激光技术基础-第一讲

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