激光技术(第一章)
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4
第一台激光器的诞生
1960年5月美国的T.H. Maiman制成了世界上第一台红宝石 激光器，标志着激光技术的诞生
聚光腔 M1 红宝石棒 闪光灯 M2 Laser Beam
第一台红宝石激光器结构（λ＝694.3nm）
（我国第一台：1961年，王之江院士） 1962年美国的贾范研制成功了He－Ne激光器，第一台 气体激光器
按运转方式分
准连续激光器（QCW） 脉冲激光器 紫外激光器
按波段范围分
可见光激光器 红外激光器
9
激光技术的发展过程 1960年到1970年 ：激光理论逐渐完善，各类激 光器件相继问世，激光器品种繁多，并逐渐走向系列 化，商品化 1970年以后 ：结合重大应用及其相应理论和技术 发展的开拓阶段 （新波段激光器，新型激光器，提 高激光器效率和寿命，激光器件小型化 ） 激光技术发展方向 波段的扩展 ； 宽波段可调谐激光器的研制 ； 功率密度的提高，并进一步提高电－光转换效率 （DPSS）； 10
讲义－ 讲义－1
激光技术
※课程涉及的内容
激光原理 激光器件 激光技术 非线性光学 激光是如何产生的? 如何设计各种激光器? 如何使输出激光符合特 定的应用要求? 非线性光学现象
1
※教材与参考书※ 教材与参考书※
※教材※ 教材※ 主编, 《激光技术》兰信钜主编 科学出版社 激光技术》 主编
※参考书※ 参考书※ 《固体激光工程》W.克希奈尔著 华光译 科学出版社 固体激光工程》 《晶体光学》李家泽等 北京理工大学出版社 晶体光学》 《激光原理器件与技术》北京理工大学出版社 激光原理器件与技术》 《非线性光学》范琦康等 江苏科技出版社 非线性光学》
焊接
14
激光打孔
激光把材料加热到汽化温度，利用汽化蒸 发把加工部分的材料除去 。 适合在高熔点、高硬度的材料上打细小的 深孔，深径比可达50以上。
碳钢打孔样品
不锈钢孔样品
有机材料打孔样品
15
激光切割
激光切割与激光打孔的原理相似，只要移 动工件或移动激光束进行连续打孔形成切缝。 切割的速度是线切割速度的100倍，而且 切割无噪声，很容易使用数控方法 。
32
激光同位素分离 激光受控热核反应
激光受控热核反应
33
34
35
36
§1.2激光的基本特点 单色性好
稳频单频特种He－Ne Laser，∆λ/ λ可达1010~10-13量级；激光出现以前，单色性最好 的光源为氪－86灯，λ＝605.7nm，∆λ＝ 0.00047nm, ∆λ/ λ=10-6量级
方向性好
衍射极限，通常mrad量级； 波长1微米的激光，光束直径1mm时，发散角 约为1mrad；这样一束激光在10Km处光斑只 有2cm。
1947年兰姆和雷瑟福在关于氢的精细结构的论文中，指出通 过“粒子数反转”可实现期望实现受激辐射； 1949年法国物理学家卡斯特勒发展了光泵方法，利用光辐射 改变光子能级集居数的一种方法，为此获1971年诺贝尔物理 奖； 二战期间，雷达的广泛应用，促成了微波激射器 微波激射器的诞生 二战期间，雷达的广泛应用，促成了微波激射器的诞生 1952年韦伯提出了“微波激射器”的原理； 1954年汤斯(C.Townes)利用分子受激辐射原理研制成功了 微波量子放大器，成为Maser； “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation” 1958年美国的 年美国的L.Shawlow等提出了把微波受激辐射放大的工 等提出了把微波受激辐射放大的工 作原理引申到光学波段的可能性，称为光受激放大器 作原理引申到光学波段的可能性，称为光受激放大器 “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” 肖洛和汤斯的论文于1958年12月发表在《物理评论》上，引 起极大反响。汤斯因此获1964年诺贝尔物理学奖；
技术指标： 技术指标
激光范围：905纳米一级安全激光 测距范围：LRM1200 20-1200米 LRM1500 20-1500米 测速系统技术参数 LRMPRO1000 20-1500 米 激光类型：905纳米一级安全激光 测距精度：+/-1米 测速范围： 测速精度:+/-1km/h
22
激光在信息技术中的应用
11
亮度高
太阳发光亮度103瓦/厘米2球面度，而采用调Q 技术的大功率脉冲固体激光器，其输出激光亮 度可高达1014~1017瓦/厘米2球面度 量级以上， 亦即比太阳的亮度高几千亿倍以上
§1.3激光的主要应用领域 激光加工
将激光作为热源，对材料进行热加工； 其大体过程为：激光束照射材料，材料吸收光能， 光能转化为热能从而对材料加工。
由D. Huang于1991年提出，文章发表于世界著名杂志 “Science”（Vol.254, pp.1178–1181, 1991）
25
皮肤组织的OCT层析图 皮肤组织的OCT层析图 OCT 该技术能对生物组织进行空间分辨率高达10微米的三 维层析测量
26
偏振光散射光谱（LSS）检测早期癌细胞
17
左图为: 左图为 SZL600型印字轮激光雕刻机 型印字轮激光雕刻机
雕刻字模
塑料雕刻 刻章
18
激光热处理
激光淬火和激光退火 淬火：使金属表面强化、硬化或合金化，从 而达到改善和提高金属表面性能的目的。 退火：是一种修复过程（半导 体晶格损伤） 。
激光划片
GSLGSL-I型1KW-2KW激光热 1KW-2KW激光热 处理成套设备（上海雷 处理成套设备 上海雷 欧）
2
第一章 绪论
§1.1激光技术的发展历史回顾
光受激辐射放大理论的提出
物理基础 1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念 激光的主要物理基础 年爱因斯坦提出了受激辐射的概念 提出了受激辐射 概念： 概念：受激辐射 当处于高能级的原子，受外来光子作用，且外来光子的 频率与其跃迁频率一致时，它就会从高能级跃迁到低能级， 并发出一个与入射光子完全相同的光子。 直到1933年在研究反常色散问题时触及了光的放大 年在研究反常色散问题时触及了光的放大 直到 年在研究反常色散问题时触及了 1940年苏联物理学家法布里坎特提出了“粒子数反转”的物 理思想； 1946年瑞士科学家布洛赫在研究核磁感应时，首次观察到了 3 粒子数反转信号；
5
激光器的基本组成
工作介质、激励系统和光学谐振腔
固体
工作 介质
气体 液体 半导体
核心部分，产生光受激辐射的物质体系
6
光激励 气体放电激励 激励系统 化学激励 热激励 稳定腔 光学谐振腔 介稳腔 非稳腔
7
激光器的分类
固体激光器 气体激光器 按工作物质分 液体激光器 半导体激光器
8
连续波激光器（CW）
不锈钢切割样品
有机玻璃切割样品
16
激光打标
在工件上打标记、商标、计算机制版等等。
左图为: 系列激光打标机深 左图为 LX-3系列激光打标机深 系列激光打标机 圳市星辰激光技术有限公司 系统组成：聚光腔、连续YAG 系统组成 激光电源、声光Q开关、声光Q 开关驱动器、F-θ镜头、扫描振 镜系统、冷水机组、升降台、 计算机控制系统和标记软件等 几大部件
13
铝 合 金 焊 接 样 品
左图为:JHM-1GY-300B激光 激光 左图为 楚天激光（集团） 焊接机 楚天激光（集团） 股份有限公司 激光波长：1.06µm 激光工作物质：Nd:YAG 平均功率：≥300W 脉冲频率： 1-100Hz 脉冲宽度： 0.1-10ms 光束发散角：≤15mrad 连续工作时间： ≥16h
该研究成果是MIT于2000年公布于国际上公认的最高层次 杂志“Nature”（Vol.406 pp.35-36，2000）。
27
结肠上皮组织层内细胞核的尺寸分布 他们通过偏振光散射光谱测量，反演得到的上皮组织层内细 胞核尺寸空间分布图。 这种方法有望解决癌症的早期诊断 癌症的早期诊断 问题。 问题。 28
12
激光加工的优越性 ： 光点小，能量集中，加工点位置以外的热影响小； 非接触加工，对工件不污染； 能穿透透光外壳对被密封的内部材料进行加工； 加工精确度高，实用于自动化。
激光焊接
激光可以把两种性状相差悬殊的金属材料 焊接在一起，焊接后性能超过常规工艺。 工业上，用精密微型点焊的例子很多，如钟 表游丝的焊接，微电子器件的封装焊接，调速 管瓶颈的焊接，原子反应堆的燃料封装焊接等
激光在军事中的应用
距离测量 激光雷达
激光在军事中 的应用
激光制导 激光实战模拟演习 激光报警 激光武器
29
美装有激光制导组件的GBU-38炸弹实验成功 炸弹实验成功 美装有激光制导组件的
30
蓝绿激光水下探潜
31
激光在科学研究中的应用
核能的利用 非线性光学 激光在科学研 究中的应用 揭开生命的奥秘 激光光谱分析 激光使卫星改道 激光加速器 长度基准与时间基 准的统一
电阻的微调 动平衡去重
19
激光精密测量
激光干涉测长 血液流速计 激光测速 振动测量仪 激光陀螺仪 激光准直 脉冲测距 激光测距 相位测距
20
激光精密测量
装备交警的激光测速仪
21
左图为：手持式激光测距仪 左图为： LRM1200/PRO1000 技术参数： 技术参数 放大倍数：7X 物镜直径：25毫米 出瞳孔径：3.6毫米 视野范围：8度 光学涂层：复合光学涂层 瞄准标准："+"或"口"
空间激光通讯 激光通信 光纤通讯
激光在信息技 术中的应用
激光信息 处理
激光印刷 全息照相 光学存储 光计算
23
激光在生物医学中的应用
激光眼科 激光外科 激光口腔科
激光在医学和生 物学中的应用
激光耳鼻喉科 激光皮肤科 光动力疗法（PDT） 激光辐照血液疗法 激光针灸
24
弱ห้องสมุดไป่ตู้干光学层析技术（OCT）
第一台激光器的诞生
1960年5月美国的T.H. Maiman制成了世界上第一台红宝石 激光器，标志着激光技术的诞生
聚光腔 M1 红宝石棒 闪光灯 M2 Laser Beam
第一台红宝石激光器结构（λ＝694.3nm）
（我国第一台：1961年，王之江院士） 1962年美国的贾范研制成功了He－Ne激光器，第一台 气体激光器
按运转方式分
准连续激光器（QCW） 脉冲激光器 紫外激光器
按波段范围分
可见光激光器 红外激光器
9
激光技术的发展过程 1960年到1970年 ：激光理论逐渐完善，各类激 光器件相继问世，激光器品种繁多，并逐渐走向系列 化，商品化 1970年以后 ：结合重大应用及其相应理论和技术 发展的开拓阶段 （新波段激光器，新型激光器，提 高激光器效率和寿命，激光器件小型化 ） 激光技术发展方向 波段的扩展 ； 宽波段可调谐激光器的研制 ； 功率密度的提高，并进一步提高电－光转换效率 （DPSS）； 10
讲义－ 讲义－1
激光技术
※课程涉及的内容
激光原理 激光器件 激光技术 非线性光学 激光是如何产生的? 如何设计各种激光器? 如何使输出激光符合特 定的应用要求? 非线性光学现象
1
※教材与参考书※ 教材与参考书※
※教材※ 教材※ 主编, 《激光技术》兰信钜主编 科学出版社 激光技术》 主编
※参考书※ 参考书※ 《固体激光工程》W.克希奈尔著 华光译 科学出版社 固体激光工程》 《晶体光学》李家泽等 北京理工大学出版社 晶体光学》 《激光原理器件与技术》北京理工大学出版社 激光原理器件与技术》 《非线性光学》范琦康等 江苏科技出版社 非线性光学》
焊接
14
激光打孔
激光把材料加热到汽化温度，利用汽化蒸 发把加工部分的材料除去 。 适合在高熔点、高硬度的材料上打细小的 深孔，深径比可达50以上。
碳钢打孔样品
不锈钢孔样品
有机材料打孔样品
15
激光切割
激光切割与激光打孔的原理相似，只要移 动工件或移动激光束进行连续打孔形成切缝。 切割的速度是线切割速度的100倍，而且 切割无噪声，很容易使用数控方法 。
32
激光同位素分离 激光受控热核反应
激光受控热核反应
33
34
35
36
§1.2激光的基本特点 单色性好
稳频单频特种He－Ne Laser，∆λ/ λ可达1010~10-13量级；激光出现以前，单色性最好 的光源为氪－86灯，λ＝605.7nm，∆λ＝ 0.00047nm, ∆λ/ λ=10-6量级
方向性好
衍射极限，通常mrad量级； 波长1微米的激光，光束直径1mm时，发散角 约为1mrad；这样一束激光在10Km处光斑只 有2cm。
1947年兰姆和雷瑟福在关于氢的精细结构的论文中，指出通 过“粒子数反转”可实现期望实现受激辐射； 1949年法国物理学家卡斯特勒发展了光泵方法，利用光辐射 改变光子能级集居数的一种方法，为此获1971年诺贝尔物理 奖； 二战期间，雷达的广泛应用，促成了微波激射器 微波激射器的诞生 二战期间，雷达的广泛应用，促成了微波激射器的诞生 1952年韦伯提出了“微波激射器”的原理； 1954年汤斯(C.Townes)利用分子受激辐射原理研制成功了 微波量子放大器，成为Maser； “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation” 1958年美国的 年美国的L.Shawlow等提出了把微波受激辐射放大的工 等提出了把微波受激辐射放大的工 作原理引申到光学波段的可能性，称为光受激放大器 作原理引申到光学波段的可能性，称为光受激放大器 “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” 肖洛和汤斯的论文于1958年12月发表在《物理评论》上，引 起极大反响。汤斯因此获1964年诺贝尔物理学奖；
技术指标： 技术指标
激光范围：905纳米一级安全激光 测距范围：LRM1200 20-1200米 LRM1500 20-1500米 测速系统技术参数 LRMPRO1000 20-1500 米 激光类型：905纳米一级安全激光 测距精度：+/-1米 测速范围： 测速精度:+/-1km/h
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激光在信息技术中的应用
11
亮度高
太阳发光亮度103瓦/厘米2球面度，而采用调Q 技术的大功率脉冲固体激光器，其输出激光亮 度可高达1014~1017瓦/厘米2球面度 量级以上， 亦即比太阳的亮度高几千亿倍以上
§1.3激光的主要应用领域 激光加工
将激光作为热源，对材料进行热加工； 其大体过程为：激光束照射材料，材料吸收光能， 光能转化为热能从而对材料加工。
由D. Huang于1991年提出，文章发表于世界著名杂志 “Science”（Vol.254, pp.1178–1181, 1991）
25
皮肤组织的OCT层析图 皮肤组织的OCT层析图 OCT 该技术能对生物组织进行空间分辨率高达10微米的三 维层析测量
26
偏振光散射光谱（LSS）检测早期癌细胞
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左图为: 左图为 SZL600型印字轮激光雕刻机 型印字轮激光雕刻机
雕刻字模
塑料雕刻 刻章
18
激光热处理
激光淬火和激光退火 淬火：使金属表面强化、硬化或合金化，从 而达到改善和提高金属表面性能的目的。 退火：是一种修复过程（半导 体晶格损伤） 。
激光划片
GSLGSL-I型1KW-2KW激光热 1KW-2KW激光热 处理成套设备（上海雷 处理成套设备 上海雷 欧）
2
第一章 绪论
§1.1激光技术的发展历史回顾
光受激辐射放大理论的提出
物理基础 1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念 激光的主要物理基础 年爱因斯坦提出了受激辐射的概念 提出了受激辐射 概念： 概念：受激辐射 当处于高能级的原子，受外来光子作用，且外来光子的 频率与其跃迁频率一致时，它就会从高能级跃迁到低能级， 并发出一个与入射光子完全相同的光子。 直到1933年在研究反常色散问题时触及了光的放大 年在研究反常色散问题时触及了光的放大 直到 年在研究反常色散问题时触及了 1940年苏联物理学家法布里坎特提出了“粒子数反转”的物 理思想； 1946年瑞士科学家布洛赫在研究核磁感应时，首次观察到了 3 粒子数反转信号；
5
激光器的基本组成
工作介质、激励系统和光学谐振腔
固体
工作 介质
气体 液体 半导体
核心部分，产生光受激辐射的物质体系
6
光激励 气体放电激励 激励系统 化学激励 热激励 稳定腔 光学谐振腔 介稳腔 非稳腔
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激光器的分类
固体激光器 气体激光器 按工作物质分 液体激光器 半导体激光器
8
连续波激光器（CW）
不锈钢切割样品
有机玻璃切割样品
16
激光打标
在工件上打标记、商标、计算机制版等等。
左图为: 系列激光打标机深 左图为 LX-3系列激光打标机深 系列激光打标机 圳市星辰激光技术有限公司 系统组成：聚光腔、连续YAG 系统组成 激光电源、声光Q开关、声光Q 开关驱动器、F-θ镜头、扫描振 镜系统、冷水机组、升降台、 计算机控制系统和标记软件等 几大部件
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铝 合 金 焊 接 样 品
左图为:JHM-1GY-300B激光 激光 左图为 楚天激光（集团） 焊接机 楚天激光（集团） 股份有限公司 激光波长：1.06µm 激光工作物质：Nd:YAG 平均功率：≥300W 脉冲频率： 1-100Hz 脉冲宽度： 0.1-10ms 光束发散角：≤15mrad 连续工作时间： ≥16h
该研究成果是MIT于2000年公布于国际上公认的最高层次 杂志“Nature”（Vol.406 pp.35-36，2000）。
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结肠上皮组织层内细胞核的尺寸分布 他们通过偏振光散射光谱测量，反演得到的上皮组织层内细 胞核尺寸空间分布图。 这种方法有望解决癌症的早期诊断 癌症的早期诊断 问题。 问题。 28
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激光加工的优越性 ： 光点小，能量集中，加工点位置以外的热影响小； 非接触加工，对工件不污染； 能穿透透光外壳对被密封的内部材料进行加工； 加工精确度高，实用于自动化。
激光焊接
激光可以把两种性状相差悬殊的金属材料 焊接在一起，焊接后性能超过常规工艺。 工业上，用精密微型点焊的例子很多，如钟 表游丝的焊接，微电子器件的封装焊接，调速 管瓶颈的焊接，原子反应堆的燃料封装焊接等
激光在军事中的应用
距离测量 激光雷达
激光在军事中 的应用
激光制导 激光实战模拟演习 激光报警 激光武器
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美装有激光制导组件的GBU-38炸弹实验成功 炸弹实验成功 美装有激光制导组件的
30
蓝绿激光水下探潜
31
激光在科学研究中的应用
核能的利用 非线性光学 激光在科学研 究中的应用 揭开生命的奥秘 激光光谱分析 激光使卫星改道 激光加速器 长度基准与时间基 准的统一
电阻的微调 动平衡去重
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激光精密测量
激光干涉测长 血液流速计 激光测速 振动测量仪 激光陀螺仪 激光准直 脉冲测距 激光测距 相位测距
20
激光精密测量
装备交警的激光测速仪
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左图为：手持式激光测距仪 左图为： LRM1200/PRO1000 技术参数： 技术参数 放大倍数：7X 物镜直径：25毫米 出瞳孔径：3.6毫米 视野范围：8度 光学涂层：复合光学涂层 瞄准标准："+"或"口"
空间激光通讯 激光通信 光纤通讯
激光在信息技 术中的应用
激光信息 处理
激光印刷 全息照相 光学存储 光计算
23
激光在生物医学中的应用
激光眼科 激光外科 激光口腔科
激光在医学和生 物学中的应用
激光耳鼻喉科 激光皮肤科 光动力疗法（PDT） 激光辐照血液疗法 激光针灸
24
弱ห้องสมุดไป่ตู้干光学层析技术（OCT）