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激光原理与技术·原理部分第一讲激光简史、发展与应用课程简介–先修科目•几何光学•物理光学•量子力学•数学物理方法–参考书目•激光原理国防工业出版社2000年版周炳琨等编•量子电子学科学技术出版社1983年版AmnonYariv，刘颂豪等翻译•Lasers,AnthonyE.Siegman,Maple-VailBookManufacturingGroup,1986•PrinciplesofLasers,OrazioSvelto,PlenumPress,20191.1激光简史•什么是激光？•LASER：–LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation•激光：–受激辐射光放大1.1激光简史•史前时代–17世纪—对光的本性的探求：•波动说：以一定方式沿空间传输的波动过程，惠更斯、虎克；•微粒说：以经典方式运动着的微小粒子，牛顿；–19世纪：•光的波动本性有了进一步发展•电磁场理论、麦克斯韦方程组1.1激光简史•19世纪下半叶发展起来的电磁场理论能够解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和双折射等现象；•然而到了20世纪初，出现了黑体辐射、原子线状光谱、光电效应、光化学反应和康普顿散射等实验现象，这些涉及到光与物质相互作用时能量与动量交换特征的就无法用当时的经典理论来解释。1.1激光简史•黎明前的黑暗–1900年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此获得1918年诺贝尔物理学奖；–1905年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效应，并因此获得1921年诺贝尔物理学奖；inrecognitionoftheservicesherenderedtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquantaforhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect1.1激光简史–1913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；–1917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；–1928年，Landenburg证实了受激辐射和“负吸收”的存在；forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthem1.1激光简史–1940年，V.AFabrikant在其博士论文中提出了产生粒子数反转的实现方法，粒子数反转是MASER/LASER产生的必要条件。1.1激光简史–1947年，Lamb和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；–1950年，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。forhisdiscoveriesconcerningthefinestructureofthehydrogenspectrumforthediscoveryanddevelopmentofopticalmethodsforstudyingHertzianresonancesinatoms1.1激光简史–1951年,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。forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple1.1激光简史•突破–1956年NicolaasBloembergen在哈弗大学提出了固态微波激射器的概念，于1956年10月在PhysicalReview上发表了一片又决定意义的文章，第一台成功的设备几个月后在Bell实验室研制出来。–1958年Schawlow和Townes在PhysicalReviewLetters上发表论文“InfraredandOpticalMaser”，标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。1.1激光简史–1959年，GordonGould发表论文“TheLASER:LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”，这是LASER这一术语第一次被提出。–1960年5月，休斯实验室的Maiman和Lamb共同研制的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。1.1激光简史–1960年年中，IBM实验室的Sorokin和Stevenson利用CaF2中的三价铀制成了第一台四能级固体激光器；–1960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；1.1激光简史–1961年，EliasSnitzer报道了第一台钕玻璃激光器成功出光。这种激光器成为了激光武器研究的第一种候选方案，现在被作为可控核聚变的主要候选光源；–1961年:P.A.Franken,A.E.Hill等人将红宝石激光器发出的光脉冲通过石英晶体，将红光变成了绿光，成功的演示了谐波产生的非线性光学效应，这是高效非线性光学的首次实验演示。–1962年，第一台钇钕石榴石(YAG)激光器在BELL实验室诞生，这种激光器现在在材料加工等各种领域仍然发挥着不可替代的作用。1.1激光简史–1962年，GE、IBM和MIT林肯实验室的研究小组几乎同时报道了砷化镓（GaAs）激光器；–1962年，F.J.McClung和R.W.Hellwarth研发了激光器调Q技术，从而使激光器能发出高单脉冲能量的短脉冲；–1962年，美国的4个研究小组几乎同时报道了研制成功能够在液氮冷却条件下脉冲工作的半导体激光器，这是在光通讯、光存储和光学泵浦等重要领域走出的具有里程碑意义的一步；1.1激光简史–1963年，HerbertKroemer和RudolfKazarinov、ZhoresAlferov的团队独立的提出了利用异质结构造半导体激光器的思路，这一工作使得他们获得了2000年的诺贝尔物理学奖。–1964年，C.K.N.(Kumar)Patel研制了第一台CO2激光器；–1964年，WilliamB.Bridges研制了第一台离子激光器；1.1激光简史–1964年，J.E.Geusic、H.M.Marcos和L.G.VanUitert研制了第一台掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）固体激光器，这是现在被应用于切割、焊接、光学应用和非线性光学领域用途最广的激光器；–1964年，C.J.Koester和E.Snitzer研制了第一台掺钕光纤放大器。光纤放大器现在被广泛应用于光通讯和高能激光器中。–1964:ArnoPenzias和RobertWilson利用MASER作为放大器观察3K的宇宙背景辐射，从而证明了BigBangTheory。他们因此获得了1978年诺贝尔奖。1.1激光简史–1965年，AnthonyJ.DeMaria,D.A.Stetser和H.A.Heynau报道了第一台利用钕玻璃激光器和饱和吸收器产生皮秒级脉冲的激光器。–1965年，GeorgeC.Pimentel和JeromeV.V.Kasper研制了第一台化学激光器；–1965年，PeterSorokin和JohnR.Lankard研制了第一台生物染料激光器，现在广泛应用在超快光学和光谱学领域；1.1激光简史–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，其间用了近半个世纪，而实际上却没有太多理论上的突破，为什么激光器没有早半个世纪诞生？–为什么各类第一台激光器都是诞生在IBM、GE、BELL实验室？1.2激光的发展•发展–更大•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。•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），该系统有望在2019投入使用。1.2激光的发展•NIS已经于2009年点火成功，2019年报道的单脉冲能量达到1MJ，峰值功率1015W以上。超过美国历史上任意时刻消耗电功率的500倍以上。1.2激光的发展•目前，神光-Ⅲ原型装置“十五”建设目标已圆满完成，达到“8束出光，脉冲-万焦耳”的水平，标志着我国成为继美、法后世界上第三个系统掌握新一代高功率激光驱动器总体技术的国家，使我国成为继美国之后世界上第二个具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。1.2激光的发展–更小•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；1.2激光的发展–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。1.2激光的发展–更快•更高的调制频率：GHz；•更短的脉冲宽度：阿秒脉冲(attosecondLaser)；•德国MaxPlanck量子光学研究中心成功产生了脉冲宽度小于1飞秒（10-15s）的光脉冲，这一发光时间小于可见光波长的一个振荡周期。1.2激光的发展–更多样化•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；•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；1.3激光的应用•从科幻到现实–第一个描述激光的作品？•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……”•CO2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；•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；1.3激光的应用•激光的实际应用–工业应用：•切割：速度快、无接触、精度高、切缝光滑；•焊接：焊接点均匀、美观、精度高；•表面处理；•芯片刻蚀等。1.3激光的应用–医疗：•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；•肿瘤治疗；•眼科手术：视网膜焊接、近视治疗；•美容；•外科手术等。1.3激光的应用–科研：•1971年，DennisGabor因为在1946年至1951年间发表的一系列文章提出了光学全息术而获得诺贝尔物理学奖，然而真正的全息照相直到激光器被发明才成为现实。•1985:StevenChu等人研究出了利用激光束冷冻、捕捉原子的方法，这一方法对于研究基础物理现象和以空前的精度测量重要物理量起到了重要的作用，他们因此获得了2019年诺贝尔物理学奖。1.3激光的应用–2019年EricCornell等人由于在波色-爱因斯坦凝聚态方面的研究获得诺贝尔物理学奖；“fortheachievementofBose-Einsteincondensationindilutegasesofalkaliatoms.”–2019年RoyJ.Glauber等人由于在基于激光的高精度光谱测量领域的贡献获得诺贝尔物理学奖；“fortheircontributionstothedevelopmentoflaser-basedprecisionspectroscopy,includingtheopticalfrequencycombtechnique”–2009年高锟等人由于在光纤