激光技术(第一章)
《激光技术》课程笔记
《激光技术》课程笔记第一章：引言和知识准备1.1 激光是什么样的光？激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），即通过受激辐射的方式放大光的一种特殊形式的光。
它的特性包括：- 单色性：激光的波长非常纯净，几乎只有一个颜色，波长范围极窄，远小于普通光源。
- 方向性：激光的光束非常集中，可以在很长的距离内保持较小的发散角，这使得激光可以精确地指向目标。
- 相干性：激光的波前是平行的，光波的相位关系在空间和时间上保持一致，这使得激光可以产生干涉现象。
- 高亮度：由于激光具有高度的方向性，能量可以在一个很小的区域内集中，因此亮度很高。
1.2 激光器是怎么发明的？激光器的发明是20世纪物理学的重要成就之一，其发展历程如下：- 1917年，爱因斯坦提出了受激辐射的概念，为激光器的理论基础奠定了基础。
- 1954年，查尔斯·哈德·汤斯和他的学生詹姆斯·皮尔斯研制出了第一台微波激射器（maser），这是激光器的先驱。
- 1958年，尼古拉·巴索夫和亚历山大·普罗霍罗夫独立提出了激光器的概念，并预测了其可能的应用。
- 1960年，西奥多·梅曼利用红宝石晶体作为增益介质，成功研制出了第一台激光器，这是人类历史上的第一个激光器。
1.3 谈谈光的本质和“光学”光的本质是电磁波的一种，它同时具有波动性和粒子性两种性质：- 波动性：光可以表现出干涉、衍射、偏振等波动现象。
- 粒子性：光也可以被视为由大量光子组成的粒子流，每个光子具有特定的能量和动量。
光学是研究光的性质、行为和应用的物理学分支，主要包括以下领域：- 几何光学：研究光在介质中的直线传播、反射、折射等宏观现象。
- 波动光学：研究光的干涉、衍射、偏振等波动现象。
- 量子光学：研究光的量子行为，包括光的发射、吸收、非线性效应等。
1.4 光学波段的内涵？光学波段指的是电磁谱中与光相关的部分，主要包括以下几个区域：- 紫外光波段：波长在10纳米到400纳米之间，具有较高的能量，可以引起化学反应。
激光原理(第1章)
位置测得越准确，动量就越测不准。对于一维运动情况．测不 准关系表示为
Dx· DPx ≈ h (1.1.9)
上式意味着处于二维相空间面积元Dx· DPx ≈ h 之内的粒子运动 状态在物理上是不可区分的，因而它们应属于同一种状态。
在三维运动情况下，测不准关系为 DxDyDzDPxDPyDPz ≈h3 故在六维相空间中，一个光子态对应 (或占有 ) 的相空间体积元
于是，式(1.1.7)在相空间中可改写为 DPxDPyDPz DxDyDz≈h3
(1.1.12)
(1.1.13)
可见，一个光波模在相空间也占有一个相格。因此，一个光波模等
效于一个光子态。一个光波模或一个光子态在坐标空间都占有由式 (1.1.11)表示的空间体积。
三、光子的相干性 为了把光子态和光子的相干性联系起来，下面对光源的相干性进行讨 论。
在一般情况下，光的相干性理解为：在不同的空间点上、在不同的时 刻的光波场的某些特性（例如光波场的相位）的相关性。在相干性的经典 理论中引入光场的相干函数作为相干性的度量。但是，作为相干性的一种 粗略描述，常常使用相干体积的概念。如果在空间体积Vc内各点的光波场 都具有明显的相干性，则 Vc 称为相干体积。Vc 又可表示为垂直于光传播方 向的截面上的相干面积 Ac 和沿传播方向的相干长度Lc的乘积
式中
(1.1.3)
激光技术--蓝信巨讲解
第一章作业（激光技术--蓝信鉅，66页）答案2．在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个1／4波片，（1）它的轴向应如何设置为佳?（2）若旋转1／4波片，它所提供的直流偏置有何变化?答：（1）. 其快、慢轴与晶体主轴x轴成450角（即快、慢轴分别与x’、y’轴平行）。
此时，它所提供的直流偏置相当于在电光晶体上附加了一个V1/4的固定偏压(Ex’和Ey’的附加位相差为900)；使得调制器在透过率T=50%的工作点上。
（2）. 若旋转1／4波片，会导致Ex’和Ey’的附加位相差不再是900；因而它所提供的直流偏置也不再是V1/4。
当然调制器的工作点也偏离了透过率T=50%的位置。
3.为了降低电光调制器的半波电压，采用4块z切割的KDP晶体连接(光路串联、电路并联)成纵向串联式结构。
试问：(1)为了使4块晶体的电光效应逐块叠加，各晶体的x和y轴取向应如何? (2) 若λ=0.628μm，n。
＝1.51，γ63＝23.6×10—12m／V，计算其半波电压，并与单块晶体调制器比较之。
解：(1) 为了使晶体对入射的偏振光的两个分量的相位延迟皆有相同的符号，则把晶体x和y轴逐块旋转90安置，z轴方向一致（如下图）， x x z zx x z z y y y y(2).四块晶体叠加后，每块晶体的电压为：11λ10.628⨯10-6Vλ=Vλ=⨯3=⨯=966 v 3-124242n0γ6342⨯1.51⨯23.6⨯102'而单块晶体得半波电压为：λ0.628⨯10-6Vλ=3==3864 v 3-122n0γ632⨯1.51⨯23.6⨯102与前者相差4倍。
4．试设计一种实验装置，如何检验出入射光的偏振态(线偏光、椭圆偏光和自然光)，并指出是根据什么现象? 如果一个纵向电光调制器没有起偏器，入射的自然光能否得到光强调制?为什么？解：（1）实验装置：偏振片和白色屏幕。
a. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，假如有两次消光现象，则为线偏振光。
第一章 激光的基本原理及其特性
1913年波尔提出了原子中电子运动状态量子化假设。
1917年爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体
辐射的普朗克公式，在推导中提出了两个极为重要地概
念：受激辐射和自发辐射。
（第一章）
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《激光原理与技术》
原子的能级
• 基态
激发态
电子只能处于分立的能级，电磁辐射与物质的相互作用将 导致物质中电子能级的变化，当吸收或辐射能量时，可在 特 定的能级间跃迁；该能量为这两个能级的能量差，并且 该能量差唯一地决定了电磁辐射的频率： ∆Ed t 0
受激跃迁几 率
（第一章）
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《激光原理与技术》
受激吸收的特点
原子的受激吸收几率与外界辐射场的频率有关 原子的受激吸收几率与受激爱因斯坦系数有关 原子的受激吸收几率与外来光辐射能量密度有关
（第一章）
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《激光原理与技术》
光的受激辐射
入射光
h E 2 E 1
(t ) N u 0 e 1 Au 1 1
N u 0e
t
u
u u
Au i
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《激光原理与技术》
自发辐射的特点
原子的自发辐射与原子的本身性质有关，与外界 辐射场无关 自发辐射的随机性，自发辐射光的相位、偏振态 和传播方向杂乱无章
光源发出的光的单色性、定向性很差。没有确定 的偏振状态。
原子数按能级分布
热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布
玻尔兹曼分布律:
N2 N1
e
( E 2 E1 ) kT
高 能 级 低 能 级
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第一章 激光的原理及技术基础
高光子简并度。
激光的发展：激光的光子简并度的再提高。
B n 2 h / 2
一般气体激光器： n 108 ~ 1012 一般固体激光器： n 1011 ~ 1013 调Q大功率激光器： n 1014 ~ 1017
外，同时还存在另一种辐射即“受 激辐射”。四十多年后第一台激光 器开始运转，爱因斯坦这一预言得 到了有力的证实。
如图，处在激发态的原子，当有外来光子（即外来电磁场）
影响它时，且外来光子的频率正好是ν21。
这个原子可能受到外来光子的“刺激”,引起由高能级E2向低能 级E1跃迁，同时发出一个光子，此时光子由一个变成两个---“受激辐射”。
1.2 激光的产生
激光也是一种光，和普通光源如太阳、
火焰、白炽灯等所发的光没有什么本
质上的差别。 激光有高方向性、高单色性、高亮度、
相干性等显著的特点。这些特点是由
激光的发光机理与激光器的特殊结构 所决定的。 各种发光现象都与光源内部原子、分 子的运动状态的变化有关
基态与激发态
1、基态原子：处于最低能量的原子叫基态原子；
n2 n1 打破热平衡：使 ，粒子数反转条件 g 2 g1
负温度分布
E2
。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 E1 。 N1
粒子数的正常分布
E2 E1
.. .. .
N2
E2 E1
...... ....... ..
E2 E1
粒子数反转分布
N2
。 。。 。。 N1
实现粒子数反转，除了强有力的泵浦源以外，还有一个重要的条件， 就是要求所选择的物质具有合适的能级结构。因为并非各种物质都能实 现粒子数反转；在能实现粒子数反转的物质中，也不是在该物质的任意 两个能级间都能实现粒子数反转。我们把能造成粒子数反转的物质称为 激活媒质（或称为激光器的工作物质）。
第一章 激光原理及技术
激光器的结构形式
常见的氦－氖气体激光器，根据激 光管的形式分类主要有三种结构形式： 内腔式：热稳定性差 外腔式：调整困难 半腔式：好调整，使用方便灵活。
20
激光器的分类
根据激光器的增益介质进行分类： 固体激光器 气体激光器 半导体激光器 液体染料激光器 化学激光器 光纤激光器 自由电子激光器 其它新型激光器
26
我院太赫兹实验室的780nm 100 fs 光纤激光器
激光器 电源
27
太赫兹实验室的光纤激光器 技术指标
28
The end!
29
1.3 激光的基本物理性质
30
1.3 激光的基本物理性质
（一）激光光束的基本特性
方向性好 高亮度 单色性好 相干性好
（二）激光光束的模式特性
31
32
1.激光的方向性好
半导体激光器的光束特性： 水平方向和竖直方向发散角不一致，存在像散，光束质 量最差。
33
2.激光的高亮度
亮度：光源在 单位面积 、单位时间、 单位立体 角 内辐射的能量。
E B S ..t
一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮 度高8个数量级(几千万倍） 强激光甚至可产生上亿度的高温。 地球上任何一种已知材料，无论其熔点多高，在强 激光照射下1秒钟之内即可开始气化；任何一种金属 或钻石，不管其硬度多大，激光均可轻而易举地对 它打孔。 34
E2
h
发光前
发光后
E1
h E2 E1
h h
当外来光子的频率满足 h E 2 E1时，使原子中处于高 能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。 受激辐射跃迁几率：
(完整版)激光原理第一章答案
第一章 激光的基本原理1. 为使He-Ne 激光器的相干长度达到1km ,它的单色性0/λλ∆应是多少? 提示: He-Ne 激光器输出中心波长632.8o nm λ= 解: 根据c λν=得 2cd d d d ννλνλλλ=-⇒=-则 ooνλνλ∆∆=再有 c c cL c τν==∆得106.32810o o o c o c c L L λλνλνν-∆∆====⨯ 2. 如果激光器和微波激射器分别在=10μm λ、=500nm λ和=3000MHz ν输出1W 连续功率，问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？解：设输出功率为P ，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则：由此可得：其中346.62610J s h -=⨯⋅为普朗克常数，8310m/s c =⨯为真空中光速。
所以，将已知数据代入可得：=10μm λ时： 19-1=510s n ⨯=500nm λ时：18-1=2.510s n ⨯ =3000MHz ν时：23-1=510s n ⨯3．设一对激光能级为2E 和1E (21f f =)，相应的频率为ν(波长为λ)，能级上的粒子数密度分别为2n 和1n ，求(a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时，21/?n n = (b) 当λ=1μm ，T=300K 时，21/?n n = (c) 当λ=1μm ，21/0.1n n =时，温度T=？解：当物质处于热平衡状态时，各能级上的粒子数服从玻尔兹曼统计分布,则(a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时：(b) 当λ=1μm ，T=300K 时：cP nh nh νλ==PP n h hcλν==2211()exp exp exp b b b n E E h hc n k T k T k T νλ⎡⎤⎛⎫⎛⎫-=-=-=- ⎪ ⎪⎢⎥⎣⎦⎝⎭⎝⎭3492231 6.62610310exp 11.3810300n n --⎛⎫⨯⨯⨯=-≈ ⎪⨯⨯⎝⎭34822361 6.62610310exp 01.381010300n n ---⎛⎫⨯⨯⨯=-≈ ⎪⨯⨯⨯⎝⎭(c) 当λ=1μm ，21/0.1n n =时：4. 在红宝石调Q 激光器中，有可能将几乎全部3+r C 离子激发到激光上能级并产生激光巨脉冲。
激光光谱技术及应用 第一章
3. 爱因斯坦跃迁系数间的关系 原子因吸收辐射场能量从低能级跃迁到高 能级。
N10W12 N10B12
原子通过自发辐射和受激发射而交出能量
N20 A21 W21 N20 A21 B21
光谱 按频率高低排列称为电磁波谱
X射线：1 － 30nm，原子内层电子跃迁。 紫外光：5nm－400nm，原子外层电子跃 迁的光谱区。
mer = -ker
上式解为
r = r0ei0t
根据电动力学原理，振动的电偶极子会向其周 围发射电磁波。电偶极子发射电磁波就要损失 能量，因此振幅会越来越小。形式上认为振子 受到阻尼作用，称之为辐射阻尼。
考虑一维振动情况，在存在阻尼时电子的运动方程变为。
x x 02 x 0
1. 分子光谱特征
分子内部存在着三种运动： 1. 价电子在键连着的原子间运动。 2. 各原子间的相对运动—振动。 3. 分子作为一个整体的转动。
分子的三种运动状态都有与之相应的振荡偶极矩，因而产生的分子光谱可以分为电子、振动与转动 光谱。由于分子的结构比原子复杂，运动自由度的数目比原子的多得多，因而与原子光谱相比，分 子光谱复杂得多，主要特点是能级的数目和可能跃迁的谱线数目很多，有许多谱线密集地连在一起 形成带状光谱。
D 20
2 ln 2kBT mc 2
原子质量越小，温度越高，Doppler 线宽越大。
自然线宽与 Doppler 展宽的混合线宽
实际上，一条光谱线实际线型是多种因素共同作用的结果。由于展宽效应的存在，自然线型轮廓中 每一个无限窄的频区都受到Doppler 效应的展宽；而Doppler线型轮廓中的每一个无限窄的频区具有 自然衰减的展宽。
dn
第一章激光的基本原理
3
3
kxkykz xyz V
§1.1 相干性的光子描述
在k空间内，波矢绝对值处于 k k d k 区间的体积为
(1 / 8)4 k 2 d k
在此体积内的模式数为
(1 / 8)4 k 2 d k V / 3
再由
k 2 / 2 / c
d k 2 d
c
同一k有两种不同的偏振
得体积V的空腔内模式数为
返回
人眼对绿光最为敏感。正常人的眼睛接收到波长为
530nm的绿光时，只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，
眼睛就能察觉。普朗克常量为 6.63×10-34 J ·S ，光速
为 3×108 m/s ，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最
小功率是 （
）A
A． 2.3×10－18 W
B． 3.8×10－19 W
E光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。
光子的集合服从玻色－爱因斯坦统计规律： 有相同能量和动量的光子彼此不可区分，
处于同一模式。每个模式内的光子数目没有限制。
§1.1 相干性的光子描述 玻色－爱因斯坦凝聚：
§1.1 相干性的光子描述
氦—氖激光器发出波长为633nm的激光，当激光器 的输出功率为1mW时，每秒发出的光子数为 （ B ）
光的粒子性和波动性的统一：利用量子电动力学 的理论，将电磁场量子化。
1、电磁场的本征模式：具有基元能量 hl 和
基式元的动光量 子。hkl 的物质单元即属于同一本征模
2、具有相同动量和相同能量的光子彼此不可区分， 应属于同一模式（或状态）。
3、处于同一模式或同一壮态的内的光子数目是没 有限制的。 4、任意电磁场可以看作一系列单色平面 波或本征模式的线性叠加。
N
周炳坤激光原理与技术课件第一章 激光的基本原理
1 Lc = cΔt = cτ c = c Δν
τ c 即相干时间。对波列进行
频谱分析的频带宽度：
I (ν0 )
I (ν )
1 Δν = Δt
I (ν 0 ) 2
Δν
Δν 是光源单色性的量度： 1 Lc = cΔt = c Δν
相干时间与频带宽度的关系为：
ν0
ν
（1.1.16）
τ c = Δt =
1 2
cπ ⎛ m 2 n2 q 2 ⎞ ωmnq = ⎜ 2 + 2 + 2 ⎟ η ⎝ 4a 4b l ⎠ 结论：不考虑偏振态的情况下，一组(m、n、q)值 对应一个模，求出(m、n、q)值的数目就可以得到 空腔中的模数
1 2
（二）、波矢空间和模密度 1、波矢空间 ——用 k x 、 y 、 z 作为坐标建立的空间称为波矢空间 k k
2
ν
k=
2π
λ
=
2πνη c
2πη dk = dν c
模密度 nν ——单位体积内在频率ν 处单位频率间隔内的模式数：
Nν 8πν 2η 3 = nν = Vdν c3
（*）
（三）、光子状态相格
光子的运动状态，受量子力学测不准关系制约——微观粒子 的坐标和动量不能同时准确测定，遵循测不准关系：
一维： 三维：
Δk z =
π
l
⎛ 2π ⎞ 且有： k = k + k + k = ⎜ ⎟ ⎝ λ ⎠ 2 ⎛ 2 ⎞ m2 n2 q2 = + 2 + 2 ⎜ 2 ⎜ λ mnq ⎟ ⎟ 4a 4b l ⎝ ⎠
2 2 2 x 2 y 2 z
ν mnq
c ⎛ m2 n2 q 2 ⎞ = ⎜ 2+ 2+ 2 ⎟ l ⎠ 2η ⎝ 4a 4b
激光与红外技术手册
激光与红外技术手册激光与红外技术手册引言激光与红外技术是现代科学技术领域中的两个重要分支，它们在军事、医疗、通信、测量和检测等领域都有广泛的应用。
本手册旨在介绍激光与红外技术的基本原理、应用领域和发展趋势，帮助读者全面了解和掌握这两种技术。
第一章激光技术1.1 激光的基本原理1.1.1 激光的定义和特点1.1.2 激光的产生原理1.1.3 激光的结构和工作原理1.2 激光的基本特性1.2.1 激光的单色性1.2.2 激光的方向性1.2.3 激光的准直性1.2.4 激光的相干性1.3 主要类型的激光1.3.1 固体激光器1.3.2 气体激光器1.3.3 半导体激光器1.4 激光在不同领域的应用1.4.1 激光在医学领域的应用1.4.2 激光在通信领域的应用1.4.3 激光在材料加工领域的应用1.4.4 激光在测量和检测领域的应用1.5 激光技术的发展趋势1.5.1 激光科技的前景1.5.2 激光技术的发展方向第二章红外技术2.1 红外辐射的特点和应用2.1.1 红外辐射的波长和频谱2.1.2 红外辐射的传播特性2.1.3 红外辐射在不同领域的应用2.2 红外传感器的基本原理2.2.1 红外传感器的工作原理2.2.2 红外传感器的分类和特性2.3 红外成像技术2.3.1 红外成像的基本原理2.3.2 红外成像系统的组成和主要参数2.4 红外辐射测温技术2.4.1 红外测温的基本原理2.4.2 红外测温的应用领域2.5 红外技术的发展趋势2.5.1 红外技术的应用前景2.5.2 红外技术的发展方向第三章激光与红外技术在军事领域的应用3.1 激光和红外技术在导弹制导系统中的应用3.2 激光和红外技术在无人机导航和控制系统中的应用3.3 激光和红外技术在光电侦察系统中的应用3.4 激光和红外技术在防御系统中的应用第四章激光与红外技术的安全与保护4.1 激光与红外技术的安全问题4.2 激光与红外技术的防护方法第五章激光与红外技术的未来发展5.1 激光与红外技术的发展趋势5.2 激光与红外技术的应用前景结论激光与红外技术作为现代科技的重要组成部分，已经在各个领域发挥了重要作用。
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激光同位素分离 激光受控热核反应
激光受控热核反应
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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
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※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》
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）
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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
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偏振光散射光谱（LSS）检测早期癌细胞
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
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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
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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
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连续波激光器（CW）
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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
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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）
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
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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
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
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
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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
弱相干光学层析技术（OCT）
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；
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
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蓝绿激光水下探潜
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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
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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。
焊接
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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பைடு நூலகம்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
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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 。
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
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
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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"
§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。
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
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；