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1、激光原理,盛新志五教一层5110室,激光概论,What?Why?How?,1917年，爱因斯坦预言受激辐射；40年后,1957年是一个不平常的年份；苏联发射世界上第一颗人造地球卫星；我国爆发了全国范围的反右派运动；贝尔实验室附近的一个餐馆里，两个人在吃饭一个是哥伦比亚大学教授，贝尔实验室顾问汤斯(C.Townes)，微波受激辐射放大名人另一个是贝尔实验室博士后肖洛(A.Schawlow)探讨如何实现光波段的受激辐射放大,What is Laser?,汤斯的设想：一个玻璃盒，充满铊蒸汽，铊灯照射，激励铊原子发光；玻璃盒壁，象金属波导对微波一样，反射铊原子发出的光波；反射会受激铊蒸汽的光，引起受激
2、辐射放大,What is Laser?,肖洛认为：钾会更好一些 没必要去照搬微波放大器的结构两块相对放置的反射镜就可以了激光器的三个基本组成部分：工作物质、激励源、光学谐振腔,What is Laser?,想专利申请贝尔实验室：“光波从没有对通讯产生过重大作用，该项发明对贝尔系统的利益几乎没有意义”。1958年12月“Physics Review”发表 1960年3月获得专利权,What is Laser?,与美国人的工作齐名的是苏联巴索夫（H.EacoB）和普洛霍洛夫），提出了几乎相同的原理。世界科学界引起轰动，研制第一台激光器竞赛两个人功劳最突出休斯顿实验室（梅曼）梅曼熟悉红宝石闪光灯照红
3、宝石,两端镀反射膜,1960年7月,第一台激光器固体（如YAG,红宝石Al2O3）,What is Laser?,Physics review letter主编认为：不可在Physics review上发表。我只发表重大的、应该立即公诸于世的成果。在纽约时报上作为一条消息宣布,What is Laser?,贝尔实验室A.Javan（贾范）Townes的学生，介质发光，不懂FPSchawlow告诉 FP反馈 1960年12月 HeNe第一台气体激光器,其它气体（如CO2）,1.15m 仪器非线性？,波长：软x光紫外可见红外亚毫米,(30 n m）（1.22nm）,种类：,固体（如红宝石，YAG，
4、蓝宝石）,按工作物质分,What is Laser?,波长：软x光紫外可见红外亚毫米,(30 n m）（1.22nm）,种类：,气体（如He-Ne，CO2）,按工作物质分,What is Laser?,准分子（如XeCl，KrF，),按工作方式分,连续（CW，功率可达104 W）脉冲（Pulse，瞬时功率可达1014 W）,半导体（如砷化镓 GaAs）,What is Laser?,液体（如染料）,光子晶体,What is Laser?,激光很有用,Why should I study Laser?,1 激光在基础科学研究中的应用1.1 激光冷却原子 连接1.2 激光荧光1.3 激光光化学反应
5、1.4 激光分离同位素1.5 激光飞秒光学1.6 激光测定年代1.7 激光天体物理学探求宇宙的起源1.8 重力波 重力波天线激光干涉仪,2 激光在通信及信息处理中的应用2.1 激光通信大气光通信、卫星激光通信、水下激光通信2.2 光纤通信2.3 激光打印、排版、印刷2.4 激光光盘3 激光在军事技术中的应用3.1 激光测距、雷达、激光制导、激光导航3.2 激光武器、战术模拟、光电对抗,Why should I study Laser?,4 激光在生物及医学中的应用4.1 生物体的光学特性4.2 激光与生物体的相互作用4.3 激光在生物体检测、诊断中的应用断层摄影、生物体光谱诊断、共焦点显微镜4
6、.4 激光在医疗中的应用眼科、皮肤科及整形外科，理疗 连接5 激光在材料加工中的应用5.1 激光打孔、切割、焊接 连接,Why should I study Laser?,5 激光在材料加工中的应用5.2 激光制备纳米粉材料5.3 激光3-D扫描及快速成型6 激光在测量技术（计量学）中的应用6.1 激光干涉计量 连接6.2 激光陀螺计量6.3 激光全息照相计量6.4 激光衍射计量6.5 激光准直及多自由度测量,Why should I study Laser?,7 激光在能源、环境中的应用7.1 探求无穷的绿色能源激光核聚变 连接7.2 激光大气检测7.3激光引雷、激光驱雾8 激光在土木、建筑
7、中的应用7.8.1 激光表面处理及剥离7.8.2 激光切断及解体7.8.3 激光挖掘,Why should I study Laser?,激光焊接,高能激光（能产生约5500 oC的高温）把大块硬质材料焊接在一起,1 利用激光高强度、良好的聚焦性(方向性)：,控制光栅刻机等。,绘制集成电路图，,如芯片电路的准确分割，,切割(连续打孔)：,调节精密电阻，,可在大气中进行。,迅速、非接触，,焊接(烧熔)：,可加工硬质合金钻石等。,钻孔(烧穿)：,加工：,效率高，,Why should I study Laser?,用激光使脱落的视网膜再复位,（目前已是常规的医学手术）,纤维镜激光光纤成象,有源纤维
8、强激光使堵塞物熔化,附属通道（可注入气或液）排除残物以明视线,套环（可充、放气）阻止血流或使血流流通,照明束照亮视场,Why should I study Laser?,医疗：,激光手术刀，,血管内窥镜，,治癌等。,用脉冲的染料激光（波长585nm）处理皮肤色素沉着,处理前,处理后,2 利用激光极好的单色性,Why should I study Laser?,激光核聚变,这是激光NOVA靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。,激光雷达（分辨率高，可测云雾）等。,3 利用的是激光极好的相干性,测量：,精密测长、,测厚、,测角，,测流速,（10-5104m/s
9、），,定向（激光陀螺），,测电流、电压（磁光效应），,全息技术：,全息存储，,全息测量，,全息电影，,全息摄影等。,Why should I study Laser?,激光 原子力显微镜(AFM),用一根钨探针或硅探针在距试样表面几毫微米的高度上反复移动,来探测固体表面的情况。,试样通常是微电子器件。,方向性好,单色性好,高功率,相干性好,Why is Laser so useful?,特点：,方向性极好（发散角10-4弧度）,脉冲瞬时功率大（可达10 14瓦）,空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。,时间相干性好（10-8埃），相干长度可达几十公里。,相干性极好,亮度极高,Why
10、 is Laser so useful?,方向性好,单色性好,高功率,相干性好,Whats the special?,Whats the key difference?,一.波干涉,相干性复习,二.相干条件,三.杨氏实验,四.普通光源发光特性,五.非单色性对衬比度的影响,六.光源的宽度对衬比度的影响,七.从光子角度看问题,八.从模式角度看问题,九.光模式与光子态的关系,十.相干与模式、光子态,一.波干涉,减弱条件,加强条件,相干性,相干性,二.相干条件,1.机械波相干要求,同振动方向同振动频率固定的相位差,2.光波相干要求,光波横电磁波,同振动方向相同偏振同振动频率相同颜色固定的相位差波列长度
11、,两个持续振动,振动持续性,光强,三.杨氏实验,相干性,三.杨氏实验,p,r1,r2,单色光入射,d 1000Dxk mm,光程差：,相位差：,明纹,暗纹,加强,相干性,杨氏双缝干涉,光强分布干涉花样,若 I1=I2=I0,则,1）平行光垂直照射双缝时，屏幕中央为明条纹，两侧明暗相间条纹平行等间距分布；2）条纹间距x=Dd条纹宽度；3）利用x、D和 d，可求得光波长4）x，复色光，中央无色散，内侧紫，外侧红,条纹特点：,不太大时条纹等间距,白光的杨氏干涉条纹,杨氏双缝干涉,杨氏双缝干涉,衬比度,若 I1 I2,一.波干涉,相干性复习,二.相干条件,三.杨氏实验,四.普通光源发光特性,五.非单色
12、性对衬比度的影响,六.光源的宽度对衬比度的影响,七.从光子角度看问题,八.从模式角度看问题,九.光模式与光子态的关系,十.相干与模式、光子态,相干性,四.普通光源发光特性,1.光源,发射光波的物体称为光源。,热辐射发光、电致发光、光致发光（荧光、磷光）、化学发光、激光等等,波列,最基本发光单元分子原子,=(E2-E1)/h,E1,E2,能级跃迁辐射,原子发光的三种跃迁过程(方式),受激吸收（原子的光激发）,受激辐射（光放大）,自发辐射,吸收后,发光后,发光后,受激辐射不仅实现了光放大，而且产生的是相干光,自发辐射、受激吸收和受激辐射,相干性,相干性,2.普通光源：自发辐射,独立(不同原子发的光
13、),独立(同一原子先后发的光),可见光是电磁波波长400700nm,光谱,具有单一频率的光称为单色光.,复色光,光谱曲线（I曲线）,单色光的谱线宽度,五.非单色性对衬比度的影响,相干性,有限波列长度,准单色光,-+谐波,K级,K级,K+1级,相干长度,非单色性大可测干涉条纹越少,对应条纹消失处,真空中,相干性,最大波程差,短波明纹,长波明纹,波列长度,相干时间时间相干性,最大干涉级次,六.光源的宽度对衬比度的影响,相干性,六.光源的宽度对衬比度的影响,相干性,相干面积,相干体积,一.波干涉,相干性复习,二.相干条件,三.杨氏实验,四.普通光源发光特性,五.非单色性对衬比度的影响,六.光源的宽度对衬比度的影响,七.从光子角度看问题,八.从模式角度看问题,九.光模式与光子态的关系,十.相干与模式、光子态,七.从光子角度看问题,光子的基本性质,（1）光子能量,（2）光子运动质量,（3）光子的动量,（5）光子具有自旋，自旋量子数为整数。服从玻色爱因斯坦统计规律，同态光子数不受限制。,（4）光子具有一定的偏振状态，对应光波场的偏振方向。任一偏振状态可用两个独立的、相互垂直的线偏振状态叠加来描述。,相干性,光子的量子状态,三维运动，测不准关系,个光子态。一个光子态占有的坐标空间体积：,相干性,
