激光原理-概述

激光原理与技术(2014年秋季学期)张春峰南京大学物理学院[e-mail]课程内容1.概述：激光发展简史2.光学增益产生的基本原理a.自发辐射，受激辐射b.辐射和原子相互作用c.半导体中的能级跃迁3.速率方程4.高斯光束与光学谐振腔5.相干性6.频域与时域线宽7.调Q与锁模技术8.激光频率转变9.典型激光器10.激光光谱学方法参考书目•《激光原理》（第6版）周炳琨，国防工业出版社•《PrinciplesofLasers》OrazioSvelto•APS,AIP,NPG等杂志社期刊知识储备普通物理光学，量子力学初步考查方式•期中考试50%•平时表现50%–作业25%–项目25%下半学期前两学时课程教学，第三节课同学项目报告2020/4/245激光原理与技术第一章概述光：波粒二象性(wave-particleduality)2020/4/247Wavelength(m)ScaleFrequency(Hz)Photon&Electromagneticwave2020/4/248160017001800190020002100萌芽时期几何光学波动光学量子光学/现代光学9LASERLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation1、gainmedium2、pumpingsource3、cavity4、outputcoupler5、laserbeamCoherenceSpatialcoherenceTemporalcoherenceThefoundationoflasersThegreatmind曼哈顿计划C.TownsTheconceptof“stimulatedemission”(Einstein,1916)“MASER”(pulse)(CharlesHTownes,1954,withJ.Gordon,H.Zeiger)“MASER”(cw)(N.Basov&A.Prokhorov)NobelLaureates1964N.BasovA.ProkhorovGordonGouldA.SchawlowC.TownsThecompetitionOpticalmaserLaser(NobelLaureate1981)T.MaimanTRGRuby,1960PulseredlaserU3+:CaF2(Fourlevelsystem,1960)P.Sorokin&M.J.StevensonHeNe(1961)A.Javan2020/4/2413Rubywasruledout…(Wilde&Schalow)PulseoperationAnotherepisoderelatedtomasersT.MaimanLaserOdysseyWillisLambCaliforniaManInventedDeathRay,Laser科学家很难判断研究工作的价值和影响，爱因斯坦做不到，梅曼也做不到1964:AlexsanderM.Prokhorov,CharlesH.Townes,andNicolayG.Basov(量子电子学与激光理论,导致激光的实现)。1981:NicolaasBloembergen&ArthurL.Schawlow(激光光谱与非线性光学)。Ruby•1960年,梅曼(T.Maiman)2020/4/2414Commerciallasersources2020/4/2415Milestones2020/4/2416Nat.Photonics4,281(2010)中国各类激光器的“第一台”名称研制成功时间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月邓锡铭等掺钕玻璃激光器1963年6月干福熹等GaAs同质结半导体激光器1963年12月王守武等脉冲Ar+激光器1964年10月万重怡等CO2分子激光器1965年9月王润文等CH3I化学激光器1966年3月邓锡铭等YAG激光器1966年7月屈乾华等1918,Quanta(Planck)1921,Einstein1947,Stimulatedemissioninhydrogen(Lamb&Reherford)1950,Opticalpump.(Kastler)1964,Maser(Townes,Basov,Prokhorov)1971,Holography(Gabor)1981,Laserspectroscopy&Nonlinearoptics(Bloembergen&Schawlow)1989,Atomicclock(Ramsey)1997,Lasercoolingandtrapping(Chu,Cohen-Tannoudji,&Phillips)1999,Femtochemistry(Zewail)2001,BEC(Cornell,Ketterle,&Wieman)2005,Frequencycomb(Hall&Hansch);Quantumtheoryofopticalcoherence(Glauber)2009,Opticalfiber(Kao),CCD(Boyle&Smith)2014,BlueLED(Akasaki,Amano,&Nakamura)BlackBodyEmission2020/4/2419MaxPlanck,19000.00.51.01.52.02.53.03.54.0R/RWavelength(m)Rayleigh-JeansWienPlanck2020/4/24205001000150020002500Wavelength(nm)SolarSpectrumBlackbodyEmission@5200KMaxPlanck190121LightAmplificationAlbertEinstein,190522LightAmplification23LightAmplificationlossspontaneousemissionamplification24LightAmplification25LightAmplification26LightAmplificationFour-levelsystem激发阈值27NOVA(LLNL实验室)足球场大小740mm口径100kJ/25ns放大后100TW(100ps)(全球电量3TW)国家点火装置(NLF)----雅典娜(投资12亿美元)Yb:glass主振----192路光束放大----1.8MJThemostpowerfullaser世界上最小的激光器TheUniversityofTexasatAustin，施至刚教授&台湾清华大学，果尚志教授Science337,450(2012)–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。29–更快-更高的调制频率：GHz；-更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtosecondLaser)；阿秒激光器(AttosecondLaser)–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；302020/4/24312020/4/2432固态激光器气体激光器光纤激光器半导体激光器半导体激光器2020/4/2433—与普通光的区别低于振荡阈值高于振荡阈值极佳单色性极高相干性极好方向性极高强度(极高亮度)时间相干性空间相干性{}}560580600620560580600620激光器泵浦光强激光光强阈值激光的特性34激光器激光的特性1、单色性好：波长只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内普通光源发射的光子，在频率上是各不相同的，所以包含有各种频率（颜色）。激光发射的各个光子频率相同，只包含一个频率，因此激光是最好的单色光源。35波长400nm700nm激光的特性2、相干性好•空间相干性好不同地点同一时刻的光之间的相干性激光波面上各个点可以做到都是相干的（如基横模）•时间相干性好同一地点不同时刻的光之间的相干性Δ1/ΔΔtvLct36相干长度可达几十公里激光的特性373、方向性好激光束的发散角很小(几个毫弧度)，几乎是一平行的光线。用来测量地球到月球的距离，精度达几厘米（17cm-2mm）；通过测量单一激光脉冲在月球表面和地球表面的往返时间得到。激光的特性4、亮度高激光亮度：单位截面和单位立体角内发射的光功率38pBSSrmW10216BSp光源的亮度：脉冲瞬时功率可达～1014W强度：在聚焦状态激光强度可达到217W/cm10I可产生108K的高温，引起核聚变。激光的亮度可比普通光源高出1012－1019倍，是目前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。39（1）大气激光通信1960年，激光器诞生后几个月后，贝尔实验室的科学家试验成功大气光通信，距离为25英里。缺点：由于天气和障碍物的影响，加上地球表面为球形，光的直线传播距离很短。激光通信（2）空间激光通信在接近真空的环境下进行的激光通信，如卫星和卫星之间的通信。优点：激光在真空中传播衰减小，可用小功率激光器实现远距离通信。（3）水下通信。利用波长为0.46~0.53m的兰绿色激光（能穿透几百到几千米海水）在海水中进行通信。（4）激光光纤通信：让载有信号的激光束通过光导纤维传输至对方以实现通信的方法。激光全息（1）全息照相普通照相仅仅记录光波的强度，丢失了光波的相位信息；全息照相借助于物体的物光和另外一束简单的参考光的干涉，同时记录来自物体光波的振幅和相位，也就是记录了光波所承载的全部信息。具有长相干长度的激光诞生后，开始了全息的新纪元。（2）全息防伪激光医学（1）强激光治疗利用激光的光热效应对组织进行凝固、汽化或切割，从而消除病变。出血少，操作定为精确，非接触，无菌，对周围组织损伤小。人体组织75%以上是水临床上最早用于强激光治疗的激光器有CO2激光器，Nd:YAG激光和Ar+激光。CO2激光，10.6um，广泛用于治疗皮肤科、妇科、普外科多种疾病，如色素痣，老年斑等。Ho:YAG激光，2.06~2.09um，接近水在2.0um附近的吸收峰，具有理想的切割、汽化和凝聚组织止血效果，可以通过光纤传导，应用于各内窥镜手术，如食道、胃、肠镜下治疗息肉。Ar+激光器，血红蛋白是人体组织中的另一种主要吸光基团,血红蛋白对Ar+激光(488nm、514nm)的吸收率高,所以Ar+激光凝固作用好,切割作用差。激光近视眼校正用准分子激光通过对角膜瓣下基质层进行屈光性切削，从而降低瞳孔区的角膜曲率，达到矫正近视的目的。（2）弱激光治疗弱激光又称为低强度、低水平激光.弱激光作用于生物组织时,不造成生物组织不可逆的损伤,但可以刺激机体产生一系列的生理生化反应,对组织或机体起到调节、增强或抑制的作用,从而达到治病的目的.机制目前不是很清晰。激光理疗，用于口腔溃疡、甲沟炎和皮肤带状疱疹等。激光针灸治疗，包括损伤、甲状腺功能亢进、高血脂和高血压等。用于弱激光治疗的激光器波长632.8nm的He-Ne激光波长630—690nm半导体激光器和波长780—980nm半导体激光器激光光动力治疗利用激光的光化学效应,即在有氧条件下光敏剂经激光激发后,经过一系列光化学反应,产生大量活性氧物质,从而损伤靶组织达到治疗的目的。临床诊断技术激光多普勒技术，利用多普勒效应，测定局部组织的血流。光学相干断层成像（OCT）技术：它利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得到生物组织二维或三维结构图像。新能源（激光核聚变）神光III激光装置能量100kJ/0.35um(60TW)脉宽：3ns完成时间：2012“激光核聚变与高功率激光：历史与进展”，《物理》39卷，589（2010）非线性光学1961年，Franken，第一个倍频实验Phys.Rev.Lett.7,118(1961