第一章-激光的问世和发展

CopyrighttoKansasStateUniversity课程名称：激光物理导论课程性质：专业限选课授课学时：36学时(周2学时)课程学分：2学分成绩评定：出勤(40%)+小论文(60%)课程基本情况教材和参考书陈钰清和王静环，《激光原理》，浙江大学出版社，2010伍长征等，《激光物理学》，复旦大学出版社，1989张志刚，《飞秒激光技术》，科学出版社，2011C.Rullière,《FemtosecondLaserPulses--PrinciplesandExperiments》,科学出版社，2007ChristopherC.Davis,《LasersandElectro-Optics》(激光与电光学)，CambridgeUniversityPress，1996(1998授权世界图书出版公司北京分公司独家重印发行)参考书：教材(试用)：阎吉祥等，《激光原理与技术》，高等教育出版社，2011授课内容第一章激光的问世和发展第二章激光的特性及其应用第三章激光的物理基础和基本原理第五章常见的激光器第六章激光技术第七章激光与物质的相互作用第四章光学谐振腔和高斯光束普通光源：自发辐射占优势激光光源：受激辐射占优势LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(通过受激辐射实现光放大)激光（Laser）第一章激光的问世和发展“激光”——钱学森在1964年建议“镭射”——台湾、香港激光的问世1916年,爱因斯坦提出受激辐射概念1.理论和技术基础：1946年,布洛赫提出粒子数反转概念1948年,柏塞尔发现粒子数反转现象,提出负温度的概念,与布洛赫分享1952年诺贝尔物理学奖1913年,波尔提出原子能级假说,获1922年诺贝尔物理学奖1900年,普朗克提出能量子假说,获1918年诺贝尔物理学奖1905年,爱因斯坦提出光量子概念,获1921年诺贝尔物理学奖1949年,卡斯特勒发明光泵,1971年获得诺贝尔物理学奖无线电电子学的发展对激光的促进2.社会需要：光源发展需要1958年12月,肖洛和汤斯在《物理评论》上发表《红外区和光学激射器》,论证将微波激射技术扩展到红外区和可见光区的可能性。这是激光史上有重要意义的历史文献。汤斯因此于1964年获诺贝尔物理学奖。1957年,汤斯和肖洛最先发表激光器的详细方案，引人激光的概念Thefirstlaser结构示意图波长为694.3nmMASER(脉泽,微波激射器)：通过受激辐射实现微波放大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。(腔型红宝石脉泽)探测宇宙微波背景辐射，探索宇宙起源2.7KwhichsupportstheBingBangmodeloftheuniverse(钕玻璃激光)(光纤激光器)(砷化镓半导体激光器)patient:病人retinaltumor:视网膜肿瘤[ɔ:r'ɡænik]固体激光器液体激光器半导体激光器气体激光器因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理学奖的科学家共有10位.TheNobelPrizeinPhysics1964CharlesHardTownesMITCambridge,Massachusetts,USANicolayGennadiyevichBasovP.N.LebedevPhysicalInstituteMoscow,USSRAleksandrMikhailovichProkhorovP.N.LebedevPhysicalInstituteMoscow,USSRforfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple.NicolaasBloembergenHarvardUniversityCambridge,MA,USAArthurLeonardSchawlowStanfordUniversityStanford,CA,USAKaiM.SiegbahnUppsalaUniversityUppsala,SwedenTheNobelPrizeinPhysics1981fortheircontributiontothedevelopmentoflaserspectroscopyforhiscontributiontothedevelopmentofhigh-resolutionelectronspectroscopy(激光光谱学)StevenChuStanfordUniversityStanford,CA,USAClaudeCohen-TannoudjiCollègedeFrance;ÉcoleNormaleSupérieureParis,FranceWilliamD.PhillipsNationalInstituteofStandardsandTechnologyGaithersburg,MD,USATheNobelPrizeinPhysics1997fordevelopmentofmethodstocoolandtrapatomswithlaserlight(原子的激光冷却和陷俘)美国标准技术研究所(NIST)朱棣文国内激光技术发展1.1961年8月，中国第一台红宝石激光器问世，中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。2.1964年，我国第一所，也是当时世界上第一所激光技术的专业研究所—-中国科学院上海光学精密机械研究所(简称“上海光机所”)成立。激光器的第一台研制成功时间研制人红宝石激光器1961年8月邓锡铭等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月王润文等高功率固体激光•华光装置（109W）——中国科技大学•星光装置（1011W）——中国科学院上海光机所•神光装置（1012W）——中国科学院上海光机所•天光装置（1015W）——中国科学院上海光机所•极光装置（1015W）——中国物理所极光I号装置（1999年完成）脉冲能量：36mJ脉宽：25fs峰值功率：1.4TW极光II号装置（2001年完成）脉冲能量：640mJ脉宽：31fs峰值功率：~20TW物理所TW激光装置的发展极光III装置原主要指标单脉冲能量：8J脉冲宽度：40fs峰值功率：200TW鉴定时达到的指标单脉冲能量：10.9J脉冲宽度：31fs(最短27.6fs)峰值功率：355TW重复频率：20分钟一发激光峰值强度的研究进展激光脉冲宽度的研究进展激光的峰值强度和脉冲宽度的研究进展0()()cosEtEftt200IEThe50thanniversaryofthelaser:Oneoftheworld’smostpowerfulpetawattlaserfacilitiescreatedattheInstituteofAppliedPhysics,RussianAcademyofScience.拍瓦激光(Petawattlaser)目前功率最高的Ti:Sapphire激光器(0.85PW),日本原子能研究所；Kansai:关西英国RAL(卢瑟福·阿普尔顿实验室)已经在Vulcan激光器上完成了从100TW到PW的升级；美国和法国正在对他们的激光器进行百TW到PW的升级。最强激光器位于加州的美国国家点火装置组合192道激光束，组合峰值功率最高达500万亿瓦特(0.5PW),将用于激光惯性约束核聚变反应解决能源问题。太阳上无穷尽的能量来源于其上氢的核聚变反应！核聚变能源是人类未来理想清洁的新能源最短激光脉冲K.Zhao,Q.Zhang,M.Chini,Y.Wu,X.Wang,andZ.Chang,Opt.Lett.37,3891(2012).(美国中弗罗里达大学)ZenghuChang,distinguishedprofessorTimeresolution:1/60thofasecondThehorseinmotionWhytrytoproduceultrashortlaserpulse？HaroldEdgertonMIT,1942“HowtoMakeApplesauceatMIT”1964“SplashonaGlass”JuniorHighSchoolstudent1996Strobephotography(频闪摄影术)Timeresolution:afewmicroseconds()6110ssTomatoTime[attoseconds]AttosecondtimescalesFemtosecondtimescalesPicosecondtimescalesAhmedH.Zewailusedultrafast-lasertechniquestostudyhowatomsinamoleculemoveduringchemicalreactions.The1999NobelPrizeinChemistryawardedtoProfessorAhmedH.ZewailofCaliforniainstituteofTechnology(加州理工)forultrafastspectroscopy(femtochemistry).15110fssChemicalreactionBondBreakageandBondFormationFemtoschemistryTheisomerizationofHCNHowatomsmoveinmolecule?Whytrytomakeattosecondpulses?CharacteristictimescaleBohr-orbittimeinhydrogen:152attosecondsReal-timeobservationoftheultrafastelectronicdynamicsinmatters.TracingorManipulating?Howfaristhezeptosecondera?