光電子課件激光原理第一講

激光技術(shù)與應(yīng)用

物理與光電工程學(xué)院顧芳

緒論NanjingUniversityofInformationScience&Technology專業(yè)方向選修課激光的基礎(chǔ)知識(shí)1.激光的概念3.激光的特點(diǎn)4.激光的分類5.激光技術(shù)的應(yīng)用2.激光的產(chǎn)生及其意義主要內(nèi)容1、激光激光的最初的中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯。LASER是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各單詞頭一個(gè)字母組成的縮寫(xiě)詞，意思是“通過(guò)受激發(fā)射光擴(kuò)大”。激光的英文全名已經(jīng)完全表達(dá)了制造激光的主要過(guò)程。1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。2、激光的產(chǎn)生及其意義激光光源—受激輻射普通光源—自發(fā)輻射激光是20世紀(jì)以來(lái)，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。激光發(fā)明的理論基礎(chǔ)可以追溯到1917年，著名的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦在研究光輻射與原子相互作用的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，除了受激吸收和自發(fā)輻射躍遷過(guò)程外，還存在受激輻射躍遷過(guò)程。

2.1激光的發(fā)展歷史a.自發(fā)輻射c.受激輻射b.受激吸收n1n21960年7月，世界第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激光器問(wèn)世，標(biāo)志了激光技術(shù)的誕生。美國(guó)休斯公司實(shí)驗(yàn)室梅曼演示的波長(zhǎng)為694.3nm的激光。至此，一門新的科學(xué)技術(shù)——量子電子學(xué)中的激光技術(shù)以科學(xué)史上罕見(jiàn)的高速度向前發(fā)展！1961年⑴2月（A.Javan）研制成了

He-Ne混合氣體激光器。⑵有人提出了Q調(diào)制技術(shù)，并制成第一臺(tái)調(diào)Q激光器。1962年美國(guó)三個(gè)研究小組幾乎同時(shí)分別發(fā)布砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的報(bào)道。僅1961—1962年間世界各國(guó)發(fā)表的激光方面的論文達(dá)200篇以上將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中，使其峰值功率提高的技術(shù)1963年建立了激光的半經(jīng)典理論。對(duì)激光的頻率特性和功率特性進(jìn)行了比較完善的探討。1964年研制成了氬離子（Ar+）氣體激光器二氧化碳（CO2）氣體激光器化學(xué)激光器（HF氟化氫）摻釹釔鋁石榴石固體激光器1965年實(shí)現(xiàn)了鈮酸鋰光學(xué)參量振蕩器，借助半經(jīng)典理論預(yù)言了鎖模效應(yīng)的存在。用于產(chǎn)生極短時(shí)間激光脈沖的技術(shù)(飛秒量級(jí)10-12s）1966年研制成了固體鎖模激光器獲得了超短脈沖。1970年研制成了準(zhǔn)分子激光器。1977年研制成了紅外波段的自由電子激光器（FEL）1984年研制出光孤子激光器（SL）因?qū)す饧捌鋺?yīng)用的創(chuàng)造性貢獻(xiàn)而先后獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家共有10位！1961年8月中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功。1987年6月

1012W的大功率脈沖激光系統(tǒng)——神光裝置，在中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功。2.2激光產(chǎn)生的意義激光是20世紀(jì)以來(lái)，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的亮度為太陽(yáng)光的100億倍。它的原理早在1916年已被著名的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，但要直到1958年激光才被首次成功制造。激光是在有理論準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)而生的，激光的發(fā)展導(dǎo)致新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。激光現(xiàn)在已經(jīng)是被廣泛應(yīng)用到了我們生活、科研的各個(gè)方面。3、激光的特點(diǎn)（1）方向性好（定向發(fā)光）（2）單色性好（顏色極純）（3）亮度極高（能量集中）（4）相干性好14（1）方向性好

激光束的發(fā)散角很小，一般為

激光定位、導(dǎo)向、測(cè)距等就利用了方向性好的特點(diǎn)。15（2）單色性好

計(jì)量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源、激光通訊等利用了單色性好的特點(diǎn)。光纜單色性最好的氪燈Kr86

Δ=4.7×10-3nm

穩(wěn)頻He—Ne激光器16(3)亮度高

亮度是光源在單位面積上，向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的功率。

激光的輸出功率雖然有個(gè)限度，但由于其光束細(xì)（發(fā)散特別小），功率密度特別大，因而其亮度也特別大。把分散在180°范圍內(nèi)的光集中到0.18°范圍，亮度提高100萬(wàn)倍。通過(guò)調(diào)Q等技術(shù)，壓縮脈沖寬度，還可以進(jìn)一步提高亮度。17

激光能量在時(shí)間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬(wàn)度的高溫。

激光加工、激光手術(shù)、激光武器等就利用了高亮度的特點(diǎn)。激光打孔激光切割18(4)相干性好激光具有很好的相干性。

普通光源的相干長(zhǎng)度約為1毫米至幾十厘米，激光可達(dá)幾十公里。

全息照相、全息存儲(chǔ)等就利用了相干性好的特點(diǎn)。全息照相按工作方式分連續(xù)式（功率可達(dá)104W）脈沖式（瞬時(shí)功率可達(dá)1014W

）

按波長(zhǎng)分

極紫外──可見(jiàn)光──亞毫米

(100nm）（1.222mm）固體（如紅寶石Al2O3）液體（如某些染料）氣體（如He-Ne，CO2）半導(dǎo)體（如砷化鎵GaAs）

按工作物質(zhì)分4、激光的分類5、激光技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)過(guò)50年的發(fā)展，激光的應(yīng)用幾乎是無(wú)處不在，它已經(jīng)被用在生活、科研的方方面面：激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、異孔、膏藥打孔、水松紙打孔、鋼板打孔、包裝印刷打孔等）、激光淬火、激光熱處理、激光打標(biāo)、玻璃內(nèi)雕、激光微調(diào)、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封裝、激光修復(fù)電路、激光清洗、激光針灸、激光裁剪、激光測(cè)距儀、激光陀螺儀、激光鉛直儀、激光手術(shù)刀、激光炸彈、激光雷達(dá)、激光槍、激光炮……，在不久的將來(lái)，激光肯定會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。5.1激光在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要分三類：激光生命科學(xué)研究、激光診斷、激光治療，其中激光治療又分為：激光手術(shù)治療、弱激光生物刺激作用的非手術(shù)治療和激光的光動(dòng)力治療。激光在齲齒的診斷方面的應(yīng)用

1．脫礦、淺齲

2．隱匿齲激光在治療方面的應(yīng)用

1．切割

2．充填物的聚合，窩洞處理225.2、激光美容(1)激光在美容界的用途越來(lái)越廣泛。(2)激光手術(shù)有傳統(tǒng)手術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)越性。(3)激光在血管性皮膚病以及色素沉著的治療中成效卓越。(4)激光外科開(kāi)創(chuàng)了醫(yī)學(xué)美容的新紀(jì)元。245.3激光光譜激光光譜（laserspectra）以激光為光源的光譜技術(shù)。與普通光源相比，激光光源具有單色性好、亮度高、方向性強(qiáng)和相干性強(qiáng)等特點(diǎn)，是用來(lái)研究光與物質(zhì)的相互作用，從而辨認(rèn)物質(zhì)及其所在體系的結(jié)構(gòu)、組成、狀態(tài)及其變化的理想光源。激光的出現(xiàn)使原有的光譜技術(shù)在靈敏度和分辨率方面得到很大的改善。激光光譜學(xué)已成為與物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)及材料科學(xué)等密切相關(guān)的研究領(lǐng)域。5.4激光雷達(dá)激光雷達(dá)（laserradar）是指用激光器作為輻射源的雷達(dá)。激光雷達(dá)是激光技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。由發(fā)射機(jī)、天線、接收機(jī)、跟蹤架及信息處理等部分組成。發(fā)射機(jī)是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導(dǎo)體激光器及波長(zhǎng)可調(diào)諧的固體激光器等；天線是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；接收機(jī)采用各種形式的光電探測(cè)器，如光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見(jiàn)光多元探測(cè)器件等。激光雷達(dá)采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測(cè)方法分直接探測(cè)與外差探測(cè)。5.5激光武器及其分類激光武器是一種利用定向發(fā)射的激光束直接毀傷目標(biāo)或使之失效的定向能武器。根據(jù)作戰(zhàn)用途的不同，激光武器可分為戰(zhàn)術(shù)激光武器和戰(zhàn)略激光武器兩大類。激光武器系統(tǒng)主要由激光器和跟蹤、瞄準(zhǔn)、發(fā)射裝置等部分組成，目前通常采用的激光器有化學(xué)激光器、固體激光器、CO2激光器等。激光武器具有攻擊速度快、轉(zhuǎn)向靈活、可實(shí)現(xiàn)精確打擊、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，但也存在易受天氣和環(huán)境影響等弱點(diǎn)。激光武器已有30多年的發(fā)展歷史，其關(guān)鍵技術(shù)也已取得突破，美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、以色列等國(guó)都成功進(jìn)行了各種激光打靶試驗(yàn)。按照現(xiàn)有的水平，今后5-10年內(nèi)可望在地面和空中平臺(tái)上部署使用，用于戰(zhàn)術(shù)防空、戰(zhàn)區(qū)反導(dǎo)和反衛(wèi)星作戰(zhàn)等。1.2節(jié)主要內(nèi)容一、

原子能級(jí)和簡(jiǎn)并度二、四個(gè)量子數(shù)（n，l，ml，ms）三、簡(jiǎn)并簡(jiǎn)并態(tài)四、玻耳茲曼分布一、

原子的能級(jí)和簡(jiǎn)并度物質(zhì)是由原子、分子或離子組成的，而原子由帶正電的原子核及繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成。核外電子的負(fù)電量與原子核所帶正電量相等。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)。由原子物理學(xué)可知，原子中電子的狀態(tài)應(yīng)該由四個(gè)量子數(shù)來(lái)確定。一、原子的能級(jí)和簡(jiǎn)并度由量子力學(xué)得出的氫原子能級(jí)圖。電子的每個(gè)狀態(tài)用量子數(shù)n,l,m,

ms來(lái)描述。651234n1.原子的能級(jí)能級(jí):粒子的內(nèi)部能量值

高能級(jí):能量較高的能級(jí)低能級(jí):能量較低的能級(jí)基能級(jí):能量最低的能級(jí)(相應(yīng)的狀態(tài)稱基態(tài)）

激發(fā)能級(jí):能量高于基能級(jí)的其它所有能級(jí)（相應(yīng)狀態(tài)稱激發(fā)態(tài)）651234n激發(fā)態(tài)基態(tài)二、四個(gè)量子數(shù)（n，l，m，ms）由原子物理學(xué)可知，原子中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可由四個(gè)量子數(shù)來(lái)描述，因此，四個(gè)量子數(shù)是用來(lái)表征電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的。2、輔量子l

(l=0，1，2，…….,n-1)代表軌道的形狀和軌道角動(dòng)量，因此，也被稱為角量子數(shù)。大體上決定了電子能量，代表電子運(yùn)動(dòng)區(qū)域的大小和它的總能量的主要部分，不同的主量子數(shù)表示電子在不同的殼層上運(yùn)動(dòng)。對(duì)同一個(gè)n，角動(dòng)量有n個(gè)不同的值但能量相同，因此說(shuō)它代表的是軌道的形狀和軌道角動(dòng)量，這也同電子的能量有關(guān)。對(duì)于l=0，1，2，3等的電子順次，依次用字母s、p、d、f來(lái)表示，通常稱s電子、p電子、d電子、f電子等。1、主量子數(shù)

n

(n=1,2,3,……)3、磁量子數(shù)m

(m

=0，±1，±2，…….,±l)

同一亞層（l值相同）的幾條軌道對(duì)原子核的取向不同。磁量子數(shù)m是描述原子軌道或電子云在空間的伸展方向。m取值受角量子數(shù)取值限制，對(duì)于給定的l值，m=0,±1,±2,...，±l，共2l+1個(gè)值。4、自旋磁量子數(shù)

ms

(ms

=±1/2)原子中電子除了以極高速度在核外空間運(yùn)動(dòng)之外，也還有自旋運(yùn)動(dòng)。電子有兩種不同方向的自旋，即順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较虻淖孕?。它決定了電子自旋角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向上的分量。三、簡(jiǎn)并簡(jiǎn)并態(tài)1、簡(jiǎn)并：與同一能級(jí)對(duì)應(yīng)的有兩個(gè)或以上的狀態(tài)。2、簡(jiǎn)并度g：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。3、簡(jiǎn)并態(tài)：同一能級(jí)的各狀態(tài)稱簡(jiǎn)并態(tài)氫原子的電子態(tài)分析對(duì)氫原子來(lái)說(shuō)，只有一個(gè)核外電子，所以該電子狀態(tài)就可以代表原子的狀態(tài)。對(duì)氫原子的1s態(tài)（即n=1,l=0,m=0）有兩個(gè)不同的電子自旋狀態(tài)（ms=±1/2）它們具有相同的能級(jí)E1，所以，氫原子1s態(tài)的簡(jiǎn)并度g1=2.對(duì)氫原子的2p態(tài)（n=2，l=1，m=0，±1，ms=±1/2

），共有6個(gè)不同的電子狀態(tài)，它們具有相同的能級(jí)E2，所以，氫原子2p態(tài)的簡(jiǎn)并度為g2=6。原子狀態(tài)nlmms簡(jiǎn)并度1s100g1=22p2110-1g2=6能量最低原理“電子優(yōu)先占據(jù)最低能態(tài)”nl1021032103d3p3s2p2s1sZespdn=1n=2n=3電子填充各殼層的次序是：1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，4p，5s，4d，5p，6s…相同

n,l組成一個(gè)支殼層對(duì)應(yīng)于l=0,1,2,3,…的各支殼層分別記做s,p,d,f,g,h…根據(jù)能量最低原理和泡里不相容原理，對(duì)于有三個(gè)外層電子的鋰原子，其基態(tài)為兩個(gè)電子處于1s態(tài)，一個(gè)電子處在2s態(tài)，對(duì)于這種分布，我們用一個(gè)符號(hào)1s22s表示。這種將原子中各個(gè)電子多處的電子態(tài)一起標(biāo)出的符號(hào)，稱為電子組態(tài)符號(hào)（簡(jiǎn)稱為電子組態(tài)）。原子的電子組態(tài)符號(hào)鈉原子的電子組態(tài)符號(hào)鈉原子有11個(gè)核外電子，鈉原子基態(tài)的電子組態(tài)為n≥3的激發(fā)態(tài)的鈉原子電子組態(tài)為等等通常把原子核及1s22s22p610個(gè)電子構(gòu)成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)叫做原子實(shí)。原子實(shí)以外的電子稱為價(jià)電子，可以被激發(fā)。為書(shū)寫(xiě)方便起見(jiàn)，可直接寫(xiě)出價(jià)電子的狀態(tài)3p，3d，4s，…四、玻耳茲曼分布

1、玻耳茲曼分布(熱平衡分布)

熱平衡狀態(tài)下,處于某一能級(jí)Ei的粒子數(shù)密度ni(單位體積內(nèi)的粒子數(shù),常簡(jiǎn)稱粒子數(shù))為其中:

T---熱平衡時(shí)的絕對(duì)溫度;ni---處在能級(jí)Ei的原子數(shù)gi---能級(jí)Ei的簡(jiǎn)并度;K---玻耳茲曼分布常數(shù)所以，兩個(gè)能級(jí)E2與E1粒子數(shù)密度之比為(通常設(shè)E2＞E1):

說(shuō)明這兩個(gè)能級(jí)上的粒子數(shù)基本相同，其比值趨于1。討論(設(shè)gi=gj)

:(1)如果E2

-E1很小，且滿足△E=E2-E1<<kT，則(2)如果△E=E2-E1>>kT，則即熱平衡狀態(tài)下,高能級(jí)上的粒子數(shù)密度總是較小。(3)若E1為基能級(jí)且E2距E1較遠(yuǎn),即E2－E1較大,則n2＜＜n1

結(jié)論:熱平衡狀態(tài)下,絕大多數(shù)