激光器简史及光纤激光器简介

激光器简史及光纤激光器简介概要•激光器历史概述–激光器简史–光纤激光器简史•光纤激光器简介–市场和应用–光纤激光器技术简介•激光安全什么是激光?•镭射？•LASER由受激辐射的光放大而产生的光（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）。激光发展简史–50年激光发展简史–激光与诺贝尔奖1900年，普朗克提出了能量量子化概念，因此获得了1918年诺贝尔物理学奖：inrecognitionoftheservicesherenderedtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquanta.1905年，爱因斯坦提出了光子假说并成功解释了光电效应，并因此获得了1921年诺贝尔物理学奖：forhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect.AlbertEinsteinMaxPlanck激光发展简史–激光与诺贝尔奖1913年，波尔借鉴了普朗克的量子理论提出了全新的原子结构模型，因此获得1922年诺贝尔物理学奖：forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthem.1917年，爱因斯坦在波尔的原子结构基础上，提出了波尔借鉴了普朗克的量子理论提出了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础该理论预言：光子和原子相互作用包含三种过程:自发辐射、受激吸收和受激辐射；提出在物质与辐射场的相互作用中，构成物质的原子或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射或吸收，预示了有可能利用受激发射实现光放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation—LASER）E1E2hv=E2-E1E1E2hv=E2-E1E1E2hv=E2-E1hvhvNielsBohr激光发展简史–激光与诺贝尔奖1947年，兰姆（Lamb）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，因此兰姆获得了1955年诺贝尔物理学奖：forhisdiscoveriesconcerningthefinestructureofthehydrogenspectrum.1950年，法国物理学家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1966年年诺贝尔物理学奖：forthediscoveryanddevelopmentofopticalmethodsforstudyingHertzianresonancesinatoms.AlfredKastlerWillisEugeneLamb激光发展简史–激光与诺贝尔奖1951年，Townes提出受激辐射微波放大，即MASTER的概念。1954年，第一台氨分子Master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而获得1964年诺贝尔物理学奖：forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple.CharlesHardTownes1952年，韦伯（F.Weber）在受激辐射讨论会上得到启示，产生了利用受激辐射诱发原子或分子，从而放大电磁波的想法。他提出了微波激射器的原理。激光发展简史–史上最牛激光器1958年，Schawlow和Townes在Physicsreviewletter上面发表论文“InfraredandOpticalMaster”,标志着激光作为一全新事物登上了历史舞台。1960年，休斯实验室的梅曼（Maiman）和兰姆（Lamb）共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，标志着世上第一台激光器的诞生。激光器发展简史–60’s•1960年，BELL实验室制成了第一台氦氖激光器；•1961年，第一台光纤激光器；•1962年，第一台GaAs半导体激光器；•1963年，液体激光器；•1964年，CO2气体激光器；•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。中国第一台激光器（1961）激光器的第一台研制成功时间研制人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GaAs同质结半导体激光器1963年12月王守武CO2分子激光器1965年9月王润文等国内激光技术发展简史激光技术发展简史之二•各种激光器的开发•工作物质：固体，气体，染料，化学，离子，原子，半导体，X射线•输出功率：大功率，低功率•工作方式：短脉冲，脉冲，超短脉冲，连续•输出稳定性：稳频率，稳功率，稳方向•激光模式：多波长，单一模式激光技术发展简史之三•激光器在各个方面的应用•信息技术：激光通讯•检测技术：激光测距•激光加工：激光打孔、激光切割、激光焊接•医学应用：矫正近视、激光整容•科学研究：激光核聚变激光技术发展简史之三•1969年：激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。•1971年:激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家DennisGabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。•1974年:第一个超市条形码扫描器出现。•1975年:IBM投放第一台商用机光打印机。•1978年:飞利浦制造出第一台激光盘(LD)播放机，不过价格很高。•1982年:第一台紧凑碟片(CD)播放机出现，第一部CD盘是美国歌手BillyJoel在1978年的专辑52ndStreet。•1983年:里根总统发表了“星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光武器。•1988年:北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。•1990年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造。•1991年:第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。•1996年:东芝推出数字多用途光盘(DVD)播放器。•2008年:法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤。•2010年:美国国家核安全管理局(NNSA)表示，通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘(质量数2)和氚(质量数3)，解决了核聚变的一个关键困难。激光技术发展简史之三•发明了近百种不同类型的激光器件，其发明者都有完全不同的专业背景•各种学科和技术应用激光并形成了许多重要的交叉学科：如光电子学、激光光谱学、激光化学、非线性光学、激光全息术、激光生物医学、激光计量、超快光电子学、激光加工处理......•形成了一系列重要技术应用领域，光电子产业方兴未艾激光器应用StentmanufactureMarkingMicro-weldingCuttingWeldingPrint/gravureMicro-bendingSpotwelding激光器应用激光器应用案例–打印机激光器应用案例–打印机激光器应用案例–视力矫正E1E2hv=E2-E1E1E2hv=E2-E1E1E2hv=E2-E1hvhv激光器工作基本原理激光的特性及分类激光的特性一般通称激光的四大特性为：方向性好亮度高相干性好单色性好激光器的分类激光器的分类:•按照工作方式分类–连续光激光器;脉冲激光器(调Q，锁模，脉冲调制)•按照波长范围分类–紫外光；紫光；蓝光；绿光；红光；红外；中红外，远红外...–193nm,244nm,248nm,355nm,488nm,632nm,1064nm,1310nm,1550nm,2um,10.3um……•按照工作物质分类–气体激光器；固体激光器；液体激光器；半导体激光器；光纤激光器–CO2激光器；Nd:YAG激光器；红宝石；HeNe激光器；光纤激光器；氩离子激光器•按照泵浦工作方式–电泵浦；–光泵浦；•灯泵•半导体泵浦（侧泵&端泵）•几类特殊激光器–准分子激光器；光纤激光器发展史1960-E.Snitzer首次通过试验研究了掺稀土元素光纤激光器•Snitzer,E.Proposedfibercavitiesforopticallasers.J.Appl.Phys.32:36–39,1961.1962-首次报道的掺镱光纤激光器•H.W.Etzel,etal.,“Stimulatedemissionofinfraredradiationfromytterbium-activatedsilicateglass,”Appl.Opt.,vol.1,1962.1974-Stone,J报道了第一台半导体激光器泵浦光纤激光器•Stone,J.,etal.,Neodymiumfiberlasers:room-temperaturecwoperationwithaninjectionlaserpump.Appl.Opt.13:1256(1974).1985-英国南安普顿大学ORC采用改进的化学气相沉积（MCVD）的方法成功地研制出单模掺稀土光纤1988-E.Snitzer提出双包层光纤概念•E.Snitzer,etal.,“Double-clad,offsetcoreNdfiberlaser,”Proc.Conf.OpticalFiberSensors,PostdeadlinepaperPD5,1988.2003-英国南安普顿大学ORC研制出第一个超过一千瓦单模输出的高功率光纤激光器2007-IPG研发出超过3千瓦单模输出的光纤激光器2010-JPT研发出基于MOPA结构的10W脉冲光纤激光器光纤激光器–输出功率剧增1.4kWsingle-mode(ORC)0.4kWSF,SM,SPYbMOPA19961997199819992000200120022003200420050.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2Laserpower[kW]Year30W,Nd10W,Yb,SF110,Yb,SM(SDL)150W,Nd/Yb135W,Yb,SM272W,Yb(ORC)352W,Yb,SM(ORC)485W,Nd/Yb,SM1kW,Nd,MM2kW,Yb,MM10kW,Yb,MM20W,Yb,SF120W,Yb,SF87W,Er/Yb,SFMOPA(ORC)1.2mJ,380fs,Yb7.7mJ,10W,Yb(ORC)2.8mJ,50/100W,Yb8.4mJ,120W,Yb(ORC)1.2kWsingle-mode(ORC)366WJACYb(ORC)280W,JACYbPCF1kW,Yb,MM(ORC)0.8kW,Yb,SM(Dual-endoutput)610W,YbSM(ORC)1.3kW,M23(Jena)MMSF/PulsedSMto10kW?1.5kW(Jena)2kWsingle-mode(IPG)0.6kW,SM,polarized(ORC)160WEr/Yb80WTm.2mm150WSF,SM,Er:YbMOPA0.32kW,20ps,YbMOPA264WSF,SM,SPYbMOPA17kW,Yb,MMThe3rdgeneration全球商用激光器销售额以及比例分配2008年全球非半导体激光器销售量IPGPhotonics光纤激光器TotalRevenue&IncomeofIPG-10years3.136.046.357.2229.100-27.0-49.414.3-100-500501001502002501999200020012002200320042005200