激光器及其应用介绍

N i C e Ei / kT
N1 E1
N 2 E2
N1 / N 2 e
( E1 E2 ) / kT
已知
E 2 E1
N1>N2表明 , 处于低能级的电子数大于高能级的电子数，这种 分布叫做粒子数的正常分布。N2>N1叫做粒子集居数反转，简 称粒子数反转或称集居数反转。
E2
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（6）X射线激光器在科研和军事上有重要价值，应用于激光 反导弹武器中具有优势；生物学家用X射线激光能够研究活组 织中的分子结构或详细了解细胞机能;用X射线激光拍摄分子结 构的照片,所得到的生物分子像的对比度很高。 （7）化学激光器 有些化学反应产生足够多的高能原子，就 可以释放出大能量，可用来产生激光作用。 （8）自由电子激光器 这类激光器比其他类型更适于产生很 大功率的辐射。它的工作机制与众不同，它从加速器中获得几 千万伏高能调整电子束，经周期磁场，形成不同能态的能级， 产生受激辐射。
激光器的分类
工作物质
激励方式
工作方式
输出波长
输出频率特性
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激光器的种类很多，可分为固体、气体、液体、半导体和 染料等五种类型： （1）固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用 范围较广泛。 （2）半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单， 特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。半导体激光 器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长， 能将电能直接转换为激光能，所以发展迅速。 （3）气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干性较好， 激光波长可达数千种，应用广泛。气体激光器结构简单、造价 低廉、操作方便。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方 面应用广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能 等多种激励方式。
对激光的频率特性和功率特性进行了比较完善的 探讨。 1964年研制成了 氩离子（Ar+）离子气体激光器
二氧化碳气体激光器
化学激光器（HF氟化氢） 掺钕的钇铝石榴石固体激光器 1965年实现了铌酸锂光学参量振荡器，借助半经典理 论预言了锁模效应的存在。
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1966年研制成了固体锁模激光 器获得了超短脉冲。 1967年研制成了Ｘ射线激光器。
激光原理简介
激光的发展历史 激光器的基本原理
激光器的应用及前景
LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) ——辐射的受激发射的光放大
激光是20 世纪的四 项重大的 发明之一
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激光的发展历史
从历史来看，任何科学发明或科学发现，都不外是两条道 路：一是自然界业已存在，当人们自觉或不自觉地发现以后 再产生理论，并加以证明和利用，如万有引力、氧气、电磁 等，这种情况称为“科学发现”；二是自然界（至少地球上 的自然界）并不存在的事物，但人们先从理论上推导、预测， 然后再通过努力加以证明和实现，如相对论、核衰变、核聚 变等，这种情况称为“科学发明”。而后者则更有科学理论 性和挑战性，激光的诞生过程就是属于后者。
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（4）以液体染料为工作物质的染料激光器于1966年问世，广 泛应用于各种科学研究领域。现在已发现的能产生激光的染料， 大约在 500 种左右。这些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或 其他溶液。它们还可以包含在有机塑料中以固态出现，或升华 为蒸汽，以气态形式出现。所以染料激光器也称为“液体激光 器”。染料激光器的突出特点是波长连续可调。燃料激光器种 类繁多，价格低廉，效率高，输出功率可与气体和固体激光器 相媲美，应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。 （ 5 ）红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种 新型的红外辐射源，特点是辐射强度高、单色性好、相干性好、 方向性强。
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1961年8月，中国第一台红宝石激光器问世。中
国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。

1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统——神
光装置，在中国科学院上海光学精密机械研究所
研制成功。

神光I、神光II、神光III
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（built in 1986 2beam /f200mm,
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（3p、2p）之间形成反转分布。
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(2). 红宝石激光器 红宝石 脉冲 氙灯 椭圆柱面
触发
高压 直流电源
限流电阻
激励能源：脉冲氙灯
工作物质：红宝石中的Cr+3
脉冲氙灯发出的光照射红宝石，使得Cr+3 在亚稳态和基态 2018/3/26 26 之间形成反转分布。
（三）激光器的种类

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C.H.Townes
A.M.Prokhorov
The Nobel Prize in Physics 1964
N.G.Basov
汤斯 1954 年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反 转，研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年 几乎同时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光 2018/3/26 6 器原理研制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发明。
恰好满足 h=E2-E1) 的诱发下向低能级 E1 跃迁 , 并发出 与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射。 由受激辐射得到的放大了的光是相干光，称之为激光。
E2
.
h
发光前
E2 E1
。
E1
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.
h h
受激辐射的光放大 示意图
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发光后
（二）激光原理 1、粒子数正常分布和粒子集居数反转分布
菲 利 普 斯 （ Felipus ， William ， 1948~ ）美国物 理 学 家 ， 1987 年 他 运 用 “磁阱”技术，改进了原
“磁阱”技术，成功地将
原子温度降低到了与绝对 零度只相差百万分之一度 的程度。
子在激光照射下温度骤降
的方法，使冷却温度进一 步降低。因此获得 1997年 诺贝尔物理奖。
⑵ 有人提出了Q调制技术，
并制成第一台调Q激光器。 ⑶ 制成了钕玻璃脉冲激光器。 1962年，美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化镓 （GaAs）半导体激光器运转的报道。
仅1961—1962年间世界各国发表 的激光方面的论文达200篇以上。
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为什么要调Q？
1963年建立了激光的半经典理论。
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朱棣文（1948~），美 籍华裔物理学家。 1997 年，朱棣文因发 明用激光冷却和俘获 原子的方法获得诺贝 尔物理学奖。
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科 昂 - 塔 努 吉 （ Cloder Cohen Tanuky，1933~）法 国物理学家， 1997 年诺贝 尔物理奖得主。他利用

1952年，美国马里兰大学的韦伯开始应用以上理论 去放大电磁波。


从微波振荡器到光波振荡器 微波振荡器的实现原理：
一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔； 利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡。
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1954 年，美国的汤斯 (Charles H.Towns) 、苏联的巴索夫 (Nikolai G.Basov)和普洛霍洛夫(Aleksander M.Prokhorov) 第一次实现了氨分子微波量子振荡器(Maser), 抛弃了 利用 自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡， 利用原子或分子中的束缚电子与电磁场的相互作用来放大 电磁波。 1958年，汤斯和肖洛(Arthur L.Schawlow)抛弃了一个尺度 和波长可比拟的封闭的谐振腔，提出了利用尺度远大于波 长的开放式光谐振腔，实现了激光器的新思想。 布隆伯根 (Nicolaas Bloembergen) 提出了利用光泵浦三能级原子系统 实现原子数反转分布的新构想。 汤斯和肖洛在Physis Revies 上发表论文，指出了实现 受激辐射为主的可能性，并给出了实现这个愿望需要满足 的条件。
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1.6KJ/1w/1ns ）神光I 装置的两路激光系统
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二、激光的基本构成

Leabharlann Baidu
产生激光的必要条件
激 光 构 造 三 要 素 1. 实现粒子数反转 ——工作物质
２.使原子被激发 ——激励能源 ３.要实现光放大 ——光学谐振腔
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1. 基本构成部分 谐振腔，增益介质， 激励能源。
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自 发 辐 射
E2
.
发光前
E2
E1
。
E1
.
发光后
h
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2、受激吸收 原子吸收外来光子能量h, 并从低能级E1跃迁到高
能级E2, 且E2-E1=h , 这个过程称为受激吸收。
E2
E1
.
h
E2
E1
受激吸收
.
。
吸收后
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吸收前
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3、受激辐射
原子中处于高能级E2的电子,会在外来光子(其频率
激发态 。
E3
E2
.
亚稳态
E1
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.
。
基态
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红宝石中铬离子能级示意图
2、光学谐振腔 激光的形成
光在粒子数反转的工作物质中往返传播，使谐振腔内的 光子数不断增加,从而获得很强的光,这种现象叫做光振荡。
加强光须满足驻波条件
lk

2
.
激光光束
全反射镜
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l
部分透光反射镜
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.. .. .
E2 E1
N2
E2
...... ....... ..
。 。 。 。 。
粒子数反转分布
N2
E1
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。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 N1
E 2 E1
E1
N1
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粒子数的正常分布
从外界输入能量（如光照,放电等） , 把低能级 上的原子激发到高能级上去, 这个过程叫做激励（也 叫泵浦-pump）.
光学谐振腔示意图
3、谐振腔的作用
(1).限定光的方向
增益介质
沿轴线的光在增益介质内来 回反射，连锁放大，输出形 成激光。其它方向的光很快逸出谐振腔。 (2).选择光振荡的频率 （驻波条件）
Lk
(3). 延长增益介质
阈值条件
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k
2
k 1,2,3,
I0 r1r2I0 e2GL
增益介质 谐振腔
2. 激光的形成
光束在谐振腔内 来回振荡，在增 益介质中的传播 使光得以放大， 并输出激光。
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全反 射镜
激励能源
部分 反射镜 (99)
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（一）自发辐射 受激辐射 1、自发辐射 原子在没有外界干预的情况下 ,电子会由处于激发 态的高能级 E2 自动跃迁到低能级 E1, 这种跃迁称为自 发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射。 E 2 E1 h
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世界第一台自由电子激光器于1977年问世，中国第一台自 由电子激光器于1985年问世。自由电子激光器的能量是由外场 加速后的自由电子的动能转换而成的。其输出功率可达很高水 平，在加工、反导、雷达、通信、光化学等方面都有很大的用 途，所以它一问世就受到各国科技界的重视。
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导 体之后，人类的又一重大发明。
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激光发明的理论基础可以追溯到1917年，著名的 物理学家爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用的时 候发现，除了受激吸收和自发辐射跃迁过程外，还存 在受激辐射跃迁过程。 20世纪50年代初，电子学和微波技术的应用提出 了将无线电技术从微波推向光波的要求。
为什么要锁模？
1970年研制成了准分子激光器。
1977年研制成了红外波段的自由电子激光器（FEL） 1984年研制出光孤子激光器（SL）
因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺
贝尔物理学奖的科学家共有10位.
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拉 姆 齐 （ Ramsey ， Norman F ， 1915~ ）美国 物理学家。因发展了原子 精确光谱学和发明了分离 振荡场方法以及将其用于 氢微波激射器和原子钟而 获得 1989 年诺贝尔物理学 奖金。
增益介质
I0 eGL
≤
r1r2e
2 GL
1
r2
r1I0 e2GL
r1I0 eGL
r1 24
4、 几种常见的激光器
(1). 氦氖激光器
高压 直流电源
工作物质：氖气
激励方式：直流气体放电
电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态的 He 与 Ne 碰 撞，把能量传递给 Ne，使它在亚稳态（3s、2s）和激发态

1960年7月，世界第一台红宝石固态激光器问世， 标志了激光技术的诞生。 美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅 曼演示的。 波长为694.3nm的激光


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至此，一门新的科学技 术——量子电子学中的激光 技术以科学史上罕见的高速 度向前发展！
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1961年 ⑴ 2月（A.Javan）研制成了 He—Ne混合气体激光器。