第一講-激光簡介

1、第一講第一講激光簡介激光簡介1. 1. 激光發(fā)展史概述激光發(fā)展史概述2. 2. 激光的基本特點激光的基本特點3. 3. 激光基本原理簡介激光基本原理簡介4. 4. 激光的應用激光的應用本講主要內容本講主要內容 激激 光光 Light Amplication by stimulated Emission of Radiation- Laser “ “光的受激輻射放大光的受激輻射放大”“激光激光”錢學森在錢學森在19641964年提出年提出 “萊塞”、“光激射器” 、“光受激輻射放大器”; ”鐳射鐳射”激光的發(fā)明簡述 從歷史來看，任何科學發(fā)明或科學發(fā)現(xiàn)，都不外是兩條道路：一是自然界業(yè)已存在，當人們

2、自覺或不自覺地發(fā)現(xiàn)以后再產生理論，并加 以證明和利用，如萬有引力、氧氣、電磁等，這種情況稱為“科學發(fā)現(xiàn)”；二是自然界（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、預測，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“科學發(fā)明”。而后者則更 有科學理論性和挑戰(zhàn)性，激光的誕生過程就是屬于后者。 光物理的基礎研究孕育了激光器的誕生光物理的基礎研究孕育了激光器的誕生19世紀的科學家們進行了關于電磁波的卓越的研究世紀的科學家們進行了關于電磁波的卓越的研究1905年愛因斯坦提出了光量子和光電效應的概念，年愛因斯坦提出了光量子和光電效應的概念，揭示了輻射的波粒二象性揭示

3、了輻射的波粒二象性 1916年愛因斯坦提出了受激輻射的概念年愛因斯坦提出了受激輻射的概念1900年普朗克引入的能量量子的概念年普朗克引入的能量量子的概念 基礎性、探基礎性、探索性研究索性研究激光器發(fā)明簡述激光器發(fā)明簡述光物理的基礎研究孕育了激光器的誕生光物理的基礎研究孕育了激光器的誕生1954年研制成第一臺微波激射器年研制成第一臺微波激射器(Maser) 1958年美國的湯斯、肖洛等提出了激光的概念和理論設計年美國的湯斯、肖洛等提出了激光的概念和理論設計 1960年美國的梅曼研制成功第一臺紅寶石激光器；賈萬年美國的梅曼研制成功第一臺紅寶石激光器；賈萬等人研制成氦氖激光器。等人研制成氦氖激光器。

4、我國的第一臺激光器于我國的第一臺激光器于1961年在長春光機所創(chuàng)制成功年在長春光機所創(chuàng)制成功 1960年年7月，世界第一臺紅寶石固態(tài)激月，世界第一臺紅寶石固態(tài)激光器問世，標志了激光技術的誕生。光器問世，標志了激光技術的誕生。美國休斯公司實驗室美國休斯公司實驗室梅曼梅曼演示的。演示的。波長為波長為694.3nm的激光的激光 至此，一門新的科學至此，一門新的科學技術技術量子電子學中的激量子電子學中的激光技術以科學史上罕見的高光技術以科學史上罕見的高速度向前發(fā)展！速度向前發(fā)展！ 激光是激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明。體之后，人類的

5、又一重大發(fā)明。u 四十多年來，激光器的品種迅速增加。四十多年來，激光器的品種迅速增加。固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器、化學激光器、固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器、化學激光器、自由電子激光器等等。自由電子激光器等等。u 中、小功率器件中、小功率器件高功率、高能量激光器；高功率、高能量激光器；u 工作模式多種多樣。工作模式多種多樣。超短脈沖、短脈沖、準連續(xù)、連續(xù)等。超短脈沖、短脈沖、準連續(xù)、連續(xù)等。激光器的發(fā)展激光器的發(fā)展應用越來越廣泛！應用越來越廣泛！ 波長：波長：極紫外極紫外可見光可見光亞毫米亞毫米 (100 n m ） （1.222 m m ）1961年年

6、 2月（月（A.Javan）研制成了）研制成了 HeNe混合氣體激光器?；旌蠚怏w激光器。 有人提出了有人提出了Q調制技術，調制技術， 并制成第一臺調并制成第一臺調Q激光器。激光器。 為什么要調Q？ 制成了釹玻璃脈沖激光器。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)布砷化年美國三個研究小組幾乎同時分別發(fā)布砷化鎵（鎵（GaAs）半導體激光器運轉的報道。）半導體激光器運轉的報道。 僅19611962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典理論。年建立了激光的半經典理論。 對激光的頻率特性和功率特性進行了比較完對激光的頻率特性和功率特性進行了

7、比較完 善的探討。善的探討。 1964年研制成了年研制成了 氬離子（氬離子（Ar+）離子氣體激光器）離子氣體激光器 二氧化碳氣體激光器二氧化碳氣體激光器 化學激光器（化學激光器（HF氟化氫）氟化氫） 摻釹的釔鋁石榴石固體激光器摻釹的釔鋁石榴石固體激光器 1965年實現(xiàn)了鈮酸鋰光學參量振蕩器，借助年實現(xiàn)了鈮酸鋰光學參量振蕩器，借助 半經典理論預言了半經典理論預言了鎖模鎖模效應的存在。效應的存在。 1966年研制成了固體鎖模激年研制成了固體鎖模激 光器獲得了超短脈沖。光器獲得了超短脈沖。為什么要鎖模？為什么要鎖模？1970年研制成了準分子激光器。年研制成了準分子激光器。1977年研制成了紅外波段的

8、自由電子激光器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（年研制出光孤子激光器（SL）因對激光及其應用的創(chuàng)造性貢獻而先后獲諾貝爾物理學獎因對激光及其應用的創(chuàng)造性貢獻而先后獲諾貝爾物理學獎的科學家共有的科學家共有1010位位. .我國激光器的發(fā)展“在起步階段我國的激光技術發(fā)展迅速，無論是數(shù)量還是質量，都和當時國際水平接近，一項創(chuàng)新性技術能夠如此迅速趕上世界先進行列，在我國近代科技發(fā)展史上并不多見。 ”摘自中科院上海光機所范滇元院士中國激光技術的發(fā)展現(xiàn)狀以及展望 ( built in 1986 2beam /f f200mm, 1.6KJ/1w/w/1ns ) )美

9、國電話電報公司貝美國電話電報公司貝爾實驗室的研究人員于爾實驗室的研究人員于1992年研制出當時世界上年研制出當時世界上最小的固體激光器它在掃最小的固體激光器它在掃描電子顯微鏡下看起來就描電子顯微鏡下看起來就像一個個微型圖釘，其直像一個個微型圖釘，其直徑只有徑只有2至至10微米。在一微米。在一個大頭針的針頭上，可以個大頭針的針頭上，可以裝下裝下1萬個這樣的新型半萬個這樣的新型半導體激光器。導體激光器。1990年美國年美國研制成功畸變量子阱激光研制成功畸變量子阱激光器，開關速度達器，開關速度達280億次億次/秒，這是激光器有史以來秒，這是激光器有史以來達到的最高速度。達到的最高速度。方向性好單色性

10、好相干性好高亮度激光的四個基本特點激光激光特點：特點：1 1 方向性好方向性好 （發(fā)散角（發(fā)散角10 -4弧度）弧度）一束激光射到一束激光射到38萬萬km的月的月球上，光斑的直徑只有球上，光斑的直徑只有2km手電筒的光射到手電筒的光射到m處，處，擴展成很大的光斑。擴展成很大的光斑。 利用激光準直儀可使利用激光準直儀可使長為長為2.5km的隧道掘進偏的隧道掘進偏差不超過差不超過16nm.激光準直、導向和測距 2 2 單色性好單色性好單色性最好的氪燈單色性最好的氪燈Kr86 =4.710-3 nm 穩(wěn)頻穩(wěn)頻HeNe激光器激光器 910 nm激光的激光的 單色性比普通光高單色性比普通光高 倍倍. .

11、1010精密度儀器測量 激勵某些化學反應 3 3 能量集中能量集中 脈沖瞬時功率大脈沖瞬時功率大（可達（可達10 14瓦）瓦）亮度極高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，比太陽倍。普通的激光器的輸出亮度，比太陽表面的亮度大表面的亮度大10億倍。激光是當今世界億倍。激光是當今世界上高亮度的光源。上高亮度的光源。激光打孔、切割、焊接和激光外科手術 激光的能量在空間上、在

12、時間上高度集中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光能量不僅在空間上高度集中，同時在時間上也可集中，同時在時間上也可高度集中，因而可以在一高度集中，因而可以在一瞬間產生出巨大的光熱。瞬間產生出巨大的光熱。在工業(yè)上，在工業(yè)上，激光打孔、切割和焊接。醫(yī)激光打孔、切割和焊接。醫(yī)學上視網膜凝結和進行外科手術。在測學上視網膜凝結和進行外科手術。在測繪方面，可以進行地球到月球之間距離繪方面，可以進行地球到月球之間距離的測量和衛(wèi)星大地測量。在軍事領域，的測量和衛(wèi)星大地測量。在軍事領域，可以制成摧毀敵機和導彈的激光武器可以制成摧毀敵機和導彈的激光武器4 4 相干性好相干性好l空間相干性好

13、，有的激光波面上各個點幾乎都是相干光源?？臻g相干性好，有的激光波面上各個點幾乎都是相干光源。l時間相干性好（時間相干性好（ 10 - 8埃），相干長度可達幾十公里。埃），相干長度可達幾十公里。全息照相 信息技術激光的基本原理 一粒子的能級與輻射躍遷 1粒子的能級 組成物質的原子、分子等粒子總是處于一定的能態(tài)或能級，能量最低的能態(tài)稱為基態(tài)，其它能量較高的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)?；鶓B(tài)是最穩(wěn)定的狀態(tài)，通常多數(shù)粒子處在基態(tài)上，當一粒子獲得一定的能量躍遷到某一激發(fā)態(tài)時，它在激發(fā)態(tài)上停留的時間一般很短，其平均壽命大約在10-910-7秒。有些粒子的某些激發(fā)態(tài)壽命較長，平均壽命大約可達10-310-2秒，這樣的激發(fā)

14、態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。 2 2輻射躍遷的三種基本過程光與物質的相互作用有三種基本過程，這就是光的吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。 1)吸收：假設E1、E2為某個粒子的兩個能級，如圖所示。一個處在較低能級E1上的粒子，吸收一個能量hn E2-E1的光子，躍遷到較高的能級E2上，這一過程稱為光的吸收。 2)自發(fā)輻射：處在高能級上的粒子可以自發(fā)地輻射光子而躍遷到較低的能級，這種過程稱為自發(fā)輻射。如圖所示，自發(fā)輻射光子的能量hn E2-E1。 自發(fā)輻射發(fā)出的光子的傳播方向、振動方向、初相位彼此無關。特點 3)受激輻射：處在高能級E2上的粒子，在一個外來的能量為hn E2-E1的光子的誘發(fā)下，躍遷到能量較低的能級E1

15、，同時釋放出一個與誘發(fā)光子完全相同的光子的過程稱為受激輻射。 受激輻射發(fā)出的光子的頻率、傳播方向、振動方向、初相位與誘發(fā)光子相同。 特點激光受激輻射放大普通光源自發(fā)輻射因此，激光的單色性好、相干性好、方向性單色性好、相干性好、方向性好、亮度高好、亮度高！三、激光的應用三、激光的應用各種科學和技術領域應用激光形成了一系列新各種科學和技術領域應用激光形成了一系列新的交叉學科和應用技術領域：的交叉學科和應用技術領域：信息光電子技術、激光醫(yī)療與光子生物學、激光加工、信息光電子技術、激光醫(yī)療與光子生物學、激光加工、激光檢測與計量、激光全息技術、激光光譜分析技術、激光檢測與計量、激光全息技術、激光光譜分析

16、技術、非線性光學、超快光子學、激光化學、量子光學、激非線性光學、超快光子學、激光化學、量子光學、激光雷達、激光制導、激光分離同位素、激光可控核聚光雷達、激光制導、激光分離同位素、激光可控核聚變、激光武器等等。變、激光武器等等。激光已經成為信息時代的心臟！激光已經成為信息時代的心臟！激光已經成為社會進步的推動力！激光已經成為社會進步的推動力！激光已經成為人類現(xiàn)代生活的重要組成部分！激光已經成為人類現(xiàn)代生活的重要組成部分！1、 激光測距、激光雷達和激光準直激光測距、激光雷達和激光準直2、 激光用于農業(yè)激光用于農業(yè)3、 激光用于加工領域激光用于加工領域4、 激光用于醫(yī)療領域激光用于醫(yī)療領域5、 激光

17、通信激光通信6、 激光與能源激光與能源7、 激光舞臺與激光唱片激光舞臺與激光唱片8、激光用于物理學基礎研究（用激光產生沖擊波、激光用于物理學基礎研究（用激光產生沖擊波等）等）朱棣文等發(fā)明了用激光冷卻原子的方法，并因此朱棣文等發(fā)明了用激光冷卻原子的方法，并因此獲得獲得1997年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎9、 發(fā)展中的激光武器發(fā)展中的激光武器激光焊接激光焊接：汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。目前使用的激光器有YAG (釔鋁石榴石)激光器，CO2激光器和半導體泵浦激光器。激光切割激光切割：汽車行業(yè)、計算機、電氣機殼、木刀模業(yè)、

18、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機件用銅板、一些金屬網板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。 激光打標激光打標：在各種材料和幾乎所有行業(yè)均得到廣泛應用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導體泵浦激光器。激光打孔激光打孔：激光打孔主要應用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。國內目前比較成熟的激光打

19、孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主，也有一些準分子激光器、同位素激光器和半導體泵浦激光器。 激光熱處理激光熱處理：在汽車工業(yè)中應用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時在航空航天、機床行業(yè)和其它機械行業(yè)也應用廣泛。我國的激光熱處理應用遠比國外廣泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器為主。激光快速成型激光快速成型：將激光加工技術和計算機數(shù)控技術及柔性制造技術相結合而形成。多用于模具和模型行業(yè)。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2

20、激光器為主。激光涂敷激光涂敷：在航空航天、模具及機電行業(yè)應用廣泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器為主。1) 產品創(chuàng)新CAD驗證；2) 產品功能驗證；3) 零件裝配關聯(lián)測試與結構分析；4) 與客戶或供貨商的交流手段；5) 制作快速模具的母模 激光化學：激光化學：傳統(tǒng)的化學過程，一般是把反應物混合在一起，傳統(tǒng)的化學過程，一般是把反應物混合在一起，然后往往需要加熱然后往往需要加熱(或者還要加壓或者還要加壓)。加熱的缺點，在于分子。加熱的缺點，在于分子因增加能量而產生不規(guī)則運動，這種運動破壞原有的化學鍵，因增加能量而產生不規(guī)則運動，這種運動破壞原有的化學鍵，結合成新的鍵，而這些不

21、規(guī)則運動破壞或產生的鍵，有時會結合成新的鍵，而這些不規(guī)則運動破壞或產生的鍵，有時會阻礙預期的化學反應的進行。阻礙預期的化學反應的進行。但是如果用激光來指揮化學反應，不僅能克服上述不規(guī)但是如果用激光來指揮化學反應，不僅能克服上述不規(guī)則運動，而且還能獲得更大的好處。這是因為則運動，而且還能獲得更大的好處。這是因為激光攜帶著高激光攜帶著高度集中而均勻的能量，可精確地打在分子的鍵上度集中而均勻的能量，可精確地打在分子的鍵上，比如利用，比如利用不同波長的紫外激光，打在不同波長的紫外激光，打在硫化氫硫化氫等分子上，改變兩激光束等分子上，改變兩激光束的相位差，則控制了該分子的斷裂過程。也可利用改變激光的相位

22、差，則控制了該分子的斷裂過程。也可利用改變激光脈沖波形的方法，十分精確和有效地把能量打在分子身上，脈沖波形的方法，十分精確和有效地把能量打在分子身上，觸發(fā)某種預期的反應。觸發(fā)某種預期的反應。 激光化學的應用非常廣泛。制藥工業(yè)是第一個得益的領域。應用激光化學技術，不僅能加速藥物的合成，而又可把不需要的副產品剔在一旁，使得某些藥物變得更安全可靠，價格也可降低一些。又如，利用激光控制半導體，就可改進新的光學開關，從而改進電腦和通信系統(tǒng)。激光化學雖然尚處于起步階段，但其前景十分光明。激光醫(yī)療：激光醫(yī)療：激光在醫(yī)學上的應用分為兩大類：激光診斷激光在醫(yī)學上的應用分為兩大類：激光診斷與激光治療，前者是以激光

23、作為信息載體，后者則以激與激光治療，前者是以激光作為信息載體，后者則以激光作為能量載體。多年來，激光技術已成為臨床治療的光作為能量載體。多年來，激光技術已成為臨床治療的有效手段，也成為發(fā)展醫(yī)學診斷的關鍵技術。它解決了有效手段，也成為發(fā)展醫(yī)學診斷的關鍵技術。它解決了醫(yī)學中的許多難題，為醫(yī)學的發(fā)展做出了貢獻?，F(xiàn)在，醫(yī)學中的許多難題，為醫(yī)學的發(fā)展做出了貢獻?，F(xiàn)在，在基礎研究、新技術開發(fā)以及新設備研制和生產等諸多在基礎研究、新技術開發(fā)以及新設備研制和生產等諸多方面都保持持續(xù)的、強勁的發(fā)展勢頭。方面都保持持續(xù)的、強勁的發(fā)展勢頭。當前激光醫(yī)學的出色應用研究主要表現(xiàn)在以下當前激光醫(yī)學的出色應用研究主要表現(xiàn)在

24、以下方面：光動力療法治癌；激光治療心血管疾?。粶史矫妫汗鈩恿Ο煼ㄖ伟?；激光治療心血管疾??；準分子激光角膜成形術；激光治療前列腺良性增生；分子激光角膜成形術；激光治療前列腺良性增生；激光美容術；激光纖維內窺鏡手術；激光腹腔鏡手激光美容術；激光纖維內窺鏡手術；激光腹腔鏡手術；激光胸腔鏡手術；激光關節(jié)鏡手術；激光碎石術；激光胸腔鏡手術；激光關節(jié)鏡手術；激光碎石術；激光外科手術；激光在吻合術上的應用；激光術；激光外科手術；激光在吻合術上的應用；激光在口腔、頜面外科及牙科方面的應用；弱激光療法在口腔、頜面外科及牙科方面的應用；弱激光療法等。等。超快超強激光：超快超強激光：超快超強激光主要以飛秒激光的研究

25、與應用為主，作為一種獨特的科學研究的工具和手段，飛秒激光的主要應用可以概括為三個方面，即飛秒激光在超快領域內的應用、在超強領域內的應用和在超微細加工中的應用。 飛秒激光在超快現(xiàn)象研究領域超快現(xiàn)象研究領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。飛秒激光在飛秒激光在超強領域中超強領域中的應用的應用(又稱為強場又稱為強場物理物理)歸因于具有一定能量的飛秒脈沖的峰值功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。這樣的強光所對應的率和光強可以非常之高。這樣的強光所對應的電磁場會

26、遠大于原子中的庫侖場，電磁場會遠大于原子中的庫侖場，從而很容易從而很容易地將原子中的電子統(tǒng)統(tǒng)剝落出去。地將原子中的電子統(tǒng)統(tǒng)剝落出去。因此，飛秒因此，飛秒激光是研究原子，分子體系高階非線性、多光激光是研究原子，分子體系高階非線性、多光子過程的重要工具。與飛秒激光相應的能量密子過程的重要工具。與飛秒激光相應的能量密度只有在核爆炸中才可能存在。飛秒強光可以度只有在核爆炸中才可能存在。飛秒強光可以用來產生相干用來產生相干X射線和其它極短波長的光，可以射線和其它極短波長的光，可以用于受控核聚變的研究。用于受控核聚變的研究。飛秒激光用于飛秒激光用于超微細加工超微細加工是飛秒激光用于超是飛秒激光用于超快現(xiàn)象

27、研究和超強現(xiàn)象研究之外的又一個飛秒激快現(xiàn)象研究和超強現(xiàn)象研究之外的又一個飛秒激光技術的重要的應用研究領域。這一應用是近幾光技術的重要的應用研究領域。這一應用是近幾年才開始發(fā)展起來的，目前已有了不少重要的進年才開始發(fā)展起來的，目前已有了不少重要的進展。與飛秒超快和飛秒超強研究有所不同的是飛展。與飛秒超快和飛秒超強研究有所不同的是飛秒激光超微細加工與先進的制造技術緊密相關，秒激光超微細加工與先進的制造技術緊密相關，對某些關鍵工業(yè)生產技術的發(fā)展可以起到更直接對某些關鍵工業(yè)生產技術的發(fā)展可以起到更直接的推動作用。的推動作用。飛秒激光超微細加工飛秒激光超微細加工是當今世界激是當今世界激光、光電子行業(yè)中的一個極為引人注目的前沿研光、光電子行業(yè)中的一個極為引人注目的前沿研究方向。究方向。激光武器：激光武器：利用沿一定方向發(fā)射的激光束攻擊目標的定向能武器，具有快速、靈活、精確和抗電磁干擾等優(yōu)異性能，在光電對抗、防空和戰(zhàn)略防御中可發(fā)揮獨特作用。激光作為武器，有很多獨特的優(yōu)點。首先，它可以用光速飛行，每秒30萬公里，任何武器都沒有這樣高的速度。它一旦瞄準，幾乎不要什么時間就立刻擊中目標，用不著考慮提前量。另外