光彩奪目的新光源激光

1、光彩奪目的新光源光彩奪目的新光源激光激光一、激光產(chǎn)生原理一、激光產(chǎn)生原理Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation受激輻射的光放大受激輻射的光放大什么是激光什么是激光? ?LaserLaser 激光激光 ( (意譯意譯) ) 1964年10月錢(qián)學(xué)森起名 鐳射鐳射 ( (音譯音譯) )1、普通光源的發(fā)光、普通光源的發(fā)光 受激吸收和自發(fā)輻射受激吸收和自發(fā)輻射受激吸收受激吸收: : 物質(zhì)在受到外來(lái)能量（如光能、電能、熱能等）作用時(shí)，原子中的電子就會(huì)吸收外來(lái)能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。自發(fā)輻射自發(fā)輻射: : 被激發(fā)到高能級(jí)（E2)的電

2、子壽命很短（一般為108109秒），在沒(méi)有外界作用下會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)（E1）躍遷，躍遷時(shí)將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為 h = E2 E1 。2E1E2E1E受激吸收2E1E自發(fā)輻射hh各個(gè)原子（或分子）的輻射都是各個(gè)原子（或分子）的輻射都是自發(fā)的、隨機(jī)地、獨(dú)立地進(jìn)行的，他們所發(fā)出的光波在發(fā)自發(fā)的、隨機(jī)地、獨(dú)立地進(jìn)行的，他們所發(fā)出的光波在發(fā)射方向、偏振狀態(tài)和初位相上都是各不相同的。射方向、偏振狀態(tài)和初位相上都是各不相同的。h自發(fā)輻射自發(fā)輻射2E1E2N1N12EEh 宏觀宏觀 ：水往低處流,能量越低越穩(wěn)定。微觀微觀 ：原子處于低能級(jí)的幾率大于高能級(jí)。 溫度增高，原子處于高能級(jí)的幾率增加

3、在通常熱平衡條件下， 能量較低能級(jí)上的原子數(shù)目較多，能量較高能級(jí)上的原子數(shù)目很少，其中基態(tài)原子數(shù)最多。2 2、激光產(chǎn)生原理、激光產(chǎn)生原理 受激輻射受激輻射受激輻射受激輻射 根據(jù)量子力學(xué)，描述電子的能級(jí)狀態(tài)有:主量子數(shù) n ， n 1，2，3， 軌道量子數(shù) l ，且 l0，1，2， ，（n1）躍遷規(guī)則：l = 12,0nl10nl2,1nlhvhvhv亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)：亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)：如果選擇規(guī)則不滿足，則躍遷的幾率很小，甚至接近零。在原子中可能存在這樣一些能級(jí)，一旦電子被激發(fā)到這種能級(jí)上時(shí)，由于不滿足躍遷的選擇規(guī)則，可使它在這種能級(jí)上的壽命很長(zhǎng)，不易發(fā)生自發(fā)躍遷到低能級(jí)上。這種能級(jí)稱為亞穩(wěn)態(tài)能

4、級(jí)初始狀態(tài)2E1E2E1E受激輻射h vh vh v亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)激光發(fā)光機(jī)制圖解激光發(fā)光機(jī)制圖解在外加光的誘發(fā)和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級(jí)，并放出光子。這種過(guò)程是被“激”出來(lái)的，故稱受激輻射。(1) 受激輻射受激輻射 入射一個(gè)光子，得到兩個(gè)全同光子入射一個(gè)光子，得到兩個(gè)全同光子 ( (全同的意思是光全同的意思是光子的發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都相同），子的發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都相同），繼而得到更多的全同光子繼而得到更多的全同光子, ,稱為光放大。稱為光放大。無(wú)數(shù)個(gè)全同光子組成激光。無(wú)數(shù)個(gè)全同光子組成激光。 激光激光 受激輻射的光放大受激輻射的光放大Light Am

5、plification by Stimulated Emission of Radiation(2) (2) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級(jí)的數(shù)目比低能級(jí)上的多，稱是發(fā)光原子處在高能級(jí)的數(shù)目比低能級(jí)上的多，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)2E1E粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2E1E受激輻射受激輻射 h h h介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，是制造獲得激光的必要條件。亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在，是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的前提。2(s)E-3亞穩(wěn)態(tài) 101(E 基態(tài))受激輻射無(wú)輻射躍遷83(10 s)E激勵(lì)2E受激輻射3(s

6、)E-3亞穩(wěn)態(tài)101(E 基態(tài))84(10 s)E激勵(lì)三能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)以紅寶石激光器為例說(shuō)明激光的形成以紅寶石激光器為例說(shuō)明激光的形成1E2E3E紅寶石激光器形成激光的理論解釋紅寶石激光器形成激光的理論解釋二、激光簡(jiǎn)史和我國(guó)的激光技術(shù)二、激光簡(jiǎn)史和我國(guó)的激光技術(shù) 1917年,愛(ài)因斯坦提出受激輻射概念 1958年，美國(guó)兩位微波領(lǐng)域的科學(xué)家湯斯（C.H.Townes）和肖洛（A.I.Schawlaw) 發(fā)表著名論文紅外與光學(xué)激射器，指出了受激輻射為主的發(fā)光的可能性，以及必要條件是實(shí)現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。 1958年，蘇聯(lián)科學(xué)家巴索夫和普羅霍羅夫發(fā)表了實(shí)現(xiàn)三能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光器建議論文。19

7、59年9月湯斯又提出了制造紅寶石激光器的建議1960年5月15日加州休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼（T.H.Maiman）制成了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，獲得了波長(zhǎng)為694.3nm的激光。1964年，湯斯、巴索夫和普羅霍夫由于對(duì)激光研究的貢獻(xiàn)分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1961年8月，中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器于在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功。1987年6月，1012W的大功率脈沖激光系統(tǒng) 神光裝置，在中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功。三、激光器結(jié)構(gòu)三、激光器結(jié)構(gòu)1 1、激光工作介質(zhì)、激光工作介質(zhì)氣體、液體、固體或半導(dǎo)體亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在，介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。不同工作介質(zhì)產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的激光。激

8、光光譜: 紫外 遠(yuǎn)紅外2、激勵(lì)源、激勵(lì)源 目的是使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)目的是使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)電激勵(lì)；光激勵(lì)電激勵(lì)；光激勵(lì)；熱激勵(lì)；化學(xué)激勵(lì)熱激勵(lì)；化學(xué)激勵(lì) 激勵(lì)也叫泵浦或抽運(yùn)3、光學(xué)諧振腔、光學(xué)諧振腔 進(jìn)行光放大，進(jìn)行光放大，選擇輸出光的方向選擇輸出光的方向的容器的容器四、激光器的種類四、激光器的種類按工作介質(zhì)的不同來(lái)分類，可以分為 固體激光器固體激光器 氣體激光器氣體激光器 液體激光器液體激光器 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器根據(jù)激光輸出方式的不同又可分為 連續(xù)激光器連續(xù)激光器 脈沖激光器脈沖激光器 (脈沖激光的峰值功率可以非常大) 1、固體激光器、固體激光器特點(diǎn)特點(diǎn)：器件小、堅(jiān)固、

9、使用方便、輸出功率大工作介質(zhì)工作介質(zhì)：是在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子。 除了前面介紹用紅寶石和釹玻璃激光器外，常用的還有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價(jià)釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm的近紅外激光。功率功率：固體激光器一般連續(xù)功率可達(dá)100W以上，脈沖峰值功率可達(dá)109 W。 2 2、氣體激光、氣體激光器器特點(diǎn)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低；操作方便；工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好；以及能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定地連續(xù)工作。工作介質(zhì)工作介質(zhì)：氦氖氣體(632.8nm紅光)、 二氧化碳?xì)怏w(9600nm 紅外線)、 氬氣(488nm、514.5nm 藍(lán)綠光)。激勵(lì)方式：激勵(lì)方式：高壓氣體放電(電子

10、碰撞激發(fā)原子) 是目前品種最多、應(yīng)用廣泛的一類激光器占有市場(chǎng)達(dá)60左右。其中，氦氖激光器是最常用的一種。3、半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體激光器特點(diǎn)特點(diǎn)：體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固。工作介質(zhì)工作介質(zhì)：半導(dǎo)體材料激勵(lì)方式：激勵(lì)方式：光泵浦、電激勵(lì) 目前較成熟的是砷化鎵激光器，發(fā)射840nm的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻硫化鋅等激光器。在70年代末期后，由于光纖通訊和光盤(pán)技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展(CD，VCD，DVD)。光盤(pán)讀寫(xiě)原理光盤(pán)讀寫(xiě)原理4 4、液體激光器、液體激光器特點(diǎn)特點(diǎn)：輸出波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬是它的優(yōu)點(diǎn)，使它也得到廣泛應(yīng)用。工作介質(zhì)工作介質(zhì)：有機(jī)染料 大多數(shù)情況

11、是把有機(jī)染料溶于溶劑中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長(zhǎng)激光（在可見(jiàn)光范圍）。激勵(lì)方式：激勵(lì)方式：染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。五、激光的特性及應(yīng)用五、激光的特性及應(yīng)用1 1、激光的特性、激光的特性(3)(3)單色性好：?jiǎn)紊院茫杭す馐且环N單色光，頻率范圍極窄。激光是一種單色光，頻率范圍極窄。 單色光：波長(zhǎng)范圍很窄的一段輻射，一般小于幾個(gè)埃。(4) 相干性好：相干性好：組成激光的光子是全同的，即它們頻率組成激光的光子是全同的，即它們頻率 相同、振動(dòng)方向相同、相位一致。相同、振動(dòng)方向相同、相位一致。(1)(1)方向性強(qiáng)：方向

12、性強(qiáng)：幾乎是一束平行線幾乎是一束平行線。激光在諧振腔中兩反射鏡面來(lái)回反射，若光束偏離軸線，多次反射就會(huì)逸出腔外。其偏離軸線的發(fā)散角僅為10-3 弧度。(2) 亮度高：亮度高：激光是集中在某一方向上的，能量集中激光是集中在某一方向上的，能量集中亮度高。亮度高。 2 2、激光的應(yīng)用、激光的應(yīng)用(1) 激光武器 國(guó)外已有一種紅寶石袖珍式激光槍，外形和大小與美國(guó)的派克鋼筆相當(dāng)。但它能在距人幾米之外燒毀衣服、燒穿皮肉，且無(wú)聲響，在不知不覺(jué)中致人死命。并可在一定的距離內(nèi)，使火藥爆炸，使夜視儀、紅外或激光測(cè)距儀等光電設(shè)備失效。1975年11月，美國(guó)的兩顆監(jiān)視導(dǎo)彈發(fā)射井的偵察衛(wèi)星在飛抵西伯利亞上空時(shí)，被前蘇聯(lián)

13、的“反衛(wèi)星”陸基激光武器擊中，并變成“瞎子”。 1982年英阿馬島戰(zhàn)爭(zhēng)中，英國(guó)在航空母艦和各類護(hù)衛(wèi)艦上就安裝有激光致盲武器，曾使阿根廷的多架飛機(jī)失控、墜毀或誤入英軍的射擊火網(wǎng)。 據(jù)英國(guó)星期日泰晤士報(bào)報(bào)道，美國(guó)一名發(fā)明家最近研制出新概念“致僵”武器，這種非致命武器依靠“致僵射線”，即利用紫外激光器發(fā)出光束來(lái)，在空氣中電離出一條通道使電流導(dǎo)向目標(biāo)，使被擊中者周身肌肉神經(jīng)抽搐、痙攣，直至僵硬而喪失活動(dòng)能力，進(jìn)而丟掉武器束手就擒。激光致僵武器激光致僵武器第一次應(yīng)用是美國(guó)田納西州警方緝捕綁架人質(zhì)的罪犯。激光武器的優(yōu)點(diǎn)激光武器的優(yōu)點(diǎn) 1無(wú)需進(jìn)行彈道計(jì)算2無(wú)后座力3操作簡(jiǎn)便，機(jī)動(dòng)靈活，使用范圍廣4無(wú)放射性污

14、染，效費(fèi)比高激光在農(nóng)學(xué)上的應(yīng)用激光在農(nóng)學(xué)上的應(yīng)用 育種的兩種方法：自發(fā)突變、誘發(fā)突變 自發(fā)突變：大面積種植，尋找優(yōu)良品種，逐年篩選。 誘發(fā)突變：失重突變、核輻射突變、激光突變等多種方法。激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 激光手術(shù)刀 1、手術(shù)時(shí)間快； 2、出血少； 3、可進(jìn)行各種形態(tài)的切口； 4、能量集中，對(duì)周?chē)＝M織不會(huì)造成損傷； 5、“手術(shù)刀”不與組織直接接觸，不會(huì)引起細(xì)菌感染。 6、低功率激光照射穴位，起到針灸作用。激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用激光眼科:所用的激光是脈沖激光，時(shí)間很短，病人眼鏡還來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，“刀”已切下去了，不會(huì)傷及其他部位。 激光纖維內(nèi)窺鏡 激光能準(zhǔn)確地確定腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞 激光化療，治療癌癥等激光加工技術(shù)激光加工技術(shù) 原理：能量集中（光能轉(zhuǎn)化成熱能，金屬也能熔化）；方向性好（可做精細(xì)加工） 用途