斯在1898年的小说《世界大战》（火星人入侵）：“由某种方式在非传导的小室中产生酷热，用抛物镜将其变成平行光，射向目标，这些射线不是可见光，而是某种热……” • CO2激光器，由CO2作为工作物质，通过放电激发产生10.6um的红外激光，肉眼不可见，其输出方式多为抛物镜构成的反射望远镜系统； • 火星大气充满CO2，并且有强烈的大气放电（闪电），因此可能存在天然的激光；

  21. 绪论之激光应用 • 工业应用： • 切割：速度快、无接触、精度高、切缝光滑； • 焊接：焊接点均匀、美观、精度高； • 表面处理； • 芯片刻蚀等。

  22. 绪论之激光应用 • 医疗： • 最早的激光医疗应用：1961年12月在哥伦比亚长老会医院用红宝石激光器进行了视网膜肿瘤治疗； • 肿瘤治疗； • 眼科手术：视网膜焊接、近视治疗； • 美容； • 外科手术等。 • 科研： • 全息成像、非线性光学等需要高相干性、大功率光源的项目； • 可控核聚变； • 光镊、冷冻原子

  23. 绪论之激光应用 • 确定地月距离 • 登月是20世纪最大的骗局？ • 阿波罗15号在登月时带上了一套特别设备——大型角反射器，用来反射从地球发射过来的激光光束，通过记录往返时间来计算地月距离。 • 激光发散角很小，其光斑半径在月面上小于1km，而普通探照灯的光斑在月面上会大于月球的直径。

  24. 绪论之激光应用 • 军事 • 激光测距 • 直接摧毁 • 激光制导

  25. 绪论之激光应用 • 其他 • 条码扫描 • 照明、成像 • 通讯 • 娱乐

  26. 绪论之激光应用 要求： 1.积极预习； 2.认真复习； 3.独立完成作业。 师生共同努力，学好激光原理！

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