激光原理-概述

1、激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)(2014年秋季學(xué)期)張春峰南京大學(xué)物理學(xué)院課程內(nèi)容1.1. 概述：激光發(fā)展概述：激光發(fā)展簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史2.2. 光學(xué)增益光學(xué)增益產(chǎn)生產(chǎn)生的的基本原理基本原理a.a.自發(fā)輻射自發(fā)輻射，受激輻射受激輻射b.b.輻射輻射和原子和原子相互作用相互作用c.c.半導(dǎo)體半導(dǎo)體中的能級(jí)中的能級(jí)躍遷躍遷3.3. 速率方程速率方程4.4. 高斯光束高斯光束與光學(xué)諧振腔與光學(xué)諧振腔5.5. 相干性相干性6.6. 頻域與時(shí)域線寬頻域與時(shí)域線寬7.7. 調(diào)調(diào)Q Q與鎖模與鎖模技術(shù)技術(shù)8.8. 激光頻率轉(zhuǎn)變激光頻率轉(zhuǎn)變 9.9. 典型激光器典型激光器10.10. 激光光譜學(xué)激光光譜學(xué)方法方法參考書

2、目 （第6版）周炳琨，國(guó)防工業(yè)出版社 Principles of Lasers Orazio Svelto APS, AIP, NPG等雜志社期刊知識(shí)儲(chǔ)備普通物理光學(xué)，量子力學(xué)初步考查方式考查方式 期中考試 50% 平時(shí)表現(xiàn) 50% 作業(yè) 25% 項(xiàng)目 25%下半學(xué)期前兩學(xué)時(shí) 課程教學(xué)，第三節(jié)課同學(xué)項(xiàng)目報(bào)告2022-4-105激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)第一章 概 述光：波粒二象性 (wave-particle duality) 2022-4-107Wavelength (m)ScaleFrequency (Hz)Photon & Electromagnetic wave2022-4-

3、108160017001800190020002100萌芽時(shí)期幾何光學(xué)波動(dòng)光學(xué)量子光學(xué)/現(xiàn)代光學(xué)9LASERLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation1、gain medium2、pumping source3、cavity4、output coupler5、laser beamCoherenceSpatial coherenceTemporal coherenceThe foundation of lasersThe great mind曼哈頓計(jì)劃C. TownsThe concept of “stimulated emis

4、sion” (Einstein, 1916)“MASER” (pulse) (Charles H Townes, 1954, with J.Gordon, H. Zeiger)“MASER” (cw) (N. Basov & A. Prokhorov)Nobel Laureates 1964N. Basov A. ProkhorovGordon GouldA. SchawlowC. TownsThe competitionOptical maserLaser(Nobel Laureate 1981)T. MaimanTRGRuby, 1960Pulse red laserU3+:CaF

5、2 (Four level system, 1960)P. Sorokin & M.J. StevensonHeNe (1961)A.Javan2022-4-1013Ruby was ruled out (Wilde & Schalow)Pulse operationAnother episode related to masersT. MaimanLaser OdysseyWillis LambCalifornia Man Invented Death Ray, Laser 科學(xué)家很難判斷研究工作的價(jià)值和影響，愛因斯坦做不到，梅曼也做不到1964: Alexsander M.

6、 Prokhorov, Charles H. Townes, and Nicolay G. Basov (量子電子學(xué)與激光理論,導(dǎo)致激光的實(shí)現(xiàn))。1981: Nicolaas Bloembergen & Arthur L. Schawlow (激光光譜與非線性光學(xué))。Ruby 1960年, 梅曼 (T. Maiman)2022-4-1014Commercial laser sources2022-4-1015Milestones2022-4-1016Nat. Photonics 4, 281 (2010)中國(guó)各類激光器的“第一臺(tái)” 名 稱研制成功時(shí)間 研 制 人 紅寶石激光器1961年

7、9月王之江等He-Ne激光器1963年7月 鄧錫銘等 摻釹玻璃激光器1963年6月干福熹等GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1963年12月王守武等脈沖Ar+激光器1964年10月萬(wàn)重怡等CO2分子激光器1965年9月王潤(rùn)文等CH3I化學(xué)激光器1966年3月鄧錫銘等YAG激光器1966年7月屈乾華等1918, Quanta (Planck)1921, Einstein1947, Stimulated emission in hydrogen (Lamb & Reherford)1950, Optical pump.(Kastler)1964, Maser (Townes, Basov, Pro

8、khorov)1971, Holography (Gabor)1981, Laser spectroscopy & Nonlinear optics (Bloembergen & Schawlow)1989, Atomic clock (Ramsey)1997, Laser cooling and trapping (Chu, Cohen-Tannoudji, & Phillips)1999, Femtochemistry (Zewail)2001, BEC (Cornell, Ketterle, &Wieman)2005, Frequency comb (Ha

9、ll & Hansch); Quantum theory of optical coherence (Glauber)2009, Optical fiber (Kao), CCD (Boyle & Smith)2014, Blue LED (Akasaki, Amano, & Nakamura)Black Body Emission2022-4-1019Max Planck, 19000.00.51.01.52.02.53.03.54.0 R/RWavelength (m) Rayleigh-Jeans Wien Planck2022-4-102050010001500

10、20002500Wavelength (nm) Solar Spectrum Blackbody Emission 5200KMax Planck 190121Light AmplificationAlbert Einstein, 190522Light Amplification23Light Amplification loss spontaneous emissionamplification24Light Amplification25Light Amplification26Light AmplificationFour-level system激發(fā)閾值27NOVA ( LLNL 實(shí)

11、驗(yàn)室)足球場(chǎng)大小740mm口徑100kJ/25ns放大后100TW (100ps) (全球電量3TW)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NLF)-雅典娜 (投資12億美元)Yb:glass 主振-192 路光束放大-1.8 MJThe most powerful laser世界上最小的激光器The University of Texas at Austin，施至剛 教授&臺(tái)灣清華大學(xué)，果尚志 教授Science 337, 450 (2012) 更集成 各種通信用的激光模塊，往往包含十幾個(gè)甚至幾十個(gè)半導(dǎo)體激光器，并且集成了調(diào)制、功率檢測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)等功能模塊。29 更快- 更高的調(diào)制頻率：更高的調(diào)制頻率：GH

12、z；- 更短的脈沖寬度：飛秒激光器更短的脈沖寬度：飛秒激光器(Femtosecond Laser)； 阿秒激光器阿秒激光器(Attosecond Laser) 更多樣化- 多樣化的泵浦方式：光泵浦、電泵浦、化學(xué)能泵浦、多樣化的泵浦方式：光泵浦、電泵浦、化學(xué)能泵浦、熱泵浦等、磁泵浦；熱泵浦等、磁泵浦；- 多樣化的工作物質(zhì)：固體（多樣化的工作物質(zhì)：固體（Nd：YAG）、氣體（）、氣體（He-Ne、CO2）、液體、染料、半導(dǎo)體、自由電子等；）、液體、染料、半導(dǎo)體、自由電子等；302022-4-10312022-4-1032固態(tài)激光器氣體激光器光纖激光器半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器2022-4-1033與

13、普通光的區(qū)別低于振蕩閾值高于振蕩閾值v 極佳單色性v 極高相干性v 極好方向性v 極高強(qiáng)度(極高亮度)時(shí)間相干性空間相干性560 580 600 620560 580 600 620激光器泵浦光強(qiáng)激光光強(qiáng)閾值34激光器 35波長(zhǎng)400nm700nm 同一地點(diǎn)不同時(shí)刻的光之間的相干性 1 / tvLct36相干長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里373 3、： 單位截面和單位立體角內(nèi)發(fā)射的光功率 38pBS SrmW10216BSp脈沖瞬時(shí)功率可達(dá)10 14 W 217W/cm10I可產(chǎn)生108 K的高溫，引起核聚變。激光的亮度可比普通光源高出10121019倍，是目前最亮的光源，強(qiáng)激光甚至可產(chǎn)生上億度的高溫。39

14、（1）大氣激光通信1960年，激光器誕生后幾個(gè)月后，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家試驗(yàn)成功大氣光通信，距離為25英里。缺點(diǎn)：由于天氣和障礙物的影響，加上地球表面為球形，光的直線傳播距離很短。激光通信（2）空間激光通信在接近真空的環(huán)境下進(jìn)行的激光通信，如衛(wèi)星和衛(wèi)星之間的通信。優(yōu)點(diǎn)：激光在真空中傳播衰減小，可用小功率激光器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。 （3）水下通信。利用波長(zhǎng)為0.460.53m的蘭綠色激光（能穿透幾百到幾千米海水）在海水中進(jìn)行通信。（4）激光光纖通信：讓載有信號(hào)的激光束通過光導(dǎo)纖維傳輸至對(duì)方以實(shí)現(xiàn)通信的方法。激光全息（1）全息照相普通照相僅僅記錄光波的強(qiáng)度，丟失了光波的相位信息；全息照相借助于物體的物光

15、和另外一束簡(jiǎn)單的參考光的干涉，同時(shí)記錄來自物體光波的振幅和相位，也就是記錄了光波所承載的全部信息。具有長(zhǎng)相干長(zhǎng)度的激光誕生后，開始了全息的新紀(jì)元。（2）全息防偽激光醫(yī)學(xué)（1）強(qiáng)激光治療利用激光的光熱效應(yīng)對(duì)組織進(jìn)行凝固、汽化或切割，從而消除病變。出血少，操作定為精確，非接觸，無菌，對(duì)周圍組織損傷小。人體組織75%以上是水臨床上最早用于強(qiáng)激光治療的激光器有CO2激光器，Nd:YAG激光和Ar+激光。CO2激光，10.6um，廣泛用于治療皮膚科、婦科、普外科多種疾病，如色素痣，老年斑等。Ho:YAG激光，2.062.09um，接近水在2.0um附近的吸收峰，具有理想的切割、汽化和凝聚組織止血效果，可

16、以通過光纖傳導(dǎo)，應(yīng)用于各內(nèi)窺鏡手術(shù)，如食道、胃、腸鏡下治療息肉。Ar+激光器，血紅蛋白是人體組織中的另一種主要吸光基團(tuán),血紅蛋白對(duì)Ar+ 激光(488nm、514nm)的吸收率高,所以Ar+ 激光凝固作用好,切割作用差。激光近視眼校正用準(zhǔn)分子激光通過對(duì)角膜瓣下基質(zhì)層進(jìn)行屈光性切削，從而降低瞳孔區(qū)的角膜曲率，達(dá)到矯正近視的目的。 （2）弱激光治療弱激光又稱為低強(qiáng)度、低水平激光.弱激光作用于生物組織時(shí),不造成生物組織不可逆的損傷,但可以刺激機(jī)體產(chǎn)生一系列的生理生化反應(yīng),對(duì)組織或機(jī)體起到調(diào)節(jié)、增強(qiáng)或抑制的作用,從而達(dá)到治病的目的.機(jī)制目前不是很清晰。激光理療，用于口腔潰瘍、甲溝炎和皮膚帶狀皰疹等。激

17、光針灸治療，包括損傷、甲狀腺功能亢進(jìn)、高血脂和高血壓等。用于弱激光治療的激光器波長(zhǎng)632.8nm 的He-Ne激光波長(zhǎng)630690nm 半導(dǎo)體激光器和波長(zhǎng)780980nm半導(dǎo)體激光器激光光動(dòng)力治療利用激光的光化學(xué)效應(yīng),即在有氧條件下光敏劑經(jīng)激光激發(fā)后,經(jīng)過一系列光化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生大量活性氧物質(zhì),從而損傷靶組織達(dá)到治療的目的。臨床診斷技術(shù)激光多普勒技術(shù)，利用多普勒效應(yīng)，測(cè)定局部組織的血流。光學(xué)相干斷層成像（OCT）技術(shù)：它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測(cè)生物組織不同深度層面對(duì)入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號(hào)，通過掃描，可得到生物組織二維或三維結(jié)構(gòu)圖像。 新能源（激光核聚變）神光III激光裝置能量100kJ/0.35um (60TW)脈寬：3ns完成時(shí)間：2012“激光核聚變與高功率激光：歷史與進(jìn)展”，物理39卷，589 （2010）非線性光學(xué)1961年，F(xiàn)ranken，第一個(gè)倍頻實(shí)驗(yàn)Phys. Rev. Lett. 7, 118 (1961) “Generation of Optical Harmonics”光參量振蕩光學(xué)自聚焦光學(xué)相位共軛光學(xué)雙穩(wěn)