第1章 激光先进制造技术基础

1.0.3 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。
1.0.3 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。
• 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
1.0.1 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
1.0.1 激光发展的现状
• 发展
– 更大
• 为了进行高能物理、热 核聚变等方面的研究工 作，激光器产生的能量 密度和功率不断提高。 • 现在世界上功率最大的 激光器是美国的国家点 火工程（NIF）中使用的 NOVA激光系统，其峰 值功率达到1.3PW （1015W），该系统有 望在今年投入使用。
1.0.1 激光发展的现状
– 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；
1.0.1 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。
1.0.1 激光发展的现状
1.0.1 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？
第1章 基础(1)·激光原理部分
• 1.0 激光的发展与现状
• 1.1 激光产生的机理 • 1.2 激光束特性
• 1.3 激光束的聚焦与传输特性
1.0 激光的发展与现状
– 提到激光时脑海中的第一印象？
1.0 激光的发展与现状
• 什么是激光？ • LASER：
– Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
1.1 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：
23
J /T
1.1 激光产生的机理
• 1.1.2 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：
– 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
1.0.3 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。
温州大学研究生课程 激光先进制造技术 第1章 激光先进制造技术基础 之激光原理部分
2013年秋·机电工程学院
课程概述
– 建议先修科目（没修过？我们边讲边学）
• 几何光学、物理光学 • 大学物理、量子力学 • 工程材料、机械原理
– 参考书目
• 《激光先进制造技术及设备集成》，邵丹、胡兵、郑启 光编著，科学出版社，2009 • 《先进激光制造技术》，张永康、崔承云等编著，江苏 大学出版社，2011 • 《激光制造工艺——基础、展望和创新应用实例》，张 冬云译，清华大学出版社，2008
E
h
eh / KT 1
1.1 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
1.0.1 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"
"for his services to Theoretical PhΒιβλιοθήκη Baidusics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect"
1.0.1 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；
1.0.1 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。
1.0.3 激光的应用
• 军事
– 激光测距 – 直接摧毁 – 激光制导
1.0.3 激光的应用
• 其他
– 条码扫描 – 照明、成像 – 通讯 – 娱乐
1.1 激光产生的机理
• 光子基本特性 34 – 能量： h ; h 6.62410 J S
– 动量：
2 h p k ; ; k n0 2 h m 2 2 c c 光子没有静止质量
1.0.1 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。
– 质量： – 偏振态：光子有两个可能的独立偏振状态，对 应于光波的两个独立偏振方向； – 自旋：光子具有自旋，其自旋量子数为整数， 光子属于玻色子，服从玻色爱因斯坦分布，即 处于同一量子态的全同粒子数目没有限制。
1.1 激光产生的机理
• 1.2.1黑体辐射与普朗克公式
– 黑体：一个物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射， 则称此物体为绝对黑体或黑体。自然界中不存在绝对 黑体，而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近似。 – 黑体辐射：当黑体处于某一恒定温度的热平衡状态， 它吸收的电磁辐射和发射的电磁辐射 完全相等，即处于能量平衡状态，这 将导致空腔内存在完全确定的辐射场。 这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。
1.0.1 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；
• 速率方程理论（Rate Equation Theory）
– 量子理论的简化形式，忽略光子的相位特性和光子数 的起伏特性
1.0.2 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； • 一般大学课程主要用到的理论是经典理论 和速率方程。
1.0.2 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
• 半经典理论（Semiclassical Laser Theory）
– 电磁场－麦克斯韦方程组；原子－量子力学描述
• 量子理论（Quantum Laser Theory）
– 电磁场和原子——二者作为一个统一的物理体系作量 子化处理
1.0.1 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"
– 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"
– 更快
• 更高的调制频率：GHz； • 更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecond Laser)；
– 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；
1.0.3 激光的应用
• 从科幻到现实
– 第一个描述激光的作品？
• 威尔斯在1898年的小说《世界大战》（火星人入 侵）：“由某种方式在非传导的小室中产生酷热， 用抛物镜将其变成平行光，射向目标，这些射线不 是可见光，而是某种热……” • CO2激光器，由CO2作为工作物质，通过放电激发 产生10.6um的红外激光，肉眼不可见，其输出方式 多为抛物镜构成的反射望远镜系统； • 火星大气充满CO2，并且有强烈的大气放电（闪 电），因此可能存在天然的激光；