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
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 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 ）
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
SM to 10 kW? 光纤激光器 – 输出功率剧增
17 kW, Yb, MM 10 kW, Yb, MM 2 kW, Yb, MM
Charles Hard Townes
激光发展简史 ห้องสมุดไป่ตู้ 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。
• 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 • 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 焊接 • 医学应用：矫正近视、激光整容 • 科学研究：激光核聚变
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).
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, 196 2.
• 按照波长范围分类
– 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 激光器
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 GaAs同质结半导体激光 器 CO2分子激光器 研制成功时 间 1963年7月 1963年6月 1963年12月 1965年9月 研制人 邓锡铭 等 干福熹 王守武 王润文 等
激光技术发展简史之二
• 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.
E2 hv=E2-E1
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： "for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum".
激光器应用
Stent manufacture
Micro-bending
Print/gravure
Spot welding
Welding
Marking
Micro-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
激光器应用案例– 视力矫正
激光器工作基本原理
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".
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： "for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms".
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
什么是激光?
• 镭射？
• LASER
由受激辐射的光放大而产生的光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。
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".
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。 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： "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。 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 。 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 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。
1 kW, Yb, MM (ORC)
Laser power [kW]
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
110, Yb, SM (SDL)
30W, Nd 610W, Yb SM (ORC) 485W, Nd/Yb, SM 352W, Yb, SM (ORC)
2 kW single-mode (IPG)
1.5 kW (Jena) 1.4 kW single-mode (ORC)
1.3 kW, M2 < 3 (Jena)
1.2 1.1 1.0 0.9
The
3rd
generation
MM
1.2 kW single-mode (ORC)
1 kW, Nd, MM
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.
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...... • 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".
E2 hv=E2-E1 hv=E2-E1
E2 hv=E2-E1
E2 hv hv
E1
E1
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)