第四章激光技术 第一节特殊光源的诞生 、爱因斯坦的理论贡献 激光是一种特殊性能的光。1917 年,爱因斯坦提出了受激辐射的概念。 Eoh 受激辐射具有非常独特的性质:受激 hy 辐射产生的光的振动频率、偏振方向 和传播方向都和引发产生受激辐射的· 光子完全一样。 受激辐射原理 二、第一束激光的获得 1958年,美国科学家肖洛和汤斯发表了“红外区和光学激射 器”的论文,指出了实现以受激辐射为主的可能性,并给出了实 现这个愿望需要满足的条件,为激光研究领域翻开了新的篇章。 1960年5月15日,美国加利福尼亚州休斯实验室的“梅曼”宣布 以红宝石晶体做发光材料,用脉冲氙灯做激发光源,获得了波长 为06943微米的激光。同年7月7日,该公司宣布激光器诞生。激 光被称为20世纪最重大的科学发现之
第四章 激光技术 第一节 特殊光源的诞生 一、爱因斯坦的理论贡献 激光是一种特殊性能的光。1917 年，爱因斯坦提出了受激辐射的概念。 受激辐射具有非常独特的性质：受激 辐射产生的光的振动频率、偏振方向 和传播方向都和引发产生受激辐射的 光子完全一样。 二、第一束激光的获得 1958年，美国科学家肖洛和汤斯发表了“红外区和光学激射 器”的论文，指出了实现以受激辐射为主的可能性，并给出了实 现这个愿望需要满足的条件，为激光研究领域翻开了新的篇章。 1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的“梅曼”宣布 以红宝石晶体做发光材料，用脉冲氙灯做激发光源，获得了波长 为0.6943微米的激光。同年7月7日，该公司宣布激光器诞生。激 光被称为20世纪最重大的科学发现之一 • E2 •• hv hv • E1 • 受激辐射原理 •
·梅曼图片 梅曼,美国物理学家。 红宝石激光器 1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器。 它标志着激光技术的诞生
• 梅曼图片
钱学森为“激光”取名 激光的愿意是“受激发射的辐射光放大” ( LASER),音译“莱塞”。台湾及新加坡、马来西 亚等地的华人学术界则音译为“雷射或镭射” 1964年10月,著名科学家钱学森提议称为“激光” 四、我国激光的发展 1961年8月,中国第一台激光器—“小球照明红宝石” 在中国科学院长春光学精密机械研究所诞生,设计师是 王之江教授,中国光学界尊称他为“中国激光之父”。 钱学春 王之江
三、钱学森为“激光”取名 • 激光的愿意是“受激发射的辐射光放大” （LASER），音译“莱塞” 。台湾及新加坡、马来西 亚等地的华人学术界则音译为“雷射或镭射” • 1964年10月，著名科学家钱学森提议称为“激光” 。 四、我国激光的发展 • 1961年8月，中国第一台激光器—“小球照明红宝石” 在中国科学院长春光学精密机械研究所诞生，设计师是 王之江教授，中国光学界尊称他为“中国激光之父” 。 钱学森 王之江
1963年,中国计量研究所开始激光稳频的研究。稳频激光 器,是建立激光频标—“尺子”的基础。1978年研究成功的氦 氖(HeNe)激光器,其稳定度和再现性都非常高。1980年又 研制成功“碘稳频激光器”,波长为612纳米(1nm=10m), 该波长被第17界国际计量大会通过,作为实现新长度单位“米” 的国际波长标准,确定了光速统一标准,C=299792458米/秒。 1987年,中科院西安光机所研制成功“环形染料激光器”, 脉冲宽度仅19飞秒(10-15秒),创造了世界窄光脉冲的最新记录; 1989年,又研制成功脉冲宽度仅21~500飞秒的连续可调激光器, 超过了美国贝尔实验室的水平。1987年,中科院上海光机所建立 了1兆兆瓦(1012瓦)大型高功率激光系统—神光装置,为我国 的激光核聚变研究提供了强光源。 1993年,北京大学研究成功“自由电子激光器”,其波长覆 盖从微波、红外、可见光、紫外及X射线的一个很宽的电磁辐射波 段。自由电子激光器可用于治疗人类的死敌一癌症;可用于分 离同位素,如生产同位素铀—235,为核电站提供原料。 1998年,吉林大学物理系高锦岳教授在“无粒子数反转条件 下的光放大”研究方而取得了成功,为新刑激光器的发展尊定
• 1963年，中国计量研究所开始激光稳频的研究。稳频激光 器，是建立激光频标——“尺子”的基础。1978年研究成功的氦— 氖（He—Ne）激光器，其稳定度和再现性都非常高。 1980年又 研制成功“碘稳频激光器” ，波长为612纳米（1nm=10-9m）， 该波长被第17界国际计量大会通过，作为实现新长度单位“米” 的国际波长标准，确定了光速统一标准，C=299792458米/秒。 • 1987年，中科院西安光机所研制成功“环形染料激光器” ， 脉冲宽度仅19飞秒（10-15秒），创造了世界窄光脉冲的最新记录； 1989年，又研制成功脉冲宽度仅21～500飞秒的连续可调激光器， 超过了美国贝尔实验室的水平。1987年，中科院上海光机所建立 了1兆兆瓦（1012瓦）大型高功率激光系统——神光装置，为我国 的激光核聚变研究提供了强光源。 • 1993年，北京大学研究成功“自由电子激光器” ，其波长覆 盖从微波、红外、可见光、紫外及X射线的一个很宽的电磁辐射波 段。自由电子激光器可用于治疗人类的死敌——癌症；可用于分 离同位素，如生产同位素铀—235，为核电站提供原料。 • 1998年，吉林大学物理系高锦岳教授在“无粒子数反转条件 下的光放大”研究方面取得了成功，为新型激光器的发展奠定了 基础
第二节激光的特殊性能 1定向发光因为激光器的光学谐振腔具有选 择作用(只放大沿光轴运动的辐射),所以激光就像 一条直线,基本上只朝一个方向发射。激光的发射角 小于103—106弧度,称的上是严格的平行光 s=2ct 激光测距仪
第二节 激光的特殊性能 • 1.定向发光 —— 因为激光器的光学谐振腔具有选 择作用（只放大沿光轴运动的辐射），所以激光就像 一条直线，基本上只朝一个方向发射。激光的发射角 小于10-3—10-6弧度，称的上是严格的平行光。 • s=2ct 激光测距仪
2亮度极高一亮度表示光源在某个方向上发光能力的大小 其光束发散角越小,亮度就越高。一台能量几毫瓦的氦一氖 (HeNe)激光器产生的激光比太阳亮百倍,用红宝石激光可 以照亮月球表面。近年来研制出的最新激光,要比太阳表面亮度 高出一百亿倍以上,激光器能利用特殊技术,在极短的时间内 (比如一万亿分之一秒)辐射出巨大的能量,当它会聚在一点时, 可产生几百万度,甚至几千万度的高温。我国科学家王淦昌研 究利用强激光引发轻核聚变,取得了一定成果 王淦昌院士 中斛大kt5聚变实验装置
• 2.亮度极高 —— 亮度表示光源在某个方向上发光能力的大小， 其光束发散角越小，亮度就越高。一台能量几毫瓦的氦—氖 （He—Ne）激光器产生的激光比太阳亮百倍，用红宝石激光可 以照亮月球表面。近年来研制出的最新激光，要比太阳表面亮度 高出一百亿倍以上，激光器能利用特殊技术，在极短的时间内 (比如一万亿分之一秒)辐射出巨大的能量，当它会聚在一点时， 可产生几百万度，甚至几千万度的高温。我国科学家 王淦昌研 究利用强激光引发轻核聚变，取得了一定成果。 王淦昌院士 • 中科大kt-5核聚变实验装置
3单色性好—光的单色性好,即是光的颜色纯。 光的颜色是由光的波长决定的,从红色到紫色,频率逐 渐增大,波长逐渐减小。(太阳光由红,橙,黄,绿, 青,蓝,紫七色光组成)光的单色性好坏通常用波长范 围(即波谱的带宽)△λ来衡量,一般把△入小于几十 nm的一段辐射称为单色光,发射单色光的光源称为单 色光源,HeNe激光器产生的红色激光,△入小于10 6nm。 5、闪光时间(脉冲时间)极短。现在的脉冲激光 的闪光时间可以达到小于10-13秒数量级。 比工求具一(%
• 3.单色性好—— 光的单色性好，即是光的颜色纯。 光的颜色是由光的波长决定的，从红色到紫色，频率逐 渐增大，波长逐渐减小。（太阳光由红，橙，黄，绿， 青，蓝，紫七色光组成）光的单色性好坏通常用波长范 围（即波谱的带宽）△λ来衡量，一般把△λ小于几十 nm的一段辐射称为单色光，发射单色光的光源称为单 色光源，He—Ne激光器产生的红色激光，△λ小于10- 6nm。 • 5、闪光时间（脉冲时间）极短。现在的脉冲激光 的闪光时间可以达到小于10-13秒数量级
4相干性好—当用手将池中的水激起水波,并使这 些水波的波峰与波峰相叠时,水波的起伏就会加剧,这 种现象就叫干涉,能产生干涉现象的波叫干涉波。根据 光的干涉知识可知,两束或两束以上的光束相遇时能发 生干涉现象(在光束相交的区域,产生明暗相间的干涉 条纹)的条件是:频率相同、振动方向相同和有固定的 相位差。把能够产生干涉现象的光波称为相干光,激光 是极好的相干光。 物理学家通常用相干长度来表示光的相干性,光源的相干长 度越长,光的相干性越好,激光的相干长度可达几十千米 白光干涉条纹 单色光干涉条纹
• 4.相干性好——当用手将池中的水激起水波，并使这 些水波的波峰与波峰相叠时，水波的起伏就会加剧，这 种现象就叫干涉，能产生干涉现象的波叫干涉波。根据 光的干涉知识可知，两束或两束以上的光束相遇时能发 生干涉现象（在光束相交的区域，产生明暗相间的干涉 条纹）的条件是：频率相同、振动方向相同和有固定的 相位差。把能够产生干涉现象的光波称为相干光，激光 是极好的相干光。 物理学家通常用相干长度来表示光的相干性，光源的相干长 度越长，光的相干性越好，激光的相干长度可达几十千米。 白光干涉条纹 单色光干涉条纹
第三节激光原理和常见激光器E(o 1.原子的能级原子的内能 n=4 是量子化的,即只能取一系列不连 n=3 续的分立值,把分立的原子能量值 n=2 称为原子的能级。原子最低的能级 称为基态,其余的能级均称为激发 态。 氢原子能级处于基态的原子, 13.6 若受到外界作用获得能量,则从基 氢原子能级 态变为激发态,该过程称为激发; 而处于激发态的原子若把能量释放 出一部分,则原子就从激发态变 为基态或其它能量较低的激发态,该过程称为跃迁。激发或跃迁过 程都必须满足关系: △E=E2-E 其中三2是高能级的能量,E1是低能级的能量。在热平衡态下,处 于高能级E2上的粒子数N2比低能级E上的粒子数N1少,这种分布 是原子能级上的正常分布
第三节 激光原理和常见激光器 • 1．原子的能级 原子的内能 是量子化的，即只能取一系列不连 续的分立值，把分立的原子能量值 称为原子的能级。原子最低的能级 称为基态，其余的能级均称为激发 态。 • 氢原子能级处于基态的原子， 若受到外界作用获得能量，则从基 态变为激发态，该过程称为激发； 而处于激发态的原子若把能量释放 出一部分，则原子就从激发态变 为基态或其它能量较低的激发态，该过程称为跃迁。激发或跃迁过 程都必须满足关系： △E = E2 — E1 其中E2是高能级的能量，E1 是低能级的能量。在热平衡态下，处 于高能级E2上的粒子数N2 比低能级E1上的粒子数N1少，这种分布 是原子能级上的正常分布。 E（ev） n=4 n=3 n=2 • • -13.6 n=1 • 氢原子能级
2、光的自发辐射、受激吸收和受激辐射 处于激发态的原子从高能级E2自发跃迁到低能级E的同时 发射出一个频率为v,能量为△E=hv=E2E1的光子,该过程就 是自发辐射 处于低能级E1的原子若吸收一个能量为hv的光子而跃迁到高 能级E2上的过程则称为受激吸收。 处于激发态的原子,若受到一个能量为hv的外来光子的激发, 就会辐射一个与入射光子完全一样的光子,同时跃迁到低能级上 去,该过程称为受激辐射 激光就是靠原子的受激辐射产生的。 自发辐射 受激吸收 受激辐射
• 2、光的自发辐射、受激吸收和受激辐射 处于激发态的原子从高能级E2自发跃迁到低能级 E1 的同时 发射出一个频率为ν，能量为△E =hν= E2—E1的光子，该过程就 是自发辐射。 处于低能级E1的原子若吸收一个能量为hν的光子而跃迁到高 能级E2上的过程则称为受激吸收。 处于激发态的原子，若受到一个能量为hν的外来光子的激发， 就会辐射一个与入射光子完全一样的光子，同时跃迁到低能级上 去，该过程称为受激辐射。 激光就是靠原子的受激辐射产生的。 自发辐射 受激吸收 受激辐射