第1章陈鹤鸣激光原理ppt课件

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1、激激 光光 原原 理理 及及 应应 用用参考书：参考书：1.激光原理（第激光原理（第6版），周炳焜，国防工业出版社版），周炳焜，国防工业出版社2.激光技术（第激光技术（第3版），蓝信钜，科学出版社版），蓝信钜，科学出版社1激 光 原 理 及 应 用Principles of Las1.1 激光发展简史 1 爱因斯坦的理论贡献 1917年，爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用时，提出光的受激辐射的概念，从理论上预见了激光产生的可能性，但未受到重视。2 激光的发明与发展（1）1954年发明了氨分子微波振荡器一种在微波波段的受激辐射放大器（Microwave amplification by stim

2、ulated emission of radiation，缩写为Maser），利用电磁波与束缚电子作用实现放大，但采用封闭腔体。（2）汤斯和贝尔实验室的肖洛于1958年在物理评论杂志上发表了题为红外和光学激射器的论文，提出开放式谐振腔概念。（3）1960年5月，美国休斯公司实验室从事红宝石荧光研究的梅曼研制成了世界上第一台红宝石固体激光器（波长694.3nm）。随后，各种类型的激光器层出不穷，激光技术迅速发展。1960年12月研制氦氖激光器，1962年半导体激光器，1964二氧化碳激光器，1965年YAG激光器。21.1 激光发展简史 1 爱因斯坦的理论贡献 13 中国激光技术的发展 我国第一

3、台激光器于1961年8月研制成功，是中国科学院长春光学精密机械研究所王之江领导设计并和邓锡铭、汤星里等共同实验研制的，所以中国光学界尊称王之江为“中国激光之父”。我国的红宝石激光器在结构上与梅曼的有所不同，最明显的地方是，泵浦灯不是螺旋氙灯，而是直管式氙灯，灯和红宝石棒并排地放在球形聚光器的附近。这是因为经过王之江的计算，这样会比螺旋氙灯获得更好的效果。实践证明，这种设想和计算是正确的，如今世界上的固体激光器大都是采用这种方式。4“激光”名称的由来 1964年年10月月，钱钱学学森森致致信信受受激激光光发发射射译译文文集集（即即现现国国外外激激光光）编编辑辑部部），建建议议称称为为“激激光光”

4、，同同年年12月月，全全国国第第三三届届光光受受激激辐辐射射学学术术会会议议上上，正正式式采采纳纳了了这这个个建建议议，从从此此，“Laser”的的中中文文译译名名统统一一称称为为“激激光光”。与此同时，选频、稳频、调制、调Q、锁模等各种激光技术也相继出现。33 中国激光技术的发展 我国第一台激光器于19梅曼的红宝石激光器我国研制的红宝石激光器我国研制的红宝石激光器4梅曼的红宝石激光器我国研制的红宝石激光器41.2 1.2 激光的特性激光的特性 1.1.高方向性高方向性 平面发平面发散角散角 由于谐振腔对光振荡方向的限制，激光只有沿腔轴方向受激辐射才能振荡放大，所以激光束具有很高的方向性。激光

5、光束发散角在毫弧度量级，激光的高方向性使其能长距离传输，能聚焦很小，提高功率密度。各种激光器的发散角见表1.1 发散角受到衍射极限的限制。51.2 激光的特性 1.高方向性 平面发散角 2.2.单色性好单色性好或或激光由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，单色性可表示为激光由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，单色性可表示为单色型最好的普通光源氪同位素86，氦氖激光器，62.单色性好或激光由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，单色3.相干性好相干性好相干条件：相干条件：振动方向相同、频率相同、相位差恒定。振动方向相同、频率相同、相位差恒定。普通光源：普通光源：非相干光非相干光 激光：激光：相干光相干

6、光 普普通通光光源源是是发发光光中中心心的的自自发发辐辐射射过过程程，不不同同发发光光中中心心发发出出的的波波列列，或或同同一一发发光光中中心心在在不不同同时时刻刻发发出出的的波波列列相相位位都都是是随随机的。机的。激激光光是是通通过过自自发发辐辐射射过过程程形形成成的的，每每个个光光子子的的运运动动状状态态都相同。都相同。73.相干性好相干条件：振动方向相同、频率相同、相位差恒定。3.相干性好相干性好普通光源普通光源自发辐射自发辐射相干性差相干性差 激光激光受激辐射受激辐射-相干性好相干性好【时间相干性】【时间相干性】时时间间相相干干性性描描述述沿沿光光束束传传播播方方向向上上各各点点的的相

7、相位位关关系系，或或指光场中同一空间点在不同时刻光波场之间的相干性。指光场中同一空间点在不同时刻光波场之间的相干性。相干时间和单色性之间关系：相干时间和单色性之间关系：相相干干长长度度指指可可以以使使光光传传播播方方向向上上两两个个不不同同点点处处的的光光波波场场具有相干性的最大空间间隔，即光源发出的光波列长度具有相干性的最大空间间隔，即光源发出的光波列长度 可可见见，单单色色性性越越好好，相相干干时时间间和和相相干干长长度度越越长长。单单色色性性好好的气体激光器相干长度达几十公里。的气体激光器相干长度达几十公里。83.相干性好普通光源自发辐射相干性差【时间相干性】激光干涉测长仪的原理图激光干

8、涉测长仪的原理图测量的量程与单色性有关，为测量的量程与单色性有关，为9激光干涉测长仪的原理图测量的量程与单色性有关，为9【空间相干性】【空间相干性】空空间间相相干干性性描描述述垂垂直直于于光光束束传传播播方方向向的的波波面面上上各各点点之之间间的的相相位位关关系系，指指光光场场中中不不同同的的空空间间点点在在同同一一时时刻刻光光场场的的相相干干性性，可以用相干面积来描述：可以用相干面积来描述：光束平面发散角光束平面发散角u 对对于于普普通通光光源源，只只有有当当光光束束发发散散角角小小于于某某一一限限度度，光光束束才才具有明显的空间相干性。具有明显的空间相干性。u 对对于于激激光光来来说说，所

9、所有有属属于于同同一一个个横横模模模模式式的的光光子子都都是是空空间间相干的，不属于同一个横模模式的光子则是不相干的。相干的，不属于同一个横模模式的光子则是不相干的。空间相干性的演示空间相干性的演示10【空间相干性】空间相干性描述垂直于光束传播方向的4.高亮度高亮度空间高度集中：空间高度集中：单色亮度比太阳表面高单色亮度比太阳表面高 倍。倍。时间高度集中：时间高度集中：功率峰值可达功率峰值可达 瓦。瓦。亮度：亮度：光源的明亮程度，主观量光源的明亮程度，主观量 光源在单位面积、单位频带宽度、单位立体角内发射的光功率光源在单位面积、单位频带宽度、单位立体角内发射的光功率 普普通通光光源源如如太太阳

10、阳、日日光光灯灯等等的的发发散散角角都都很很大大，光光谱谱范范围围很很宽宽，能能量量分分散散，所所以以，尽尽管管某某些些光光源源如如太太阳阳发发出出的的光光总总功功率率很高，但单色亮度仍很小很高，但单色亮度仍很小。单色亮度：单色亮度：114.高亮度空间高度集中：单色亮度比太阳表面高 倍 1.3 激光应用简介激光应用简介1.激光在通信领域的应用激光在通信领域的应用光纤的优越性：光纤的优越性：通信容量大通信容量大通信质量高通信质量高保密性好保密性好成本低成本低光纤通信用光源：光纤通信用光源：短距离通信用短距离通信用0.85um；长距离通信用长距离通信用1.31um，1.55um 光纤通信系统：光纤

11、通信系统：光发射器、光纤放大器、光探测器光发射器、光纤放大器、光探测器 光纤中传送的是一系列经过编码的激光脉冲。光纤中传送的是一系列经过编码的激光脉冲。关键技术：关键技术：光纤技术、激光器光纤技术、激光器 激光空间通信、激光雷达等：激光在大气中传输。激光空间通信、激光雷达等：激光在大气中传输。12 1.3 激光应用简介1.激光在通信领域的应用光纤的优越 目前光通信的发展方向是全光网络，即信息从源节点到目前光通信的发展方向是全光网络，即信息从源节点到目的节点能够实现全光透明传输的网络。全光网中的网络节目的节点能够实现全光透明传输的网络。全光网中的网络节点在光域中处理信息、交换、路由等都在光域完成

12、。点在光域中处理信息、交换、路由等都在光域完成。光载波光载波激光器激光器调制器调制器光匹配器光匹配器单模光纤单模光纤光匹配器光匹配器光电光电检测器检测器本振本振激光器激光器中频放中频放大、滤波大、滤波解调解调基带放基带放大、滤波大、滤波再生再生相干光通信系统框图相干光通信系统框图13 目前光通信的发展方向是全光网络，即信息从源节点 激激光光在在信信息息领领域域的的应应用用，除除了了以以激激光光为为信信息息载载体体将将声声音音、图图像像、数数据据等等各各种种信信息息进进行行传传输输的的激激光光通通信信之之外外，还还包包括括通通过过激激光光将将信信息息进进行行存存储储，以以及及通通过过激激光光将将

13、信信息息打打印印或或显显示示出出来等等。来等等。2.激光在信息领域的应用激光在信息领域的应用 3.激光在工业领域的应用激光在工业领域的应用 激激光光的的高高单单色色和和高高亮亮度度，使使它它成成为为精精密密计计量量的的一一种种十十分分有有效效的的工工具具。又又由由于于激激光光单单色色性性好好、发发散散角角小小，能能够够在在透透镜镜的的焦焦点点处处聚聚焦焦成成高高功功率率的的光光斑斑，高高功功率率激激光光集集中中在在物物体体上上的的某某一一点点，便便可可对对被被物物体体进进行行高高温温加加热热、切切断断、焊焊接接及及熔熔覆覆等等加加工工。激激光光还还可可以以对对材材料料进进行行非非接接触触式式处

14、处理理或或探探测测。因因为为没没有有表表面面接接触触，不不会会产产生生由由探探测测射射线线所所引引起起的的污污染染，也也不不会会引引起起器器具具边边缘缘的的磨磨损损，而而扫扫描描性性好好的的特特点点又又使使其其可可在在大大面面积积范范围内进行工作。围内进行工作。14 激光在信息领域的应用，除了以激光为信息载体将声4.激光在生物医学领域的应用激光在生物医学领域的应用 激激光光技技术术为为医医学学诊诊断断和和疾疾病病治治疗疗提提供供了了新新方方式式：激激光光手手术术刀刀、视视网网膜膜凝凝固固治治疗疗、激激光光美美容容、OCT、激激光光荧荧光光光光谱谱诊诊断等。断等。从从激激光光基基因因测测序序到到

15、激激光光显显微微镜镜，激激光光技技术术的的进进步步极极大大地地推推进进了了生生物物学学基基础础研研究究。激激光光问问世世不不久久就就进进入入细细胞胞遗遗传传学学领领域域，利利用用激激光光可可聚聚焦焦成成微微米米或或纳纳米米级级光光斑斑的的特特点点，可可以以进进行行显显微微细细胞胞外外科科手手术术、测测量量人人体体DNA分分布布、基基因因转转移移、DNA裁裁剪剪和和基基因因定定位位、促促进进DNA合合成成、细细胞胞融融合合等等。在在酶酶工工程程和和发发酵工程等生物技术中，激光也得到了重要应用。酵工程等生物技术中，激光也得到了重要应用。154.激光在生物医学领域的应用 激光技术为医学5.5.激光在

16、国防科技领域的应用激光在国防科技领域的应用 激激光光作作为为武武器器在在军军事事上上应应用用的的形形式式千千变变万万化化，但但是是基基本本上上可可以以分分为为三三个个主主要要部部分分：追追踪踪、寻寻的的系系统统（即即正正确确判判定定攻攻击击目目标标的的位位置置和和性性质质的的系系统统）；发发射射实实施施摧摧毁毁性性打打击击的的高高能能激光系统；辅助的控制和通信系统。激光系统；辅助的控制和通信系统。激光摧毁导弹激光摧毁导弹165.激光在国防科技领域的应用 激光作为武器在军事上应 激激光光武武器器是是利利用用高高能能量量密密度度激激光光束束代代替替子子弹弹的的新新型型武武器器，是是武武器器装装备备

17、发发展展历历程程中中继继冷冷兵兵器器、火火器器和和核核武武器器等等之之后后又又一一个个重重要要里里程程碑碑。它它以以光光束束作作战战的的迅迅速速反反应应能能力力，外外科科手手术术式式杀杀伤伤的的高高效效作作战战方方式式。以以及及特特别别适适合合于于反反卫卫星星和和破破坏坏敌敌方方信信息系统，使其成为新一代主战兵器。息系统，使其成为新一代主战兵器。17 激光武器是利用高能量密度激光束代替子弹的新型武6.激光在科学技术前沿问题中的应用激光在科学技术前沿问题中的应用 光谱分析光谱分析是研究物质结构的重要手段，激光技术与经典光是研究物质结构的重要手段，激光技术与经典光谱学相结合形成的激光光谱学，具有频

18、率、空间和时间上的谱学相结合形成的激光光谱学，具有频率、空间和时间上的高分辩率，可以进一步揭示物质的微观结构。高分辩率，可以进一步揭示物质的微观结构。激光诱导的惯性约束核聚变激光诱导的惯性约束核聚变是产生可控核聚变的一种途径。是产生可控核聚变的一种途径。激光束照亮了超微世界激光束照亮了超微世界，它呈现的超快或超窄脉冲（时间，它呈现的超快或超窄脉冲（时间域）帮助人们了解微观世界中的原子、分子结构。域）帮助人们了解微观世界中的原子、分子结构。激光可以作为激光可以作为光学镊子光学镊子应用于分子生物学领域中对微生物、应用于分子生物学领域中对微生物、染色体、细胞等微粒的操作。染色体、细胞等微粒的操作。激光化学也是激光的重要应用领域。激光化学也是激光的重要应用领域。186.激光在科学技术前沿问题中的应用 光谱分析是研究物质结构