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1、第1章激光原理第1页，本讲稿共48页激光概论激光概论 What?Why?How?第2页，本讲稿共48页 1917年，爱因斯坦预言受激辐射；年，爱因斯坦预言受激辐射；40年后年后,1957年是一个不平常的年份；年是一个不平常的年份；苏联发射世界上第一颗人造地球卫星；苏联发射世界上第一颗人造地球卫星；我国爆发了全国范围的反右派运动；我国爆发了全国范围的反右派运动；贝尔实验室附近的一个餐馆里，两个人在吃饭贝尔实验室附近的一个餐馆里，两个人在吃饭一个是哥伦比亚大学教授，贝尔实验室顾问汤斯一个是哥伦比亚大学教授，贝尔实验室顾问汤斯(C.Townes)，微波受激辐射放大名人，微波受激辐射放大名人另一个是贝
2、尔实验室博士后肖洛另一个是贝尔实验室博士后肖洛(A.Schawlow)探讨如何实现光波段的受激辐射放大探讨如何实现光波段的受激辐射放大 What is Laser?What is Laser?第3页，本讲稿共48页汤斯的设想：汤斯的设想：一个玻璃盒，充满铊蒸汽，铊灯照射，激励铊原子发一个玻璃盒，充满铊蒸汽，铊灯照射，激励铊原子发光；光；玻璃盒壁，象金属波导对微波一样，反射铊原子发出玻璃盒壁，象金属波导对微波一样，反射铊原子发出的光波；的光波；反射会受激铊蒸汽的光，引起受激辐射放大反射会受激铊蒸汽的光，引起受激辐射放大What is Laser?What is Laser?肖洛认为：肖洛认为：钾
3、会更好一些钾会更好一些 没必要去照搬微波放大器的结构没必要去照搬微波放大器的结构两块相对放置的反射镜就可以了两块相对放置的反射镜就可以了激光器的三个基本组成部分：激光器的三个基本组成部分：工作物质、激励源、光学谐振腔工作物质、激励源、光学谐振腔第4页，本讲稿共48页What is Laser?What is Laser?想专利申请想专利申请贝尔实验室：贝尔实验室：“光波从没有对通讯产生过重大作光波从没有对通讯产生过重大作用，该项发明对贝尔系统的利益几乎没有意义用，该项发明对贝尔系统的利益几乎没有意义”。1958年年12月月“Physics Review”发表发表 1960年年3月获得专利权月获
4、得专利权 第5页，本讲稿共48页What is Laser?What is Laser?与美国人的工作齐名的是与美国人的工作齐名的是苏联巴索夫（苏联巴索夫（H.EacoB）和普洛霍洛夫）和普洛霍洛夫A.M.npoxopob），提出了几乎相同的原理。），提出了几乎相同的原理。世界科学界引起轰动，研制第一台激光器竞赛世界科学界引起轰动，研制第一台激光器竞赛两个人功劳最突出两个人功劳最突出休斯顿实验室休斯顿实验室T.H.Maiman（梅曼）（梅曼）梅曼熟悉红宝石梅曼熟悉红宝石闪光灯照红宝石闪光灯照红宝石,两端镀反射膜两端镀反射膜第6页，本讲稿共48页1960年年7月月,第一台激光器第一台激光器固体（
5、如固体（如YAG,红宝石红宝石Al2O3）What is Laser?What is Laser?Physics review letter主编认为：不可在Physics review上发表。我只发表重大的、应该立即公诸于世的成果。在纽约时报上作为一条消息宣布 第7页，本讲稿共48页What is Laser?What is Laser?贝尔实验室贝尔实验室A.Javan（贾范）（贾范）Townes的学生，介质发光，不懂的学生，介质发光，不懂FPSchawlow告诉告诉 FP反馈反馈 1960年年12月月 HeNe第一台气体激光器第一台气体激光器其它气体（如其它气体（如CO2）1.15m 仪器
6、非线性？仪器非线性？第8页，本讲稿共48页波长：波长：软软x光光紫外紫外可见可见红外红外亚毫米亚毫米(30 n m）（1.22nm）种类：种类：固体（如红宝石，固体（如红宝石，YAG，蓝宝石），蓝宝石）按工作物质分按工作物质分What is Laser?What is Laser?第9页，本讲稿共48页波长：波长：软软x光光紫外紫外可见可见红外红外亚毫米亚毫米(30 n m）（1.22nm）种类：种类：气体（如气体（如He-Ne，CO2）按工作物质分按工作物质分What is Laser?What is Laser?准分子（如准分子（如XeCl，KrF，)第10页，本讲稿共48页 按工作方式分
7、按工作方式分 连续（连续（CW，功率可达，功率可达104 W）脉冲（脉冲（Pulse，瞬时功率可达，瞬时功率可达1014 W）半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAs）What is Laser?What is Laser?液体（如染料）液体（如染料）第11页，本讲稿共48页 光子晶体光子晶体What is Laser?What is Laser?激励能源激励能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜光学谐振腔光学谐振腔XUEZHQ.SWF激光激光第12页，本讲稿共48页激光很有用激光很有用Why should I study Laser?Why should I study Laser?1
8、 1 激光在基础科学研究中的应用激光在基础科学研究中的应用1.1 1.1 激光冷却原子激光冷却原子 连接连接1.2 1.2 激光荧光激光荧光1.3 1.3 激光光化学反应激光光化学反应1.4 1.4 激光分离同位素激光分离同位素1.5 1.5 激光飞秒光学激光飞秒光学1.6 1.6 激光测定年代激光测定年代1.7 1.7 激光天体物理学激光天体物理学探求宇宙的起源探求宇宙的起源1.8 1.8 重力波重力波 重力波天线激光干涉仪重力波天线激光干涉仪第13页，本讲稿共48页2 2 激光在通信及信息处理激光在通信及信息处理中的应用中的应用2.1 2.1 激光通信激光通信大气光通信、卫星激光通信、大气
9、光通信、卫星激光通信、水下激光通信水下激光通信2.2 2.2 光纤通信光纤通信2.3 2.3 激光打印、排版、印刷激光打印、排版、印刷2.4 2.4 激光光盘激光光盘3 3 激光在军事技术激光在军事技术中的应用中的应用3.1 3.1 激光测距、雷达、激光制导、激光导航激光测距、雷达、激光制导、激光导航3.2 3.2 激光武器、战术模拟、光电对抗激光武器、战术模拟、光电对抗Why should I study Laser?Why should I study Laser?第14页，本讲稿共48页4 4 激光在生物及医学中的应用激光在生物及医学中的应用4.1 4.1 生物体的光学特性生物体的光学特
10、性4.2 4.2 激光与生物体的相互作用激光与生物体的相互作用4.3 4.3 激光在生物体检测、诊断中的应用激光在生物体检测、诊断中的应用断层摄影、断层摄影、生物体光谱诊断、生物体光谱诊断、共焦点显微镜共焦点显微镜4.4 4.4 激光在医疗中的应用激光在医疗中的应用眼科、皮肤科及整形外科，理疗眼科、皮肤科及整形外科，理疗 连连接接5 5 激光在材料加工中的应用激光在材料加工中的应用5.1 5.1 激光打孔、切割、焊接激光打孔、切割、焊接 连连接接Why should I study Laser?Why should I study Laser?第15页，本讲稿共48页5 5 激光在材料加工中的
11、应用激光在材料加工中的应用5.2 5.2 激光制备纳米粉材料激光制备纳米粉材料5.3 5.3 激光激光3-D扫描及快速成型扫描及快速成型6 6 激光在测量技术（计量学）中的应用激光在测量技术（计量学）中的应用6.1 6.1 激光干涉计量激光干涉计量 连连接接6.2 6.2 激光陀螺计量激光陀螺计量6.3 6.3 激光全息照相计量激光全息照相计量6.4 6.4 激光衍射计量激光衍射计量6.5 6.5 激光准直及多自由度测量激光准直及多自由度测量 Why should I study Laser?Why should I study Laser?第16页，本讲稿共48页7 7 激光在能源、环境中的
12、应用激光在能源、环境中的应用7.1 7.1 探求无穷的绿色能源探求无穷的绿色能源激光核聚变激光核聚变 连连接接7.2 7.2 激光大气检测激光大气检测7.37.3激光引雷、激光驱雾激光引雷、激光驱雾8 8 激光在土木、建筑中的应用激光在土木、建筑中的应用7.8.1 7.8.1 激光表面处理及剥离激光表面处理及剥离7.8.2 7.8.2 激光切断及解体激光切断及解体7.8.3 7.8.3 激光挖掘激光挖掘Why should I study Laser?Why should I study Laser?第17页，本讲稿共48页 激光焊接激光焊接高能激光（能产生约高能激光（能产生约5500 550
13、0 o oC C的高温）的高温）把大块硬质材料焊接在一起把大块硬质材料焊接在一起第18页，本讲稿共48页1 利用激光高强度、良好的聚焦性利用激光高强度、良好的聚焦性(方向性方向性)：控制光栅刻机等。控制光栅刻机等。绘制集成电路图，绘制集成电路图，如芯片电路的准确分割，如芯片电路的准确分割，切割切割(连续打孔连续打孔)：调节精密电阻，调节精密电阻，可在大气中进行。可在大气中进行。迅速、非接触，迅速、非接触，焊接焊接(烧熔烧熔)：可加工硬质合金钻石等。可加工硬质合金钻石等。钻孔钻孔(烧穿烧穿)：加工：加工：效率高，效率高，Why should I study Laser?Why should I
14、study Laser?第19页，本讲稿共48页用激光使脱落的视网膜再复位用激光使脱落的视网膜再复位（目前已是常规的医学手术）（目前已是常规的医学手术）第20页，本讲稿共48页 纤维镜纤维镜激光光纤激光光纤成象成象 有源纤维有源纤维强激光强激光使堵塞物熔化使堵塞物熔化臂动脉臂动脉主动脉主动脉冠状动脉冠状动脉内窥镜内窥镜附属通道附属通道有源纤维有源纤维套环套环纤维镜纤维镜照明束照明束 附属通道附属通道 （可注入气或液）（可注入气或液）排除残物以明视线排除残物以明视线 套环套环 （可充、放气）（可充、放气）阻止血流或使血流流通阻止血流或使血流流通 照明束照明束照亮视场照亮视场Why should
15、I study Laser?Why should I study Laser?第21页，本讲稿共48页医疗：医疗：激光手术刀，激光手术刀，血管内窥镜，血管内窥镜，治癌等。治癌等。用脉冲的染料激光（波长用脉冲的染料激光（波长585nm585nm）处理皮肤色素沉着）处理皮肤色素沉着处理前处理前处理后处理后2 利用激光极好的单色性利用激光极好的单色性Why should I study Laser?Why should I study Laser?第22页，本讲稿共48页 激光核聚变激光核聚变 这是激光这是激光NOVA靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变
16、反应的小燃料样品上，引发核聚变。核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。第23页，本讲稿共48页激光激光雷达（分辨率高，可测云雾）等。雷达（分辨率高，可测云雾）等。3 利用的是激光极好的相干性利用的是激光极好的相干性测量：测量：精密测长、精密测长、测厚、测厚、测角，测角，测流速测流速（10-5104m/s），），定向（激光陀螺），定向（激光陀螺），测电流、电压（磁光效应），测电流、电压（磁光效应），全息技术：全息技术：全息存储，全息存储，全息测量，全息测量，全息电影，全息电影，全息摄影等。全息摄影等。Why should I study Laser?Why should I study Lase
17、r?第24页，本讲稿共48页激光激光 原子力显微镜原子力显微镜(AFM)用一根钨探针或硅用一根钨探针或硅探针在距试样表面探针在距试样表面几毫微米的高度上几毫微米的高度上反复移动反复移动,来探测固来探测固体表面的情况。体表面的情况。试样通常是试样通常是微电子器件。微电子器件。激光激光-原子力显微镜原子力显微镜（AFM）激光器激光器分束器分束器布喇格室布喇格室棱镜棱镜检测器检测器反馈机构反馈机构接计算机接计算机微芯片微芯片压电换能器压电换能器压电控制装置压电控制装置第25页，本讲稿共48页第26页，本讲稿共48页方向性好方向性好单色性好单色性好 高功率高功率 相干性好相干性好Why is Lase
18、r so useful?Why is Laser so useful?第27页，本讲稿共48页特点：特点：方向性极好方向性极好（发散角（发散角10-4弧度）弧度）脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大（可达（可达10 14瓦）瓦）空间相干性好，有的激光波面上空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。各个点都是相干光源。时间相干性好（时间相干性好（10-8埃），埃），相干长度可达几十公里。相干长度可达几十公里。相干性极好相干性极好亮度极高亮度极高Why is Laser so useful?Why is Laser so useful?第28页，本讲稿共48页方向性好方向性好单色性好单色性好 高功
19、率高功率 相干性好相干性好Whats the special?Whats the special?Whats the key difference?Whats the key difference?第29页，本讲稿共48页一一.波干涉波干涉相干性复习相干性复习相干性复习相干性复习二二.相干条件相干条件三三.杨氏实验杨氏实验四四.普通光源发光特性普通光源发光特性五五.非单色性对衬比度的影响非单色性对衬比度的影响六六.光源的宽度光源的宽度对衬比度的影响对衬比度的影响七七.从从光子角度看问题光子角度看问题八八.从模式角度看问题从模式角度看问题九九.光模式与光子态的关系光模式与光子态的关系十十.相干与
20、模式、光子态相干与模式、光子态第30页，本讲稿共48页一一.波干涉波干涉 S2S1r1r2p 减弱条件减弱条件 加强条件加强条件 相干性相干性相干性相干性第31页，本讲稿共48页相干性相干性相干性相干性二二.相干条件相干条件1.机械波相干要求机械波相干要求同振动方向同振动方向同振动频率同振动频率固定的相位差固定的相位差2.光波相干要求光波相干要求光波光波横电磁波横电磁波同振动方向同振动方向相同偏振相同偏振同振动频率同振动频率相同颜色相同颜色固定的相位差固定的相位差波列长度波列长度两个持续振动两个持续振动振动持续性振动持续性光强第32页，本讲稿共48页三三.杨氏实验杨氏实验相干性相干性相干性相干
21、性第33页，本讲稿共48页三三.杨氏实验杨氏实验pr1 r2 xx0 xIxkxDdo单色光入射单色光入射d 1000Dxk mm光程差：光程差：相位差：相位差：明纹明纹 暗纹暗纹 加强加强相干性相干性相干性相干性第34页，本讲稿共48页杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉光强分布光强分布干涉花样干涉花样若若I1=I2=I0 ,则则1 1）平行光垂直照射双缝时，屏幕中央为明条纹，两侧明暗）平行光垂直照射双缝时，屏幕中央为明条纹，两侧明暗）平行光垂直照射双缝时，屏幕中央为明条纹，两侧明暗）平行光垂直照射双缝时，屏幕中央为明条纹，两侧明暗相间条纹相间条纹相间条纹相间条纹平行等间距平行等
22、间距分布；分布；分布；分布；2 2）条纹）条纹）条纹）条纹间距间距 x=Dx=D dd条纹宽度条纹宽度条纹宽度条纹宽度；3 3）利用利用 x、D和和 d，可求得光波长，可求得光波长 4）x x ，复色光，复色光，复色光，复色光，中央无中央无中央无中央无色散，内侧紫，外侧红色散，内侧紫，外侧红色散，内侧紫，外侧红色散，内侧紫，外侧红条纹特点条纹特点：不太大时条不太大时条纹等间距纹等间距第35页，本讲稿共48页白光的杨氏干涉条纹杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉第36页，本讲稿共48页杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉衬比度衬比度若若I1 I2 I0 2-2 4-4 4
23、I00 2-2 4-4 ImaxImin0 2-2 4-4 第37页，本讲稿共48页一一.波干涉波干涉相干性复习相干性复习相干性复习相干性复习二二.相干条件相干条件三三.杨氏实验杨氏实验四四.普通光源发光特性普通光源发光特性五五.非单色性对衬比度的影响非单色性对衬比度的影响六六.光源的宽度光源的宽度对衬比度的影响对衬比度的影响七七.从从光子角度看问题光子角度看问题八八.从模式角度看问题从模式角度看问题九九.光模式与光子态的关系光模式与光子态的关系十十.相干与模式、光子态相干与模式、光子态第38页，本讲稿共48页相干性相干性相干性相干性四四.普通光源发光特性普通光源发光特性1.光源光源发射光波的
24、物体称为发射光波的物体称为光源光源。热辐射发光、电致发光、光致发光（荧光、磷光）、热辐射发光、电致发光、光致发光（荧光、磷光）、化学发光、激光等等化学发光、激光等等波列波列L最基本发光单元最基本发光单元分子原子分子原子 =(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射第39页，本讲稿共48页原子发光的三种跃迁过程原子发光的三种跃迁过程(方式方式)h h h h h 受激吸收受激吸收受激吸收受激吸收（原子的光激发）（原子的光激发）受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射（光放大）（光放大）自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射E!E2吸收前吸收前E!E2发光前发光前吸收后吸收后发光后发光后E!E2发光前发
25、光前发光后发光后受激辐射不仅实现了受激辐射不仅实现了光放大光放大，而且产生的是，而且产生的是相干光相干光&自发辐射、受激吸收和受激辐射自发辐射、受激吸收和受激辐射自发辐射、受激吸收和受激辐射自发辐射、受激吸收和受激辐射相干性相干性相干性相干性第40页，本讲稿共48页相干性相干性相干性相干性2.普通光源：普通光源：自发辐射自发辐射独立独立(不同不同原子发的光原子发的光)独立独立(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)可见光是电磁波波长400700nm光谱具有单一频率的光称为单色光.复色光I0/2I0单色光的光谱曲线光强长波光谱曲线（I曲线）L单色光的谱线宽度第41页，本讲稿共48页五五.非单色性
26、对衬比度的影响非单色性对衬比度的影响相干性相干性相干性相干性I0/2I0光强长波L有限波有限波列长度列长度准准单单色色光光=+I|x|O-+谐波谐波K级K级K+1级第42页，本讲稿共48页相干长度相干长度非单色性非单色性大大可测干涉可测干涉条纹越少条纹越少对应对应条纹消失处条纹消失处真空中真空中相干性相干性相干性相干性最大波程差最大波程差短波明纹短波明纹长波明纹长波明纹S1S2Sb1b2a1a2波列长度波列长度相干时间相干时间时间相干性时间相干性时间相干性时间相干性最最大大干干涉级次涉级次第43页，本讲稿共48页六六.光源的宽度光源的宽度对衬比度的影响对衬比度的影响相干性相干性相干性相干性光源
27、宽度光源宽度bI非非相相干干叠叠加加+1L0N0M0Lb/2d/2LMNS1S2R第44页，本讲稿共48页六六.光源的宽度光源的宽度对衬比度的影响对衬比度的影响相干性相干性相干性相干性相干面积相干面积相干体积相干体积第45页，本讲稿共48页一一.波干涉波干涉相干性复习相干性复习相干性复习相干性复习二二.相干条件相干条件三三.杨氏实验杨氏实验四四.普通光源发光特性普通光源发光特性五五.非单色性对衬比度的影响非单色性对衬比度的影响六六.光源的宽度光源的宽度对衬比度的影响对衬比度的影响七七.从从光子角度看问题光子角度看问题八八.从模式角度看问题从模式角度看问题九九.光模式与光子态的关系光模式与光子态
28、的关系十十.相干与模式、光子态相干与模式、光子态第46页，本讲稿共48页七七.从从光子角度看问题光子角度看问题光子的基本性质光子的基本性质（1）光子能量）光子能量（2）光子运动质量）光子运动质量（3）光子的动量）光子的动量（5）光子具有自旋，自旋量子数为整数。）光子具有自旋，自旋量子数为整数。服从玻色爱因斯坦统计规律，同态光子数不受限制。服从玻色爱因斯坦统计规律，同态光子数不受限制。（4）光子具有一定的偏振状态，对应光波场的偏振方向。任一偏）光子具有一定的偏振状态，对应光波场的偏振方向。任一偏振状态可用两个独立的、相互垂直的线偏振状态叠加来描述。振状态可用两个独立的、相互垂直的线偏振状态叠加来描述。相干性相干性相干性相干性第47页，本讲稿共48页光子的量子状态光子的量子状态 三维运动，测不准关系三维运动，测不准关系个光子态。个光子态。一个一个光子态光子态占有的坐标空间体积：占有的坐标空间体积：相干性相干性相干性相干性第48页，本讲稿共48页