第二章光生物物理-激光基本知识与应用
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关于成影现象的认识
– 日晷、中国古代历法器具
光学发展简史 - 几何光学时期
这一时期可以称为光学发展史上的转折点。 在这个时期建立了光的反射定律和折射定律，奠
定了几何光学的基础。
光的反射定律
光的折射定律
光学发展简史 - 波动光学时期
19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解 释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。
激光经过三棱镜后，光源颜色不发生改变
激光
辐射跃迁： ➢ 受激吸收； ➢ 自发辐射； ➢ 受激辐射
激光
粒子数反转
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！
激光产生的原理
受激吸收 处于较低能级的粒子在受到外 界的激发（即与其他的粒子发生了有能量 交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰 撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相 对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收 。
激光发展简史
1917年爱因斯坦提 出“受激辐射”的 概念，奠定了激光 的理论基础。
1958年肖洛和汤斯 提出“激光原理”， 受激辐射可以得到 一种单色性、亮度 又很高的新型光源。
1958年，贝尔实验 室的汤斯和肖洛发 表了关于激光器的 经典论文，奠定了 激光发展的基础 。
1960年，美国人梅曼 发明了世界上第一台 红宝石激光器。
– 用途：定位、导向、测距等。用激光测定地球 与月球的距离，精度已达到1.5m。
激光的特点
激光的单色性好
– 发出的光占有的波段很窄。通常把波长范围小于几埃的 一段辐射，称为单色光。
– 单色性最好的激光是氦氖激光（波长为6328×10-8cm ），谱线范围宽度在室温下为1×10-15cm。
太阳光经过三棱镜后，太阳光被分成 红橙黄绿青蓝紫，各种不同的颜色。
第三节 激光的生物学效应及在生物学领域的应用
– 要点：重点讲述激光的生物学效应，激光器的主要类 型，举例介绍激光在农业、医学中的应用。
第一节 光学的基本知识
光学的发展简史——五大时期
一、萌芽时期 二、几何光学时期 三、波动光学时期 四、量子光学时期 五、现代光学时期
光学发展简史 - 萌芽时期
光学发展简史 - 量子光学时期
19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发 生、光和物质相互作用的微观机制中。
1900年，普朗克从物质的分子结构 理论中借用不连续性的概念，提出 了辐射的量子论。
1905年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。
光学发展简史 - 现代光学时期
从20世纪中叶起，随着新技术的出现，新的理论 也不断发展，已逐步形成了许多新的分支学科或 边缘学科，光学的应用十分广泛。
第二节 激光的基本知识与应用
激光的概念 激光的发展简史 激光的特点 激光产生的基本原理 激光器的种类 激光的使用方法和基本用途
普通光源
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.
激光
激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （Laser）。 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,通常 发散角限制在10-6球面度量级 的立体角内.
太阳的亮度>>>>电灯的亮度>>>>蜡烛的亮度 激光器的输出亮度≈10亿倍×太阳表面的亮度 二氧化碳激光器 60KW 氟化氢化学激光器 4500KW
激光的特点
激光的方向性单一（单向性）
– 激光是世界上方向性最好的光，激光的方向性 好，就是说激光光源的发散角小。
– 因为激光是大量原子由于受激辐射所产生的发 光行为。激光在传播中始终像一条笔直的细线 ，发散的角度极小。
1965年，第一台可产生 大功率激光的器件— 二氧化碳激光器诞生。
1967年，第一台Ｘ射线 激光器研制成功。
1997年，美国麻省理工 学院的研究人员研制出 第一台原子激光器。
中国第一台激光器（1961）
激光的特点
激光的高亮度
光源的亮度，就是指光源在单位面积上，向某一个 方向的单位立体角内所发出的光的功率。
利用光的干涉设计精密测量仪 衍射光栅则是重要的分光仪器
利用光谱认识物质的微观结构(如原子结构、分子结构等) 激光在精密测量、通讯、测距、全息检测、 医疗、农业 的应用
二十世纪以来的重大发明
原子能（核能）
1947年肖克利 发明晶体管
1946年2月14日世界第一台计算机 诞生，由莫奇来和爱克特发明
激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的 背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎 寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光 学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个 一门新兴产业的出现。
第源自文库章 光生物物理
—激光的基本知识与应用
授课教师：张 旸 联系方式：新逸夫教学楼226室 电子邮件：
本章的主要内容
第一节 光学的基本知识
– 要点：根据光学的各个不同发展时期讲述每个时期产 生的光学知识与理论。
第二节 激光的基本知识与应用
– 要点：主要讲述激光的发展史，激光的概念特点应用 ，重点讲述激光产生的原理。
对光的直线传播的认识
– 早在春秋战国时《墨经》已记载了小孔成像的实验 。
对视觉和颜色的认识
– 《墨经》中记载：“目以火见”。
光的反射和镜的利用
– 铜镜在公元前2000年夏初的齐家文化时期已经出现。
对大气光学现象的探讨
– 大气光学现象是中国古代光学最有成效的领域之一，早在周代由 于占卜的需要，已建立了官方的观测机构，对晕、虹、海市蜃楼 、北极光等大气光学现象进行了长期、系统而又深入细致的观测 与记载。
菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此 形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆 满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。
注：当波行进时，波前上的每一点 都可视为新的点波源，以其为 圆心或球心，各自发出圆形波 或球面波。在某一时刻和这些圆形 波或球面波相切的线或面形成新的 波前，称为惠更斯原理。
自发辐射 粒子受到激发而进入的高能态 ，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接 纳粒子的较低能级，既使没有外界作用， 粒子也有一定的概率，自发地从高能级（ E2）向低能级（E1）跃迁，同时辐射出能 量为（E2-E1）的光子，光子频率 =（E2E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。众 多原子以自发辐射发出的光，不具有相位 、偏振态、传播方向上的一致，是物理上 所说的非相干光。
– 日晷、中国古代历法器具
光学发展简史 - 几何光学时期
这一时期可以称为光学发展史上的转折点。 在这个时期建立了光的反射定律和折射定律，奠
定了几何光学的基础。
光的反射定律
光的折射定律
光学发展简史 - 波动光学时期
19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解 释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。
激光经过三棱镜后，光源颜色不发生改变
激光
辐射跃迁： ➢ 受激吸收； ➢ 自发辐射； ➢ 受激辐射
激光
粒子数反转
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！
激光产生的原理
受激吸收 处于较低能级的粒子在受到外 界的激发（即与其他的粒子发生了有能量 交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰 撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相 对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收 。
激光发展简史
1917年爱因斯坦提 出“受激辐射”的 概念，奠定了激光 的理论基础。
1958年肖洛和汤斯 提出“激光原理”， 受激辐射可以得到 一种单色性、亮度 又很高的新型光源。
1958年，贝尔实验 室的汤斯和肖洛发 表了关于激光器的 经典论文，奠定了 激光发展的基础 。
1960年，美国人梅曼 发明了世界上第一台 红宝石激光器。
– 用途：定位、导向、测距等。用激光测定地球 与月球的距离，精度已达到1.5m。
激光的特点
激光的单色性好
– 发出的光占有的波段很窄。通常把波长范围小于几埃的 一段辐射，称为单色光。
– 单色性最好的激光是氦氖激光（波长为6328×10-8cm ），谱线范围宽度在室温下为1×10-15cm。
太阳光经过三棱镜后，太阳光被分成 红橙黄绿青蓝紫，各种不同的颜色。
第三节 激光的生物学效应及在生物学领域的应用
– 要点：重点讲述激光的生物学效应，激光器的主要类 型，举例介绍激光在农业、医学中的应用。
第一节 光学的基本知识
光学的发展简史——五大时期
一、萌芽时期 二、几何光学时期 三、波动光学时期 四、量子光学时期 五、现代光学时期
光学发展简史 - 萌芽时期
光学发展简史 - 量子光学时期
19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发 生、光和物质相互作用的微观机制中。
1900年，普朗克从物质的分子结构 理论中借用不连续性的概念，提出 了辐射的量子论。
1905年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。
光学发展简史 - 现代光学时期
从20世纪中叶起，随着新技术的出现，新的理论 也不断发展，已逐步形成了许多新的分支学科或 边缘学科，光学的应用十分广泛。
第二节 激光的基本知识与应用
激光的概念 激光的发展简史 激光的特点 激光产生的基本原理 激光器的种类 激光的使用方法和基本用途
普通光源
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.
激光
激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （Laser）。 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,通常 发散角限制在10-6球面度量级 的立体角内.
太阳的亮度>>>>电灯的亮度>>>>蜡烛的亮度 激光器的输出亮度≈10亿倍×太阳表面的亮度 二氧化碳激光器 60KW 氟化氢化学激光器 4500KW
激光的特点
激光的方向性单一（单向性）
– 激光是世界上方向性最好的光，激光的方向性 好，就是说激光光源的发散角小。
– 因为激光是大量原子由于受激辐射所产生的发 光行为。激光在传播中始终像一条笔直的细线 ，发散的角度极小。
1965年，第一台可产生 大功率激光的器件— 二氧化碳激光器诞生。
1967年，第一台Ｘ射线 激光器研制成功。
1997年，美国麻省理工 学院的研究人员研制出 第一台原子激光器。
中国第一台激光器（1961）
激光的特点
激光的高亮度
光源的亮度，就是指光源在单位面积上，向某一个 方向的单位立体角内所发出的光的功率。
利用光的干涉设计精密测量仪 衍射光栅则是重要的分光仪器
利用光谱认识物质的微观结构(如原子结构、分子结构等) 激光在精密测量、通讯、测距、全息检测、 医疗、农业 的应用
二十世纪以来的重大发明
原子能（核能）
1947年肖克利 发明晶体管
1946年2月14日世界第一台计算机 诞生，由莫奇来和爱克特发明
激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的 背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎 寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光 学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个 一门新兴产业的出现。
第源自文库章 光生物物理
—激光的基本知识与应用
授课教师：张 旸 联系方式：新逸夫教学楼226室 电子邮件：
本章的主要内容
第一节 光学的基本知识
– 要点：根据光学的各个不同发展时期讲述每个时期产 生的光学知识与理论。
第二节 激光的基本知识与应用
– 要点：主要讲述激光的发展史，激光的概念特点应用 ，重点讲述激光产生的原理。
对光的直线传播的认识
– 早在春秋战国时《墨经》已记载了小孔成像的实验 。
对视觉和颜色的认识
– 《墨经》中记载：“目以火见”。
光的反射和镜的利用
– 铜镜在公元前2000年夏初的齐家文化时期已经出现。
对大气光学现象的探讨
– 大气光学现象是中国古代光学最有成效的领域之一，早在周代由 于占卜的需要，已建立了官方的观测机构，对晕、虹、海市蜃楼 、北极光等大气光学现象进行了长期、系统而又深入细致的观测 与记载。
菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此 形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆 满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。
注：当波行进时，波前上的每一点 都可视为新的点波源，以其为 圆心或球心，各自发出圆形波 或球面波。在某一时刻和这些圆形 波或球面波相切的线或面形成新的 波前，称为惠更斯原理。
自发辐射 粒子受到激发而进入的高能态 ，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接 纳粒子的较低能级，既使没有外界作用， 粒子也有一定的概率，自发地从高能级（ E2）向低能级（E1）跃迁，同时辐射出能 量为（E2-E1）的光子，光子频率 =（E2E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。众 多原子以自发辐射发出的光，不具有相位 、偏振态、传播方向上的一致，是物理上 所说的非相干光。