激光及其應(yīng)用課件

激光物理教研組激光物理教研組1激光及其應(yīng)用激光(laser)是受激輻射光放大(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)的縮寫。愛因斯坦在1917年研究黑體輻射時，曾預(yù)言受激輻射的存在，直到1960年，梅曼制成世界上第一臺激光器——紅寶石激光器。證明了愛因斯坦預(yù)言的正確性。

LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation即Laser，按照其意義來說應(yīng)當(dāng)為：“受激輻射的光放大”。形象的音譯為“鐳射”，在1964年，根據(jù)錢學(xué)森的建議，將其改稱為“激光”。這也就是我們目前最常見的稱呼了。激光及其應(yīng)用激光(laser)是受激輻射光放大(Lig2激光的發(fā)展過程

遠(yuǎn)在1893年，在波爾多一所中學(xué)任教的物理教師布盧什就已經(jīng)指出，兩面靠近和平行鏡子之間反射的黃鈉光線隨著兩面鏡子之間距離的變化而變化。他雖然不能解釋這一點(diǎn)，但為未來發(fā)明激光發(fā)現(xiàn)了一個極為重要的現(xiàn)象。1917年,愛因斯坦:可通過受激輻射方式發(fā)光.激光是在1960年正式問世的。但是，激光的歷史卻已有100多年。激光的發(fā)展過程遠(yuǎn)在1893年，在波爾多一所中學(xué)任教的物理31958年

美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家肖洛和湯斯發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象：當(dāng)他們將閃光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發(fā)出鮮艷的、始終會聚在一起的強(qiáng)光。由此他們提出了“激光原理”，受激輻射可以得到一種單色性、亮度又很高的新型光源。湯斯和肖洛發(fā)表了關(guān)于激光器的經(jīng)典論文，奠定了激光發(fā)展的基礎(chǔ)。

1958年41960年

1960年，美國人梅曼(T.H.Maiman)發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器。梅曼利用紅寶石晶體做發(fā)光材料，用發(fā)光度很高的脈沖氙燈做激發(fā)光源，獲得了人類有史以來的第一束激光。在此以后,在激光器品種方面,幾乎每年都有新的、關(guān)鍵性的重大突破.1960年1960年，美國人梅曼(T.H.Ma51961年在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室，伊朗物理學(xué)家賈萬研制出了世界上的第一臺氦氖激光器。另外，61年8月，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所由王之江教授負(fù)責(zé)研制成功了我國第一臺紅寶石激光器，比世界上第一臺只晚了18個月?！爸袊す庵浮?。1961年在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室，伊朗物理學(xué)家賈萬研制出了世界上的61962年：研制成功第一臺半導(dǎo)體激光器。1963年：第一臺液體激光器1964年：鎖模激光器1965年：激光參量振蕩器研制成功1966年：制成染料激光器1967年：超短脈沖激光器到目前為止，激光器的品種已達(dá)數(shù)千種之多.1962年：研制成功第一臺半導(dǎo)體激光器。到目前為止，激光7以光作為武器在人類歷史上并非絕無僅有。相傳在公元前215年的第二次布匿戰(zhàn)爭中，西西里島名城敘拉古遭受羅馬艦隊(duì)圍城。城中的偉大的科學(xué)家阿基米德利用自己設(shè)計的拋石器將可燃油料的陶罐拋射到羅馬戰(zhàn)艦之上，然后利用巨大的凸透鏡聚焦太陽光點(diǎn)燃敵船，被稱為“死亡之光”。以至于美國的一位教授將其煞有介事地稱其為“激光武器之父”。阿基米德的這種想法可能來自與他在當(dāng)時的學(xué)術(shù)之都埃及首都亞歷山大里亞留學(xué)時觀看七大奇跡之一的法洛斯燈塔的經(jīng)歷有關(guān)。不管這種傳說是真是假，這座地中海的糧倉還是在3年后陷落在羅馬共和國的鷹旗之下。盡管羅馬將領(lǐng)尊重阿基米德，下令軍隊(duì)要禮待他，不得傷害，但是他還是被一名粗暴的羅馬士兵殺死。于是這個事件也成了政治摧殘科學(xué)的典型。無獨(dú)有偶，公元6世紀(jì)，東羅馬首都君士坦丁堡遭遇圍城，也是依靠巨鏡燒毀敵艦脫險，戰(zhàn)果幾乎可以與摧毀了阿拉伯海軍的拜占庭的秘傳武器“希臘火”相提并論。以光作為武器在人類歷史上并非絕無僅有。相傳在8激光作為武器，有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。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(zhǔn)，幾乎不要什么時間就立刻擊中目標(biāo)，用不著考慮提前量。另外，它可以在極小的面積上、在極短的時間里集中超過核武器100萬倍的能量，還能很靈活地改變方向，沒有任何發(fā)射性污染，因而具有常規(guī)威懾力量。激光作為武器，有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。首先，9

激光武器分為三類：一是致盲型。二是近距離戰(zhàn)術(shù)型，可用來擊落導(dǎo)彈和飛機(jī)。1978年美國進(jìn)行的用激光打陶式反坦克導(dǎo)彈的試驗(yàn)，就是用的這類武器。三是遠(yuǎn)距離戰(zhàn)略型。這類的研制困難最大，但一旦成功，作用也最大，它可以反衛(wèi)星、反洲際彈道導(dǎo)彈，成為最先進(jìn)的防御武器。激光武器的效費(fèi)比是比較高的。在防空武器方面，當(dāng)前主體是導(dǎo)彈，激光武器與之相比消耗費(fèi)用要便宜得多。例如，一枚“愛國者”導(dǎo)彈要60－70萬美元，一枚短程“毒刺”式導(dǎo)彈要2萬美元，而激光發(fā)射一次僅需數(shù)千美元，今后隨著技術(shù)的發(fā)展，激光發(fā)射一次的費(fèi)用可降至數(shù)百美元。激光武器分為三類：一是致盲型。二是近距10機(jī)載激光武器(ABL)，ABL的目標(biāo)是研制裝在經(jīng)過改造的波音747飛機(jī)上安裝激光武器，用于從高空攻擊敵方的戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈。

機(jī)載激光武器(ABL)，ABL的目標(biāo)是研制裝在經(jīng)過改造的波音11激光及其應(yīng)用ppt課件12幾種激光器幾種激光器13CO2激光器CO2激光器14夏普公司發(fā)布了筆記本電腦藍(lán)光或HDDVD光驅(qū)使用的藍(lán)紫色半導(dǎo)體激光器GH04020A4G。其直徑僅3.3mm，是世界上最小的藍(lán)光光頭。

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這類激光器比其他類型更適于產(chǎn)生很大功率的輻射。它的工作機(jī)制與眾不同，它從加速器中獲得幾千萬伏高能調(diào)整電子束，經(jīng)周期磁場，形成不同能態(tài)的能級，產(chǎn)生受激輻射.世界第一臺自由電子激光器于1977年問世，中國第一臺自由電子激光器于1985年問世。自由電子激光器的能量是由外場加速后的自由電子的動能轉(zhuǎn)換而成的。其輸出功率可達(dá)很高水平，在加工、反導(dǎo)、雷達(dá)、通信、光化學(xué)等方面都有很大的用途，所以它一問世就受到各國科技界的重視。

自由電子激光器26第一節(jié)

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(zhì)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)。基態(tài)是最穩(wěn)定的狀態(tài)，通常多數(shù)粒子處在基態(tài)上，當(dāng)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10-9~10-7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(dá)10-3~10-2秒，這樣的激發(fā)態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。

第一節(jié)激光的基本原理一．粒子的能級與輻射躍遷1．粒子的272．輻射躍遷的三種基本過程光與物質(zhì)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(shè)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．輻射躍遷的三種基本過程光與物質(zhì)的相互作用有三種基本過程28受激吸收E1E2hv=E2-E1受激吸收E1E2hv=E2-E1292)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(guān)。特點(diǎn)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303)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，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(diǎn)3)受激輻射：處在高能級E2上的粒子，在一個外來的能量為h31受激輻射E1E2hv

=E2-E1hvhv受激輻射E1E2hv=E2-E1hvhv32

受激輻射發(fā)出的光子是同方向、同頻率、同相位、同偏振的。即受激輻射的結(jié)果是入射一個光子，而出射的卻是完全相同的兩個光子，即光被放大了。這兩個光子又會引起其它原子產(chǎn)生受激輻射。于是在極短的時間內(nèi)激發(fā)出無數(shù)個同樣的光子。這便是激光。受激輻射發(fā)出的光子是同方向、同頻率、同相位、同偏振的。即受33二．粒子數(shù)按能級分布

1.波爾茲曼分布

根據(jù)波爾茲曼分布，在熱平衡條件下，處在高能級上的粒子的數(shù)目總是少于低能級上的粒子的數(shù)目。例如：根據(jù)波爾茲曼分布計算得知，氖原子3s激發(fā)態(tài)與基態(tài)在常溫下(T=300K)，兩能級的粒子數(shù)之比為

N2/N1=e-653<<1這說明，在熱平衡條件下，絕大多數(shù)的粒子都處在基態(tài)，能級能量越高，粒子數(shù)越少。二．粒子數(shù)按能級分布1.波爾茲曼分布根據(jù)波爾茲曼分布，342.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

1)受激輻射與吸收過程的矛盾設(shè)想有一個誘發(fā)光子，欲誘發(fā)受激輻射，由于在熱平衡時，處在高能級上的粒子數(shù)目總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于低能級上的粒子數(shù)目，這樣，誘發(fā)光子遇到低能級上粒子的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高能級上的粒子。因此，吸收過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過受激輻射過程。2)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布為了使受激輻射過程勝過吸收過程，必須破壞粒子數(shù)的熱平衡分布，使得處在高能級上的粒子數(shù)目大于低能級上的粒子數(shù)目，這種分布已不是熱平衡分布了，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)1)受激輻射與吸收過程的矛盾2)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分35粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)條件要有激勵源

激勵抽運(yùn)但粒子在激發(fā)態(tài)的壽命很短,一般為10-11~10-8

S,所以被抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)的粒子很快就會躍遷到基態(tài)。E1E2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)條件要有激勵源激勵抽運(yùn)但粒子在36

要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，必須要有這樣一種物質(zhì)，它具有壽命很長的激發(fā)態(tài)。這種壽命很長的激發(fā)態(tài)，叫亞穩(wěn)態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)的時間可達(dá)到10-3~10-2

S，甚至1秒。要有具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)E1E2E3（亞穩(wěn)態(tài)）激勵抽運(yùn)hv=E2-E1無輻射躍遷要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，必須要有這樣一種物質(zhì)，它具有壽命很長373)能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)——工作物質(zhì)

①有適當(dāng)?shù)哪芗壗Y(jié)構(gòu)，亞穩(wěn)態(tài)②外界提供能量，泵浦(抽運(yùn))。3)能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)——工作物質(zhì)①有適當(dāng)?shù)哪芗壗Y(jié)構(gòu)，38粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)39三．光學(xué)諧振腔

實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，解決了受激輻射與吸收過程的矛盾，但還不能產(chǎn)生激光。要產(chǎn)生激光還需要一個光學(xué)諧振腔。

三．光學(xué)諧振腔實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，解決了受激輻射與吸收過程404.光學(xué)諧振腔在工作物質(zhì)兩端安裝一對嚴(yán)格平行的反射鏡可以“光放大”。4.光學(xué)諧振腔在工作物質(zhì)兩端安裝一對嚴(yán)格平行的反射鏡可以“光41四.激光器

1.激光器的結(jié)構(gòu)

四.激光器1.激光器的結(jié)構(gòu)422.產(chǎn)生激光的必要條件：

①實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)——工作物質(zhì)②使原子被激發(fā)——激勵裝置③實(shí)現(xiàn)光放大——光學(xué)諧振腔2.產(chǎn)生激光的必要條件：①實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)——工作物質(zhì)43第二節(jié).激光的特性特性：1.方向性好，2.亮度高、強(qiáng)度大，3.單色性好，4.相干性好，5.偏振性好。

普通光源的發(fā)光機(jī)理是自發(fā)輻射，就好象擁擠的人群從剛散場的電影院走出，男女不一、高矮各異、衣著萬千；人們有的向東，有的向西，雜亂無章。而激光的發(fā)射機(jī)理是受激輻射，就好象是解放軍的儀仗隊(duì)，身體整齊、衣著統(tǒng)一、步調(diào)一致、向著一個方向前進(jìn)。第二節(jié).激光的特性特性：1.方向性好，2.亮度高、強(qiáng)度大，3441.方向性好激光是受激輻射發(fā)光，且有光學(xué)諧振腔，使得激光基本上沿諧振腔的軸線方向傳播，發(fā)散角很?。桑?0-7弧度），接近于平行光。地球月球38萬公里激光：1公里而最好的普通光源：1000多公里光斑直徑發(fā)散面積相差：100萬倍1.方向性好激光是受激輻射發(fā)光，且有光學(xué)諧振腔，使得激光基本45激光微光束手術(shù)刀，能方便的對細(xì)胞、染色體、遺傳基因等進(jìn)行切割、穿孔、移植、焊接等手術(shù)。1960年世界上第一臺紅寶石激光器問世后，1961年即用于治療視網(wǎng)膜脫落，1963年激光光刀用于腫瘤切割。70年代醫(yī)用激光治療機(jī)在臨床各科得到廣泛應(yīng)用。激光以其特有的優(yōu)越性能解決了許多傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的難題。視網(wǎng)膜剝離眼底血管病變、虹膜切開、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治療。激光手術(shù)刀具有術(shù)中出血少，可減少細(xì)菌感染等優(yōu)點(diǎn)。激光與中醫(yī)針灸術(shù)結(jié)合而形成的“光針”，對鎮(zhèn)痛、哮喘、遺尿、高血壓等有一定療效。應(yīng)用１：激光微光束技術(shù)激光微光束手術(shù)刀，能方便的對細(xì)胞、染色體、遺傳基因等進(jìn)行切割46應(yīng)用２：激光針優(yōu)點(diǎn):①“扎針”時沒有疼痛.②可避免滯針、斷針、交叉感染應(yīng)用３：激光測距測月，誤差：1m應(yīng)用４：激光雷達(dá)

能自動精確跟蹤飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等高速飛行體應(yīng)用５：激光制導(dǎo)武器命中率大大提高

472.亮度高應(yīng)用1:激光武器在軍事領(lǐng)域，激光能量提高，可以制成摧毀敵機(jī)和導(dǎo)彈的光武器。應(yīng)用2:激光致盲武器因?yàn)榧す獾哪芰考性诤苄〉慕嵌葍?nèi)，所以，作為光源，其亮度很高。如：一臺幾毫瓦的氦氖激光器的亮度比太陽光的亮度高幾百倍；一個較亮一點(diǎn)的激光的亮度比太陽表面的亮度還要高100億倍。2.亮度高應(yīng)用1:激光武器因?yàn)榧す獾哪芰考性诤苄〉慕嵌?8應(yīng)用1:激光光波拍頻技術(shù)

可用來測量極其緩慢的速度(每秒移動幾個微米).拍攝鮮花的綻放過程.應(yīng)用2:激光測長可用光波波長作為單位進(jìn)行測量,這種光尺測量準(zhǔn)確，光的單色性越好,測量的最大長度越大.3.單色性好單色性最好的氪燈：5×10-4nm紅色氦氖激光：＜1×10-8nm波長譜線寬度：630~760紅外紫外藍(lán)青綠黃橙紅紫nm白光:應(yīng)用1:激光光波拍頻技術(shù)3.單色性好單色性最好的氪燈：5×494.相干性好物理學(xué)中常用“相干長度”來表示光的相干性,光源的相干長度越長,光的相干性就越好.鈉光：約為0.058cm;單色性最好的普通光源氪燈:38.5cm；激光：幾十~幾百km普通光源發(fā)出的自然光,其相干長度與光波波長具有相同的數(shù)量級；4.相干性好物理學(xué)中常用“相干長度”來表示光的相干性50應(yīng)用1：引發(fā)核聚變利用激光的相干性，將其能量會聚在空間極小的區(qū)域內(nèi)，可用于引發(fā)核聚變。例：若把核燃料做成比芝麻還小的固體微型小球，然后用激光作為點(diǎn)火器去照射它，就可使微型小球加熱到上億攝氏度的高溫，產(chǎn)生的能量密度高達(dá)1015J/cm3。這樣高的能量密度相當(dāng)于幾十噸炸藥在1m3體積內(nèi)爆炸所產(chǎn)生的能量，達(dá)到了原子爆炸時的超高能量密度的數(shù)量級。應(yīng)用1：引發(fā)核聚變51應(yīng)用2：激光全息技術(shù)

而全息照相術(shù)不僅在底片上記錄物光的強(qiáng)弱情況，同時還要把物光的相位記錄下來，即把物光的所有信息全部記錄下來，并通過一定的手續(xù)，“再現(xiàn)”出物體的立體圖像。由于全息照片記錄了景物光波的全部信息，所以再現(xiàn)出來的景象和原來的一模一樣。全息照片再現(xiàn)出來的景象是如此逼真，使人產(chǎn)生身臨其境之感。

普通照相術(shù)，是把從物體表面反射的光或