第1章 激光先进制造技术基础

"for his services to Theoretical Physics, 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；
• 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
1.0.3 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
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
– 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"
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。
1.0.1 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；
1.0.2 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"
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"
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：
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；
– 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；
– 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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
– 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
• 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。