激光器简史及光纤激光器简介

Niels Bohr
➢ 1917年，爱因斯坦在波尔的原子结构基础上，提出了波 尔借鉴了普朗克的量子理论提出了受激辐射理论，为激光 的出现奠定了理论的基础
E2 hv=E2-E1
该理论预言：光子和原子相互作用包含三种过程:自发辐射、受
激吸收和受激辐射；提出在物质与辐射场的相互作用中，构成
物质的原子或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射或
➢ 2003 - 英国南安普顿大学ORC研制出第一个超过一千瓦 单模输出的高功率光纤激光器
➢ 2007 - IPG研发出超过3千瓦单模输出的光纤激光器 ➢ 2010 - JPT研发出基于MOPA结构的10W脉冲光纤激光器
光纤激光器 – 输出功率剧
17 kW, Yb, MM
SM to 10 kW?
增 10 kW, Yb, MM
吸收，预示了有可能利用受激发射实现光放大（Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation—LASER ）
E2
E2
hv=E2-E1
hv=E2-E1
hv
hv
激光发展简史 – 激光与诺 贝尔奖
➢ 1947年，兰姆（Lamb）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，因此兰姆获 得了1955年诺贝尔物理学奖：
激光器发展简史 – 60’s
• 1960年，BELL实验室制成了第一台氦氖激光 器；
• 1961年，第一台光纤激光器；
• 1962年，第一台GaAs半导体激光器； • 1963年，液体激光器； • 1964年，CO2气体激光器； • 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。
聚变的反应原料、氢的同位素氘(质量数2)和氚(质量数3)，解决了核聚变的一 个关键困难。
激光技术发展简史之三
• 发明了近百种不同类型的激光器件，其 发明者都有完全不同的专业背景
• 各种学科和技术应用激光并形成了许多 重要的交叉学科：如光电子学、激光光 谱学、 激光化学、非线性光学、激光全 息术、激光生物医学、 激光计量、超快 光电子学、激光加工处理......
➢ 1962 - 首次报道的掺镱光纤激光器
• H. W. Etzel, et al., “Stimulated emission of infrared radiation from ytterbium-activated silicate glass,” Appl. Opt.,vol. 1, 1962.
"for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms".
Alfred Kastler
激光发展简史 – 激光与诺 贝尔奖
➢ 1951年，Townes提出受激辐射微波放大，即MASTER 的概念。
激光器 • 按照泵浦工作方式
– 电泵浦； – 光泵浦；
• 灯泵 • 半导体泵浦 （侧泵 & 端泵）
• 几类特殊激光器 – 准分子激光器；
光纤激光器发展史
➢ 1960 - E. Snitzer首次通过试验研究了掺稀土元素光纤激 光器
• Snitzer, E. Proposed fiber cavities for optical lasers. J. Appl. Phys. 32:36–39, 1961.
激光器简史及光纤激光器简介
概要
• 激光器历史概述
– 激光器简史 – 光纤激光器简史
• 光纤激光器简介
– 市场和应用 – 光纤激光器技术简介
• 激光安全
• 镭射？
什么是激光?
• LASER
由受激辐射的光放大而产生的光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。
➢ 1985 - 英国南安普顿大学ORC采用改进的化学气相沉积 （MCVD）的方法成功地研制出单模掺稀土光纤
➢ 1988 - E. Snitzer提出双包层光纤概念
• E. Snitzer, et al., “Double-clad, offset core Nd fiber laser,” Proc. Conf. Optical Fiber Sensors, Postdeadline paper PD5, 1988.
1 kW, Yb, MM (ORC)
L a se r p o w e r [kW ]
0.9
0.8
0.8 kW, Yb, SM
0.7
(Dual-end output)
0.6
610W, Yb SM (ORC)
0.6 kW, SM, polarized (ORC)
0.5
485W, Nd/Yb, SM
SF/Pulsed
离子，原子，半导体，X射线 • 输出功率：大功率，低功率 • 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 • 激光模式：多波长，单一模式
激光技术发展简史之三
• 激光器在各个方面的应用 • 信息技术：激光通讯 • 检测技术：激光测距 • 激光加工：激光打孔、激光切割、激光
Charles Hard Townes
"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".
激光器应用案例– 视力矫 正
激光器工作基本原理
E2 hv=E2-E1
E1
hv=E2-E1
E2 hv=E2-E1
E1
E2 hv hv
E1
激光的特性及分类
激光的特性
一般通称激光的四大特性为：
✓ 方向性好 ✓ 亮度高 ✓ 相干性好 ✓ 单色性好
激光器的分类
激光器的分类: • 按照工作方式分类
– 连续光激光器; 脉冲激光器(调Q，锁模，脉冲调制) • 按照波长范围分类
。 • 1988年: 北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。 • 1990年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造。 • 1991年: 第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。 • 1996年: 东芝推出数字多用途光盘(DVD)播放器。 • 2008年: 法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤。 • 2010年: 美国国家核安全管理局(NNSA)表示，通过使用192束激光来束缚核
Albert Einstein
激光发展简史 – 激光与诺 贝尔奖
➢ 1913年，波尔借鉴了普朗克的量子理论提出了全新的原 子结构模型，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".
Max Planck
➢ 1905年，爱因斯坦提出了光子假说并成功解释了光电 效应，并因此获得了1921年诺贝尔物理学奖：
"for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect".
– 紫外光；紫光；蓝光；绿光；红光；红外；中红外，远红外... – 193nm,244nm,248nm,355nm,488nm,632nm,1064nm,1310nm, 1550nm, 2um,
10.3um…… • 按照工作物质分类
– 气体激光器；固体激光器；液体激光器；半导体激光器；光纤激光器 – CO2激光器；Nd:YAG激光器；红宝石；HeNe激光器；光纤激光器；氩离子
➢ 1974 - Stone, J 报道了第一台半导体激光器泵浦光纤激光 器
• Stone, J., et al., Neodymium fiber lasers: room-temperature cw operation with an injection laser pump. Appl. Opt. 13:1256 (1974).
激光发展简史 – 史上最牛 激光器
➢ 1958年，Schawlow和Townes在Physics review letter上面发表论文 “Infrared and Optical Master”, 标志着激光作为一全新事物登上了历史舞台。
➢ 1960年，休斯实验室的梅曼（Maiman）和兰姆 （Lamb）共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红 色激光，标志着世上第一台激光器的诞生。
百度文库2 kW single-mode (IPG)
2 kW, Yb, MM
MM
1.2 The 3rd generation
1.1
1.0
1 kW, Nd, MM
1.5 kW (Jena) 1.4 kW single-mode (ORC)
1.3 kW, M2 < 3 (Jena)
1.2 kW single-mode (ORC)
"for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum".
Willis Eugene Lamb
➢ 1950年，法国物理学家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1966年年诺贝尔物理学奖：
➢ 1952年，韦伯（F.Weber）在受激辐射讨论会上得到启 示，产生了利用受激辐射诱发原子或分子，从而放大电磁 波的想法。他提出了微波激射器的原理。
➢ 1954年，第一台氨分子Master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而获 得1964年诺贝尔物理学奖：
中国第一台激光器（ 1961）
国内激光技术发展简史
激光器的第一台 He-Ne激光器 掺钕玻璃激光器
研制成功时 间 1963年7月
1963年6月
研制人
邓锡铭 等 干福熹
GaAs同质结半导体激光 器
CO2分子激光器
1963年12月 1965年9月
王守武
王润文 等
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，
焊接 • 医学应用：矫正近视、激光整容 • 科学研究：激光核聚变
激光技术发展简史之三
• 1969年：激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器 ，测得的地月距离误差在几米范围内。
• 1971年: 激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。英国 籍匈牙利裔物理学家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。
激光发展简史 – 50 年
激光发展简史 – 激光与诺 贝尔奖
➢ 1900年，普朗克提出了能量量子化概念，因此获得了 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".
• 1974年: 第一个超市条形码扫描器出现。 • 1975年: IBM投放第一台商用机光打印机。 • 1978年: 飞利浦制造出第一台激光盘(LD)播放机，不过价格很高。 • 1982年: 第一台紧凑碟片(CD)播放机出现，第一部CD盘是美国歌手Billy Joel
在1978年的专辑52nd Street。 • 1983年: 里根总统发表了“星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光武器
• 形成了一系列重要技术应用领域，光电 子产业方兴未艾
激光器应用
Stent manufacture
Micro-bending
Print/gravure
Marking
Spot welding Micro-welding
Welding Cutting
激光器应用
激光器应用案例 – 打印机
激光器应用案例 – 打印机