激光原理五教一層5110室激光概論

What?Why?How?

1917年，愛(ài)因斯坦預(yù)言受激輻射；

40年后,1957年是一個(gè)不平常的年份；蘇聯(lián)發(fā)射世界上第一顆人造地球衛(wèi)星；我國(guó)爆發(fā)了全國(guó)范圍的反右派運(yùn)動(dòng)；貝爾實(shí)驗(yàn)室附近的一個(gè)餐館里，兩個(gè)人在吃飯一個(gè)是哥倫比亞大學(xué)教授，貝爾實(shí)驗(yàn)室顧問(wèn)湯斯(C.Townes)，微波受激輻射放大名人另一個(gè)是貝爾實(shí)驗(yàn)室博士后肖洛(A.Schawlow)

探討如何實(shí)現(xiàn)光波段的受激輻射放大WhatisLaser?WhatisLaser?想專(zhuān)利申請(qǐng)貝爾實(shí)驗(yàn)室：“光波從沒(méi)有對(duì)通訊產(chǎn)生過(guò)重大作用，該項(xiàng)發(fā)明對(duì)貝爾系統(tǒng)的利益幾乎沒(méi)有意義”。1958年12月“PhysicsReview”發(fā)表1960年3月獲得專(zhuān)利權(quán)WhatisLaser?與美國(guó)人的工作齊名的是蘇聯(lián)巴索夫（H.EacoB）和普洛霍洛夫A.M.npoxopob），提出了幾乎相同的原理。世界科學(xué)界引起轟動(dòng)，研制第一臺(tái)激光器競(jìng)賽兩個(gè)人功勞最突出休斯頓實(shí)驗(yàn)室T.H.Maiman（梅曼）梅曼熟悉紅寶石閃光燈照紅寶石,兩端鍍反射膜1960年7月,第一臺(tái)激光器固體（如YAG,紅寶石Al2O3）WhatisLaser?Physicsreviewletter主編認(rèn)為：不可在Physicsreview上發(fā)表。我只發(fā)表重大的、應(yīng)該立即公諸于世的成果。在紐約時(shí)報(bào)上作為一條消息宣布

WhatisLaser?貝爾實(shí)驗(yàn)室A.Javan（賈范）Townes的學(xué)生，介質(zhì)發(fā)光，不懂F－PSchawlow告訴F－P反饋1960年12月HeNe——第一臺(tái)氣體激光器其它氣體（如CO2）1.15μm儀器非線(xiàn)性？波長(zhǎng)：軟x光─紫外─可見(jiàn)─紅外─亞毫米(30nm）（1.22nm）種類(lèi)：氣體（如He-Ne，CO2）按工作物質(zhì)分WhatisLaser?準(zhǔn)分子（如XeCl，KrF，)按工作方式分連續(xù)（CW，功率可達(dá)104W）脈沖（Pulse，瞬時(shí)功率可達(dá)1014W

）半導(dǎo)體（如砷化鎵GaAs）WhatisLaser?液體（如染料）激光很有用WhyshouldIstudyLaser?1激光在基礎(chǔ)科學(xué)研究中的應(yīng)用1.1激光冷卻原子連接1.2激光熒光1.3激光光化學(xué)反應(yīng)1.4激光分離同位素1.5激光飛秒光學(xué)1.6激光測(cè)定年代1.7激光天體物理學(xué)——探求宇宙的起源1.8重力波重力波天線(xiàn)激光干涉儀2激光在通信及信息處理中的應(yīng)用2.1激光通信大氣光通信、衛(wèi)星激光通信、水下激光通信2.2光纖通信2.3激光打印、排版、印刷2.4激光光盤(pán)3激光在軍事技術(shù)中的應(yīng)用3.1激光測(cè)距、雷達(dá)、激光制導(dǎo)、激光導(dǎo)航3.2激光武器、戰(zhàn)術(shù)模擬、光電對(duì)抗WhyshouldIstudyLaser?4激光在生物及醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用4.1生物體的光學(xué)特性4.2激光與生物體的相互作用4.3激光在生物體檢測(cè)、診斷中的應(yīng)用斷層攝影、生物體光譜診斷、共焦點(diǎn)顯微鏡4.4激光在醫(yī)療中的應(yīng)用眼科、皮膚科及整形外科，理療連接5激光在材料加工中的應(yīng)用5.1激光打孔、切割、焊接連接WhyshouldIstudyLaser?7激光在能源、環(huán)境中的應(yīng)用7.1探求無(wú)窮的綠色能源——激光核聚變連接7.2激光大氣檢測(cè)7.3激光引雷、激光驅(qū)霧8激光在土木、建筑中的應(yīng)用7.8.1激光表面處理及剝離7.8.2激光切斷及解體7.8.3激光挖掘WhyshouldIstudyLaser?

激光焊接高能激光（能產(chǎn)生約5500oC的高溫）把大塊硬質(zhì)材料焊接在一起1利用激光高強(qiáng)度、良好的聚焦性(方向性)：控制光柵刻機(jī)等。繪制集成電路圖，如芯片電路的準(zhǔn)確分割，切割(連續(xù)打孔)：調(diào)節(jié)精密電阻，可在大氣中進(jìn)行。迅速、非接觸，焊接(燒熔)：可加工硬質(zhì)合金鉆石等。鉆孔(燒穿)：★加工：效率高，WhyshouldIstudyLaser?

纖維鏡激光光纖……成象

有源纖維強(qiáng)激光……使堵塞物熔化臂動(dòng)脈主動(dòng)脈冠狀動(dòng)脈內(nèi)窺鏡附屬通道有源纖維套環(huán)纖維鏡照明束

附屬通道（可注入氣或液）……排除殘物以明視線(xiàn)

套環(huán)……（可充、放氣）阻止血流或使血流流通

照明束……照亮視場(chǎng)WhyshouldIstudyLaser?★醫(yī)療：激光手術(shù)刀，血管內(nèi)窺鏡，治癌等。用脈沖的染料激光（波長(zhǎng)585nm）處理皮膚色素沉著處理前處理后2利用激光極好的單色性WhyshouldIstudyLaser?

激光核聚變這是激光NOVA靶室，在靶室內(nèi)十束激光同時(shí)聚向一個(gè)產(chǎn)生核聚變反應(yīng)的小燃料樣品上，引發(fā)核聚變。激光——原子力顯微鏡(AFM)

用一根鎢探針或硅探針在距試樣表面幾毫微米的高度上反復(fù)移動(dòng),來(lái)探測(cè)固體表面的情況。試樣通常是微電子器件。激光-原子力顯微鏡（AFM）激光器分束器布喇格室棱鏡檢測(cè)器反饋機(jī)構(gòu)接計(jì)算機(jī)微芯片壓電換能器壓電控制裝置★方向性好★單色性好★高功率★相干性好What’sthespecial?What’sthekeydifference?一.波干涉相干性復(fù)習(xí)二.相干條件三.楊氏實(shí)驗(yàn)四.普通光源發(fā)光特性五.非單色性對(duì)襯比度的影響六.光源的寬度對(duì)襯比度的影響七.從光子角度看問(wèn)題八.從模式角度看問(wèn)題九.光模式與光子態(tài)的關(guān)系十.相干與模式、光子態(tài)一.波干涉S2S1r1r2p減弱條件加強(qiáng)條件相干性相干性二.相干條件1.機(jī)械波相干要求同振動(dòng)方向同振動(dòng)頻率固定的相位差2.光波相干要求光波——橫電磁波同振動(dòng)方向——相同偏振同振動(dòng)頻率——相同顏色固定的相位差——波列長(zhǎng)度兩個(gè)持續(xù)振動(dòng)振動(dòng)持續(xù)性光強(qiáng)三.楊氏實(shí)驗(yàn)相干性三.楊氏實(shí)驗(yàn)p·r1r2xx0xIxkxDdo單色光入射d1000Dλxk

mm光程差：相位差：明紋暗紋加強(qiáng)相干性楊氏雙縫干涉光強(qiáng)分布——干涉花樣若I1=I2

=I0

,則1）平行光垂直照射雙縫時(shí)，屏幕中央為明條紋，兩側(cè)明暗相間條紋平行等間距分布；2）條紋間距x=Dd——條紋寬度；3）利用x、D和d，可求得光波長(zhǎng)4）x，復(fù)色光，中央無(wú)色散，內(nèi)側(cè)紫，外側(cè)紅條紋特點(diǎn)：不太大時(shí)條紋等間距白光的楊氏干涉條紋楊氏雙縫干涉楊氏雙縫干涉襯比度若I1

I2

I02-24-44I002-24-4ImaxImin02-24-4一.波干涉相干性復(fù)習(xí)二.相干條件三.楊氏實(shí)驗(yàn)四.普通光源發(fā)光特性五.非單色性對(duì)襯比度的影響六.光源的寬度對(duì)襯比度的影響七.從光子角度看問(wèn)題八.從模式角度看問(wèn)題九.光模式與光子態(tài)的關(guān)系十.相干與模式、光子態(tài)相干性四.普通光源發(fā)光特性1.光源發(fā)射光波的物體稱(chēng)為光源。熱輻射發(fā)光、電致發(fā)光、光致發(fā)光（熒光、磷光）、化學(xué)發(fā)光、激光等等波列L最基本發(fā)光單元分子原子=(E2-E1)/hE1E2能級(jí)躍遷輻射原子發(fā)光的三種躍遷過(guò)程(方式)hhhhh受激吸收（原子的光激發(fā)）受激輻射（光放大）自發(fā)輻射E!E2吸收前E!E2發(fā)光前吸收后發(fā)光后E!E2發(fā)光前發(fā)光后受激輻射不僅實(shí)現(xiàn)了光放大，而且產(chǎn)生的是相干光

自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射相干性相干性2.普通光源：自發(fā)輻射獨(dú)立(不同原子發(fā)的光)··獨(dú)立(同一原子先后發(fā)的光)可見(jiàn)光是電磁波波長(zhǎng)400~700nm光譜具有單一頻率的光稱(chēng)為單色光.復(fù)色光I0/2I0單色光的光譜曲線(xiàn)光強(qiáng)長(zhǎng)波光譜曲線(xiàn)（I—曲線(xiàn)）L單色光的譜線(xiàn)寬度—五.非單色性對(duì)襯比度的影響相干性I0/2I0光強(qiáng)長(zhǎng)波L有限波列長(zhǎng)度準(zhǔn)單色光==+I|x|O-+諧波K級(jí)K級(jí)K+1級(jí)相干長(zhǎng)度非單色性——大——可測(cè)干涉條紋越少對(duì)應(yīng)條紋消失處真空中相干性最大波程差短波明紋長(zhǎng)波明紋S1S2Sb1b2a1a2波列長(zhǎng)度相干時(shí)間時(shí)間相干性最大干涉級(jí)次六.光源的寬度對(duì)襯比度的影響相干性光源寬度bI非相干疊加+1L0N0M0Lb/2d/2LMNS1S2R六.光源的寬度對(duì)襯比度的影響相干性相干面積相干體積一.波干涉相干性復(fù)習(xí)二.相干條件三.楊氏實(shí)驗(yàn)四.普通光源發(fā)光特性五.非單色性對(duì)襯比度的影響六.光源的寬度對(duì)襯比度的影響七.從光子角度看問(wèn)題八.從模式角度看問(wèn)題九.光模式與光子