激光原理第一章

激光原理与技术第一部分激光原理部分第一章辐射理论概要与激光产生的条件第二章激光器的工作原理第三章激光器的输出特性第四章激光的基本技术第三部分激光应用部分第五章典型激光器介绍第六章激光在精密测量中的应用第七章激光加工技术第二部分激光技术部分第八章激光在医学中的应用第九章激光在信息技术中的应用第十章激光在科学技术前沿问题中的应用课程目标：通过本课程的学习，使学生对激光技术中的物理问题有较系统全面的认识，建立正确的基本概念，提高学生综合运用数学、理论物理等学科知识的能力，掌握一定的有关激光器技术方面的知识及应用研究新进展。《激光原理与技术》课程目标基于本教材项目任务：激光腔的设计、稳定激光振荡的建立激光特性及激光应用等项目（激光加工）。※教学大纲：第六－十章（自学，讨论）※教学手段：课后作业：一周时间，下周一上课前交习题讲评&课堂讨论：穿插于教学考试方式：闭卷期末※教材陈家壁激光原理及应用2016第四版周炳坤激光原理（考研）第六版阎吉祥激光原理与技术2011第二版※成绩：作业＋课堂问答＋出勤+实验20％期末考试80％※课堂纪律：上课时不准吃零食；关闭手机;上课期间不得随意离开教室，有问题举手征得老师同意。※学风建设：主动积极听课，认真独立完成作业端正态度，不要有投机取巧的侥幸心理对自己负责※教师有关联系信息倪晓昌[e-mail]目标：了解激光器的进展及当前主要应用领域，提高同学对本课程的认知。绪论本节任务：通过本节的讲授，同学应该了解激光的含义和发展历程，对激光的应用领域发展方向有总体认识。绪论760nm390nm可见光电磁波谱红外线紫外线射线X射线长波无线电波61010101410181022102104108101210161020102410010频率Hz1610810波长m4104100108101210短波无线电波激光技术、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。绪论激光发展的历史回顾1960-LASER--•科学技术发展规律莱塞光－－激光（受激辐射光放大）•基础理论研究是构筑科学大厦的基石LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation基础理论研究新技术产品开发产业•1917:爱因斯坦(A.Einstein)提出了受激辐射可实现光放大的概念,为激光发明奠定了理论基础•1917年以后近四十年内：量子理论的发展;粒子数反转的有效实现;电子学与微波技术的发展EmEkЋwћw光放大•为激光发展进行探索的科学家•1954：美国汤斯(C.H.Townes)前苏联巴索夫(N.G.Basov)普洛霍洛夫(A.M.Prokhorov)第一次实现氨分子微波量子振荡器(MASER)激光器就是在氨微波激射器的基础上研制出来的。因此氨微波激射器有重要的意义。由于氨微波激射器频率稳定度较高，可达10-14，所以氨微波激射器还可以制成氨分子钟。•1958:美国汤斯(Towns)与肖洛(A.L.Schawlow)提出利用开放式光学谐振腔实现光振荡的新思想;布隆伯根(N.Bloembergen)提出利用光泵浦三能级系统实现粒子数反转分布的新构思•1960.7：美国休斯公司实验室梅曼(T.H.Maiman)世界上第一台红宝石固态激光器诞生抓住机遇•1997:朱棣文、菲利普(W.Phillips)和塔罗季（C.Tannoudi)利用激光冷却和钳制原子的研究•20世纪60－70年代:赫伯特·克雷歇尔（H.Pressel），提出了双异质结构，实现半导体激光器室温工作。•目前，激光主要以超强、超短为研究方向，同时注重激光器的经济化、全民化研究。激光的发明使光学领域的研究出现新的活力。激光一方面为成熟的领域中现有的各种应用技术带来数量级的改善，另一方面又开辟了一些新的领域、新的应用和新学科。•全息术－D.Gaber，不实用技术成为可能•光通信－室温工作的双异质结半导体激光器和掺铒光纤放大器带来了光通信的革命性、通用性变化•国防安全追寻成功者的足迹，给人必要的启迪•任何一项发明都是一批科学家前仆后继，大胆探索的结果；•勤奋，善于学习，抓住机遇，把握科学前沿；•大胆设想,勇于创新，勇于实践,锲而不舍。美军移动型战术高能激光系统（THEL）的激光发射部分测距，敌我识别，通信，制导美国国家点火装置（NIF）（即激光聚变装置）神光计划用成语形容美丽的夜景光通信原理示意图飞秒激光飞秒激光的产生超快科学（探测认识某些超快物理过程）物理化学生物学超快技术电子学（光电取样）光通讯成像共焦显微OCT飞秒激光的放大超快超强科学（创造一个极端物理条件）飞秒等离子体强场下电子的相对论运动Self－channeling相对论自聚焦千兆巴激光压力尾场等离子体波未来科学技术新突破未来科学技术新突破飞秒相干x射线及x激光（高次谐波，汤姆逊效应）x光显微术,x光印刷术,x光照相激光热核聚变快速点火激光粒子加速器THz毫米波技术云层放电超高速计算机超高速光通讯生物技术（合成生物分子）医学（OCT）微加工技术150fs，1-KHz，1mJ/PulsePhotomaskRepair(IBM)BeforeAfter150nmCarbonnanotubes’fabricationNature,Vol.412,697.2001（H.B.Sunetal)光聚合分辨率120nm牛尺寸：10mm×7mmTi:S780nm,150fs,76MHz1.4NA高倍显微物镜聚焦SCR500resin(JSR,Japan)+urethaneacrylate(尿脘丙烯酸脂）典型激光加工结果金属铝表面雕刻的院徽纸张表面雕刻的头像木材表面雕刻的院训玻璃表面雕刻的凤凰塑料笔记本表面个性雕刻厚体海绵打孔切割（可进行贵重产品外包装应用）产品包装专利二维码雕刻思考题•激光加工用激光器是脉冲越短越好还是能量越大越好？小结•学且要学好激光原理与技术•洞悉科学发展规律•理论与实际应用相结合总体目标：掌握激光原理的一些基本概念，激光的产生条件以及激光的特性，掌握谱线加宽的基本知识。第一章辐射理论概要及激光产生的条件本章任务：通过本节的讲授，同学应该掌握光的本质，激光产生的条件，激光产生的物理机理，以及谱线加宽的基本含义及分类。第一章辐射理论概要及激光产生的条件1.1一些基本概念1.3光的受激辐射1.5激光产生的必要条件1.6激光产生的充分条件1.7谱线加宽1.2原子能级和辐射跃迁1.4激光的特性§1.1引入一些基本概念•光及其基本性质•光波模式、光子态和相格•光子的相干性•光子的简并度目标：了解光基本属性、掌握光波模式、光子态、相格等基本概念，熟悉光子的相干性、光子的简并度。§1.1引入一些基本概念本节任务：通过本节的讲授，同学应该理解并掌握光波模式、光子态、相格，光子相干性和简并度等概念。一、光的基本性质－波动性1.光波是一种电磁波，是E和B的振动和传播。如图所示。习惯上常把电矢量叫做光矢量图（1-1）电磁波的传播Ex(1)线偏振光ExyEy(2)自然光z传播方向一、光的基本性质－波动性2.光速、频率和波长三者的关系：在真空中0c各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同)(0mmυcυ3.单色平面波理想的单色平面波（简谐波）设真空中电磁波的电矢量在坐标原点沿x方向作简谐振动，磁矢量在y方向作简谐振动，频率均为，且t=0时两者的初位相均为零。则、的振动方程分别为:EBEB一、光的基本性质－波动性3.单色平面波00coscos2UUtUtw波场中z轴上任一点P的振动方程，设光波以速度c向z方向传播分析：(a)z一定时，则U代表场矢量在该点作时间上的周期振动(b)t一定时，则U代表场矢量随位置的不同作空间的周期变化00coscos/UUtUtzcwwtEtEEw2coscos00tBtBBw2coscos00图（1-1）电磁波的传播一、光的基本性质－波动性3.单色平面波分析：(c)z、t同时变化时，则U代表一个行波方程，代表两个不同时刻空间各点的振动状态。从下式可看出，光波具有时间周期性和空间周期性。时间周期为T，空间周期为；时间频率为1/T，空间频率为1/简谐波是具有单一频率的单色波，但通常原子发光的时间约为10－8s，形成的波列长度约等于3m，因此它的波列长度有限即必然有一定的频率宽度。0022coscosztzUUtUcTww一、光的基本性质－粒子性光子的粒子性（能量、动量、质量等）和它的波动属性在量子电动力学中得到了完美解释：任意电磁场可看作是一系列单色平面电磁波(它们以波矢k为标志)的线性叠加，或一系列电磁波的本征模式(或本征状态)的叠加。一、光的基本性质－粒子性二、光波模式和光子状态相格1.光波模式（电磁波的模式）：在一个有边界条件限制的空间V内，具有特定波矢的K平面单色驻波。空腔为V=ΔxΔyΔz的立方体，沿三个坐标轴方向传播的波分别应满足的驻波条件为：Δx=mλ/2,Δy=nλ/2,Δz=qλ/2式中m、λ、q为正整数。2.波失空间和几何空间每一组正整数m,n,q对应腔内一种模式(包含两个偏振)如果在以kxkykz为轴的直角坐标系中，每个模式在波矢空间占有一个体积元：ΔkxΔkyΔkz=л3/（ΔxΔyΔz）=л3/V波矢k的三个分量应满足条件：kx=лm/Δx,ky=лn/Δy,kz=лq/Δz二、光波模式和光子状态相格2.波失空间和几何空间在k空间内，波矢绝对值处于|k|～|k|+d|k|区间的体积为:V|k|=(1/8)4л|k|2d|k|，在体积为V的空腔内，处在频率v附近频带dv内的模式数为P=V|k|/(л3/V)=(8лcv2/c3)Vdv二、光波模式和光子状态相格3.相空间、相格•相格对于三维运动情况下，测不准关系决定一个光子态对应的相空间体积元为：ΔxΔyΔzΔPxΔPyΔPz≈h3上述相空间体积元称为相格。相空间对于微观粒子，我们可以用广义笛卡儿(Cartesian)坐标x、y、z、PxPyPz所支撑的六维空间来描述质点的运动状态。这种六维空间称为相空间相格是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。二、光波模式和光子状态相格4.光子态、相干体积物理光学中已经阐明，光波的相干长度就是光波的波列长度Lc＝cΔt＝c/(2πΔv)频带宽度：Δv︾1/Δt简谐波是具有单一频率的单色波，但通常原子发光的时间约为10－8s，形成的波列长度约等于3m，因此它的波列长度有限,即必然有一定的频率宽度。二、光波模式和光子状态相格相干体积Vc=AcLc=Acτc*c:Ac为相干面积物理光学中曾经证明：由线度为Δx的光源A照明的S1和S2两点的光波场具有明显空间相干性的条件为：(ΔxLx/R)≤λ用Δθ表示两缝间距对光源的张角。可得光源的相干体积为：22322ccVcs依光子观点，光子占有的相格空间体积(即光子的坐标测不准量)：cszyxVcppphzyx2233结论•相格空间体积以及一个光波模或光子态占有的空间体积都等于相干体积。一个光波模式等效于一个光子态。•属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，它们具有相同的频率，相同的传播方向，相同的初始相位和相同的偏振态。二、光波模式和光子状态相格5.光子简并度处于同一光子态的光子数称为光子简并度同态光子数同一模式光子数处于相干体积内的光子数处于同一相格内的光子数由于光子的波色－爱因斯坦统计性质，光子具有很高的光子简并度？二、光波模式和光子状态相格5.光子简并度由于光子的波色－爱因斯坦统计性质，光子具有很高的光子简并度。二、光波模式和光子状态相格)157.7()()()()()()()()()(!1212121