激光技术基础-第一讲

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激光与科学家

汤斯(Townes,Charles Hard ,1915~)美 国物理学家,1964年诺贝尔物理学奖获得者 巴索夫(Basov,Nikolay Gennadiyevich, 1922~)前苏联物理学家, 1964年诺贝尔物 理学奖获得者


普罗霍罗夫(Prokhorov, Aleksandr Mikhaylovich 1916~2002)前苏联物理学家, 1964年诺贝尔物理学奖获得者
四. 激光的能量在空间上、在时间上高度集中
光能量不仅在空间上高度 集中,同时在时间上也可 高度集中,因而可以在一 瞬间产生出巨大的光热。
在工业上, 激光打孔、切割和焊接。医 学上视网膜凝结和进行外科手术。在测 绘方面,可以进行地球到月球之间距离 的测量和卫星大地测量。在军事领域, 可以制成摧毁敌机和导弹的激光武器
布隆伯根(N.Bloembergen,1920~):美 国物理学家,1981年诺贝尔物理学奖获得 者
肖洛(A.L.Schawlow, 1921~ ):美国物 理学家,1981年诺贝尔物理学奖获得者
赫伯特· 克勒默 (Herbert Kroemer , 1928~),德国-美国物理学家,2000年 诺贝尔物理学奖获得者。

激光光源发光:是原子(分子)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

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。
激光 -
是原子(分子)系统在受激辐射放 大过程中,产生的一种具有高亮度、高 方向性、高强度、好的单色性(相干性) 的光。
至此,一门新的科学 技术——量子电子学中的激 光技术以科学史上罕见的高 速度向前发展!
1958: 美国汤斯(Towns)与肖洛(A.L.Schawlow)
提出利用开放式光学谐振腔实现光振荡的新思想;
布隆伯根(N.Bloembergen)提出利用光泵浦三能 级系统实现粒子数反转分布的新构思
1960.7:美国休斯公司实验室梅曼(T.H.Maiman) 世界上第一台红宝石固态激光器诞生 1963: 赫伯特· 克勒默 (Herbert Kroemer ),提 出了双异质结构,实现半导体激光器室温工作。 1997: 朱棣文、菲利普(W.Phillips)和塔罗季 (C.Tannoudi) 利用激光冷却和钳制原子的研究
二. 激光的方向性好
一束激光射到~38万km的月球 上,光斑的直径只有~2km
手电筒的光射到~m处, 扩展成很大的光斑。
三. 激光的亮度最高
在发射方向 的空间内光 能量高度集 中,使得激 光的亮度比 普通光的亮 度高千万倍, 甚至亿万倍。 普通的激光器的输出亮度,比太阳 表面的亮度大10亿倍。激光是当今 世界上高亮度的光源。
• 为激光发展进行探索的科学家
1917: 爱因斯坦(A.Einstein)
提出了受激辐射可实现光放大的概念, 为激光 发明奠定了理论基础
1917年以后近四十年内:
量子理论的发展; 粒子数反转的有效实现;电 子学与微波技术的发展
20世纪50年代:
电子学、微波技术的应用提出了将无线电技术从微波 (波长1cm量级)推向光波(波长1m量级)的需求, 对激光器(光波振荡器)提出了应用需求
k x k y k z
3
xyz
光子态相格
•在相空间(六维空间:x, y, z, Px, Py, Pz)中描述质点运动 •相空间的一个点表示质点的一个运动状态 测不准关系:微观粒子的坐标和动量不能同时准确测定,表示为
梅曼(Theodore H. Maiman , 11 July 1927~05 May 2007 ),美国物 理学家,两次获诺贝尔提名,获得物理 学领域著名的日本奖和沃尔夫奖。于 1984年被列入“美国发明家名人堂” (National Inventors Hall of Fame)。 在《自然》杂志一百周年纪念的一本书中,汤斯将 梅曼的论文称为该杂志100年来发表的所有精彩论 文中“字字珠玑的最重要的一篇”

波粒二象性的量子电动力学描述:

任意电磁波可看作是一系列单色平面电磁波(以波 矢 k l 为标志)的线性叠加,或一系列电磁波的本振 模式(或本振状态)的叠加。但每个本振模式所具 有的能量是量子化的(即 nhvl ,P nk l )。 具有相同能量和动量的光子彼此间不可区分,因而 处于同一模式(或状态)。每个模式的光子数没有 限制。
一、光子的基本性质
波粒二象性
粒子属性
能量 质量 动量
波动属性
hv
hv m 2 2 c c hv h 2 P mcn 0 n 0 n 0 k c 2
频率

波矢
光子具有两个独立的偏振态
光波场的两个独立偏振方向
光子具有自旋,是自旋量子数为整数的粒子(玻色子),因此大 量光子的集合,服从波色-爱因斯坦统计规律。处于同一状态的光 子数是没有限制的。(注:电子、质子、中子等服从费米分布)
学科与应用技术

各种科学和技术领域纷纷应用激光并形成了一 系列新的交叉学科和应用技术领域,主要包括:

信息光电子技术



光纤通信(现代通信的支撑技术) 自由空间激光通信(星际通信、全球通信、星球大战计划 的核心技术) 激光全息(全息干涉计量、全息显微摄影…) 激光存储(光盘存储、全息存储) 激光光计算(光模拟运算、数字光计算机) 激光印刷(激光照排、激光打印)
一个模式占有的波矢空间体积:
在空腔V=x y z的立方体内,三个坐标轴方向传播的波分别应满足:
x m

2
y n

2
z q

kz
2
波矢K的三个分量应满足:
kx

x
m ky

y
n kz

z
q
kx
ky
每一组正整数(m, n, q)对应空腔内一种模式(包含两个偏振态) 在波矢空间(kx,ky,kz)中表示光波模,每个光波模对应波矢空间的 一点。每一模式与相邻模的间隔为: k x k y k z x y z 因此每个模式在波矢空间占有一个体积元
光波模式
光子态
二、光波模式和光子状态相格
光波模式:
单色平面波:麦克斯韦的一种特解
E( r,t) E 0 ei 2vt ikr
在自由空间,任意波矢的单色平面波都可以存在; 在有边界条件限制的空间V(如谐振腔)内,只能存在一系列独立的特 定波矢K的单色平面驻波 能够存在于腔内的驻波(以某一K为标志)——光波模(或电磁波模) 一种模式对应电磁运动的一种类型,不同模式以不同的K区分 考虑到两种偏振态,同一K对应两个不同偏振方向的模
电磁波谱
1954:美国汤斯(C.H.Townes) 前苏联巴索夫(N.G.Basov) 普罗霍罗夫(A.M.Prokhorov):
提出利用原子、分子的受激辐射来放大电磁波 的概念,第一次实现氨分子微波量子振荡器(MASER)。 开辟了利用原子(分子、离子)中的束缚电子与电 磁场的相互作用来放大电磁波的新路,由此诞生了: 量子电子学。
激光的发展历史
• 世界上第一台激光器的成功演示距今已经40余年, 40余年来,激光科学技术以其强大的生命力谱写了 一部典型的学科交叉的创造发明史。 • 激光的应用已经遍及科技、经济、军事和社会发展 的许多领域。
• 科学技术发展规律
基础理论研究 应用技术 产品开发 产业
• 基础理论研究是构筑科学大厦的基石
光电检测 电子学电子技术-
应用光电子技术
什么是激光?

LASER(激光) -- Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (受激辐射光放大)

激光:是一种崭新的光源,是由激光器产
生的一种光。激光是20世纪以来,继原子 能、计算机、半导体之后,人类的又一重 大发明。
激光器

不同学科和技术背景的发明家发明了各种不同类型的 激光器和激光控制技术,主要包括:




半导体(GaAs, InP等)激光器 固体(Nd:YAG等)激光器 气体原子(He-Ne等)激光器 气体离子(Ar+等)激光器 气体CO2分子激光器 气体准分子(XeCI,KrF等)激光器 金属蒸汽(Cu等)激光器 可调染料及钛宝石激光器 激光二极管泵浦(全固化)激光器 掺杂光纤放大器和激光器 光纤喇曼放大器和激光器 光学参量振荡及放大器 超短脉冲激光器 自由电子激光器 极紫外及X射线激光器 …
激光技术基础
任课教师:董毅 Email: yidong@sjtu.edu.cn 电话:34204390
上海交通大学电子信息与电气工程学院 区域光纤与新型光通信系统国家重点实验室
参考书

激光原理 周炳锟 国防工业出版社 激光技术 蓝信钜 科学出版社 激光原理与激光技术 俞宽新 北京工业大学出 版社
课件下载地址: ftp://public.sjtu.edu.cn User: yidong Password: public
※ 教学手段: 授课方式:Powerpoint 演示文稿 课后作业 习题讲评&课堂讨论:3-4次 考试方式:开卷 期末 ※ 成绩: 作业+点名 25%, 期末考试 75% ※ 课堂纪律: 上课时不准吃、喝;关闭手机; 不得随便走动 ※ 学风建设: 主动积极听课、认真独立完成作业……
激光加工技术

非接触、高精度、高硬度、环保加工,主要包 括:
• • • • • • 激光切割 激光焊接 激光热处理 激光打标与雕刻 激光打孔 激光清洗
其它





激光医疗与光子生物学 激光检测与计量 激光光谱分析技术 非线性光学 超快光子学 激光化学 量子光学 激光雷达 激光制导 激光分离同位素 激光可控核聚变 激光武器 …
激光技术基础 第一讲
序言
1.激光简介 2.激光发展历史
第一章:激光的基本原理
光电子学
汇集光子学、电子学、光子技术与电子技术的 一门学科
光子学-研究光子作为信息、能量载体的科学
光子技术- 相干光的产生
相干光的控制
激光原理
(调制、偏转) 光电子技术
光频率(波长)变换
相干光的检测及应用
本课程讲授的主要内容
1.了解激光产生的基本原理
2.了解激光光束的基本特点和激光器件
3.了解激光在一些重要领域的应用
第一章 激光的基本原理
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 相干性的光子描述 光的受激辐射基本概念 光的受激辐射放大 光的自激振荡 激光的特性
1.1相干性的光子描述
讨论光的相干性和光波模式之间的联系
追寻成功者的足迹,给人必要的启迪
• 任何一项发明都是一批科学家前仆后继,大胆探
索的结果,
• 勤奋,善于学习,抓住机遇,把握科学前沿, • 大胆设想, 勇于创新,勇于实践,锲而不舍。
激光与现代科学
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。 激光的发明导致了一系列新兴学科和产业的出现, 使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段,去 获得空前的效益和成果,从而促进了生产力的发展。 激光的发明不仅导致了一部典型得学科交叉的创造 发明史,而且体现了人的知识和技术创新活动是如 何推动经济和社会发展,从而造福人类的物质和精 神生活的。
激光和普通光有什么不同?
一. 激光的单色性好; 二. 激光的方向性好; 三. 激光的亮度最高; 四. 激光的能量在空间上、在时间上高度集中
一. wenku.baidu.com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
109 nm
激光的颜色非常单纯,而且只 向着一个方向发光,亮度极高
朱棣文(Stephen Chu,1948-- ) ,美 国物理学家,1997年诺贝尔物理学奖获得 者 科恩-塔诺季(Claud cohentannoudji, 1933-- ) ,法国物理学家,1997年诺贝尔 物理学奖获得者 菲利浦斯( William D.Phillips, 1949-),美国物理学家,1997年诺贝尔物理学 奖获得者
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