1 激光原理和发展历史副本

E2 N2
h
E1 N1
自发地，各自独立地， 彼此无关地，无规律地
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3. 激光的产生机理
激光光源发光：原子系统在发光过程中受激辐
射占优势，受激辐射中所发出的光与外来激发光
子的性质完全相同（四同光子），使某模式内的
光子数增大。
E2 N2
h
E1 N1
全同光子
同频率，同相位， 同方向，同偏振
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3. 激光的产生机理
2. 激光的发展历程
▪ 1960年：梅曼(T.MAIMAN) 第一台红宝石激光器； ▪ 1960年12月：BELL实验室的Javan，Bennett和Herriott制
成了第一台氦氖气体激光器； ▪ 1962年：GaAs半导体激光器； ▪ 1963年：液体激光器； ▪ 1964年：CO2激光器； ▪ 1964年：离子激光器； ▪ 1964年：BELL实验室的Nd：YAG固体激光器； ▪ 1965年：HCl化学激光器； ▪ 196Байду номын сангаас年：生物染料激光器； ▪ 1971年：第一台商用1kW的CO2激光器; ▪ 1971~1980年: 开展激光切割、焊接、表面处理等激
E0
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3. 激光的产生机理 4. 谐振腔
有了受激辐射，粒子束反转分布机制就能产生激光吗？ 激光谐振腔使光往返放大
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3. 激光的产生机理 5. 增益大于损耗
激光工作物质和谐振腔都会使光子产生损耗。 只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多 得多时，才能有放大作用。
而有些物质的电子处于第二能级E2的时间较长， 仅次于基态能级E1。这个能级就叫做亚稳态能级 。
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高能态(上能级E2)
吸收跃迁 泵浦
亚稳态
∆E = E2 – E1 = hν
受激辐射
基态(下能级E1)
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3. 激光的产生机理
粒子数翻转
E1
激光泵浦
E0
激光原理就是要研究光的受激辐射 是如何在激光器内产生并占主导地 位而抑制自发辐射！
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16
2. 激光的发展历程
中国第一台激光器（1961）
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2. 激光的发展历程
普朗克
1918年诺贝尔物理学奖
爱因斯坦
1921年诺贝尔物理奖
玻尔
1922年诺贝尔物理学奖
兰姆
1955年 诺贝尔物理学奖
汤斯
1964年 诺贝尔物理学奖
卡斯特勒
1966年 诺贝尔物理学奖
肖洛
1981年 诺贝尔物理学奖
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6
6
1. 什么是激光
(1)激光的单色性好；
单色性最好的氪灯Kr86 Δ=4.7×10-3 nm
稳频He-Ne激光器 Δ=1.0×10-9 nm
能 量
单色性决定物质对激光能量
的吸收和精细聚焦的可能性。
激光
自然光 波长
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1. 什么是激光
(2)激光的方向性好；
激光
一束激光射到~38万km的 月球上，光斑的直径只 有~2km
激光概述
1. 什么是激光 2.激光的发展历程 3. 激光的产生机理
4. 激光的应用及发展
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1.什么是激光
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1. 什么是激光 • LASER： ▪ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation • 激光： ▪ 受激辐射光放大 • 镭射：LASER的音译
1916年,爱因斯坦提出黑体辐射中 存在着原子的受激辐射的可能性 。
Einstein
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2. 激光的发展历程
（三） 微波量子放大器（Maser）的产生
Prokhorov和H.Townes 分别独立报导了第一个 微波受激辐射放大器 (Maser)（1953）
Prokhorov
Townes
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14
2. 激光的发展历程
产生激光的5个条件
1. 受激辐射
高能态 (上能级E2)
吸收跃迁 泵浦
自发辐射
基态 (下能级E1)
∆E = E2 – E1 = h
受激辐射
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3. 激光的产生机理
2. 工作物质必须具有亚稳态能级
如果让这些受激光子一个一个地发射出来，是不 能形成强大的能量的。（自发辐射）
一般的，电子被激发到高能级后，在高能级上停 留的时间是短暂的。
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2. 激光的发展历程
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3. 激光产生机理
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3. 激光的产生机理
原子的辐射跃迁： 光子能量：EP = h = E2 – E1
E1
h
E0
受激吸收
E1
h h
h
E0
受激辐射
E1
h
E0
自发辐射
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3. 激光的产生机理
普通光源发光：原子系统发光过程中，自发辐
射占优势。发出的光频率不是单一的，偏振方向、 传播方向各不一样，位相是随机的。
普通 光
手电筒的光射到几米处， 扩展成很大的光斑。
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1. 什么是激光
(3)激光的亮度高
太阳表面的亮度几百倍于白 炽灯； 普通的激光器的亮度10亿倍 于太阳表面亮度； 激光是当今世界上最高亮度 的光源
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1. 什么是激光
(3)激光是高相干光源
普通光源（如钠灯、汞灯等）器相干长 度只有激光厘米，就氦氖激光而言，其 相干长度可达400km。
激光是20世纪继原子能、计算机、半导体之后，人类的 又一重大发明。
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1. 什么是激光 激光与普通光有何区别？
普通光源是光的自发辐射。 特点：多波长、任意方向、不 相干。 普通光源向四面八方辐射,光 线分散到4p球面度的立体角内 。
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1. 什么是激光 激光与普通光有何区别？
激光是光的受激辐射。 激光的特点：单色性好,方 向性好；相干性好；亮度高 。 基本沿某一条直线传播
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3. 激光的产生机理
3. 粒子数翻转
外来的光子能激发出光子，产生受激辐射，但也可能被低 能级所吸收。
在激光工作介质中，受激辐射和受激吸收这两个过程都同 时存在。在常温下，吸收多于发射。
选择适当的物质，使其在高（亚）能级上的电子比低能级
上的电子还多，即形成粒子数反转，使受激发射多于吸收
。
E1
激光泵浦
（四） 激光的发明
美国休斯公司实验室一位从 事红宝石荧光研究的年轻人 梅曼在1960.5.16利用红宝 石棒首次观察到激光； 梅曼在7月7日正式演示了 世界第一台红宝石固态激光 器； 他在Nature(8月16日)发表 了一个简短的通知。
Maiman
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2. 激光的发展历程
Maiman的第一台激光器
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2. 激光的发展历程
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2. 激光的发展历程
（一） 光认识的初级阶段
光的微粒说 光的机械波动说 光的电磁波动说
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2. 激光的发展历程
（二） 光的量子学说的创立 及 受激辐射的提出
爱因斯坦的光子学说(1905)；
波粒二象性(1909)
辐射理论(1917)：提出了受激辐 射的概念，预测到光可以产生受 激辐射放大。