激光原理与应用(视频配套)

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原子的电子组态
泡利不相容原理：多电子原子中，不可能有两个或两个以 上的电子具有完全相同的量子数 ； 电子充填原子壳层时，遵守最小能量原理，即在正常情况 下(无外界激发)，电子从最低的能级开始充填，再依次充 填能量较高的能级。 电子数较多的原子不一定严格按上述规则填充（电子间 的相互作用导致量子数n和l的竞争； 只有原子或离子的电子能级中未充满子壳层的电子（即 价电子）才与能级间的辐射跃迁有关。
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波尔兹曼分布
现考虑由n0个相同原子(分子或离子)组成的系统，在热平衡 条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：
ni gi e Ei
kT
式中gi为Ei的简并度；k为波尔兹曼常数；T为热平衡 时的绝对温度； ni表示处在Ei能级的原子数 分别处于Em和En能 级上的原子数nm和nn 必然满足下一关系
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原子的能级
原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：
主量子数n，n＝1，2，3，…大体上决定原子中电子的能 量值．不同的主量子数表示电子在不同的壳层上运动; 辅量子数l , l=0,1,2,…,(n-1)，它表征电子有不同的轨道角 动量，这也同电子的能量有关。对l=0,1,2,3等的电子顺次用 s, p, d, f字母表示; 磁量子数m=0，±1，±2，… ±l. 磁场方向的分量; 决定轨道角动量在外
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单色平面波
理想的单色平面波
单色平面波的表示---行波方程
z 2p t 2p z U U 0 cos t U 0 cos l c T
单色平面波的复数表示
U U 0 exp i t kz U exp(it )
生物和医学应用
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激光技术涉及的学科
物理（光学） 精密加工（光学谐振腔的制作） 光学加工（光学镀膜、光学装调） 电子技术（激光电源、控制电路） 应用技术基础（数学方法、误差理论）
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第一章 辐射理论概要与激光产生条件
§1.1 光波、光子——光的波粒二象性 §1.2 原子能级和辐射跃迁
§1.3 受激辐射
E2 E1

激 发 态
E0基态
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简并能级、简并度
简并能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态；
简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目。
n 1
n2
n3
s
s
P
s
P
d
原子状态
1s 2p
n
1 2
l
0 1
m
0
s
±1/2
简并度
2 6
1 0 -1
±1/2 ±1/2 ±1/2
氢原子1s,2p态的简并度
式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J•s。
光子的具有运动质量
光子的动量
h m 2 2 h mc 2 c c

h h 2p h h P mcn0 n0 n0 n0 k c l 2p l 2p
光的能量就是所有光子能量的总和。当光与物质(原子、分 子)交换能量时，光子只能整个地被原子吸收或发射。
Prokhorov
Townes
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激光技术发展简史之一
1958年Townes和 Schawlow抛弃了尺度必 须和波长可比拟的封闭 式谐振腔的老思路，提 出利用尺度远大于波长 的开放式光谐振腔实现 Laser的新想。 Schawlow
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激光技术发展简史之一
美国休斯公司实验室一位从事 红宝石荧光研究的年轻人梅曼 在1960.5.16利用红宝石棒首 次观察到激光；
自旋量子数ms= ±1/2，代表电子自旋方向的取向，也代 表电子自旋角动量在外磁场方向的分量;
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原子的能级
电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动 状态
电子的能级，依次用E0，E1， E2，… En表示； 基态：原子处于最低的能级 状态； 激发态：能量高于基态的其 它能级状态；
En
梅曼在7月7日正式演示了世 界第一台红宝石固态激光器；
他在Nature(8月16日)发表了 一个简短的通知。
Maiman
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激光技术发展简史之一
Maiman的第一台激光器
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中国第一台激光器（1961）
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激光技术发展简史之二
各种激光器的开发:
工作物质：固体，气体，染料，化学，离子，原 子，半导体，X射线 输出功率：大功率，低功率
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普通光源
普通光源是光的自发辐射。
特点：多波长、任意方向、 不相干。
普通光源向四面八方辐射, 光线分散到4p球面度的立体 角内.
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激光
激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （Laser）。 激光是光的受激辐射。
激光的特点：单色性好,方 向性好；相干性好；亮度高.
y Ey E (1)线偏振光 Ex x (2)自然光 传播方向 z
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光速、频率和波长三者的关系
(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。
(2)光速 c 2.998 108 m / s 3 108 m / s (3)频率：光矢量每秒钟振动的次数 1 (4)三者的关系
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1.2 原子能级和辐射跃迁
为了说明原子能级间的辐射跃迁，需要复 习原子能级的概念； 为了知道在不同的能级上原子的数量，需 要了解简并度的概念。
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原子的能级
物质是由原子、分子或离子组成，而原子有带正电的原子 核及绕核运动的电子组成； 电子一方面绕核做轨道运动，一方面本身做自旋运动。 -e -e 电子 +e 原子核 角动量L=r×p
nm g m e nn g n

( Em En ) kT
热平衡条件下，处在高能级状态的粒子数总是小于处在 低能级状态的粒子数
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辐射跃迁和非辐射跃迁
高能级的原子总是倾向于过度到低能级状态以便更加稳定
辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的 现象。
非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射 和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原 子传给它的能量。 发射 吸收
工作方式：短脉冲，脉冲，超短脉冲，连续 输出稳定性：稳频率，稳功率，稳方向
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我国激光器研究情况
激光器的第一台 红宝石激光器（我国第一台) He-Ne激光器 掺钕玻璃激光器 GaAs同质结半导体激光器 CO2分子激光器 研制成功时间 1961年11月 1963年7月 1963年6月 1963年12月 1965年9月 研 制 人 邓锡铭、 王之江 邓锡铭等 干福熹 王守武 王润文等
U 02 U 02 cos2 (t k z)dt 2
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球面波
波阵面为一系列同心圆的波是球面波
球面简谐波方程：
U0 r U cos t r c
球面波的复数表示法：
U 0 it kr U e r
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光子
在真空中一个光子的能量
h
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光盘存储器原理—激光刻蚀与读出
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偏振光显微镜
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激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）
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激光控制核聚变
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天文台（激光导航星）
来自纳层 的反射光 （高度约 100km) 最大高度 约35km
来自空气 分子的 Rayleigh光
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激光测距与激光雷达
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激光切割
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长度测量
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§1.4 光谱线增宽
§1.5 激光形成条件
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光的波粒二象性
波动性：传播过程 具有频率、波长、偏振 粒子性：光与物质相互作用 具有能量、动量、运动质量
光波是电磁波 振动的电场； 振动的磁场 l 光与大多数探测器作用时，主要是电矢量起作用，故把电 矢量称作光矢量
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光的波粒二象性
光波是横波，有偏振方向，激光本质上讲是偏振光---偏振 方向有时随时间变化
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原子的电子组态
根据壳层结构模型，原子核外的电子依照一定规律分布； 主壳层：主量子数n表示，称K、L、M…层； 每个主壳层包括若干子壳层：辅量子数l表示，s,p,d,…分 别表示l=0,1,2,…； 壳层 n 子壳层 l 容纳电子数 K 1 1s 0 0 L 2 2s 2p 1 0 M 3 3s 3p 3d 1 2 0 1 N 4 4s 4p 4d 4f 2 3
h E2 E1
h E1 E2
E2 : 高能级， 1 : 低能级 E
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~ 复振幅 U : 代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在 ~ 空间的分布 U U 0 exp ikz
光强：单位时间内通过垂直于光传播方向单位面积的 光波能量。光强与光矢量大小的平方成正比，即 I U 2
1 I T

T 2 T 2
1 U 2 dt T

1 T 1 T
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激光技术发展简史之三
激光应用技术
信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算， 光隔离器 检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维 形状 激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型 医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼 科手术，激光血照仪，视光学测量 科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激光光 谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过 程等等
T
c l0 在真空中 各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同 l c υ υ l (l 0 )
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折射率始终大于1？
自然界中所有材料的折射率均大于1，各种气体的折射率 近似等于1； 负折射率材料：当介电常数<0，磁导率<0时，折射率 n=-()1/2，小于零（人造材料，2000年后）
激光原理及应用
主讲老师：郭汉明 办公室：光电学院218室 联系方式：55271048 Email: ghanming@vip.sina.com
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学习目的与具体要求
目的：掌握激光原理和激光技术有关知识，学习 理论结合实际应用高技术的某些方法。 独立完成课后作业、闭卷考查。 平时成绩30%， 考试成绩70%。（可调整）
用复负折射率 材料做增益介 质？
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单色平面波
(1) 平面波
波阵面或等相位面：光波相位相同的空间各点所连成的面
平面波：波阵面是平面 实际生活中无穷远处传来的光，透镜前焦点上光源通过透 镜形成的光束可以看成平面波 (2) 单色平面波：具有单一频率的平面波 准单色波：实际上不存在完全单色的光波，总有一定的 频率宽度，如 称为准单色波。
Einstein
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激光技术发展简史之一
理论基础： R.C.Tolman指出： 具有粒子数反转的介 质具有光学增益（产 生激光的基本条件之 一）（1924）。
Tolman
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激光技术发展简史之一
实验基础：
Prokhorov和 H.Townes分别 独立报导了第一 个微波受激辐射 放大器(Maser) （1953）
基本沿某一条直线传播,通 常发散角限制在10-6球面度 量级的立体角内.
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激光
辐射跃迁： 受激吸收； 自发辐射； 受激辐射
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激光
粒子数反转
激光原理就是要研究光 的受激辐射是如何在激 光器内产生并占主导地 位而抑制自发辐射！
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激光技术发展简史之一
理论基础： 爱因斯坦的光子学说 (1905)； 波粒二象性(1909) 辐射理论(1917)：提出 了受激辐射的概念，预 测到光可以产生受激辐 射放大。