现代激光应用技术-课件(同名136314).ppt
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- 现代 激光 应用技术 课件 同名 136314
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1、1.1 激光的发展与现状n什么是激光?nLASER:qLight Amplification by Stimulated Emission of Radiationq受激辐射光放大n死光:珊瑚岛上的死光n镭射:LASER的音译n光量子放大器n光激射器n激光2022-5-251.1.1激光发展的历史q1913年,玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的原子结构模型,并因此获得1922年诺贝尔物理学奖;q1917年,爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上,提出了受激辐射理论,为激光的出现奠定了理论的基础;q1928年,德国光谱学家拉登堡(Landenburg)证实了受激辐射的存在;for his servi
2、ces in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them 2022-5-251.1.1激光发展的历史q1947年,(兰姆)Lamb和(卢瑟福)Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射,这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖;q1950年,(卡斯特勒)Kastler提出了光学泵浦的方法,两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝尔奖。for his discoverie
3、s concerning the fine structure of the hydrogen spectrum for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms2022-5-251.1.1激光发展的历史q1951年,汤斯(Townes)提出受激辐射微波放大,即MASER的概念。1954年,第一台氨分子Maser建成,首次实现了粒子数反转,其主要作用是放大无线电信号,以便研究宇宙背景辐射。Townes由于在受激辐射放大方面的成就获得1964年诺贝尔物理学奖
4、。for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle 2022-5-251.1.1激光发展的历史n突破q1958年(肖洛)Schawlow和Townes在Phy. Rev. 上发表论文“Infrared and Optical Maser”,标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。q1960年5月,休斯实验室的(梅曼)Maiman研制的
5、红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光,这是公认的世界上第一台激光器。2022-5-251.1.1激光发展的历史q1960年,IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第一台四能级固体激光器;q1960年12月,BELL实验室的Javan,Bennett和Herriott制成了第一台氦氖气体激光器;q1962年,GaAs半导体激光器;q1963年,液体激光器;q1964年,CO2激光器;q1964年,离子激光器;q1964年,Nd:YAG固体激光器;q1965年,HCl化学激光器;q1966年,生物染料激光器;q从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到1960年第一台激光器诞生,其间用了近半
6、个世纪,而为什么激光器没有早半个世纪诞生?2022-5-251.1.1激光发展的历史n中国的激光器中国的激光器n1961年夏,在王之江主持下,中国第一台激光器-红宝石激光器在长春光学精密机械研究所诞生,这是王大珩和他领导的长春光机所制造的一项辉煌成果。n这台激光器的研制成果,使得我国成为继美国之后的第二个拥有激光器的国家,引起国内外的震惊。2022-5-251.1.1激光发展的历史n我国的“第一台”激光器n第一台固体红宝石激光器 1961年9月 王之江等n 第一台He-Ne激光器 1963年7月 邓锡铭等n 第一台掺钕玻璃激光器 1963年6月 干福熹等n 第一台GaAs同质结半导体激光器 1
7、963年12月 王守武等n 第一台脉冲Ar+激光器 1964年10月 万重怡等n 第一台CO2分子激光器 1965年9月 王润文等n 第一台化学激光器 1966年3月 邓锡铭等n 第一台YAG激光器 1966年7月 屈乾华等2022-5-251.1.2激光的基本特性n高亮度n高单色性n高方向性n高相干性2022-5-25高亮度n定义:光源在单位面积上,向某一方向的单位立体角内发射的光功率. 单位W/(cm2sr)n气体激光器的亮度值可达108 W/cm2.sr,它比太阳表面的亮度2*103 W/cm2.sr要高5个数量级。SPB2022-5-25高方向性n激光高方向性主要指光束发散角小。n为波
8、长,D为光束截面直径。n激光发散角成因:输出孔径衍射、波长振荡模式、腔长、工作物质。n基模发散角最小,横模阶次越高,发散角越大。n改善方向性的方法:选模、改良谐振腔。244. 2D2022-5-25高单色性n光源单色性常用/或者/表示。n原有单色性最好的光源为氪灯,单色性量级为10-6,稳频激光器的单色性约在10-13量级。n获得高单色性的途径:选模、稳频。2022-5-25高相干性n相干性:描述光波各个部分的相位关系。n时间相干性:n氪灯相干长度为800 mm,红宝石激光的相干长度为8000 mm,He-Ne激光相干长度为1.5*1011mm。n空间相干性 由激光横模决定 cctLc2 S2
9、022-5-251.1.3激光发展的现状n发展q更强n为了进行高能物理、热核聚变等方面的研究工作,激光器产生的能量密度和功率不断提高。n现在世界上功率最大的激光器是美国的国家点火工程(NIF)中使用的NOVA激光系统,其峰值功率达到1.3PW(1015W)。2022-5-251.1.3激光发展的现状q更小n各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器或者半导体泵浦固体激光器向着小型化方向发展;2022-5-251.1.3激光发展的现状q更集成 各种通信用的激光模块,往往包含十几个甚至几十个半导体激光器,并且集成了调制、功率检测、温度监测等功能模块。2022-5-251.1.3激光发展的现状q更快n
10、更高的调制频率:GHz;n更短的脉冲宽度:飞秒激光器(FemtoSecond Laser);q更多样化n多样化的泵浦方式:光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、热泵浦等、磁泵浦;n多样化的工作物质:固体(Nd:YAG)、气体(He-Ne、CO2)、液体、染料、半导体、自由电子等;2022-5-251.1.4理论体系n经典理论(Classical Laser Theory)q电磁场麦克斯韦方程组;原子电偶极振子n半经典理论(Semiclassical Laser Theory)q电磁场麦克斯韦方程组;原子量子力学描述n量子理论(Quantum Laser Theory)q电磁场和原子二者作为一个统一的物理
11、体系作量子化处理n速率方程理论(Rate Equation Theory)q量子理论的简化形式,忽略光子的相位特性和光子数的起伏特性2022-5-251.1.4理论体系n光与物质相互作用经典理论光与物质相互作用经典理论n光波电磁波麦克斯韦方程组n工作物质发光原子原子中电子运动电偶极子n光与物质相互作用电磁场与电偶极子n原子自发辐射过程电偶极子做阻尼简谐振动n原子受激辐射与受激吸收电偶极子做受迫间简谐振动n可解释:光子吸收、色散、自发辐射以及线型函数2022-5-251.1.4理论体系n半经典理论半经典理论n辐射场麦克斯韦方程组n工作物质原子量子力学薛定谔方程n分析激光运转的频率和强度特性,数学
12、处理繁琐2022-5-251.1.4理论体系n量子理论量子理论激光器的严格理论激光器的严格理论n基本思想:辐射场与工作物质均为量子体系,场和物质都符合量子电动力学规律n作用:可严格确定激光的相干性,噪声,线宽极限等量子性质n 速率方程(简化的量子理论)速率方程(简化的量子理论)n思想:以光与物质相互作用的三个基本过程为出发点,以三个过程之间的细致平衡导致一组能级粒子数、光子数的“速率方程”来支配辐射场与物质之间的相互作用2022-5-251.1.4理论体系n激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上的量子理论,在原则上可以描述激光器的全部特性;n不同近似程度的理论用来描述激光器的不同层次的特性
13、,每种近似理论都揭示出激光器的某些特性,因此可以根据具体应用选择合适的近似理论;n本课程主要用到的理论是经典理论和速率方程。2022-5-251.1.5激光的应用n从科幻到现实q最早描述激光的作品?n威尔斯在1898年的小说世界大战(火星人入侵):“由某种方式在非传导的小室中产生酷热,用抛物镜将其变成平行光,射向目标,这些射线不是可见光,而是某种热”nCO2激光器,由CO2作为工作物质,通过放电激发产生10.6um的红外激光,肉眼不可见,其输出方式多为抛物镜构成的反射望远镜系统;n火星大气充满CO2,并且有强烈的大气放电(闪电),因此可能存在天然的激光;2022-5-251.1.5激光的应用n
14、激光的实际应用q工业应用:n切割:速度快、无接触、精度高、切缝光滑;n焊接:焊接点均匀、美观、精度高;n表面处理;n芯片刻蚀等。2022-5-251.1.5激光的应用q医疗:n最早的激光医疗应用:1961年12月在哥伦比亚长老会医院用红宝石激光器进行了视网膜肿瘤治疗;n肿瘤治疗;n眼科手术:视网膜焊接、近视治疗;n美容;n外科手术等。q科研:n全息成像、非线性光学等需要高相干性、大功率光源的项目;n可控核聚变;n隐形材料n光镊、冷冻原子n激光诱导光谱学2022-5-251.1.5激光的应用n确定地月距离q阿波罗15号在登月时带上了一套特别设备大型角反射器,用来反射从地球发射过来的激光光束,通过
15、记录往返时间来计算地月距离。q激光发散角很小,其光斑半径在月面上小于1km,而普通探照灯的光斑在月面上会大于月球的直径。2022-5-251.1.5激光的应用n军事q激光测距q直接摧毁q激光制导2022-5-251.1.5激光的应用n其他q条码扫描q照明、成像q通讯q娱乐2022-5-25第二章第二章 光的本性光的本性 2022-5-25n2.1 牛顿的微粒学说牛顿的微粒学说 早在剑桥大学高年级时,通早在剑桥大学高年级时,通过三棱镜实验研究太阳光的色过三棱镜实验研究太阳光的色散现象,认识到不同颜色(波散现象,认识到不同颜色(波长)的光有不同的折射率。牛长)的光有不同的折射率。牛顿的色散实验为光
16、谱学的研究顿的色散实验为光谱学的研究和发展开辟了道路,被美国和发展开辟了道路,被美国物理学世界物理学世界评为历史上评为历史上“最美丽的十大物理实验最美丽的十大物理实验”之之一。一。 2022-5-252.1牛顿的微粒学说核心思想:光是发光体所射出的一群微小粒子,它们一个接着一核心思想:光是发光体所射出的一群微小粒子,它们一个接着一个地迅速发射出来,以直线进行,人们感觉不到相继两个之间的个地迅速发射出来,以直线进行,人们感觉不到相继两个之间的时间间隔。时间间隔。微粒说微粒说 解释光的直线传播、反射解释光的直线传播、反射 无法解释干涉,衍射和偏振无法解释干涉,衍射和偏振2022-5-252.2 惠
17、更斯波动学说n波面:波在传播过程中振动波面:波在传播过程中振动相位相同的点组成的面称为相位相同的点组成的面称为波面。波面。n波前:最前面的一个波面称波前:最前面的一个波面称为波前。为波前。 惠更斯在笛卡儿、胡克等人的惠更斯在笛卡儿、胡克等人的基础上提出了光是振动传播的假说。基础上提出了光是振动传播的假说。他认为他认为“光是发光体中微小粒子的光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的完全弹性振动在弥漫于宇宙空间的完全弹性的介质(以太)中的传播过程。的介质(以太)中的传播过程。”他称这种波为以太波。他称这种波为以太波。2022-5-252.2 惠更斯波动学说 波动学说波动学说横波中质元的振动方向
18、横波中质元的振动方向与波的传播方向垂直与波的传播方向垂直 纵波中质元振动方向纵波中质元振动方向与波传播方向平行与波传播方向平行 可以解释光的互不干扰、光的反射、折射、双折射错误地认为光是纵波,光的波动仅为一种脉动,为提及周期性,光的传播基础为以太2022-5-25n光波动的新证据光波动的新证据托马斯托马斯杨的光学杨的光学双缝干涉试验双缝干涉试验*有力地批判了光的微粒学说,证实了光的有力地批判了光的微粒学说,证实了光的波动特性,首次测量光的波长。波动特性,首次测量光的波长。2022-5-252.3麦克斯韦光的电磁波性质n詹姆斯克拉克麦克斯韦,英国物理学家、数学家。经典电动力学的创始人,统计物理学
19、的奠基人之一。科学史上,称牛顿把天上和地上的运动规律统一起来,是实现第一次大综合,麦克斯韦把电、光统一起来,因此应与牛顿齐名。1873年出版的论电和磁,也被尊为继牛顿自然哲学的数学原理之后的一部最重要的物理学经典。麦克斯韦被普遍认为是对二十世纪最有影响力的十九世纪物理学家。没有电磁学就没有现代电工学,也就不可能有现代文明。 “诺贝尔奖得主的摇篮”卡文迪许实验室创始人2022-5-25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、线偏振光线偏振光Ex(1)线偏振光线偏振光ExyEy(2)自然光自然光z传播方向2.3.1 光波光
20、波2022-5-252、光速、频率和波长三者的关系光速、频率和波长三者的关系(1)波长波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。(2)光速光速(3)频率和周期:频率和周期:光矢量每秒钟振动的次数(4)三者的关系三者的关系882.998 10/3 10/cm sm s T1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 )(0nnc2.3.1 光波光波2022-5-253、单色平面波单色平面波(1)平面波平面波(2)单色平面波:具有单一频率的平面波单色平面波: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
21、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:EEBB00coscos2EEtEt00coscos2BBtBt00coscos2UUtUtEB2.3.1 光波光波2022-5-25(2)单色平面波:具有单一频率的平面波单色平面波: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
22、速度c向z方向传播 图(1-1)电磁波的传播00coscos/UUtUtz 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108 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。2.3.1 光波光波0022coscosztzUUtUcT2022-5-25
23、(3)平面波的复数表示法平面波的复数表示法 光强光强线偏振的单色平面波的复数表示:光强:光强与光矢量大小的平方成正比,即 0it kzUU e0expUUitkz 或 复振幅 :模量 代表振幅在空间的分布,辐角(-kz)代表位相在空间的分布 U0UtiUUikzUUexpexp02UI 2)(cos112021120222UdtkztUTdtUTITTTT(4)球面波及其复数表示法球面波及其复数表示法球面简谐波方程:0cosUrUtrc球面波的复数表示法:0it krUUer2.3.1 光波光波2022-5-252.4物理学天空的“乌云”n2.4.1黑体辐射q黑体:一个物体能够完全吸收任何波长
24、的电磁辐射,则称此物体为绝对黑体或黑体。自然界中不存在绝对黑体,而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近似。q黑体辐射:当黑体处于某一恒定温度的热平衡状态,它吸收的电磁辐射和发射的电磁辐射 完全相等,即处于能量平衡状态,这 将导致空腔内存在完全确定的辐射场。 这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。2022-5-25q2.4.1黑体辐射:n黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率 的函数,并可以用单色能量密度 描述, 表示单位体积内,频率处于 附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量,其量纲为 。3/msJ1700K1500K1300K1100K),(0Te (um)0 1 2 3 4 5 62022-5-25o实验
25、值/m)(0TM维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难普普朗朗克克线线123456782022-5-25能量子假说:能量子假说: 辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子,这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态,在这些状态中,谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量(称为能量子)的整数倍,即:, 1, 2, 3, . n. n为正整数,称为量子数。 对于频率为对于频率为的谐振子最小能量为的谐振子最小能量为能量能量量子量子经典经典h2022-5-25普朗克的能量子假说和黑体辐射公式普朗克的能量子假说和黑体辐射公式黑体辐射公式
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