光彩奪目的新光源激光第1頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三一、激光產(chǎn)生原理LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation受激輻射的光放大什么是激光?Laser

激光(意譯)1964年10月錢學(xué)森起名鐳射(音譯)第2頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三1、普通光源的發(fā)光——

受激吸收和自發(fā)輻射第3頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三受激吸收:物質(zhì)在受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時，原子中的電子就會吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級。自發(fā)輻射:被激發(fā)到高能級（E2)的電子壽命很短（一般為10－8～10－9秒），在沒有外界作用下會自發(fā)地向低能級（E1）躍遷，躍遷時將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為hυ=E2－

E1

。受激吸收自發(fā)輻射第4頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三自發(fā)輻射的特點是：各個原子（或分子）的輻射都是自發(fā)的、隨機地、獨立地進行的，他們所發(fā)出的光波在發(fā)射方向、偏振狀態(tài)和初位相上都是各不相同的。自發(fā)輻射第5頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三宏觀：水往低處流,能量越低越穩(wěn)定。微觀：原子處于低能級的幾率大于高能級。

溫度增高，原子處于高能級的幾率增加在通常熱平衡條件下，能量較低能級上的原子數(shù)目較多，能量較高能級上的原子數(shù)目很少，其中基態(tài)原子數(shù)最多。第6頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三2、激光產(chǎn)生原理——

受激輻射受激輻射根據(jù)量子力學(xué)，描述電子的能級狀態(tài)有:主量子數(shù)

n，n＝1，2，3，…軌道量子數(shù)l

，且

l＝0，1，2，…，（n－1）躍遷規(guī)則：Δl=±1第7頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三亞穩(wěn)態(tài)能級亞穩(wěn)態(tài)能級：如果選擇規(guī)則不滿足，則躍遷的幾率很小，甚至接近零。在原子中可能存在這樣一些能級，一旦電子被激發(fā)到這種能級上時，由于不滿足躍遷的選擇規(guī)則，可使它在這種能級上的壽命很長，不易發(fā)生自發(fā)躍遷到低能級上。這種能級稱為亞穩(wěn)態(tài)能級第8頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三初始狀態(tài)受激輻射亞穩(wěn)態(tài)能級激光發(fā)光機制圖解在外加光的誘發(fā)和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級，并放出光子。這種過程是被“激”出來的，故稱受激輻射。(1)受激輻射第9頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三

入射一個光子，得到兩個全同光子(全同的意思是光子的發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都相同），繼而得到更多的全同光子,稱為光放大。無數(shù)個全同光子組成激光。

激光——

受激輻射的光放大LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation第10頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三(2)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級的數(shù)目比低能級上的多，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。亞穩(wěn)態(tài)能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)受激輻射第11頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三介質(zhì)中實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，是制造獲得激光的必要條件。亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的前提。受激輻射無輻射躍遷激勵受激輻射激勵三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)第12頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三以紅寶石激光器為例說明激光的形成第13頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三紅寶石激光器形成激光的理論解釋第14頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三二、激光簡史和我國的激光技術(shù)1917年,愛因斯坦提出受激輻射概念

1958年，美國兩位微波領(lǐng)域的科學(xué)家湯斯（C.H.Townes）和肖洛（A.I.Schawlaw)發(fā)表著名論文《紅外與光學(xué)激射器》，指出了受激輻射為主的發(fā)光的可能性，以及必要條件是實現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。

1958年，蘇聯(lián)科學(xué)家巴索夫和普羅霍羅夫發(fā)表了《實現(xiàn)三能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光器建議》論文。第15頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三1959年9月湯斯又提出了制造紅寶石激光器的建議……1960年5月15日加州休斯實驗室的梅曼（T.H.Maiman）制成了世界上第一臺紅寶石激光器，獲得了波長為694.3nm的激光。1964年，湯斯、巴索夫和普羅霍夫由于對激光研究的貢獻分享了諾貝爾物理學(xué)獎。第16頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第17頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三1961年8月，中國第一臺紅寶石激光器于在中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所研制成功。1987年6月，1012W的大功率脈沖激光系統(tǒng)——

神光裝置，在中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所研制成功。第18頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三三、激光器結(jié)構(gòu)1、激光工作介質(zhì)氣體、液體、固體或半導(dǎo)體亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，介質(zhì)中可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。不同工作介質(zhì)產(chǎn)生不同波長的激光。激光光譜:紫外～遠紅外第19頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三2、激勵源

——

目的是使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)電激勵；光激勵；熱激勵；化學(xué)激勵激勵也叫泵浦或抽運第20頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三3、光學(xué)諧振腔

——進行光放大，選擇輸出光的方向的容器第21頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第22頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三四、激光器的種類按工作介質(zhì)的不同來分類，可以分為固體激光器氣體激光器液體激光器半導(dǎo)體激光器根據(jù)激光輸出方式的不同又可分為連續(xù)激光器脈沖激光器

(脈沖激光的峰值功率可以非常大)

第23頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三1、固體激光器特點：器件小、堅固、使用方便、輸出功率大工作介質(zhì)：是在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子。

除了前面介紹用紅寶石和釹玻璃激光器外，常用的還有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm的近紅外激光。功率：固體激光器一般連續(xù)功率可達100W以上，脈沖峰值功率可達109W。

第24頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三2、氣體激光器特點：結(jié)構(gòu)簡單、造價低；操作方便；工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好；以及能長時間較穩(wěn)定地連續(xù)工作。工作介質(zhì)：氦－氖氣體(632.8nm紅光)、二氧化碳氣體(9600nm紅外線)、氬氣(488nm、514.5nm藍綠光)。激勵方式：高壓氣體放電(電子碰撞激發(fā)原子)

是目前品種最多、應(yīng)用廣泛的一類激光器占有市場達60％左右。其中，氦－氖激光器是最常用的一種。第25頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三3、半導(dǎo)體激光器特點：體積小、質(zhì)量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單而堅固。工作介質(zhì)：半導(dǎo)體材料激勵方式：光泵浦、電激勵

目前較成熟的是砷化鎵激光器，發(fā)射840nm的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻硫化鋅等激光器。在70年代末期后，由于光纖通訊和光盤技術(shù)的發(fā)展大大推動了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展(CD，VCD，DVD)。

第26頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三光盤讀寫原理第27頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三4、液體激光器特點：輸出波長連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬是它的優(yōu)點，使它也得到廣泛應(yīng)用。工作介質(zhì)：有機染料

大多數(shù)情況是把有機染料溶于溶劑中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長激光（在可見光范圍）。激勵方式：染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。第28頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三五、激光的特性及應(yīng)用1、激光的特性(3)單色性好：激光是一種單色光，頻率范圍極窄。

單色光：波長范圍很窄的一段輻射，一般小于幾個埃。(4)相干性好：組成激光的光子是全同的，即它們頻率相同、振動方向相同、相位一致。(1)方向性強：幾乎是一束平行線。激光在諧振腔中兩反射鏡面來回反射，若光束偏離軸線，多次反射就會逸出腔外。其偏離軸線的發(fā)散角θ僅為10-3弧度。(2)亮度高：激光是集中在某一方向上的，能量集中亮度高。第29頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第30頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三2、激光的應(yīng)用(1)激光武器國外已有一種紅寶石袖珍式激光槍，外形和大小與美國的派克鋼筆相當。但它能在距人幾米之外燒毀衣服、燒穿皮肉，且無聲響，在不知不覺中致人死命。并可在一定的距離內(nèi)，使火藥爆炸，使夜視儀、紅外或激光測距儀等光電設(shè)備失效。第31頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三1975年11月，美國的兩顆監(jiān)視導(dǎo)彈發(fā)射井的偵察衛(wèi)星在飛抵西伯利亞上空時，被前蘇聯(lián)的“反衛(wèi)星”陸基激光武器擊中，并變成“瞎子”。

1982年英阿馬島戰(zhàn)爭中，英國在航空母艦和各類護衛(wèi)艦上就安裝有激光致盲武器，曾使阿根廷的多架飛機失控、墜毀或誤入英軍的射擊火網(wǎng)。第32頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三

據(jù)英國《星期日泰晤士報》報道，美國一名發(fā)明家最近研制出新概念“致僵”武器，這種非致命武器依靠“致僵射線”，即利用紫外激光器發(fā)出光束來，在空氣中電離出一條通道使電流導(dǎo)向目標，使被擊中者周身肌肉神經(jīng)抽搐、痙攣，直至僵硬而喪失活動能力，進而丟掉武器束手就擒。激光致僵武器第一次應(yīng)用是美國田納西州警方緝捕綁架人質(zhì)的罪犯。第33頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三

激光武器的優(yōu)點

1．無需進行彈道計算

2．無后座力

3．操作簡便，機動靈活，使用范圍廣

4．無放射性污染，效費比高第34頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三激光在農(nóng)學(xué)上的應(yīng)用育種的兩種方法：自發(fā)突變、誘發(fā)突變自發(fā)突變：大面積種植，尋找優(yōu)良品種，逐年篩選。誘發(fā)突變：失重突變、核輻射突變、激光突變等多種方法。第35頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

激光手術(shù)刀

1、手術(shù)時間快；

2、出血少；

3、可進行各種形態(tài)的切口；

4、能量集中，對周圍正常組織不會造成損傷；

5、“手術(shù)刀”不與組織直接接觸，不會引起細菌感染。

6、低功率激光照射穴位，起到針灸作用。第36頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用激光眼科:所用的激光是脈沖激光，時間很