激光原理及實(shí)際應(yīng)用

1、12-2 激光原理及應(yīng)用激光原理及應(yīng)用2普通光源普通光源普通光源是光的自發(fā)輻射。普通光源是光的自發(fā)輻射。特點(diǎn)：特點(diǎn)：多波長(zhǎng)、任意方向、多波長(zhǎng)、任意方向、不相干。不相干。普通光源向四面八方輻射普通光源向四面八方輻射, ,光線分散到光線分散到4 4p p球面度的立體球面度的立體角內(nèi)角內(nèi). .3激激 光光激光：激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （Laser）。）。激光是光的受激輻射。激光是光的受激輻射。激光的特點(diǎn)：激光的特點(diǎn)：?jiǎn)紊院脝紊院? ,方方向性好；相干性好；亮度高向性好；相干性好；亮度高. .基本沿某一條

2、直線傳播基本沿某一條直線傳播, ,通通常發(fā)散角限制在常發(fā)散角限制在10-6球面度球面度量級(jí)的立體角內(nèi)量級(jí)的立體角內(nèi). .4激 光輻射躍遷：輻射躍遷：受激吸收；受激吸收；自發(fā)輻射；自發(fā)輻射；受激輻射受激輻射5激 光粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光原理就是要研究激光原理就是要研究光的受激輻射是如何光的受激輻射是如何在激光器內(nèi)產(chǎn)生并占在激光器內(nèi)產(chǎn)生并占主導(dǎo)地位而抑制自發(fā)主導(dǎo)地位而抑制自發(fā)輻射輻射！6激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)：愛(ài)因斯坦的光子學(xué)說(shuō)愛(ài)因斯坦的光子學(xué)說(shuō)(1905)；波粒二象性波粒二象性(1909)輻射理論輻射理論(1917)：提出：提出了受激輻射的概念，預(yù)了受激輻射

3、的概念，預(yù)測(cè)到光可以產(chǎn)生受激輻測(cè)到光可以產(chǎn)生受激輻射放大。射放大。Einstein7激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)： R.C.Tolman指出：指出：具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)具有光學(xué)增益（產(chǎn)質(zhì)具有光學(xué)增益（產(chǎn)生激光的基本條件之生激光的基本條件之一）（一）（1924）。）。Tolman8激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：Prokhorov和和H.Townes分別分別獨(dú)立報(bào)導(dǎo)了第一獨(dú)立報(bào)導(dǎo)了第一個(gè)微波受激輻射個(gè)微波受激輻射放大器放大器(Maser)（1953）TownesProkhorov9激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一

4、 1958年年Townes和和Schawlow拋棄了尺度拋棄了尺度必須和波長(zhǎng)可比擬的封必須和波長(zhǎng)可比擬的封閉式諧振腔的老思路，閉式諧振腔的老思路，提出利用尺度遠(yuǎn)大于波提出利用尺度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的開(kāi)放式光諧振腔實(shí)長(zhǎng)的開(kāi)放式光諧振腔實(shí)現(xiàn)現(xiàn)Laser的新想。的新想。Schawlow10激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一美國(guó)休斯公司實(shí)驗(yàn)室一位從事美國(guó)休斯公司實(shí)驗(yàn)室一位從事紅寶石熒光研究的年輕人梅曼紅寶石熒光研究的年輕人梅曼在在1960.5.16利用紅寶石棒首利用紅寶石棒首次觀察到激光；次觀察到激光； 梅曼在梅曼在7月月7日正式演示了世日正式演示了世界第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激光器；界第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激光器；

5、他在他在Nature(8月月16日日)發(fā)表了發(fā)表了一個(gè)簡(jiǎn)短的通知。一個(gè)簡(jiǎn)短的通知。Maiman11激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一Maiman的第一臺(tái)激光器的第一臺(tái)激光器12中國(guó)第一臺(tái)激光器（中國(guó)第一臺(tái)激光器（19611961）13激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之二激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之二各種激光器的開(kāi)發(fā)各種激光器的開(kāi)發(fā): :工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：固體，氣體，染料，化學(xué)，離子，原固體，氣體，染料，化學(xué)，離子，原子，半導(dǎo)體，子，半導(dǎo)體，X射線射線輸出功率：輸出功率：大功率，低功率大功率，低功率工作方式：工作方式：短脈沖，脈沖，超短脈沖，連續(xù)短脈沖，脈沖，超短脈沖，連續(xù)輸出穩(wěn)定性：輸出穩(wěn)定性：穩(wěn)頻率，穩(wěn)功率，

6、穩(wěn)方向穩(wěn)頻率，穩(wěn)功率，穩(wěn)方向14我國(guó)激光器研究情況我國(guó)激光器研究情況激光器的第一臺(tái)激光器的第一臺(tái) 研制成功時(shí)間研制成功時(shí)間 研研 制制 人人 紅寶石激光器（我國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器（我國(guó)第一臺(tái)) )19611961年年1111月月鄧錫銘鄧錫銘、王之江王之江He-NeHe-Ne激光器激光器 19631963年年7 7月月 鄧錫銘等鄧錫銘等 摻釹玻璃激光器摻釹玻璃激光器 19631963年年6 6月月 干福熹干福熹 GaAsGaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 19631963年年1212月月 王守武王守武 COCO2 2分子激光器分子激光器 19651965年年9 9月月 王潤(rùn)文等王潤(rùn)文等

7、15激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之三激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之三激光應(yīng)用技術(shù)激光應(yīng)用技術(shù) 信息技術(shù)方面的應(yīng)用：光通訊，光存儲(chǔ)，光放大，光計(jì)算，信息技術(shù)方面的應(yīng)用：光通訊，光存儲(chǔ)，光放大，光計(jì)算，光隔離器光隔離器 檢測(cè)技術(shù)方面的應(yīng)用：測(cè)長(zhǎng)，測(cè)距，測(cè)速，測(cè)角，測(cè)三維檢測(cè)技術(shù)方面的應(yīng)用：測(cè)長(zhǎng)，測(cè)距，測(cè)速，測(cè)角，測(cè)三維形狀形狀 激光加工：焊接，打孔，切割，熱處理，快速成型激光加工：焊接，打孔，切割，熱處理，快速成型 醫(yī)學(xué)應(yīng)用：外科手術(shù)，激光幅照（皮膚科、婦產(chǎn)科），眼醫(yī)學(xué)應(yīng)用：外科手術(shù)，激光幅照（皮膚科、婦產(chǎn)科），眼科手術(shù)，激光血照儀，視光學(xué)測(cè)量科手術(shù)，激光血照儀，視光學(xué)測(cè)量 科學(xué)研究方面的應(yīng)用：激光核聚變，重力場(chǎng)測(cè)量，激

8、光光科學(xué)研究方面的應(yīng)用：激光核聚變，重力場(chǎng)測(cè)量，激光光譜，激光對(duì)生物組織的作用，激光制冷，激光誘導(dǎo)化學(xué)過(guò)譜，激光對(duì)生物組織的作用，激光制冷，激光誘導(dǎo)化學(xué)過(guò)程等等程等等16光盤存儲(chǔ)器原理光盤存儲(chǔ)器原理激光刻蝕與讀出激光刻蝕與讀出17偏振光顯微鏡18激光全息防偽人民幣（建國(guó)50周年紀(jì)念幣）19激光控制核聚變激光控制核聚變20天文臺(tái)（激光導(dǎo)航星）來(lái)自納層來(lái)自納層的反射光的反射光（高度約（高度約100km)100km)最大高度最大高度約約35km35km來(lái)自空氣來(lái)自空氣分子的分子的RayleighRayleigh光光21激光測(cè)距與激光雷達(dá)激光測(cè)距與激光雷達(dá)22激光切割激光切割23長(zhǎng)度測(cè)量長(zhǎng)度測(cè)量24生

9、物和醫(yī)學(xué)應(yīng)用生物和醫(yī)學(xué)應(yīng)用25激光技術(shù)涉及的學(xué)科激光技術(shù)涉及的學(xué)科物理（光學(xué)）物理（光學(xué)）精密加工（光學(xué)諧振腔的制作）精密加工（光學(xué)諧振腔的制作）光學(xué)加工（光學(xué)鍍膜、光學(xué)裝調(diào)）光學(xué)加工（光學(xué)鍍膜、光學(xué)裝調(diào)）電子技術(shù)（激光電源、控制電路）電子技術(shù)（激光電源、控制電路）應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)學(xué)方法、誤差理論）應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)學(xué)方法、誤差理論）26 1輻射理論概要與激光產(chǎn)生條件輻射理論概要與激光產(chǎn)生條件1.1 光波、光子光的波粒二象性1.2 原子能級(jí)和輻射躍遷1.3 受激輻射1.4 光譜線增寬1.5 激光形成條件27光的波粒二象性光的波粒二象性波動(dòng)性：傳播過(guò)程波動(dòng)性：傳播過(guò)程 具有頻率、波長(zhǎng)、偏振具有頻率

10、、波長(zhǎng)、偏振 粒子性：光與物質(zhì)相互作用粒子性：光與物質(zhì)相互作用 具有能量、動(dòng)量、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量具有能量、動(dòng)量、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量光波是電磁波光波是電磁波 振動(dòng)的電場(chǎng)；振動(dòng)的電場(chǎng)； 振動(dòng)的磁場(chǎng)振動(dòng)的磁場(chǎng)光與大多數(shù)探測(cè)器作用時(shí)，主要是電矢量起作用，故把電光與大多數(shù)探測(cè)器作用時(shí)，主要是電矢量起作用，故把電矢量稱作光矢量矢量稱作光矢量l28光的波粒二象性光的波粒二象性光波是橫波，有偏振方向，激光本質(zhì)上講是偏振光光波是橫波，有偏振方向，激光本質(zhì)上講是偏振光-偏振偏振方向有時(shí)隨時(shí)間變化方向有時(shí)隨時(shí)間變化(2)自然光自然光z傳播方向Ex(1)線偏振光線偏振光ExyEy29光速、頻率和波長(zhǎng)三者的關(guān)系光速、頻率和波長(zhǎng)三者的關(guān)系

11、(1)波長(zhǎng)波長(zhǎng):振動(dòng)狀態(tài)在經(jīng)歷一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)向前傳播的距離。振動(dòng)狀態(tài)在經(jīng)歷一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)向前傳播的距離。(2)(2)光速光速882.998 10/3 10/cm sm s (3)(3)頻率：光矢量每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)頻率：光矢量每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)T1(4)(4)三者的關(guān)系三者的關(guān)系在真空中在真空中 l0c各種介質(zhì)中傳播時(shí)，保持其原有頻率不變，而速度各不相同各種介質(zhì)中傳播時(shí)，保持其原有頻率不變，而速度各不相同 )(0lllc30折射率始終大于1？自然界中所有材料的折射率均大于自然界中所有材料的折射率均大于1，各種氣體的折射率，各種氣體的折射率近似等于近似等于1； 負(fù)折射率材料：當(dāng)介電常數(shù)負(fù)折射率材

12、料：當(dāng)介電常數(shù) 0，磁導(dǎo)率，磁導(dǎo)率 0時(shí)，時(shí)，折射率折射率n=-()1/2，小于零（，小于零（人造材料，人造材料，2000年后）年后）用復(fù)負(fù)折射率材料做增益介質(zhì)？31單色平面波單色平面波(1) (1) 平面波平面波波陣面或等相位面：光波相位相同的空間各點(diǎn)所連成的面波陣面或等相位面：光波相位相同的空間各點(diǎn)所連成的面平面波：波陣面是平面平面波：波陣面是平面實(shí)際生活中無(wú)窮遠(yuǎn)處傳來(lái)的光，透鏡前焦點(diǎn)上光源通過(guò)透實(shí)際生活中無(wú)窮遠(yuǎn)處傳來(lái)的光，透鏡前焦點(diǎn)上光源通過(guò)透鏡形成的光束可以看成平面波鏡形成的光束可以看成平面波(2) (2) 單色平面波：具有單一頻率的平面波單色平面波：具有單一頻率的平面波 準(zhǔn)單色波：實(shí)

13、際上不存在完全單色的光波，總有一定的準(zhǔn)單色波：實(shí)際上不存在完全單色的光波，總有一定的頻率寬度，如頻率寬度，如 稱為準(zhǔn)單色波稱為準(zhǔn)單色波。32單色平面波單色平面波理想的單色平面波理想的單色平面波單色平面波的復(fù)數(shù)表示單色平面波的復(fù)數(shù)表示0expexp()UUitkzUi t復(fù)振幅復(fù)振幅 : : 代表振幅在空間的分布，輻角代表振幅在空間的分布，輻角(-kz)代表位相代表位相在空間的分布在空間的分布 UikzUUexp0 光強(qiáng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于光傳播方向單位面積的光強(qiáng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于光傳播方向單位面積的光波能量。光強(qiáng)與光矢量大小的平方成正比，即光波能量。光強(qiáng)與光矢量大小的平方成正比，即 2U

14、I 2)(cos112021120222UdtkztUTdtUTITTTT單色平面波的表示單色平面波的表示-行波方程行波方程0022coscosztzUUtUcTppl單色平面波的表示單色平面波的表示-行波方程行波方程0022coscosztzUUtUcTppl33球面波球面波波陣面為一系列同心圓的波是球面波波陣面為一系列同心圓的波是球面波球面簡(jiǎn)諧波方程：球面簡(jiǎn)諧波方程：0cosUrUtrc球面波的復(fù)數(shù)表示法：球面波的復(fù)數(shù)表示法：0it krUUer34光光 子子 在真空中一個(gè)光子的能量在真空中一個(gè)光子的能量h 光子的動(dòng)量光子的動(dòng)量0000222hhhhPmcnnnnkcplplp式中式中h是

15、普朗克常數(shù)是普朗克常數(shù)，h=6.6310-34Js。 光子的具有運(yùn)動(dòng)質(zhì)量光子的具有運(yùn)動(dòng)質(zhì)量222hmhmccc光的能量就是所有光子能量的總和。當(dāng)光與物質(zhì)光的能量就是所有光子能量的總和。當(dāng)光與物質(zhì)( (原子、分原子、分子子) )交換能量時(shí)，光子只能整個(gè)地被原子吸收或發(fā)射。交換能量時(shí)，光子只能整個(gè)地被原子吸收或發(fā)射。352 原子能級(jí)和輻射躍遷原子能級(jí)和輻射躍遷為了說(shuō)明原子能級(jí)間的輻射躍遷，需要復(fù)為了說(shuō)明原子能級(jí)間的輻射躍遷，需要復(fù)習(xí)原子能級(jí)的概念；習(xí)原子能級(jí)的概念；為了知道在不同的能級(jí)上原子的數(shù)量，需為了知道在不同的能級(jí)上原子的數(shù)量，需要了解簡(jiǎn)并度的概念。要了解簡(jiǎn)并度的概念。36原子的能級(jí)原子的能

16、級(jí)物質(zhì)是由原子、分子或離子組成，而原子有帶正電的原子物質(zhì)是由原子、分子或離子組成，而原子有帶正電的原子核及繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成；核及繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成；電子一方面繞核做軌道運(yùn)動(dòng)，一方面本身做自旋運(yùn)動(dòng)。電子一方面繞核做軌道運(yùn)動(dòng)，一方面本身做自旋運(yùn)動(dòng)。+e-e-e原子核電子角動(dòng)量L=rp37主量子數(shù)主量子數(shù)n，n1，2，3，大體上決定原子中電子的能大體上決定原子中電子的能量值不同的主量子數(shù)表示電子在不同的殼層上運(yùn)動(dòng)量值不同的主量子數(shù)表示電子在不同的殼層上運(yùn)動(dòng);輔量子數(shù)輔量子數(shù)l , l=0,1,2,(n-1)，它表征電子有不同的軌道角它表征電子有不同的軌道角動(dòng)量，這也同電子的能量有關(guān)。對(duì)動(dòng)量，這也同

17、電子的能量有關(guān)。對(duì)l=0,1,2,3等的電子順次用等的電子順次用s, p, d, f字母表示字母表示;磁量子數(shù)磁量子數(shù)m=0，1，2， l. 決定軌道角動(dòng)量在外決定軌道角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向的分量磁場(chǎng)方向的分量;自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)ms= 1/2，代表電子自旋方向的取向，也代代表電子自旋方向的取向，也代表電子自旋角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向的分量表電子自旋角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向的分量;原子的能級(jí)原子的能級(jí)原子中電子的狀態(tài)由下列四個(gè)量子數(shù)來(lái)確定：原子中電子的狀態(tài)由下列四個(gè)量子數(shù)來(lái)確定：38原子的能級(jí)原子的能級(jí)電子具有的量子數(shù)不同，表示有不同的電子運(yùn)動(dòng)電子具有的量子數(shù)不同，表示有不同的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)狀態(tài) 電子的能級(jí)，

18、依次用電子的能級(jí)，依次用E E0 0，E E1 1，E E2 2， E En n表示；表示； 基態(tài)：原子處于最低的能級(jí)基態(tài)：原子處于最低的能級(jí)狀態(tài)；狀態(tài)； 激發(fā)態(tài)：能量高于基態(tài)的其激發(fā)態(tài)：能量高于基態(tài)的其它能級(jí)狀態(tài)；它能級(jí)狀態(tài)；E0基態(tài)E1E2En激發(fā)態(tài)39簡(jiǎn)并能級(jí)、簡(jiǎn)并度簡(jiǎn)并能級(jí)、簡(jiǎn)并度 簡(jiǎn)并能級(jí)：能級(jí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；簡(jiǎn)并能級(jí)：能級(jí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)； 簡(jiǎn)并度：同一能級(jí)所對(duì)應(yīng)的不同電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)目。簡(jiǎn)并度：同一能級(jí)所對(duì)應(yīng)的不同電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)目。氫原子氫原子1s,2p1s,2p態(tài)的簡(jiǎn)并度態(tài)的簡(jiǎn)并度原子狀態(tài)原子狀態(tài)nlms簡(jiǎn)并度簡(jiǎn)并度1s1001/222p2110

19、-11/21/21/261nsssPPd2n3n40原子的電子組態(tài)原子的電子組態(tài)根據(jù)殼層結(jié)構(gòu)模型，原子核外的電子依照一定規(guī)律分布；根據(jù)殼層結(jié)構(gòu)模型，原子核外的電子依照一定規(guī)律分布；主殼層：主量子數(shù)主殼層：主量子數(shù)n表示，稱表示，稱K、L、M層；層；每個(gè)主殼層包括若干子殼層：輔量子數(shù)每個(gè)主殼層包括若干子殼層：輔量子數(shù)l表示，表示，s,p,d,分分別表示別表示l=0,1,2,；殼層殼層KLMNn1234子殼層子殼層1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4fl00 10 1 20 1 2 3容納電子數(shù)容納電子數(shù)22 6 2 6 10 2 6 10 14 41原子的電子組態(tài)原子的電子組態(tài) 泡

20、利不相容原理：多電子原子中，不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以泡利不相容原理：多電子原子中，不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子具有完全相同的量子數(shù)上的電子具有完全相同的量子數(shù) ； 電子充填原子殼層時(shí)，遵守最小能量原理，即在正常情況電子充填原子殼層時(shí)，遵守最小能量原理，即在正常情況下下( (無(wú)外界激發(fā)無(wú)外界激發(fā)) )，電子從最低的能級(jí)開(kāi)始充填，再依次充，電子從最低的能級(jí)開(kāi)始充填，再依次充填能量較高的能級(jí)。填能量較高的能級(jí)。 電子數(shù)較多的原子不一定嚴(yán)格按上述規(guī)則填充（電子間電子數(shù)較多的原子不一定嚴(yán)格按上述規(guī)則填充（電子間的相互作用導(dǎo)致量子數(shù)的相互作用導(dǎo)致量子數(shù)n和和l的競(jìng)爭(zhēng)；的競(jìng)爭(zhēng)； 只有原子或離子的電子能級(jí)中未充滿子殼層的電子（即只有原子或離子的電子能級(jí)中未充滿子殼層的電子（