激光原理及技術(shù)：第1章 緒論

激光原理與技術(shù)參考書

《激光原理及應(yīng)用》陳家璧

《激光原理》周炳琨

《激光原理與技術(shù)》閻吉祥主要內(nèi)容激光發(fā)展簡(jiǎn)史及激光特性激光產(chǎn)生的基本原理光學(xué)諧振腔與激光模式高斯光束激光工作物質(zhì)的增益特性激光器的工作特性激光特性的控制與改善典型激光器第1章緒論激光也是光，它是光的一部分提到激光時(shí)腦海中的第一印象？

激光是20世紀(jì)以來(lái)，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的亮度為太陽(yáng)光的100億倍。“激光”Laser——LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation

激光的最初的中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各單詞頭一個(gè)字母組成的縮寫詞。意思是"通過(guò)受激發(fā)射光擴(kuò)大"。激光的英文全名已經(jīng)完全表達(dá)了制造激光的主要過(guò)程。1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。17世紀(jì)—對(duì)光的本性的探求：波動(dòng)說(shuō)：以一定方式沿空間傳輸?shù)牟▌?dòng)過(guò)程，惠更斯、虎克；微粒說(shuō)：以經(jīng)典方式運(yùn)動(dòng)著的微小粒子，牛頓；19世紀(jì)：光的波動(dòng)本性有了進(jìn)一步發(fā)展電磁場(chǎng)理論、麥克斯韋方程組1.1激光發(fā)展史19世紀(jì)下半葉發(fā)展起來(lái)的電磁場(chǎng)理論能夠解釋光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和雙折射等現(xiàn)象；然而到了20世紀(jì)初，出現(xiàn)了黑體輻射、原子線狀光譜、光電效應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)和康普頓散射等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這些涉及到光與物質(zhì)相互作用時(shí)能量與動(dòng)量交換特征的現(xiàn)象無(wú)法用當(dāng)時(shí)的經(jīng)典理論來(lái)解釋。1900年，Planck提出了能量量子化概念，并因此獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1905年，愛(ài)因斯坦提出光子假說(shuō)并成功解釋了光電效應(yīng)，并因此獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；"inrecognitionoftheservicesherenderedtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquanta""forhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect"1913年，玻爾(Bohr)借鑒了普朗克的量子概念提出了全新的原子結(jié)構(gòu)模型，并因此獲得1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1917年，愛(ài)因斯坦在玻爾的原理結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了受激輻射理論，為激光的出現(xiàn)奠定了理論的基礎(chǔ)；"forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthem"1947年，Lamb(蘭姆)和Reherford(雷瑟福)在氫原子光譜中發(fā)現(xiàn)了明顯的受激輻射，這是受激輻射第一次被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Lamb由于在氫原子光譜研究方面的成績(jī)獲得1955年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1950年，法國(guó)物理學(xué)家Kastler(卡斯特勒)提出了光學(xué)泵浦的方法，兩年后該方法被實(shí)現(xiàn)。他因?yàn)樘岢隽诉@種利用光學(xué)手段研究微波諧振的方法而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。"forhisdiscoveriesconcerningthefinestructureofthehydrogenspectrum""forthediscoveryanddevelopmentofopticalmethodsforstudyingHertzianresonancesinatoms"1951年,Townes(湯斯)提出受激輻射微波放大，即MASER的概念。1954年，第一臺(tái)氨分子Maser建成，首次實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，其主要作用是放大無(wú)線電信號(hào)，以便研究宇宙背景輻射。Townes由于在受激輻射放大方面的成就獲得1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。"forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple"突破1958年Schawlow和Townes在Phy.Rev.上發(fā)表論文“InfraredandOpticalMaser”，標(biāo)志著激光作為一種新事物登上了歷史舞臺(tái)。1960年5月17日，休斯實(shí)驗(yàn)室的Maiman和Lamb共同研制的紅寶石激光器發(fā)出了694.3nm的紅色激光，這是公認(rèn)的世界上第一臺(tái)激光器。但是現(xiàn)在大家記得梅曼，不記得lamb1960年年中，IBM實(shí)驗(yàn)室利用CaF2中的三價(jià)鈾制成了第一臺(tái)四能級(jí)固體激光器；Cu3+1960年12月，Bell實(shí)驗(yàn)室的Javan，Bennett和Herriott制成了第一臺(tái)氦氖氣體激光器632nm；1962年，GaAs半導(dǎo)體激光器；1963年，液體激光器；1964年，CO2激光器；1964年，離子激光器；1964年，Nd：YAG固體激光器；1965年，HCl化學(xué)激光器；1966年，生物染料激光器；激光武器實(shí)驗(yàn)室有3個(gè)橄欖球場(chǎng)大1999年6月，吊裝直徑10米的靶室激光束進(jìn)入國(guó)家點(diǎn)火裝置的一個(gè)小目標(biāo)球的藝術(shù)概念圖，它會(huì)引起核反應(yīng)國(guó)家點(diǎn)火裝置靶室的內(nèi)部國(guó)家點(diǎn)火裝置靶室內(nèi)一個(gè)靶的靶定位裝置和靶校直系統(tǒng)激光玻璃調(diào)和板激光點(diǎn)火2014.2.12日，美國(guó)核聚變技術(shù)取得突破創(chuàng)造出“微型太陽(yáng)”其結(jié)果發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上。論文第一作者、勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)物理學(xué)家哈瑞肯(OmarHurricane)說(shuō)，他們?cè)谌澜绶秶鷥?nèi)首次實(shí)現(xiàn)了燃料輸出能量大于輸入能量。神光III1980-2030年激光加工激光通信激光治療其他條碼掃描照明、成像通訊娛樂(lè)1.2激光的特性1、高方向性：由于激光特殊的發(fā)光機(jī)理及光學(xué)諧振腔對(duì)光傳播方向的限制作用，激光光束的方向性較之普通光源強(qiáng)百萬(wàn)倍。激光束在幾km之外形成的光斑直徑僅幾個(gè)cm，它射到距地球38萬(wàn)km的月球上時(shí)，光束擴(kuò)散的直徑不到1km；而普通光源則將散開(kāi)幾百km以上。2、單色性：由于激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)只能在有限的能級(jí)間進(jìn)行，故相應(yīng)產(chǎn)生的激光只能在有限的光譜范圍能產(chǎn)生，再加上光學(xué)諧振腔有選頻作用，使得激光的單色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通光源。例如He—Ne激光器發(fā)射波長(zhǎng)為6328?，線寬Δl≤10-7?,而普通光源中單色性最好的氪(Kr86)等波長(zhǎng)為6057?，線寬Δl＝4.7×10-3?，二者相差幾萬(wàn)倍。

正是由于激光具有上述優(yōu)越的特性，使得它在科學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)活動(dòng)中獲得了極為廣泛的應(yīng)用。例如利用其方向性和高亮度的特點(diǎn)，可以進(jìn)行激光加工、激光通信、激光手術(shù)、激光武器、激光核聚變；利用其單色性和相干性，可以進(jìn)行激光測(cè)量、激光全息、激光干涉；在科學(xué)研究方面，可以利用激光產(chǎn)生的超高溫，超高壓、超高場(chǎng)強(qiáng)等一系列極端條件來(lái)發(fā)現(xiàn)一些新的現(xiàn)象和規(guī)律，開(kāi)展諸如非線性光學(xué)、激光生物學(xué)等方面的研究。3、相干性：由于激光器發(fā)射的光子在相位上彼此相關(guān)，能形成穩(wěn)定的干涉圖樣。故激光器是一種非常好的相干光源。4、高亮度：由于激光的方向性好，有利于將