激光原理技术及应用 第一章

激光原理技术及应用 激光原理技术及应用

激光原理技术及应用 第一章

引言

教学目的：通过这门课程的学习，使同学们可 以了解和掌握激光器的一些基本原理和基本技 术，培养同学们分析解决有关激光物理问题的 能力，这门课特别强调了物理概念的深入理解， 为今后从事光信息方向的科研、教学、工作打 下扎实的理论基础

考核方式：闭卷考试(70%)+平时成绩(30%)

激光原理技术及应用 第一章

目录 第1章激光的原理及技术基础 第2章 激光工作物质及基本原理 第3章 光学谐振腔 第4章 激光器工作原理 第5章 典型的激光器件 第6章 其他激光器 第7章 激光技术 第8章光电技术器的设计及参数选用原则

激光原理技术及应用 第一章

激光简介 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 最快的刀--激光的功率可以集中 在极小的空间范围内，如激光切 割、激光手术、激光武器的应用； 最准的尺--激光可以很准确的测 量距离，在光学测距仪中是数一 数二的； 最亮的光--激光的强度约是太阳 光的100亿倍；

激光原理技术及应用 第一章

激光原理技术及应用 第一章

激光的起源

起源：1917年爱因斯坦提出了一套全新的技 术理论‘光与物质相互作用’。这一理论是说 在组成物质的原子中，有不同数量的粒子(电 子)分布在不同的能级上，在高能级上的粒子 受到某种光子的激发，会从高能级跳到(跃迁) 到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相 同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个 弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激 辐射的放大光”,简称激光。 这一理论是现代激光系统的物理学基础

激光原理技术及应用 第一章

激光的发展 1953年：美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身： 微波受激发射放大(英文首字母缩写maser) 1957年：Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser”这个单 词，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束 1960年：美国Theodore Maiman实现了第一束激光 1961年：激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。 1962年：发明半导体二极管激光器，这是今天小型商用激光器的支柱。 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。 1974年：第一个超市条形码扫描器出现 1975年：IBM投放第一台商用激光打印机 1978年：飞利浦制造出第一台激光盘(LD)播放机 1982年：第一台紧凑碟片(CD)播放机出现。

激光原理技术及应用 第一章

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

激光的原理早在 1916 年已被爱因斯坦发现，但直到 1960 年激光才被首次 成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的， 它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学 科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可 使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果， 从而促进了生产力的发展。

激光原理技术及应用 第一章

第一章 激光原理及技术基础

激光原理技术及应用 第一章

1.1 激光的特点 激光的定义：通过受激发射的放大光laser---light amplification by stimulated emission of radiation 激光的特点

1.高方向性 2.高单色性 3.高亮度

4.高相干性5.高光子简并度

激光原理技术及应用 第一章

高方向性

普通光源是向四面八方发光的，如太阳光和灯光等。要让发射的光朝着 一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如探照灯和汽车的车 前灯都是安装有聚光作用的反光镜，使光汇集起来向一个方向射出。

激光器发出的激光，天生就是 朝一个方向射出，光速的发散 角度极小，大约只有0.001弧度， 接近平行。

激光原理技术及应用 第一章

例如：1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距

离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将 覆盖整个月球。

应用：由于光能集中在很小的空间传播，能在远距离获得强度很 大的光束，从而可以进行远距离激光通信、测距、导航灯；另外 利用激光的高方向性，还可以为导弹、炸弹瞄准，做到指哪打哪， 百发百中。

激光原理技术及应用 第一章

高单色性 光的颜色由光的波长(或频率)决定。一定的 波长对应一定的颜色 光的波长范围越窄，单色性越好 太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在 0.76微米至0.4微米之间，不具有单色性 氪灯是单色性最好的，只发射红光，单色性很 好，被誉为单色性之冠，但是他的波长仍有一 定的分布范围，若仔细辨认仍包含有几十种红 色 氦氖激光器的波长分布范围可窄到2×10-9nm, 是氪灯的2/10000 激光器的单色性远远超过任何一种单色光源

激光原理技术及应用 第一章

高亮度 普通光源中氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不 相上下 激光的亮度是太阳光的100亿倍甚至更高，被 称为”最亮的光“ 激光的能量密度极大，激光的功率可以集中在 极小的空间范围内，被称为”最快的

刀“

激光原理技术及应用 第一章

高相干性 光的相干性：振动频率相同、振动方向相同、相位差恒定相干性主要是描述光波各个部分的相位关系

空间相干性：在同一光源形成的光场中，不同地点同一时刻的光之间的相干性，描述垂直光束传播方向的平面上各点之间的相位关系。通常用相 干面积来表征。发散角越小，相干面积越大，空间相干性也就越好。 S相干=(λ/θ)2

时间相干性：在同一光源形成的光场中，同一地点不同时刻的光之间的相干性。它实质上是指相位的相关性能够维持的时间。在数量级上，相干 时间是光波频率宽度△v的倒数。对理想的单色光，△v=0,因为它具有 精确的频率值。于是它的相干时间为无穷大，具有最好的时间相干性。单 色性越高，相干时间越长

τ相干=1/ △υ

激光原理技术及应用 第一章

高光子简并度 光子简并度：它表示有多少个性质完全相同的 光子(具有相同的能量、动量与偏振)共处于 一个波型之内，这种处于同一光姿态的光子数 就称为光子简并度。同态光子数同一模式内的光子数 处于相干体积内内的光子数 处于同一相格内的光子数

激光具有高光子简并度，普通光源具有低光子 简并度