1.4-1.5激光原理和技术----需要至24页

1激光原理和技术简介2主要内容1.激光发展历史、发展现状和应用2.激光原理3.典型激光器及激光器的分类•黎明前的黑暗-1900年，普朗克（Planck）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（Einstein)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,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect激光发展史–1913年，玻尔(Bohr)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，德国光谱学家拉登堡（Landenburg）证实了受激辐射和“负吸收”的存在；forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthem激光发展史–1947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；–1950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。forhisdiscoveriesconcerningthefinestructureofthehydrogenspectrumforthediscoveryanddevelopmentofopticalmethodsforstudyingHertzianresonancesinatoms激光发展史–1951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。forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple激光发展史•突破–1958年肖洛（Schawlow）和Townes在Phy.Rev.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。–1960年5月，休斯实验室的梅曼（Maiman）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。激光发展史–1960年年中，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；–1960年12月，Bell实验室的贾万（Javan），Bennett和Herriott制成了第一台氦氖气体激光器；–1962年，GaAs半导体激光器；–1963年，液体激光器；–1964年，CO2激光器；–1964年，离子激光器；–1964年，Nd：YAG固体激光器；–1965年，HCl化学激光器；–1966年，生物染料激光器；–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？激光发展史1961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创造的一项辉煌成果。这台激光器的研制成功，使我国成为继美国之后第二个拥有激光器的国家，引起了国内外震惊。王之江院士中国的激光器中國各類激光器的“第一台”名稱研制成功時間研制人红宝石激光器1961年9月王之江等He-Ne激光器1963年7月鄧錫銘等摻釹玻璃激光器1963年6月干福熹等GaAs同質結半導體激光器1963年12月王守武等脈沖Ar+激光器1964年10月萬重怡等CO2分子激光器1965年9月王潤文等CH3I化學激光器1966年3月鄧錫銘等YAG激光器1966年7月屈乾華等•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），该系统已投入使用。激光发展现状–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；激光发展现状–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。激光发展现状–更快•更高的调制频率：GHz；•更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecondLaser)；–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；激光发展现状–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。激光应用–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。–科研：•全息成像、非线性光学等需要高相干性、大功率光源的项目；•可控核聚变；•光镊、冷冻原子激光应用•确定地月距离–登月是20世纪最大的骗局？–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，通过记录往返时间来计算地月距离。–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。激光应用•军事–激光测距–直接摧毁–激光制导激光应用•其他–条码扫描–照明、成像–通讯–娱乐激光应用1.经典理论（ClassicalLaserTheory）电磁场－麦克斯韦方程组；原子－电偶极振子2.半经典理论（SemiclassicalLaserTheory）电磁场－麦克斯韦方程组；原子－量子力学描述3.量子理论（QuantumLaserTheory）电磁场和原子——二者作为一个统一的物理体系作量子化处理4.速率方程理论（RateEquationTheory）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激光理论体系211.光与物质作用的经典理论---经典原子发光模型•光波场（光）电磁波麦克斯韦方程组•工作物质发光原子原子中电子运动电偶极振子•光与物质（原子）相互作用电磁场与电偶极子相互作用•原子自发辐射过程电偶极子做阻尼简谐振动•原子受激辐射、受激吸收过程电偶极子做受迫简谐振动•用于解释：光子的吸收、色散及自发辐射、线型函数等222.半经典理论•辐射场----经典麦克斯韦方程组•工作物质（原子）----量子力学的薛定谔方程•自洽：极化强度产生的场等于产生极化强度的场E′(r,t)=E(r,t)半经典理论的基本思想•分析激光运转的强度特性和频率特性。不能确切描述量子特性，数学处理繁琐233.量子理论----激光器的严格理论•基本思想：场、工作物质（原子）均是量子体系场和物质相互作用服从量子电动力学规律•可严格确定激光器的相干性、噪声、线宽极限等量子性质4.速率方程理论（简化的量子理论）基本思想：以光和物质相互作用的三个过程为出发点，以这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•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；•不同近似程度的理论用来描述激光器的不同层次的特性，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；激光理论体系251.光子的基本特性光是一种以光速c运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量。它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满足：激光产生的物理基础26；、2)1(hhE22(2),Ehmcc、光子具有运动质量，但是静止质量为零；；、knhnmcP0022)3((4)、光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个独立偏振方向；(5)、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，是玻色子。（电子的自旋量子数，是费米子。）2127322=/=():ccccccccccVALVAccLcLccVn2光的相干性：在不同的空间点上、不同时刻的光波场的某些特性的相关性相干体积：或式中，为真空中的光速；是光沿传播方向通过相干长度所需要的时间，称为相干时间。可以证明：（）光子简并度处于同一光子态的光子数目。2.光子的相干性和光子简并度28(1)自发辐射1221EEh光子能量：自发跃迁概率：221211ndtdnAsp单位时间、单位体积内，上粒子的减少为：221212nAdtdndtdnsp处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子（自发辐射只与原子本身性质有关，与辐射场的无关）。21(）3光辐射的量子理论基础1)三种跃迁29受激吸收概率：t121121sdtdnnW121221(WB）为爱因斯坦吸收系数,只与粒子本身的性质有关。12B21(）为辐射场能量密度1n为E1能级上的原子数密度,（2）受激吸收处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子，跃迁到高能级态。于是有：)exp()exp(0221022stntAnn211As为自发辐射寿命。2E30(3)受激辐射受激辐射的概率：stdtdnnW212211)(212121BW21B称为爱因斯坦受激发射系数。处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性。312)爱因斯坦关系设一个原子系统有特定两个能级,其简并度为（同一量子态占据的光子数目）,在温度T下处于热平衡状态,能级的原子占有数密度分别为,则原子系统从辐射场中吸收能量后,单位时间内从跃迁到能级的原子数为：1212211()nBn单位时间内，12EE的原子数为：221212121])([nBAn由于系统处于热平衡状态，则应有：1221nn即：1211212)(nBn221212121])([nBAn21,gg12,EE21,nn21hv1E2E32所以有：212121122112)()(BABnn热平衡状态下，按波尔兹曼分布：)exp()exp(21121122kThkTEEgngn即：1)exp(1)(21221112212121kThgBgBBA21,nn33热平衡条件下，光辐射的能量密度的普朗克公式为：1)exp(18)(213332121kThcnh比较两式有：221112gBgB3332121218cnhBA上述两式即著名的爱因斯坦关系式。若两能级的简并度相同，则有：BBB2112333218cnhBA34结论：三个爱因斯坦系数是相互关联的。对一定的原子体系而言，自发跃迁系数A21与受激辐射系数