激光原理-概述

参考书目
• 《激 光 原 理》（第6版）周炳琨，国防工业出版社 • 《Principles of Lasers》 Orazio Svelto • APS, AIP, NPG等杂志社期刊
知识储备 普通物理光学，量子力学初步
考查方式
• 期中考试 50% • 平时表现 50%
– 作业 25% – 项目 25% 下半学期前两学时 课程教学，第三节课同学 项目报告
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激光的特性
—与普通光的区别 极 高 强 度 极 高 亮 度 ( ) 极 好 方 向 性 极 高 相 干 性
空时 间间 相相 干干 性性
低于振荡阈值
高于振荡阈值
极 佳 单 色 性
560 580 600 620 560 580 600 620
激光器
激光光强
{
激光器
}
泵浦光强 阈值
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1964: Alexsander M. Prokhorov, Charles H. Townes, and Nicolay G. Basov (量子电子学与激光理论,导致激光的实现)。 1981: Nicolaas Bloembergen & Arthur L. Schawlow (激光光谱与 非线性光学)。
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激光的特性
4、亮度高
B 1016 W 激光亮度： m2 Sr
单位截面和单位立体角内发射的光功率 光源的亮度：
p S
p B S
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强度：
在聚焦状态
激光强度可达到
I 1017 W/cm2
脉冲瞬时功率可达～10 14 W 可产生108 K的高温，引起核聚变。
激光的亮度可比普通光源高出 1012 － 1019 倍，是目
Nobel Laureates 1964
C. Towns
N. Basov
A. Prokhorov
The competition
Optical maser C. Towns A. Schawlow
(Nobel Laureate 1981)
Laser Gordon Gould TRG
Hale Waihona Puke Baidu
Ruby, 1960 Pulse red laser T. Maiman
Black Body Emission
Rayleigh-Jeans Wien Planck
R/R
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Wavelength (m)
Max Planck, 1900
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Solar Spectrum Blackbody Emission @5200K
}
激光的特性
1、单色性好：
波长只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内
400nm
波长
700nm
普通光源 发射的光子，在频率上是各不相同的，
所以包含有各种频率（颜色）。
激
光 发射的各个光子频率相同，只包含一个
频率，因此激光是最好的单色光源。
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激光的特性
2、相干性好
• 时间相干性好 同一地点不同时刻的光之间的相干性
- 多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、 热泵浦等、磁泵浦；
- 多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体（He-Ne、 CO2）、液体、染料、半导体、自由电子等；
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光纤激光器 固态激光器
半导体激光器
气体激光器
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半导体激光器
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激光近视眼校正
用准分子激光通过对角膜瓣下基质层进行屈光性切削， 从而降低瞳孔区的角膜曲率，达到矫正近视的目的。
（2）弱激光治疗 弱激光又称为低强度、低水平激光.弱激光作用于生物组织 时,不造成生物组织不可逆的损伤,但可以刺激机体产生一系 列的生理生化反应,对组织或机体起到调节、增强或抑制的 作用,从而达到治病的目的.机制目前不是很清晰。 激光理疗，用于口腔溃疡、甲沟炎和皮肤带状疱疹等。 激光针灸治疗，包括损伤、甲状腺功能亢进、高血脂和高 血压等。 用于弱激光治疗的激光器 波长632.8nm 的He-Ne激光 波长630—690nm 半导体激光器和波长780—980nm半导 体激光器
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The great mind
曼哈顿计划
The concept of “stimulated emission” (Einstein, 1916) “MASER” (pulse) (Charles H Townes, 1954, with J.Gordon, H. Zeiger) “MASER” (cw) (N. Basov & A. Prokhorov)
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中国各类激光器的“第一台”
名 称 红宝石激光器 He-Ne激光器 掺钕玻璃激光器 GaAs同质结半导体激光器 脉冲Ar+激光器 CO2分子激光器 研制成功时间 1961年9月 1963年7月 1963年6月 1963年12月 1964年10月 1965年9月 研 制 人 王之江等 邓锡铭等 干福熹等 王守武等 万重怡等 王润文等
500
1000
1500
2000
2500
Wavelength (nm)
Max Planck 1901
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Light Amplification
Albert Einstein, 1905
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Light Amplification
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Light Amplification
loss spontaneous emission amplification
Ho:YAG激光，2.06~2.09um，接近水在2.0um附近的吸收峰，具有理想的 切割、汽化和凝聚组织止血效果，可以通过光纤传导，应用于各内窥镜手术， 如食道、胃、肠镜下治疗息肉。 Ar+激光器，血红蛋白是人体组织中的另一种主要吸光基团,血红蛋白对Ar+ 激光(488nm、514nm)的吸收率高,所以Ar+ 激光凝固作用好,切割作用差。
T. Maiman Laser Odyssey
Willis Lamb
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Ruby
• 1960年, 梅曼 (T. Maiman)
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Commercial laser sources
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Milestones
Nat. Photonics 4, 281 (2010)
U3+:CaF2 (Four level system, 1960) P. Sorokin & M.J. Stevenson HeNe (1961) A.Javan
California Man Invented Death Ray, Laser
Ruby was ruled out… (Wilde & Schalow) Pulse operation Another episode related to masers 科学家很难判断研究工作的价值和影响， 爱因斯坦做不到，梅曼也做不到
CH3I化学激光器
YAG激光器
1966年3月
1966年7月
邓锡铭等
屈乾华等
1918, Quanta (Planck) 1921, Einstein 1947, Stimulated emission in hydrogen (Lamb & Reherford) 1950, Optical pump.(Kastler) 1964, Maser (Townes, Basov, Prokhorov) 1971, Holography (Gabor) 1981, Laser spectroscopy & Nonlinear optics (Bloembergen & Schawlow) 1989, Atomic clock (Ramsey) 1997, Laser cooling and trapping (Chu, Cohen-Tannoudji, & Phillips) 1999, Femtochemistry (Zewail) 2001, BEC (Cornell, Ketterle, &Wieman) 2005, Frequency comb (Hall & Hansch); Quantum theory of optical coherence (Glauber) 2009, Optical fiber (Kao), CCD (Boyle & Smith) 2014, Blue LED (Akasaki, Amano, & Nakamura)
激光原理与技术
(2014年秋季学期)
南京大学物理学院
张春峰
cfzhang@nju.edu.cn
课程内容
1. 概述：激光发展简史 2. 光学增益产生的基本原理 a.自发辐射，受激辐射 b.辐射和原子相互作用 c.半导体中的能级跃迁 3. 速率方程 4. 高斯光束与光学谐振腔 5. 相干性 6. 频域与时域线宽 7. 调Q与锁模技术 8. 激光频率转变 9. 典型激光器 10. 激光光谱学方法
（2）全息防伪
激光医学
（1）强激光治疗 利用激光的光热效应对组织进行凝固、汽化或切割，从而消除病变。出血少， 操作定为精确，非接触，无菌，对周围组织损伤小。 人体组织75%以上是水 临床上最早用于强激光治疗的激光器有CO2激光器，Nd:YAG激光和Ar+激 光。 CO2激光，10.6um，广泛用于治疗皮肤科、妇科、普外科多种疾病，如色 素痣，老年斑等。
Δ t 1/ Δ v L c Δ t
相干长度可达几十公里
• 空间相干性好 不同地点同一时刻的光之间的相干性
激光波面上各个点可以做到都是相干的（如基横模）
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激光的特性
3、方向性好
激光束的发散角很小(几个毫弧度)，
几乎是一平行的光线。
用来测量地球到月球的距离，精度 达几厘米（17cm-2mm）； 通过测量单一激光脉冲在月球表面 和地球表面的往返时间得到。
优点：激光在真空中传播 衰减小，可用小功率激光器 实现远距离通信。 （3）水下通信。利用波长为0.46~0.53m的兰绿色激 光（能穿透几百到几千米海水）在海水中进行通信。
（ 4）激光光纤通信：让载有信号的激光束通过光导纤 维传输至对方以实现通信的方法。
激光全息
（1）全息照相 普通照相仅仅记录光波的强 度，丢失了光波的相位信息； 全息照相借助于物体的物光 和另外一束简单的参考光的 干涉，同时记录来自物体光 波的振幅和相位，也就是记 录了光波所承载的全部信息。 具有长相干长度的激光诞生后，开始了全息的新纪元。
前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。
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激光通信
（1）大气激光通信 1960年，激光器诞生后几个月后，贝尔实验室的科学家 试验成功大气光通信，距离为25英里。 缺点：由于天气和障碍物的影响，加上地球表面为球形， 光的直线传播距离很短。
（2）空间激光通信
在接近真空的环境下进行的 激光通信，如卫星和卫星之 间的通信。
国家点火装置(NLF)----雅典娜 (投资 12亿美元) Yb:glass 主振----192 路光束放大---1.8 MJ
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世界上最小的激光器
The University of Texas at Austin，施至刚 教授 &台湾清华大学，果尚志 教授
Science 337, 450 (2012)
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Light Amplification
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Light Amplification
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Light Amplification
Four-level system
激发阈值
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The most powerful laser
NOVA ( LLNL 实验室)足球场大小 740mm口径 100kJ/25ns 放大后 100TW (100ps) ( 全球电量 3TW)
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激光原理与技术 第一章 概 述
光：波粒二象性 (wave-particle duality)
Photon & Electromagnetic wave
Wavelength (m)
Scale
Frequency (Hz)
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1600
1700
1800
1900
2000
2100
萌芽时期
几何光学
波动光学
量子光学/现代光学
2015/12/22
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LASER
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
1、gain medium 2、pumping source 3、cavity 4、output coupler 5、laser beam Coherence Spatial coherence Temporal coherence The foundation of lasers
– 更集成 各种通信用的 激光模块，往 往包含十几个 甚至几十个半 导体激光器， 并且集成了调 制、功率检测、 温度监测等功 能模块。
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– 更快
- 更高的调制频率：GHz； - 更短的脉冲宽度：飞秒激光器(Femtosecond Laser)； 阿秒激光器(Attosecond Laser)
– 更多样化