第一章 激光的原理及技术基础

激光原理技术及应用 第一章

激光原理技术及应用 激光原理技术及应用

激光原理技术及应用 第一章

引言

教学目的：通过这门课程的学习，使同学们可 以了解和掌握激光器的一些基本原理和基本技 术，培养同学们分析解决有关激光物理问题的 能力，这门课特别强调了物理概念的深入理解， 为今后从事光信息方向的科研、教学、工作打 下扎实的理论基础

考核方式：闭卷考试(70%)+平时成绩(30%)

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目录 第1章激光的原理及技术基础 第2章 激光工作物质及基本原理 第3章 光学谐振腔 第4章 激光器工作原理 第5章 典型的激光器件 第6章 其他激光器 第7章 激光技术 第8章光电技术器的设计及参数选用原则

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激光简介 激光是20世纪以来，继原子能、 计算机、半导体之后，人类的又 一重大发明 最快的刀--激光的功率可以集中 在极小的空间范围内，如激光切 割、激光手术、激光武器的应用； 最准的尺--激光可以很准确的测 量距离，在光学测距仪中是数一 数二的； 最亮的光--激光的强度约是太阳 光的100亿倍；

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激光的起源

起源：1917年爱因斯坦提出了一套全新的技 术理论‘光与物质相互作用’。这一理论是说 在组成物质的原子中，有不同数量的粒子(电 子)分布在不同的能级上，在高能级上的粒子 受到某种光子的激发，会从高能级跳到(跃迁) 到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相 同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个 弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激 辐射的放大光”,简称激光。 这一理论是现代激光系统的物理学基础

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激光的发展 1953年：美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身： 微波受激发射放大(英文首字母缩写maser) 1957年：Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser”这个单 词，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束 1960年：美国Theodore Maiman实现了第一束激光 1961年：激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。 1962年：发明半导体二极管激光器，这是今天小型商用激光器的支柱。 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。 1974年：第一个超市条形码扫描器出现 1975年：IBM投放第一台商用激光打印机 1978年：飞利浦制造出第一台激光盘(LD)播放机 1982年：第一台紧凑碟片(CD)播放机出现。

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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

激光的原理早在 1916 年已被爱因斯坦发现，但直到 1960 年激光才被首次 成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的， 它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学 科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可 使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果， 从而促进了生产力的发展。

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第一章 激光原理及技术基础

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1.1 激光的特点 激光的定义：通过受激发射的放大光laser---light amplification by stimulated emission of radiation 激光的特点

1.高方向性 2.高单色性 3.高亮度

4.高相干性5.高光子简并度

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高方向性

普通光源是向四面八方发光的，如太阳光和灯光等。要让发射的光朝着 一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如探照灯和汽车的车 前灯都是安装有聚光作用的反光镜，使光汇集起来向一个方向射出。

激光器发出的激光，天生就是 朝一个方向射出，光速的发散 角度极小，大约只有0.001弧度， 接近平行。

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例如：1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距

离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将 覆盖整个月球。

应用：由于光能集中在很小的空间传播，能在远距离获得强度很 大的光束，从而可以进行远距离激光通信、测距、导航灯；另外 利用激光的高方向性，还可以为导弹、炸弹瞄准，做到指哪打哪， 百发百中。

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高单色性 光的颜色由光的波长(或频率)决定。一定的 波长对应一定的颜色 光的波长范围越窄，单色性越好 太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在 0.76微米至0.4微米之间，不具有单色性 氪灯是单色性最好的，只发射红光，单色性很 好，被誉为单色性之冠，但是他的波长仍有一 定的分布范围，若仔细辨认仍包含有几十种红 色 氦氖激光器的波长分布范围可窄到2×10-9nm, 是氪灯的2/10000 激光器的单色性远远超过任何一种单色光源

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高亮度 普通光源中氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不 相上下 激光的亮度是太阳光的100亿倍甚至更高，被 称为”最亮的光“ 激光的能量密度极大，激光的功率可以集中在 极小的空间范围内，被称为”最快的

刀“

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高相干性 光的相干性：振动频率相同、振动方向相同、相位差恒定相干性主要是描述光波各个部分的相位关系

空间相干性：在同一光源形成的光场中，不同地点同一时刻的光之间的相干性，描述垂直光束传播方向的平面上各点之间的相位关系。通常用相 干面积来表征。发散角越小，相干面积越大，空间相干性也就越好。 S相干=(λ/θ)2

时间相干性：在同一光源形成的光场中，同一地点不同时刻的光之间的相干性。它实质上是指相位的相关性能够维持的时间。在数量级上，相干 时间是光波频率宽度△v的倒数。对理想的单色光，△v=0,因为它具有 精确的频率值。于是它的相干时间为无穷大，具有最好的时间相干性。单 色性越高，相干时间越长

τ相干=1/ △υ

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高光子简并度 光子简并度：它表示有多少个性质完全相同的 光子(具有相同的能量、动量与偏振)共处于 一个波型之内，这种处于同一光姿态的光子数 就称为光子简并度。同态光子数同一模式内的光子数 处于相干体积内内的光子数 处于同一相格内的光子数

激光具有高光子简并度，普通光源具有低光子 简并度