激光原理第一章

– 更小
• 各种工业指示、标记、探测 用的半导体激光器或者半导 体泵浦固体激光器向着小型 化方向发展；
1.1.1激光发展的现状
–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。
1.1.1激光发展的现状
– 更快
• 更高的调制频率：GHz； • 更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecond Laser)；
– 科研：
• 全息成像、非线性光学等需要高相干性、大功率光源的项目； • 可控核聚变； • 光镊、冷冻原子
1.1.3激光的应用
•确定地月距离
–登月是20世纪最大的骗局？ –阿波罗15号在登月时带上了 一套特别设备——大型角反射 器，用来反射从地球发射过来 的激光光束，通过记录往返时 间来计算地月距离。 –激光发散角很小，其光斑半 径在月面上小于1km，而普通 探照灯的光斑在月面上会大于 月球的直径。
1.1.1激光发展的历史
• 黎明前的黑暗
– 1900年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此获得 1918年诺贝尔物理学奖； "in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta" – 1905年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效 应，并因此获得1921年诺贝尔物理学奖；
1.1.1激光发展的历史
– 1951年,Townes提出受激辐射微波放大，即MASER的 概念。 – 1954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子 数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇 宙背景辐射。Townes由于在受激辐射放大方面的成就 获得1964年诺贝尔物理学奖。
"for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle"
– 更多样化
• 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；
1.1.2理论体系
• 经典理论（Classical Laser Theory）
– 电磁场－麦克斯韦方程组；原子－电偶极振子
1.1.1激光发展的历史
– 1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第一台四能 级固体激光器； – 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，Nd：YAG固体激光器； – 1965年，HCl化学激光器； – 1966年，生物染料激光器； – 从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到1960年第一台激光器诞 生，其间用了近半个世纪，而实际上却没有太多理论上的突破， 为什么激光器没有早半个世纪诞生？
• 激光：
– 受激辐射光放大
• 死光：叶永烈《珊瑚岛上的死光》 • 镭射：LASER的音译
1.1.1激光发展的历史
• 史前时代
– 17世纪—对光的本性的探求：
• 波动说：以一定方式沿空间传输的波动过程，惠更 斯、虎克； • 微粒说：以经典方式运动着的微小粒子，牛顿；
– 19世纪：
• 光的波动本性有了进一步发展 • 电磁场理论、麦克斯韦方程组
– 1950年，Kastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。 他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝 尔奖。
"for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms"
E
h
eh / KT 1
1.2激光产生的机理
• 而腔内单位体积中，频率处于 附近单位频率间隔 内的电磁场模式数：
P 8 2 n 3 Vd c
• 所以可以得到黑体辐射的普朗克公式：
8h 3 1 c3 eh / KT 1
• 其中K为波尔兹曼常数：
K 1.3806210
23
J /T
1.2激光产生的机理
• 1.2.2受激辐射与自发辐射
– 自发辐射（Spontaneous emission）
E2 n2
h E 2 E1
• 处于高能级E2的原子自发的向 E1 较低能级E1跃迁，并发射一个能 n1 量为 h E 2 E1 的光子，这种过程称为自发辐射。 • 自发辐射特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非 相干光。 • 假设系统中高能级原子数为n2，低能级原子数为n1，则单位时 间内从高能级向低能级发生跃迁的原子数dn21为：
1.2激光产生的机理
– 普朗克公式：
• 黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率 的函数，并 可以用单色能量密度 描述， 表示单位体积内， 频率处于 附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量， 其量纲为 J s / m 3。 • 为了解释实验测得的 ( , T ) 分布规律，普朗克提出 了量子化假设，并得到了普朗克公式：在温度T的热 平衡状态下，黑体辐射平均地分配到腔内处于频率 附近的所有模式上的平均能量为：
dn 21 A21n 2dt
• 其中A21为自发辐射爱因斯坦系数，定义为单位时间内n2个高 能级原子中发生自发跃迁的原子数与n2的比值，其物理意义是 每一个处于高能级的原子发生自发跃迁的几率。
1.2激光产生的机理
• 按照定义：
dn2 1 dn21 1 A21 sp dt n 2 dt n2
1.1.1激光发展的历史
• 突破
– 1958年Schawlow和Townes在Phy. Rev. 上发表论文 “Infrared and Optical Maser”，标志着激光作为一 种新事物登上了历史舞台。 – 1960年5月，休斯实验室的Maiman和Lamb共同研制 的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公 认的世界上第一台激光器。
第一章 激光概述
– 先修科目
• 几何光学 • 物理光学 • 量子力学
– 参考书目
• 激光原理 国防工业出版社 2000年版 周炳琨等编 • 量子电子学 科学技术出版社 1983年版 Amnon Yariv，刘 颂豪等翻译 • Lasers, Anthony E. Siegman, Maple-Vail Book Manufacturing Group, 1986 • Principles of Lasers, Orazio Svelto, Plenum Press, 1998
第一章 激光概述
• 1.1激光的发展与现状
• 1.2激光产生的机理 • 1.3激光的特性
• 1.4激光器实例
1.1激光的发展与现状
– 提到激光时脑海中的第一印象？
1.1激光的发展与现状
• 什么是激光？ • LASER：
– Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
1.1.1激光发展的历史
– 1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受激 辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢原子光 谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖；
"for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum"
1.1.1激光发展的历史
• 19世纪下半叶发展起来的电磁场理论能够 解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振 和双折射等现象； • 然而到了20世纪初，出现了黑体辐射、原 子线状光谱、光电效应、光化学反应和康 普顿散射等实验现象，这些涉及到光与物 质相互作用时能量与动量交换特征的就无 法用当时的经典理论来解释。
1.1.2理论体系
• 激光器的严格理论是建立在量子电动力学 基础上的量子理论，在原则上可以描述激 光器的全部特性； • 不同近似程度的理论用来描述激光器的不 同层次的特性，每种近似理论都揭示出激 光器的某些特性，因此可以根据具体应用 选择合适的近似理论； • 本课程主要用到的理论是经典理论和速率 方程。
1.1.3激光的应用
• 激光的实际应用
– 工业应用：
• • • • 切割：速度快、无接触、精度高、切缝光滑； 焊接：焊接点均匀、美观、精度高； 表面处理； 芯片刻蚀等。
1.1.3激光的应用
– 医疗：
• 最早的激光医疗应用：1961年12月在哥伦比亚长老会医院用 红宝石激光器进行了视网膜肿瘤治疗； • 肿瘤治疗； • 眼科手术：视网膜焊接、近视治疗； • 美容； • 外科手术等。
"for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect"
1.1.1激光发展的历史
– 1913年，玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的 原子结构模型，并因此获得1922年诺贝尔物理学奖； "for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them" – 1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了 受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础； – 1928年，Landenburg证实了受激辐射和“负吸收” 的存在；