课件激光技术讲座

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1、物理学与激光技术邓振波北京交大光电子技术研究所51688675zbdeng@center.njtu.edu.cnhttp://doctor.njtu.edu.cn/dengzb/§1.激光的基本原理§2.激光技术应用简介§3.激光技术的基本内容§4.激光技术的前景激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技术,并列为二十世纪最重要的四大发现。是人类探索自然和改造自然的强有力工具。与电子电力技术、自动化测控技术的完美结合，使激光技术能够更好的为人类创造美好生活。（LightAmplificationby

2、StimulatedEmissionofRadiation）的缩写。1960年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实验室中做成了第一台红宝石(Al2O3:Cr)激光器。我国于1961年研制出第一台激光器，从此以后，激光技术得到了迅速发展，引起了科学技术领域的巨大变化。光是（波长较短的）电磁波“激光”（LASER）一词是受激辐射光放大40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱

3、分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。§1.激光的基本原理按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中，原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。光子与物质原子相互作用过程中，存在三种类型的跃迁。即：吸收、自发辐射和受激辐射。E1E3E2如图1-1所示，有一个原子开始时处于基

4、态E1，若不存在任何外来影响，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为hv，与该原子发生相互作用。且，其中：E2为原子的某一较高的能量状态——激发态。则原子就有可能吸收这一光子，而被激发到高能态去。这一过程被称之为原子吸收。值得注意的是，只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时，光子才能被吸收。原子吸收E1E3E2图1-1原子吸收示意图hvE1E3E2与经典力学中的观点类似，处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为10-8s），之后，会自发地返回基态去，同

5、时放出一个光子。这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。hv图1-2自发辐射示意图E1E3E2自发辐射自发辐射的特点是：这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色的光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向都有，初位相也各不相同。这正是普通

6、光源的自发辐射。受激辐射处于激发态的原子，在其发生自发辐射前，若受到某一外来光子的作用，而且外来光子的能量恰好满足，原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。如图1-3所示。这一过程被称为受激辐射。Lightorlaser无辐射跃迁E1E2hvE1E2hvhv图1-3受激辐射示意图这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的，而且受激辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外来光子具有完全相同的状态。在受激辐射

7、过程中，输入一个光子，可以得到两个状态完全相同光子的输出。并且这两个光子可再作用于其他原子上，产生受激辐射，而获得大量特征完全相同的光子。这便是受激辐射的光放大。图1-4就是受激辐射光放大的示意图。受激辐射的特点是：hvhvhvhvhvhvhv输入输出图1-4光放大示意图产生激光的必要条件（1）选择具有适当能级结构的工作物质，在工作物质中能形成粒子数反转，为受激辐射的发生创造条件；（2）选择一个适当结构的光学谐振腔。对所产生受激辐射光束的方向、频率等加以选择，从而产生单向性、单色性、强度等极高的激

8、光束；（3）外部的工作环境必须满足一定的阈值条件，以促成激光的产生。这些阈值条件大体包括：减少损耗，加快抽运速度，促进（粒子数）反转等。像工作物质的混合比、气压、激发条件、激发电压等等。Lightorlaser无辐射跃迁激光器简介目前激光器的种类很多。按工作物质的性质分类，大体可以分为气体激光器、固体激光器、液体激光器；按工作方式区分，又可分为连续型和脉冲型等。其中每一类激光器又包含了许多不同类型的激光器。按激光器的能量输出又可以分为大功率激光器和小功率激光器。大功率激光器的输出功