改变世界的物理激光金省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、改变世界物理学改变世界物理学-激光(激光(laser)第1页主要内容主要内容o一、激光概念、特征及其原理一、激光概念、特征及其原理o二、激光历史二、激光历史o三、激光发展三、激光发展o四、激光应用四、激光应用第2页一、激光概念、特征及其原理激光概念、特征及其原理oAlaserisadevicethatemitslight(electromagneticradiation)throughaprocessofopticalamplificationbasedonthestimulatedemissionofphotons.ThetermlaseroriginatedasanacronymforLi
2、ght Amplification by Stimulated Emission of Radiation.o是指窄幅频率光辐射线,经过受激辐射放大和必要反馈共振,产生准直、单色、相干光束过程及仪器。1.1激光概念激光概念第3页1)方向性好)方向性好-激光发散角小。激光发散角小。普通光源普通光源1.2 1.2 激光基本特征激光基本特征2)亮度高、能量集中)亮度高、能量集中3)单色性好)单色性好一束普通红光频率范围:一束普通红光频率范围:6328埃埃He-Ne激光(中心频率激光(中心频率(理论值,实际几赫兹)(理论值,实际几赫兹)第4页电电灯灯光光中中光光子子排排列列不不整整齐齐,步步调调也也不
3、不一一致致。而而激激光光呢呢,像像队伍一样整齐划一地前进队伍一样整齐划一地前进。4)相干性好)相干性好第5页 激光是受激辐射光放大,那么什么是受激辐激光是受激辐射光放大,那么什么是受激辐射?什么是光放大?射?什么是光放大?第6页原子与光有三种相互原子与光有三种相互作用作用E2E1h A 自自发发辐辐射射 处处于于高高能能级级(E2)原原子子是是不不稳稳定定,即即使使没没有有任任何何外外界界激激励励,也也总总会会自自发发地地跃跃迁迁到到低低能能级级(E1)上上,而而且且发发射射一一个个频频率率为为,能能量量为为h=E2-E1光光子子。这种辐射光子过程叫自发辐射。这种辐射光子过程叫自发辐射。1.3
4、 1.3 激光原理激光原理第7页E2E1hB 吸吸收收 处处于于低低能能级级E1原原子子受受到到能能量量等等于于h=E2-E1光光子子照射时,会吸收这一光子而跃迁到高能级照射时,会吸收这一光子而跃迁到高能级E2过程。过程。19,爱爱因因斯斯坦坦在在研研究究黑黑体体辐辐射射时时,发发觉觉辐辐射射场场和和原原子子交交换换能能量量时时只只有有自自发发辐辐射射和和吸吸收收是是不不能能到到达达热热平平衡衡。要要到到达达热热平平衡衡,还必须存在另一个辐射方式还必须存在另一个辐射方式受激辐射。受激辐射。第8页C 受激辐射受激辐射 当原子中电子处于高能级时,若外来光子当原子中电子处于高能级时,若外来光子频率恰
5、好满足频率恰好满足则电子就会在外来光子诱发下向低能级跃,并发出一则电子就会在外来光子诱发下向低能级跃,并发出一个与外来光子一模一样光子。这种过程被称为受激辐个与外来光子一模一样光子。这种过程被称为受激辐射。射。E2E1h第9页 在在受受激激辐辐射射中中,一一个个光光子子能能够够产产生生两两个个频频率率、相相位位、偏偏振振方方向向和和传传输输方方向向完完全全相相同同光光子子,假假如如这这两两个个光光子子再再引引发发其其它它原原子子产产生生受受激激辐辐射射,就就会会得得到到更更多多特特征征完完全相同光子,即形成全相同光子,即形成“光放大光放大”。第10页光放大是不是很轻易发生呢?光放大是不是很轻易
6、发生呢?对对于于一一个个原原子子体体系系来来说说,若若能能量量密密度度为为 光光信信号号存存在在,那那么体系将现有吸收过程又有受激发射过程。净受激发射能量是:么体系将现有吸收过程又有受激发射过程。净受激发射能量是:式式中中B、C为为爱爱因因斯斯坦坦受受激激发发射射系系数数和和吸吸收收系系数数,且且可可证证实实B=C。要要使使受受激激发发射射超超出出吸吸收收,有有激激光光输输出出,必必须须设设法法使使高高能能级级原子数大于低能级原子数,即原子数大于低能级原子数,即N2 N1。1.4 粒子数反转粒子数反转第11页但在普通热平衡条件下,但在普通热平衡条件下,N2 与与 N1满足满足Boltzmann
7、关系:关系:即 N2 N1。这种情况被称为这种情况被称为“粒粒子数反转子数反转”。它是产生激光必要条件。它是产生激光必要条件。第12页原原子子处处于于激激发发态态时时间间很很短短,普普通通在在10-8s左左右右,但但有有原原子子存存在在一一些些亚亚稳稳态态,能能够够停留停留10-3s左右。左右。在亚稳态上粒子数不停积在亚稳态上粒子数不停积累,累,实现粒子数反转分布,实现粒子数反转分布,到达光放大目标。到达光放大目标。.第13页1.5 1.5 激光器基本结构激光器基本结构一台激光器是由工作物一台激光器是由工作物质、谐振腔和激励能源质、谐振腔和激励能源(泵浦泵浦)组成。组成。工工作作物物质质(gi
8、ven material)含含有有一一定定能能级级结结构构(存存在在“亚亚稳稳态态能能级级”)”),可可在在泵泵浦浦作作用用下下实实现现粒粒子子数数反反转转。不不一样激光器工作物质不一样。一样激光器工作物质不一样。光光学学谐谐振振腔腔(resonant cavity)在在工工作作物物质质两两端端安安置置两两面面相相互互平平行行反反射射镜镜,其其中中一一面面是是全全反反射射镜镜,另另一一面面是是部部分分反反射射镜镜,这这两两面反射镜及它们之间空间称为光学谐振腔。面反射镜及它们之间空间称为光学谐振腔。泵浦泵浦(pump)作用是为作用是为工作物质提供能量,使其原子或分子发生工作物质提供能量,使其原子
9、或分子发生粒子数反转分布。粒子数反转分布。第14页第15页光学谐振腔其作用:光学谐振腔其作用:1)1)产产生生和和维维持持光光振振荡荡 光光在在粒粒子子数数反反转转工工作作物物质质中中传传输输时时,得得到到光光放放大大,当当光光抵抵达达反反射射镜镜时时,又又反反射射回回来来穿穿过过工工作作物物质质,深深入得到光放大,这么不停地反射现象为入得到光放大,这么不停地反射现象为光振荡。光振荡。2)2)确确定定激激光光方方向向 从从部部分分透透射射光光反反射射镜镜透透射射出出光光很很强强,这这就就是是输输出出激激光光。因因为为只只有有在在轴轴线线方方向向上上振振荡荡光光才才加加强强,其其它它方方向向光光
10、受抑制,所以激光方向性好。受抑制,所以激光方向性好。3)3)选选频频 光光在在谐谐振振腔腔传传输输时时形形成成驻驻波波,因因为为要要满满足足驻驻波波条条件件L=L=/2/2,不不满满足足此此条条件件光光很很快快减减弱弱而而被被淘淘汰汰,所所以以激激光光单单色色性性好。另外,谐振腔又起选频作用。好。另外,谐振腔又起选频作用。第16页激光工作物质激光工作物质全全反反射射镜镜半半反反射射镜镜out激光器工作原理激光器工作原理out第17页 按工作方式分按工作方式分 连续激光器(功率可达连续激光器(功率可达104 W)脉冲激光器(瞬时功率可达脉冲激光器(瞬时功率可达1014 W)1.6 1.6 激光器
11、种类:激光器种类:固体激光器,如红宝石(固体激光器,如红宝石(Al2O3)激光器;激光器;液体激光器,如一些染料激光器;液体激光器,如一些染料激光器;气体激光器,如气体激光器,如He-Ne激光器激光器,CO2激光器;激光器;半导体激光器,如砷化镓半导体激光器,如砷化镓 (GaAs)激光器;激光器;按工作物质分按工作物质分第18页o史前时代n17世纪对光本性探求:o波动说:以一定方式沿空间传输波动过程,惠更斯、虎克;o微粒说:以经典方式运动着微小粒子,牛顿;n19世纪:o光波动本性有了深入发展o电磁场理论、麦克斯韦方程组二、激光历史激光历史第19页o19世纪下半叶发展起来电磁场理论能够解释光反射
12、、折射、干涉、衍射、偏振和双折射等现象;o然而到了20世纪初,出现了黑体辐射、原子线状光谱、光电效应、光化学反应和康普顿散射等试验现象,这些包括到光与物质相互作用时能量与动量交换特征就无法用当初经典理论来解释。第20页o拂晓前黑暗o19,普朗克提出了能量量子化概念,并所以取得19诺贝尔物理学奖;o19,爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效应,并所以取得19诺贝尔物理学奖;in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quantafor hi
13、s services to Theoretical Physics,and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect 第21页o19,玻尔借鉴了普朗克量子概念提出了全新原子结构模型,并所以取得1922年诺贝尔物理学奖;o19,爱因斯坦在玻尔原理结构基础上,提出了受激辐射理论,为激光出现奠定了理论基础;o1928年,Landenburg证实了受激辐射和o“负吸收”存在;for his services in the investigation of the structure of atoms and
14、of the radiation emanating from them 第22页n1940年,V.AFabrikant在其博士论文中提出了产生粒子数反转实现方法,粒子数反转是MASER/LASER产生必要条件。第23页n1947年,Lamb和Reherford在氢原子光谱中发觉了显著受激辐射,这是受激辐射第一次被试验验证。Lamb因为在氢原子光谱研究方面成绩取得1955年诺贝尔物理学奖;n1950年,Kastler提出了光学泵浦方法,两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学伎俩研究微波谐振方法而取得诺贝尔奖。for his discoveries concerning the fine
15、structure of the hydrogen spectrum for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms第24页n1951年,Townes提出受激辐射微波放大,即MASER概念。n1954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,方便研究宇宙背景辐射。Townes因为在受激辐射放大方面成就取得1964年诺贝尔物理学奖。for fundamental work in the field of quantu
16、m electronics,which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle 第25页o突破n1956年NicolaasBloembergen在哈弗大学提出了固态微波激射器概念,于1956年10月在PhysicalReview上发表了一片又决定意义文章,第一台成功设备几个月后在Bell试验室研制出来。n1958年Schawlow和Townes在PhysicalReviewLetters上发表论文“InfraredandOpticalMaser”,标
17、志着激光作为一个新事物登上了历史舞台。第26页n1959年,GordonGould发表论文“TheLASER:LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”,这是LASER这一术语第一次被提出。n1960年5月,休斯试验室Maiman和Lamb共同研制红宝石激光器发出了694.3nm红色激光,这是公认世界上第一台激光器。第27页n1960年年中,IBM试验室Sorokin和Stevenson利用CaF2中三价铀制成了第一台四能级固体激光器;n1960年12月,BELL试验室Javan,Bennett和Herriott制成了第一台氦氖气体激光
18、器;第28页n1961年,EliasSnitzer报道了第一台钕玻璃激光器成功出光。这种激光器成为了激光武器研究第一个候选方案,现在被作为可控核聚变主要候选光源;n1961年:P.A.Franken,A.E.Hill等人将红宝石激光器发出光脉冲经过石英晶体,将红光变成了绿光,成功演示了谐波产生非线性光学效应,这是高效非线性光学首次试验演示。n1962年,第一台钇钕石榴石(YAG)激光器在BELL试验室诞生,这种激光器现在在材料加工等各种领域依然发挥着不可替换作用。第29页n1962年,GE、IBM和MIT林肯试验室研究小组几乎同时报道了砷化镓(GaAs)激光器;n1962年,F.J.McClu
19、ng和R.W.Hellwarth研发了激光器调Q技术,从而使激光器能发出高单脉冲能量短脉冲;n1962年,美国4个研究小组几乎同时报道了研制成功效够在液氮冷却条件下脉冲工作半导体激光器,这是在光通讯、光存放和光学泵浦等主要领域走出含有里程碑意义一步;第30页o1963年,HerbertKroemer和RudolfKazarinov、ZhoresAlferov团体独立提出了利用异质结结构半导体激光器思绪,这一工作使得他们取得了诺贝尔物理学奖。o1964年,C.K.N.(Kumar)Patel研制了第一台CO2激光器;o1964年,WilliamB.Bridges研制了第一台离子激光器;第31页n
20、1964年,J.E.Geusic、H.M.Marcos和L.G.VanUitert研制了第一台掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)固体激光器,这是现在被应用于切割、焊接、光学应用和非线性光学领域用途最广激光器;n1964年,C.J.Koester和E.Snitzer研制了第一台掺钕光纤放大器。光纤放大器现在被广泛应用于光通讯和高能激光器中。n1964:ArnoPenzias和RobertWilson利用MASER作为放大器观察3K宇宙背景辐射,从而证实了BigBangTheory。他们所以取得了1978年诺贝尔奖。第32页n1965年,AnthonyJ.DeMaria,D.A.Stetser和H.A
21、.Heynau报道了第一台利用钕玻璃激光器和饱和吸收器产生皮秒级脉冲激光器。n1965年,GeorgeC.Pimentel和JeromeV.V.Kasper 研制了第一台化学激光器;n1965年,PeterSorokin和JohnR.Lankard研制了第一台生物染料激光器,现在广泛应用在超快光学和光谱学领域;第33页o在1980年代后期,半导体技术使得更高效而耐用半导体激光二极管半导体激光二极管成为可能,这些在小功率CD和DVD光驱和光纤数据线中得到使用。第34页o在1990年代,高功率激光高功率激光激发原理得到实现,比如片状激光和纤维激光纤维激光。后者因为新加工技术和20kW高功率不停地被
22、应用到材料加工领域中,从而部分替换了CO2激光和Nd:YAG-激光。第35页o代,激光非线性得到利用,来制造X射线脉冲(来跟踪原子内部过程);其次,蓝光和紫外线激光二极管已经开始进入市场。在年,中国研制出一种名为氟代硼铍酸钾(KBBF晶体,可用于激发深紫外线激光,一旦成功应用,可令每片光碟容量超过1TB,亦使半导体上可储存电路密度大幅提高第36页 19611961年年夏夏,在在王王之之江江主主持持下下,中中国国第第一一台台激激光光器器红红宝宝石石激激光光器器在在长长春春光光学学精精密密机机械械研研究究所所诞诞生生,这这是是王王大大珩珩和和他他领领导导长长春春光光机机所所创创造造一一项项辉煌结果
23、。辉煌结果。这这台台激激光光器器研研制制成成功功,使使我我国国成成为为继继美美国国之之后后第第二二个个拥拥有有激激光光器器国国家家,引发了国内外震惊。引发了国内外震惊。王之江院士王之江院士中国中国激光器激光器第37页中國各類激光器中國各類激光器“第一台第一台”名名 稱稱研制成功時間研制成功時間 研研 制制 人人 红宝石红宝石激光器激光器19611961年年9 9月月王之江等王之江等He-NeHe-Ne激光器激光器19631963年年7 7月月 鄧錫銘等鄧錫銘等 摻釹玻璃激光器摻釹玻璃激光器19631963年年6 6月月干福熹等干福熹等GaAsGaAs同質結半導體激光器同質結半導體激光器1963
24、1963年年1212月月王守武等王守武等脈沖脈沖Ar+Ar+激光器激光器19641964年年1010月月萬重怡等萬重怡等COCO2 2分子激光器分子激光器19651965年年9 9月月王潤文等王潤文等CHCH3 3I I化學激光器化學激光器19661966年年3 3月月鄧錫銘等鄧錫銘等YAGYAG激光器激光器19661966年年7 7月月屈乾華等屈乾華等第38页o从19爱因斯坦提出受激辐射概念到1960年第一台激光器诞生,其间用了近半个世纪,而实际上却没有太多理论上突破,为何激光器没有早半个世纪诞生?o为何各类第一台激光器都是诞生在IBM、GE、BELL试验室?第39页三、激光发展三、激光发展
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