激光技术

1激光技术山东轻工业学院数理学院刘玉波2一、激光技术的发展历史1.受激辐射概念的提出激光技术1960年，在光学发展史上发生了不不寻常的事件：激光器诞生了。人们把激光和原子能、半导体、计算机列在一起,称为20世纪的“新四大发明”。爱因斯坦在波尔成就的基础上,更深入地研究了物质与辐射之间的相互作用,于1916年发表了一篇综述量子论发展成就的论文《关于辐射的量子理论》,对能态之间的跃迁方式第一次给出了实际的认识。其中提出了受激发射的概念,为激光的发明提供了理论基础。3微波辐射与分子相互作用研究的微波物理学家,将光谱学(及波谱学)和微波电子这两门似乎风马牛不相及的学科结合起来,在二次世界大战结束前后,开创了微波波谱学。1954年7月汤斯和他的小组研制成功了世界上第一台利用受激辐射原理工作的新型微波振荡器——氨分子微波激射器(英文名MASER),工作的波长为1.25厘米,输出功率只有10-9瓦。2.微波波谱学的创立3.微波激射器的问世44.激光器的诞生在美国贝尔电话实验室工作的物理学家A·肖洛和C·汤斯联手合作研究。于1958年12月，他俩把研究成果写成论文，投寄在美国的《物理学评论》杂志，论文题目为《红外与光学激射器》,论述了获得光激射器(即现在的激光器)的可能性和有关条件的设想及实验方法。休斯飞机实验室工作的梅曼(C.M.Maman)采用红宝石晶体做激光器的工作物质，用氙灯做泵浦源．结果是梅曼的工作方案首先获得成功，于是，1960年7月7日,在纽约宣布他于5月15日研制成了红宝石激光器，这是世界上第一束激光。梅曼激光器也是世界上第一台激光器．56我国的第一台激光器我国第一台激光器是中国科学院长春光学精密机械研究所王之江领导设计并和邓锡铭、汤星里、杜继禄等共同实验研制成的，他们用的工作物质也是红宝石晶体,长度是3cm，直径0.5cm，含铬离子浓度约0.04％，整台激光器的外形是一只小球，红宝石棒和氙灯并排放在球心附近。78Laser的含义LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，把它称作“光受激发射放大器”。激光器之名的由来激光的产生机理一般涉及到受激辐射，粒子数反转与谐振三个关键问题。钱学森教授给《光受激辐射》杂志编辑部回信说：“我有一个小建议，光受激发射这个名称似乎太长，说起来费事．能不能就称‘激光’？”二、激光器的基本原理1.自发辐射与受激辐射在常温下大部分电子处于基态。当原子在E1与E2两个能级之间产生跃迁时将产生自发辐射、受激辐射和受激吸收的三个基本过程。9在激光物质中，外来的光子可以引起激发态原子的受激辐射，同时也可能被基态原子所吸收，这两个过程是同时存在的，且受激辐射与吸收的几率相同。在常温下基态原子比激发态原子数要多很多，因而吸收总大于发射。要产生激光，必须使总发射大于总吸收。因此，产生激光的必要条件之一是受激辐射占主导地位。10要使激光工作物质的受激辐射占主导地位，就必须从外部给工作物质提供能量，使处于激发态的载流子数远大于处于基态的载流子数，也就是把载流子的正常分布倒转过来，称为粒子数的反转或称粒子分布的反转状态。粒子数的反转是使受激辐射从次要地位转化为主导地位的必要条件，也是产生激光发射的必要条件。2.粒子数反转(分布反转)3.谐振腔能使光产生“共振”的装置称为“共振腔”或“谐振腔”。谐振腔是产生激光的又一个必要条件。11实综上所述，获得激光输出的3个必要条件为：(1)必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去，为此需要泵浦源；(2)要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗；(3)有一个谐振腔为出射光子提供正反馈及高的增益，用以维持受激辐射的持续振荡。这是发射激光的发光材料。三、激光器的结构1．工作物质12工作物质的基本要求是(1)光学性质均匀，光学透明性良好，且性能稳定；(2)有能级寿命比较长的能级(称为亚稳态能级)；(3)有比较高的量子效率。2．共振腔由放在工作物质两端的反射镜构成的光学系统．其中一块反射镜对激光的反射率接近100％，另一块对激光有适量透过率，在共振腔中形成的激光有一部分从这块反射镜透射到腔外，共振腔的作用主要有两方面：(1)正反馈作用，(2)选模作用。3．泵浦源泵浦源是向工作物质供给能量，把原子、分子从基态激发到高能态，并且形成负温度状态的能源。13模(或叫波型)是激光理论中的一个基本概念．从光的波动观点看．模是指电磁波动的一种类型．实际上也就是存在于空腔中各种不同频率的驻波；从光的粒子观点看，模是代表了可以相互区分的光子态。沿同一个传播方向，按光频率区分光子态得到的结果，这样的模称为纵模。还有按辐射传播方向区分光子态，这就是横模．四、模和激光振荡模TEM00TEM20TEM40高阶横模1415五、激光技术应用(1)方向性好；(2)单色性好；(3)相干性好；(4)亮度高2．激光精密计量(1)激光长度基准；(2)长度测量；(3)测距和测速；(4)激光准直导向；(5)激光表面质量检测。1．激光的特性3．激光信息处理(1)光存储；(2)光通信；(3)光计算。165.激光医学6.激光生物应用(1)激光刀；(2)光凝治疗；(3)光照射治疗。8.科学实验应用(1)非线性光学；(2)激光光谱；(3)激光微束。7.激光武器4．强激光的应用(1)激光加工；(2)激光分离同位素；(3)激光核聚变17五、激光技术的发展(1)激光加工产业；(2)激光印刷产业；(3)激光存储产业；(4)光纤通信产业;(5)激光医疗产业;另外,激光武器,激光分离同位素.2．发展短波长和长波长激光技术(1)利用分子的受激发射；(2)利用非线性光学效应；(3)利用激光等离子体的受激发射；(4)利用自由电子激光器。1．建立激光产业