1、1 激光原理及应用 2 学习目的与具体要求 目的：掌握激光原理和激光技术有关知识，学习理论结合实际应用高技术的某些方法。 独立完成课后作业、闭卷考试。 平时成绩 30%， 考试成绩 70%。（微调整） 3 普通光源 普通光源是光的自发辐射。 特点： 多波长、任意方向、不相干。 普通光源向四面八方辐射 ,光线分散到 4p球面度的立体角内 . 4 激 光 激光： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （ Laser）。 激光是光的受激辐射。 激光的特点： 单色性好 ,方向性好；相干性好；亮度高 . 基本沿某一条直线传播 ,通
2、常发散角限制在 10-6球面度量级的立体角内 . 5 激 光 辐射跃迁： 受激吸收； 自发辐射； 受激辐射 6 激 光 粒子数反转 激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激光器内产生并占主导地位而抑制自发辐射 ！ 7 激光技术发展简史之一 理论基础： 爱因斯坦的光子学说(1905)； 波粒二象性 (1909) 辐射理论 (1917)：提出了受激辐射的概念，预测到光可以产生受激辐射放大。 Einstein 8 激光技术发展简史之一 理论基础： R.C.Tolman指出：具有粒子数反转的介质具有光学增益（产生激光的基本条件之一）（ 1924）。 Tolman 9 激光技术发展简史之一 实验基础：
3、Prokhorov和H.Townes分别独立报导了第一个微波受激辐射放大器 (Maser)（ 1953） Townes Prokhorov 10 激光技术发展简史之一 1958年 Townes和Schawlow抛弃了尺度必须和波长可比拟的封闭式谐振腔的老思路，提出利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔实现Laser的新想。 Schawlow 11 激光技术发展简史之一 美国休斯公司实验室一位从事红宝石荧光研究的年轻人梅曼在 1960.5.16利用红宝石棒首次观察到激光； 梅曼在 7月 7日正式演示了世界第一台红宝石固态激光器； 他在 Nature(8月 16日 )发表了一个简短的通知。 Maima
4、n 12 激光技术发展简史之一 Maiman的第一台激光器 13 中国第一台激光器（ 1961） 14 激光技术发展简史之二 各种激光器的开发 : 工作物质： 固体，气体，染料，化学，离子，原子，半导体， X射线 输出功率： 大功率，低功率 工作方式： 短脉冲，脉冲，超短脉冲，连续 输出稳定性： 稳频率，稳功率，稳方向 15 我国激光器研究情况 激光器的第一台 研制成功时间 研 制 人 红宝石激光器（我国第一台 ) 1961年 11月 邓锡铭 、王之江 He-Ne激光器 1963年 7月 邓锡铭等 掺钕玻璃激光器 1963年 6月 干福熹 GaAs同质结半导体激光器 1963年 12月 王守武
5、 CO2分子激光器 1965年 9月 王润文等 16 激光技术发展简史之三 激光应用技术 信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算，光隔离器 检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维形状 激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型 医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼科手术，激光血照仪，视光学测量 科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激光光谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过程等等 17 光盘存储器原理 激光刻蚀与读出 18 偏振光显微镜 19 激光全息防伪人民币（建国 50周年纪念币） 20 激光控制核聚变 21 天文台（激光导航星）
6、 来自纳层的反射光（高度约100km) 最大高度约 35km 来自空气分子的Rayleigh光 22 激光测距与激光雷达 23 激光切割 24 长度测量 25 生物和医学应用 26 激光技术涉及的学科 物理（光学） 精密加工（光学谐振腔的制作） 光学加工（光学镀膜、光学装调） 电子技术（激光电源、控制电路） 应用技术基础（数学方法、误差理论） 1.1 光的波粒二象性 第一章 辐射理论概要与激光产生的条件 上一页 回首页 下一页 回末页 第一章 回目录 光波是一种电磁波，是 E和 B的振动和传播。如图（ 1-1）所示。习惯上常把电矢量叫做光矢量 图（ 1-1）电磁波的传播 1、线偏振光 Ex (
7、1)线偏振光 E x y Ey (2)自然光 z 传播方向 1.1.1 光波 1.1 光的波粒二象性 第一章 辐射理论概要与激光产生的条件 上一页 回首页 下一页 回末页 第一章 回目录 2、光速、频率和波长三者的关系 (1)波长 :振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。 (2)光速 (3)频率和周期： 光矢量每秒钟振动的次数 (4)三者的关系 882 . 9 9 8 1 0 / 3 1 0 /c m s m s T 1在真空中 0c各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同 )( 0 c1.1.1 光波 1.1 光的波粒二象性 第一章 辐射理论概要与激光产生的条件 上一页
8、回首页 下一页 回末页 第一章 回目录 3、单色平面波 (1)平面波 (2)单色平面波：具有单一频率的平面波 波阵面或同相面：光波位相相同的空间各点所连成的面 平面波：波阵面是平面 准单色波 :实际上不存在完全单色的光波，总有一定的频率宽度，如 称为准单色波。 理想的单色平面波（简谐波） 两式统一写为： 其中， U为场矢量大小，代表 或 的大小， U0为场矢量的振幅。 设真空中电磁波的电矢量 在坐标原点沿 x方向作简谐振动，磁矢量 在 y方向作简谐振动，频率均为 ，且 t=0时两者的初位相均为零。则 、 的振动方程分别为 : EEBB00c o s c o s 2E E t E t p 00c
9、 o s c o s 2B B t B t p 00c o s c o s 2U U t U t p E B1.1.1 光波 1.1 光的波粒二象性 第一章 辐射理论概要与激光产生的条件 上一页 回首页 下一页 回末页 第一章 回目录 (2)单色平面波：具有单一频率的平面波 波场中 z轴上任一点 P的振动方程， 设光波以速度 c向 z方向传播 图（ 1-1）电磁波的传播 00c o s c o s /U U t U t z c 分析： (a)z一定时，则 U代表场矢量在该点作时间上的周期振动 (c)z、 t同时变化时，则 U代表一个行波方程，代表两个不同时刻空间各点的振动状态。 从下式可看出，光波具有时间周期性和空间周期性。时间周期为 T，空间周期为 ；时间频率为 1/T，空间频率为 1/ (b)t一定时，则 U代表场矢量随位置的不同作空间的周期变化 简谐波是具有单一频率 的单色波，但通常原子发光的时间约为 10 8 s， 形成的波列长度约等于 3m，因此它的波列长度有限即必然有一定的频率宽度。 1.1.1 光波 0022c os c osz t zU U t UcTpp
