激光原理（課堂PPT）

1、1 激光是二十世紀(jì)六十年代出現(xiàn)的一種新型光激光是二十世紀(jì)六十年代出現(xiàn)的一種新型光源源激光器發(fā)出的光。激光一詞的本意是受激輻射激光器發(fā)出的光。激光一詞的本意是受激輻射放大的光。放大的光。1960年美國(guó)休斯研究實(shí)驗(yàn)室的梅曼制成了年美國(guó)休斯研究實(shí)驗(yàn)室的梅曼制成了第一臺(tái)紅寶石激光器第一臺(tái)紅寶石激光器, 1961年年9月中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)月中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所制成了我國(guó)第一臺(tái)激光器。此后精密機(jī)械研究所制成了我國(guó)第一臺(tái)激光器。此后 , 在在激光器的研制、激光技術(shù)的應(yīng)用以及激光理論方面都激光器的研制、激光技術(shù)的應(yīng)用以及激光理論方面都取得了巨大進(jìn)展，并帶動(dòng)了一些新型學(xué)科的發(fā)展取得了巨大進(jìn)展，并帶動(dòng)

2、了一些新型學(xué)科的發(fā)展, 如如全息光學(xué)、傅立葉光學(xué)、非線性光學(xué)、光化學(xué)等，激全息光學(xué)、傅立葉光學(xué)、非線性光學(xué)、光化學(xué)等，激光還與當(dāng)今的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)光還與當(dāng)今的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)信息產(chǎn)業(yè)信息產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)。密切相關(guān)。 第九章第九章 激光激光29-1 激光原理激光原理 一物質(zhì)與光相互作用的規(guī)律一物質(zhì)與光相互作用的規(guī)律 光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子，同時(shí)改變自身運(yùn)動(dòng)狀況的表現(xiàn)。粒子吸收或輻射光子，同時(shí)改變自身運(yùn)動(dòng)狀況的表現(xiàn)。 微觀粒子都有它特有的一套能級(jí)。任何時(shí)刻，一微觀粒子都有它特有的一套能級(jí)。任何時(shí)刻，一個(gè)粒子只能處于與某一個(gè)能級(jí)相對(duì)應(yīng)的狀

3、態(tài)（或者簡(jiǎn)個(gè)粒子只能處于與某一個(gè)能級(jí)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)（或者簡(jiǎn)單地表達(dá)為處在某一個(gè)能級(jí)上）。與光相互作用時(shí)，單地表達(dá)為處在某一個(gè)能級(jí)上）。與光相互作用時(shí)，粒子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)，并相應(yīng)地吸收或粒子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)，并相應(yīng)地吸收或輻射一個(gè)光子。光子的能量值為此兩能級(jí)間的能量差輻射一個(gè)光子。光子的能量值為此兩能級(jí)間的能量差E，頻率為頻率為 =E/h（h為普朗克常量）。為普朗克常量）。 3 過(guò)程前過(guò)程前 過(guò)程后過(guò)程后 E2 E2 h E1 E1 受激吸收受激吸收處于較低能級(jí)的粒子在受到處于較低能級(jí)的粒子在受到外界的激發(fā)，吸收了能量時(shí)，外界的激發(fā)，吸收了能量時(shí)，躍遷到與此能量相適應(yīng)的較躍遷

4、到與此能量相適應(yīng)的較高能級(jí)上去。稱(chēng)為高能級(jí)上去。稱(chēng)為受激吸收受激吸收。 過(guò)程前過(guò)程前 過(guò)程后過(guò)程后 E2 E2 E1 E1 自發(fā)輻射自發(fā)輻射h處在高能級(jí)上的粒子，如存在處在高能級(jí)上的粒子，如存在著可以接納它的較低能級(jí)，即著可以接納它的較低能級(jí)，即使沒(méi)有外界的作用，也有一定使沒(méi)有外界的作用，也有一定的概率，自發(fā)地從高能級(jí)（的概率，自發(fā)地從高能級(jí)（E2）向低能級(jí)（向低能級(jí)（E1）躍遷。同時(shí)輻躍遷。同時(shí)輻射出能量是射出能量是E2-E1的光子，稱(chēng)為的光子，稱(chēng)為自發(fā)輻射自發(fā)輻射。 4 過(guò)程前過(guò)程前 過(guò)程后過(guò)程后 E2 E2 E1 E1 受激輻射受激輻射h2h1917年愛(ài)因斯坦指出，除自年愛(ài)因斯坦指出，除

5、自發(fā)輻射之外，當(dāng)頻率為發(fā)輻射之外，當(dāng)頻率為=（E2-E1）/h的光子入射時(shí)，的光子入射時(shí)，粒子也會(huì)以一定的概率，迅粒子也會(huì)以一定的概率，迅速地從能級(jí)速地從能級(jí)E2躍遷到能級(jí)躍遷到能級(jí)E1，同時(shí)輻射一個(gè)與外來(lái)光子頻同時(shí)輻射一個(gè)與外來(lái)光子頻 率、相位、偏振態(tài)以及傳播率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向等都相同的光子，這個(gè)方向等都相同的光子，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為過(guò)程稱(chēng)為受激輻射受激輻射。5 可以設(shè)想，如果大量原子處在高能級(jí)可以設(shè)想，如果大量原子處在高能級(jí)E2上，當(dāng)有上，當(dāng)有一個(gè)頻率一個(gè)頻率 =（E2-E1）/h的光子入射，從而激勵(lì)的光子入射，從而激勵(lì)E2上的上的原子產(chǎn)生受激輻射，得到兩個(gè)特征完全相同的光子，原子產(chǎn)生

6、受激輻射，得到兩個(gè)特征完全相同的光子，這兩個(gè)光子又激勵(lì)這兩個(gè)光子又激勵(lì)E2能級(jí)上原子，又使其產(chǎn)生受激輻能級(jí)上原子，又使其產(chǎn)生受激輻射，可得到四個(gè)特征相同的光子，這意味著原來(lái)的光射，可得到四個(gè)特征相同的光子，這意味著原來(lái)的光信號(hào)被放大了。這種在受激輻射過(guò)程中產(chǎn)生并被放大信號(hào)被放大了。這種在受激輻射過(guò)程中產(chǎn)生并被放大的光，就是的光，就是激光激光。 二粒子數(shù)反轉(zhuǎn)二粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 受激輻射的概念?lèi)?ài)因斯坦受激輻射的概念?lèi)?ài)因斯坦1917提出，激光器卻在提出，激光器卻在1960年問(wèn)世，相隔年問(wèn)世，相隔43年，為什么？主要原因是普通光年，為什么？主要原因是普通光源中的粒子，產(chǎn)生受激輻射的概率極小。源中的粒子，產(chǎn)生

7、受激輻射的概率極小。6 當(dāng)頻率一定的光射入工作物質(zhì)時(shí)，受激輻射和受當(dāng)頻率一定的光射入工作物質(zhì)時(shí)，受激輻射和受激吸收兩過(guò)程同時(shí)存在，因受激輻射使光子數(shù)增加，激吸收兩過(guò)程同時(shí)存在，因受激輻射使光子數(shù)增加，受激吸收使光子數(shù)減小。物質(zhì)處于熱平衡態(tài)時(shí)，處在受激吸收使光子數(shù)減小。物質(zhì)處于熱平衡態(tài)時(shí)，處在較低能級(jí)較低能級(jí)E1的粒子數(shù)必的粒子數(shù)必大于大于處在較高能級(jí)處在較高能級(jí)E2的粒子數(shù)。的粒子數(shù)。這樣光穿過(guò)工作物質(zhì)時(shí)，光的能量只會(huì)減弱不會(huì)加強(qiáng)。這樣光穿過(guò)工作物質(zhì)時(shí)，光的能量只會(huì)減弱不會(huì)加強(qiáng)。要想使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，必須使處在高能級(jí)要想使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，必須使處在高能級(jí)E2的粒子的粒子數(shù)大于處在低能級(jí)數(shù)大于處

8、在低能級(jí)E1的粒子數(shù)。這種分布正好與平衡的粒子數(shù)。這種分布正好與平衡態(tài)時(shí)的粒子分布相反，稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，簡(jiǎn)稱(chēng)粒態(tài)時(shí)的粒子分布相反，稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，簡(jiǎn)稱(chēng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，子數(shù)反轉(zhuǎn)，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件的必要條件。7反射鏡激勵(lì)源工作物質(zhì) 實(shí)用激光器中，主要實(shí)用激光器中，主要構(gòu)件的大體情況如下：構(gòu)件的大體情況如下： 1激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì) 必須能在該物質(zhì)中實(shí)必須能在該物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?？梢允乾F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。可以是氣體、液體、固體或半氣體、液體、固體或半導(dǎo)體?，F(xiàn)已有工作物質(zhì)導(dǎo)體?，F(xiàn)已有工作物質(zhì)近千種，可以產(chǎn)生波長(zhǎng)近千種，可以產(chǎn)生波長(zhǎng)

9、從紫外到遠(yuǎn)紅外波段從紫外到遠(yuǎn)紅外波段 的激光。的激光。激光諧振腔8反射鏡激勵(lì)源工作物質(zhì)諧振腔激光 2. 激勵(lì)源（泵）激勵(lì)源（泵） 為使工作物質(zhì)中出為使工作物質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法激勵(lì)原子體一定的方法激勵(lì)原子體系，使處于高能級(jí)的粒系，使處于高能級(jí)的粒子數(shù)增加。用氣體放電子數(shù)增加。用氣體放電的辦法激發(fā)物質(zhì)原子，的辦法激發(fā)物質(zhì)原子，稱(chēng)為電激勵(lì)，也可用脈稱(chēng)為電激勵(lì)，也可用脈沖光源去照射工作物質(zhì)，沖光源去照射工作物質(zhì)，稱(chēng)為光激勵(lì)，還有熱激稱(chēng)為光激勵(lì)，還有熱激勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)等。為了不斷勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)等。為了不斷地得到激光輸出，就需不斷地將處于低能級(jí)的原子抽地得到激光輸出，就需

10、不斷地將處于低能級(jí)的原子抽運(yùn)到高能級(jí)上去，運(yùn)到高能級(jí)上去， 激勵(lì)源形象地稱(chēng)為泵。激勵(lì)源形象地稱(chēng)為泵。9 3諧振腔諧振腔 所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際上是在激光器兩端，面對(duì)所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際上是在激光器兩端，面對(duì)面地裝上兩塊反射率很高的平面鏡，一塊平面鏡對(duì)光面地裝上兩塊反射率很高的平面鏡，一塊平面鏡對(duì)光幾乎全反射，另一塊則讓光大部分反射，少部分透射幾乎全反射，另一塊則讓光大部分反射，少部分透射出去，以使激光可透過(guò)這塊鏡子而射出。出去，以使激光可透過(guò)這塊鏡子而射出。 光在放大介質(zhì)中經(jīng)歷的路程越長(zhǎng)，和越多的原子光在放大介質(zhì)中經(jīng)歷的路程越長(zhǎng)，和越多的原子發(fā)生作用，才能獲得越有效的光放大。但是把工作物發(fā)生作用

11、，才能獲得越有效的光放大。但是把工作物質(zhì)作得無(wú)限長(zhǎng)是不現(xiàn)實(shí)的。質(zhì)作得無(wú)限長(zhǎng)是不現(xiàn)實(shí)的。10 反射鏡的一個(gè)作用是使光沿工作物質(zhì)軸線在反射反射鏡的一個(gè)作用是使光沿工作物質(zhì)軸線在反射鏡間來(lái)回反射，每經(jīng)過(guò)一次工作物質(zhì)光就得到一次放鏡間來(lái)回反射，每經(jīng)過(guò)一次工作物質(zhì)光就得到一次放大，被反射回到工作物質(zhì)的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻大，被反射回到工作物質(zhì)的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光在諧振腔內(nèi)來(lái)回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩式射，光在諧振腔內(nèi)來(lái)回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩式地獲得放大。地獲得放大。 受激輻射的起始光信號(hào)來(lái)源于自發(fā)輻射，而自發(fā)受激輻射的起始光信號(hào)來(lái)源于自發(fā)輻射，而自發(fā)輻射的光包含較大的波長(zhǎng)范圍，這樣較大范

12、圍的波長(zhǎng)輻射的光包含較大的波長(zhǎng)范圍，這樣較大范圍的波長(zhǎng)都有可能被放大，從而導(dǎo)致了非單一波長(zhǎng)的光輸出。都有可能被放大，從而導(dǎo)致了非單一波長(zhǎng)的光輸出。在反射鏡上鍍一層對(duì)一定波長(zhǎng)光具有反射率的薄膜，在反射鏡上鍍一層對(duì)一定波長(zhǎng)光具有反射率的薄膜，使只有該波長(zhǎng)的光才能在諧振腔內(nèi)來(lái)回反射，而其它使只有該波長(zhǎng)的光才能在諧振腔內(nèi)來(lái)回反射，而其它波長(zhǎng)的光在經(jīng)過(guò)一次反射鏡時(shí)就逸出腔外。波長(zhǎng)的光在經(jīng)過(guò)一次反射鏡時(shí)就逸出腔外。11 9-3 激光器的種類(lèi)激光器的種類(lèi) 現(xiàn)在人們已經(jīng)按照實(shí)際應(yīng)用的需求，造出了各種各現(xiàn)在人們已經(jīng)按照實(shí)際應(yīng)用的需求，造出了各種各樣的激光器。通?？梢园垂ぷ魑镔|(zhì)、激勵(lì)方式、運(yùn)轉(zhuǎn)樣的激光器。通?？梢?/p>

13、按工作物質(zhì)、激勵(lì)方式、運(yùn)轉(zhuǎn)方式、輸出波長(zhǎng)范圍等幾方面來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。方式、輸出波長(zhǎng)范圍等幾方面來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。 一按工作物質(zhì)分類(lèi)一按工作物質(zhì)分類(lèi) 1. 固體激光器固體激光器 工作物質(zhì)有紅寶石、釹玻璃、釔鋁石榴石（工作物質(zhì)有紅寶石、釹玻璃、釔鋁石榴石（YAG）等，是在作為基質(zhì)的材料的晶體或玻璃中均勻地?fù)饺氲?，是在作為基質(zhì)的材料的晶體或玻璃中均勻地?fù)饺肷倭侩x子，稱(chēng)為激活離子。產(chǎn)生激光發(fā)射作用的是摻少量離子，稱(chēng)為激活離子。產(chǎn)生激光發(fā)射作用的是摻入的離子?？勺鳛榧せ铍x子的有過(guò)渡族金屬離子如鉻入的離子?？勺鳛榧せ铍x子的有過(guò)渡族金屬離子如鉻離子離子(Cr3+)、稀土金屬離子如釹離子稀土金屬離子如釹離子(Nd3+)

14、、錒系離子錒系離子等。等。 一般來(lái)說(shuō)固體激光器具有器件體積小，堅(jiān)固，使一般來(lái)說(shuō)固體激光器具有器件體積小，堅(jiān)固，使用方便，輸出功率大的特點(diǎn)。用方便，輸出功率大的特點(diǎn)。12 2. 氣體激光器氣體激光器 工作物質(zhì)是氣體或金屬蒸氣。氣體激光的特點(diǎn)是工作物質(zhì)是氣體或金屬蒸氣。氣體激光的特點(diǎn)是激光輸出波長(zhǎng)范圍較寬。常用的氦激光輸出波長(zhǎng)范圍較寬。常用的氦-氖激光器，是通過(guò)氖激光器，是通過(guò)氣體放電使氣體放電使Ne原子產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，輸出激光的波長(zhǎng)原子產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，輸出激光的波長(zhǎng)為為632.8nm（紅光）。紅光）。 氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、操作方便、光氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、操作方便、光束質(zhì)量

15、好以及能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定連續(xù)工作的特點(diǎn)，是目束質(zhì)量好以及能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定連續(xù)工作的特點(diǎn)，是目前品種最多應(yīng)用最廣泛的激光器。前品種最多應(yīng)用最廣泛的激光器。 3. 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 以半導(dǎo)體為工作物質(zhì)，產(chǎn)生激光的方法有以半導(dǎo)體為工作物質(zhì)，產(chǎn)生激光的方法有p-n結(jié)注結(jié)注入式、電子束激發(fā)、光激發(fā)、雪崩式擊穿等。入式、電子束激發(fā)、光激發(fā)、雪崩式擊穿等。13 它體積小重量輕，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固，特別它體積小重量輕，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固，特別適于飛機(jī)、車(chē)輛、宇宙飛船之用?，F(xiàn)在的光驅(qū)、適于飛機(jī)、車(chē)輛、宇宙飛船之用?，F(xiàn)在的光驅(qū)、VCD、DVD的激光頭都是一個(gè)小型半導(dǎo)體激光發(fā)射器。的激光頭都是一個(gè)小型半導(dǎo)

16、體激光發(fā)射器。 4. 液體激光器液體激光器 常用有機(jī)染料作工作物質(zhì)，大多數(shù)情況是把有機(jī)染常用有機(jī)染料作工作物質(zhì)，大多數(shù)情況是把有機(jī)染料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽狀工作的。液體料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽狀工作的。液體激光器的工作原理比較復(fù)雜，但輸出的波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，激光器的工作原理比較復(fù)雜，但輸出的波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬。且覆蓋面寬。 5. 自由電子激光器自由電子激光器 以自由電子為工作物質(zhì)。把凡是利用自由電子與以自由電子為工作物質(zhì)。把凡是利用自由電子與電磁波相互作用所產(chǎn)生的從微波到電磁波相互作用所產(chǎn)生的從微波到X射線的受激輻射射線的受激輻射均稱(chēng)為自由電子激光。均稱(chēng)為自由電子激光。

17、14 這是一種特殊類(lèi)型的新型激光器，被電子加速器這是一種特殊類(lèi)型的新型激光器，被電子加速器加速的電子流注入周期變化的磁場(chǎng)。只要改變電子束加速的電子流注入周期變化的磁場(chǎng)。只要改變電子束的速度就可產(chǎn)生波長(zhǎng)連續(xù)變化的相干電磁輻射，原則的速度就可產(chǎn)生波長(zhǎng)連續(xù)變化的相干電磁輻射，原則上其相干輻射譜可從上其相干輻射譜可從X射線波段過(guò)渡到微波區(qū)域，其射線波段過(guò)渡到微波區(qū)域，其峰值功率和平均功率高且可調(diào)，相干性好，可獲得偏峰值功率和平均功率高且可調(diào)，相干性好，可獲得偏振輸出，因此具有很誘人的前景。振輸出，因此具有很誘人的前景。 其它還有光纖激光器、化學(xué)激光器、單原子激光其它還有光纖激光器、化學(xué)激光器、單原子激

18、光器、器、X射線激光器等。射線激光器等。 二按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類(lèi)二按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類(lèi) 可分為連續(xù)激光器、單次脈沖激光器、重復(fù)脈沖激可分為連續(xù)激光器、單次脈沖激光器、重復(fù)脈沖激光器，調(diào)光器，調(diào)Q激光器、鎖模激光器、單模和穩(wěn)頻激光器、激光器、鎖模激光器、單模和穩(wěn)頻激光器、可調(diào)諧激光器等等?？烧{(diào)諧激光器等等。15 三按激勵(lì)方式分類(lèi)三按激勵(lì)方式分類(lèi) 可分為光泵式激光器，電激勵(lì)式激光器，化學(xué)激勵(lì)可分為光泵式激光器，電激勵(lì)式激光器，化學(xué)激勵(lì)激光器（又稱(chēng)化學(xué)激光器），核泵激光器。激光器（又稱(chēng)化學(xué)激光器），核泵激光器。 四按輸出激光的波段范圍分類(lèi)四按輸出激光的波段范圍分類(lèi) 可分為遠(yuǎn)紅外激光器、中紅外激光器、近紅外激光可

19、分為遠(yuǎn)紅外激光器、中紅外激光器、近紅外激光器、可見(jiàn)激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、器、可見(jiàn)激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、X射線激光器等。射線激光器等。 9-4 激光束的主要特性激光束的主要特性 普通光源發(fā)出的光是向各個(gè)方向輻射并隨著傳播普通光源發(fā)出的光是向各個(gè)方向輻射并隨著傳播距離的增加而衰減。主要原因是這些光源發(fā)的光是組距離的增加而衰減。主要原因是這些光源發(fā)的光是組成光源的大量分子或原子在自發(fā)輻射過(guò)程中成光源的大量分子或原子在自發(fā)輻射過(guò)程中 “各自為各自為政政”輻射光子。輻射光子。16 激光是入射光子經(jīng)受激輻射過(guò)程被放大。由于激激光是入射光子經(jīng)受激輻射過(guò)程被放大。由于激光產(chǎn)生的

20、機(jī)理與普通光源的發(fā)光不同，這就使激光具光產(chǎn)生的機(jī)理與普通光源的發(fā)光不同，這就使激光具有不同于普通光的一系列性質(zhì)。有不同于普通光的一系列性質(zhì)。 1. 方向性好方向性好 激光不像普通光源向四面八方傳播，幾乎在一條激光不像普通光源向四面八方傳播，幾乎在一條直線上傳播，我們稱(chēng)激光的準(zhǔn)直性好。因?yàn)榧す庖谥本€上傳播，我們稱(chēng)激光的準(zhǔn)直性好。因?yàn)榧す庖谥C振腔內(nèi)來(lái)回反射，若光線偏離軸線，則多次反射后諧振腔內(nèi)來(lái)回反射，若光線偏離軸線，則多次反射后終將逸出腔外，因此從部分透明的反射鏡射出的激光終將逸出腔外，因此從部分透明的反射鏡射出的激光方向性好。良好的方向性使激光是射得最遠(yuǎn)的光，應(yīng)方向性好。良好的方向性使激光

21、是射得最遠(yuǎn)的光，應(yīng)用于測(cè)距、通訊、定位方面。用于測(cè)距、通訊、定位方面。17 2. 亮度高亮度高 一般光源發(fā)光是向很大的角度范圍內(nèi)輻射，如電一般光源發(fā)光是向很大的角度范圍內(nèi)輻射，如電燈泡不加約束是向四面八方輻射。激光的輻射范圍在燈泡不加約束是向四面八方輻射。激光的輻射范圍在110-3rad（0.06）左右，因此既使普通光源與激光光左右，因此既使普通光源與激光光源的輻射功率相同，激光的亮度將是普通光源的上百源的輻射功率相同，激光的亮度將是普通光源的上百萬(wàn)倍。萬(wàn)倍。1962年人類(lèi)第一次從地球上發(fā)出激光束射向月年人類(lèi)第一次從地球上發(fā)出激光束射向月球，由于激光的方向性好、亮度高，加上顏色鮮紅，球，由于激

22、光的方向性好、亮度高，加上顏色鮮紅，所以能見(jiàn)到月球上有一紅色光斑。激光的高亮度在激所以能見(jiàn)到月球上有一紅色光斑。激光的高亮度在激光切割、手術(shù)、軍事上有重要應(yīng)用，現(xiàn)正研究用高亮光切割、手術(shù)、軍事上有重要應(yīng)用，現(xiàn)正研究用高亮度的激光引發(fā)熱核反應(yīng)。度的激光引發(fā)熱核反應(yīng)。18 3. 單色性好單色性好 光的顏色取決于光的波長(zhǎng)，通常把亮度為最大亮光的顏色取決于光的波長(zhǎng)，通常把亮度為最大亮度一半的兩個(gè)波長(zhǎng)間的寬度定義為這條光譜線的寬度，度一半的兩個(gè)波長(zhǎng)間的寬度定義為這條光譜線的寬度，譜線寬度越小，光的單色性越好。譜線寬度越小，光的單色性越好。 可見(jiàn)光部分的顏色有七色，每種顏色的譜線寬度為可見(jiàn)光部分的顏色有七

23、色，每種顏色的譜線寬度為40-50nm，激光的單色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于普通光源，如氦激光的單色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于普通光源，如氦-氖氖激光器輸出的紅色激光譜線寬度只有激光器輸出的紅色激光譜線寬度只有10-8nm。 激光良好的單色性使激光在測(cè)量上優(yōu)勢(shì)極為明顯。激光良好的單色性使激光在測(cè)量上優(yōu)勢(shì)極為明顯。 4. 相干性好相干性好 當(dāng)激光束分成兩束進(jìn)行迭加時(shí)，產(chǎn)生的干涉條紋當(dāng)激光束分成兩束進(jìn)行迭加時(shí)，產(chǎn)生的干涉條紋非常清晰。非常清晰。19 9-5 激光的應(yīng)用激光的應(yīng)用 激光，作為一種新類(lèi)型的光登上舞臺(tái)，帶來(lái)光激光，作為一種新類(lèi)型的光登上舞臺(tái)，帶來(lái)光學(xué)應(yīng)用技術(shù)的革命，已在生產(chǎn)、生活、國(guó)防的各個(gè)學(xué)應(yīng)用技術(shù)的革命，已在生產(chǎn)、

24、生活、國(guó)防的各個(gè)方面都有著應(yīng)用，幾乎成為所有現(xiàn)代技術(shù)依賴(lài)的手方面都有著應(yīng)用，幾乎成為所有現(xiàn)代技術(shù)依賴(lài)的手段。在此不可能加以詳述，僅就一些常見(jiàn)的應(yīng)用作段。在此不可能加以詳述，僅就一些常見(jiàn)的應(yīng)用作簡(jiǎn)要介紹。簡(jiǎn)要介紹。 一激光在自然科學(xué)研究上的應(yīng)用一激光在自然科學(xué)研究上的應(yīng)用 1. 非線性光學(xué)效應(yīng)非線性光學(xué)效應(yīng) 在熟悉的反射、折射、吸收等光學(xué)現(xiàn)象中，反射在熟悉的反射、折射、吸收等光學(xué)現(xiàn)象中，反射光、折射光的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比光、折射光的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比 ，這類(lèi)現(xiàn)象，這類(lèi)現(xiàn)象稱(chēng)為線性光學(xué)現(xiàn)象。如果強(qiáng)度除了與入射光強(qiáng)度成正稱(chēng)為線性光學(xué)現(xiàn)象。如果強(qiáng)度除了與入射光強(qiáng)度成正比外，還與入射光強(qiáng)度成

25、二次方、三次方乃至更高的比外，還與入射光強(qiáng)度成二次方、三次方乃至更高的方次，這就屬非線性光學(xué)效應(yīng)。方次，這就屬非線性光學(xué)效應(yīng)。20 這些效應(yīng)只有在入射光強(qiáng)度足夠大時(shí)才表現(xiàn)出來(lái)。這些效應(yīng)只有在入射光強(qiáng)度足夠大時(shí)才表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)高功率的激光器問(wèn)世后，人們?cè)诩す馀c物質(zhì)相互作當(dāng)高功率的激光器問(wèn)世后，人們?cè)诩す馀c物質(zhì)相互作用過(guò)程中觀察到非線性光學(xué)現(xiàn)象，如頻率變換，拉曼用過(guò)程中觀察到非線性光學(xué)現(xiàn)象，如頻率變換，拉曼頻移、自聚焦、布里淵散射等。頻移、自聚焦、布里淵散射等。 2. 用激光固定原子用激光固定原子 氣態(tài)原子、分子處在永不停息的運(yùn)動(dòng)中（速度接氣態(tài)原子、分子處在永不停息的運(yùn)動(dòng)中（速度接近近340m/s）

26、，），且不斷與其它原子、分子碰撞，要且不斷與其它原子、分子碰撞，要“捕捕獲獲”操縱它們十分不易。操縱它們十分不易。1997年華裔科學(xué)家、美國(guó)斯年華裔科學(xué)家、美國(guó)斯坦福大學(xué)朱棣文等人，首次采用激光束將原子束冷卻坦福大學(xué)朱棣文等人，首次采用激光束將原子束冷卻到極低溫度，使其速度比通常作熱運(yùn)動(dòng)時(shí)降低，達(dá)到到極低溫度，使其速度比通常作熱運(yùn)動(dòng)時(shí)降低，達(dá)到“捕獲捕獲”操縱的目的。操縱的目的。21 1997年朱文棣、科恩、飛利浦三人因此而獲諾貝年朱文棣、科恩、飛利浦三人因此而獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此項(xiàng)技術(shù)在光譜學(xué)、原子鐘、研究量子爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此項(xiàng)技術(shù)在光譜學(xué)、原子鐘、研究量子效應(yīng)方面有著廣闊的應(yīng)用前景。效應(yīng)方面

27、有著廣闊的應(yīng)用前景。 具體作法是，用六路兩兩成對(duì)的正交激光束，沿具體作法是，用六路兩兩成對(duì)的正交激光束，沿三個(gè)相互垂直的方向射向同一點(diǎn)，光束始終將原子推三個(gè)相互垂直的方向射向同一點(diǎn)，光束始終將原子推向這點(diǎn)，于是約向這點(diǎn)，于是約106個(gè)原子形成的小區(qū)，其溫度在個(gè)原子形成的小區(qū)，其溫度在240K以下。這樣使原子的速度減至以下。這樣使原子的速度減至10m/s量級(jí)。后來(lái)量級(jí)。后來(lái)又制成抗重力的光又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在約磁陷阱，使原子在約1s內(nèi)從控制區(qū)內(nèi)從控制區(qū)墜落后被捕獲。墜落后被捕獲。22 二二. 激光測(cè)距激光測(cè)距 激光雷達(dá)激光雷達(dá) 激光準(zhǔn)直激光準(zhǔn)直 利用激光的高亮度和極好的方向性，做成

28、激光測(cè)利用激光的高亮度和極好的方向性，做成激光測(cè)距儀、激光雷達(dá)和激光準(zhǔn)直儀。距儀、激光雷達(dá)和激光準(zhǔn)直儀。 激光測(cè)距的原理與聲波測(cè)距的道理差不多，因?yàn)榧す鉁y(cè)距的原理與聲波測(cè)距的道理差不多，因?yàn)楣馑俟馑賑已知，只要測(cè)量從激光發(fā)射至接收到從物體反射已知，只要測(cè)量從激光發(fā)射至接收到從物體反射回來(lái)的激光的時(shí)間間隔即可。激光雷達(dá)對(duì)準(zhǔn)的是運(yùn)動(dòng)回來(lái)的激光的時(shí)間間隔即可。激光雷達(dá)對(duì)準(zhǔn)的是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。目標(biāo)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。 激光制導(dǎo)的導(dǎo)彈，頭部有四個(gè)排成十字形的激光激光制導(dǎo)的導(dǎo)彈，頭部有四個(gè)排成十字形的激光接收器（四象限探測(cè)儀）。如果四個(gè)接收器收到的激接收器（四象限探測(cè)儀）。如果四個(gè)接收器收到的激光

29、一樣多，就按原來(lái)方向飛行，如果有一個(gè)接收器接光一樣多，就按原來(lái)方向飛行，如果有一個(gè)接收器接收的激光少了，它就自動(dòng)調(diào)整方向。另一類(lèi)可用激光收的激光少了，它就自動(dòng)調(diào)整方向。另一類(lèi)可用激光束照射要打擊的目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)反射的激光被導(dǎo)彈上的束照射要打擊的目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)反射的激光被導(dǎo)彈上的接收器收到，引導(dǎo)導(dǎo)彈擊中目標(biāo)。接收器收到，引導(dǎo)導(dǎo)彈擊中目標(biāo)。23 三三. 激光用在加工領(lǐng)域激光用在加工領(lǐng)域 以激光良好的單色性和相干性為基礎(chǔ)。激光全息以激光良好的單色性和相干性為基礎(chǔ)。激光全息技術(shù)可以用作無(wú)損探傷，即不用損壞零件便可檢測(cè)出技術(shù)可以用作無(wú)損探傷，即不用損壞零件便可檢測(cè)出零件內(nèi)部的缺陷。零件內(nèi)部的缺陷。 利用激光

30、的亮度高和方向性好可以在機(jī)加工領(lǐng)域利用激光的亮度高和方向性好可以在機(jī)加工領(lǐng)域大有作為。大有作為。 如可以在零件上打一般鉆頭不能打的異形孔和尺寸如可以在零件上打一般鉆頭不能打的異形孔和尺寸達(dá)微米級(jí)的小孔。利用激光進(jìn)行切割，具有速度快，達(dá)微米級(jí)的小孔。利用激光進(jìn)行切割，具有速度快，切面光潔，不發(fā)生形變的特點(diǎn)。激光焊接可焊一般焊切面光潔，不發(fā)生形變的特點(diǎn)。激光焊接可焊一般焊接法不能焊的難熔金屬。還可以利用激光亮度高、能接法不能焊的難熔金屬。還可以利用激光亮度高、能量集中、可通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行控制的特點(diǎn)對(duì)金屬工件量集中、可通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行控制的特點(diǎn)對(duì)金屬工件表面進(jìn)行改性處理。表面進(jìn)行改性處理。24 四四

31、. 激光信息處理激光信息處理 激光技術(shù)能大幅度提高信息處理能力，特別是引入激光技術(shù)能大幅度提高信息處理能力，特別是引入激光后。激光后。 全息技術(shù)是全息技術(shù)是1948年英國(guó)科學(xué)家蓋伯提出的一種新年英國(guó)科學(xué)家蓋伯提出的一種新的成像原理，的成像原理，“全息全息”一詞引處希臘語(yǔ)，是一詞引處希臘語(yǔ)，是“完全完全”的意思。但由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有好的相干光源，因而無(wú)法獲的意思。但由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有好的相干光源，因而無(wú)法獲得好的相干像片。激光的出現(xiàn)，使全息術(shù)飛速發(fā)展成得好的相干像片。激光的出現(xiàn)，使全息術(shù)飛速發(fā)展成為一個(gè)新領(lǐng)域，蓋伯因此獲為一個(gè)新領(lǐng)域，蓋伯因此獲1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。25 普通照像是把從

32、物體表面發(fā)出的光經(jīng)過(guò)透鏡，普通照像是把從物體表面發(fā)出的光經(jīng)過(guò)透鏡，在感光底片上記錄下物體的光強(qiáng)分布，再翻印到相紙?jiān)诟泄獾灼嫌涗浵挛矬w的光強(qiáng)分布，再翻印到相紙上，呈現(xiàn)出物體的平面圖像。普通照像只記錄了物體上，呈現(xiàn)出物體的平面圖像。普通照像只記錄了物體表面的光強(qiáng)分布，沒(méi)有記錄到物體各部分到觀察者的表面的光強(qiáng)分布，沒(méi)有記錄到物體各部分到觀察者的遠(yuǎn)近和角度，即沒(méi)記錄下物體發(fā)出光線的相位分布，遠(yuǎn)近和角度，即沒(méi)記錄下物體發(fā)出光線的相位分布，這樣的像沒(méi)有立體感。這樣的像沒(méi)有立體感。 全息照像是用相干光照射物體，從物體反射或漫全息照像是用相干光照射物體，從物體反射或漫射的光不是用透鏡成像而是直接照射到全息底

33、片上，射的光不是用透鏡成像而是直接照射到全息底片上，用干涉現(xiàn)象把那些光的光強(qiáng)分布和相位記錄下來(lái)。底用干涉現(xiàn)象把那些光的光強(qiáng)分布和相位記錄下來(lái)。底片上沒(méi)有被拍物體的形象，在顯微鏡下可看到的是一片上沒(méi)有被拍物體的形象，在顯微鏡下可看到的是一幅長(zhǎng)短不一、間距不等、走向不同的復(fù)雜干涉條紋，幅長(zhǎng)短不一、間距不等、走向不同的復(fù)雜干涉條紋，稱(chēng)為全息圖。稱(chēng)為全息圖。26 要想看到圖樣，用相干光按一定方式照射全息圖，要想看到圖樣，用相干光按一定方式照射全息圖，在一定方向可看到物體的像，稱(chēng)為再現(xiàn)。再現(xiàn)的是從在一定方向可看到物體的像，稱(chēng)為再現(xiàn)。再現(xiàn)的是從物體反射或漫射的光束本身，所以像是立體的。物體反射或漫射的光束

34、本身，所以像是立體的。 光刻技術(shù)，如光刻集成電路、光盤(pán)。光盤(pán)的外形光刻技術(shù)，如光刻集成電路、光盤(pán)。光盤(pán)的外形有點(diǎn)像唱片，寫(xiě)入讀出的原理也和機(jī)械唱片差不多，有點(diǎn)像唱片，寫(xiě)入讀出的原理也和機(jī)械唱片差不多，只是用激光束來(lái)代替唱針，因?yàn)榧す獾南喔尚院芎?，只是用激光束?lái)代替唱針，因?yàn)榧す獾南喔尚院芎?，用聚光系統(tǒng)可以把激光聚焦成比針頭還細(xì)小的光束，用聚光系統(tǒng)可以把激光聚焦成比針頭還細(xì)小的光束，所以它在介質(zhì)上寫(xiě)入信息所占空間尺寸可以非常小所以它在介質(zhì)上寫(xiě)入信息所占空間尺寸可以非常?。ㄐ∮冢ㄐ∮?nm）因而信息存儲(chǔ)密度很大。因而信息存儲(chǔ)密度很大。CD唱片是用聲唱片是用聲音調(diào)制了的激光束刻制光盤(pán)，由于在讀寫(xiě)光盤(pán)

35、時(shí)光點(diǎn)音調(diào)制了的激光束刻制光盤(pán)，由于在讀寫(xiě)光盤(pán)時(shí)光點(diǎn)與光盤(pán)無(wú)機(jī)械接觸，就不存在由摩擦引起的雜音，同與光盤(pán)無(wú)機(jī)械接觸，就不存在由摩擦引起的雜音，同時(shí)也無(wú)磨損，因而光盤(pán)音質(zhì)佳、壽命長(zhǎng)。時(shí)也無(wú)磨損，因而光盤(pán)音質(zhì)佳、壽命長(zhǎng)。27 五五. 激光通信激光通信 激光通信也是利用激光束單色性好，方向性好的激光通信也是利用激光束單色性好，方向性好的特點(diǎn)。特點(diǎn)。 要想提高傳遞信息容量比較有效的辦法是提高載波要想提高傳遞信息容量比較有效的辦法是提高載波的頻率，如用波長(zhǎng)的頻率，如用波長(zhǎng)10cm的電波代替波長(zhǎng)的電波代替波長(zhǎng)100m的電波，的電波，通信容量可以提高通信容量可以提高1千倍，所以從千倍，所以從19世紀(jì)開(kāi)始不斷

36、發(fā)展世紀(jì)開(kāi)始不斷發(fā)展短波通信，最初使用波長(zhǎng)幾千米的無(wú)線電通信（長(zhǎng)波短波通信，最初使用波長(zhǎng)幾千米的無(wú)線電通信（長(zhǎng)波通信），后來(lái)發(fā)展為波長(zhǎng)幾百米的中波通信，通信），后來(lái)發(fā)展為波長(zhǎng)幾百米的中波通信，20世紀(jì)世紀(jì)50年代又發(fā)展厘米級(jí)的微波通信，波長(zhǎng)再縮短進(jìn)入光年代又發(fā)展厘米級(jí)的微波通信，波長(zhǎng)再縮短進(jìn)入光波波段，光波的頻率在波波段，光波的頻率在1014HZ-1015HZ之間，厘米波的之間，厘米波的頻率是頻率是1010HZ左右，所以光波通信的容量又比微波通左右，所以光波通信的容量又比微波通信提高信提高1萬(wàn)倍到萬(wàn)倍到10萬(wàn)倍。萬(wàn)倍。28 但普通光源發(fā)出光波是不能作通信載波的，因?yàn)榈胀ü庠窗l(fā)出光波是不能作通

37、信載波的，因?yàn)槠胀ü庠窗l(fā)出的光單色性不好，若用這種光波作載波，普通光源發(fā)出的光單色性不好，若用這種光波作載波，相當(dāng)于同時(shí)有多套頻率的節(jié)目到達(dá)接收器，所以效果相當(dāng)于同時(shí)有多套頻率的節(jié)目到達(dá)接收器，所以效果差。激光提供了單色性很好的光波，光波通信才進(jìn)入差。激光提供了單色性很好的光波，光波通信才進(jìn)入實(shí)用化階段。利用光波的載波通信做法與微波通信類(lèi)實(shí)用化階段。利用光波的載波通信做法與微波通信類(lèi)似，激光器輸出的光束經(jīng)過(guò)光電調(diào)制器調(diào)制后送到發(fā)似，激光器輸出的光束經(jīng)過(guò)光電調(diào)制器調(diào)制后送到發(fā)射天線（一只光學(xué)反射鏡）發(fā)射出去，在用戶(hù)接收端，射天線（一只光學(xué)反射鏡）發(fā)射出去，在用戶(hù)接收端，接收天線（也是反射鏡）把傳

38、送過(guò)來(lái)的光信號(hào)匯集到接收天線（也是反射鏡）把傳送過(guò)來(lái)的光信號(hào)匯集到光電接收器上轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)電放大和解調(diào)后就光電接收器上轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)電放大和解調(diào)后就可以得到所傳遞的信息。在實(shí)際應(yīng)用中為避免光波在可以得到所傳遞的信息。在實(shí)際應(yīng)用中為避免光波在大氣中傳播的損失，光信號(hào)是在光纖內(nèi)傳遞的，光信大氣中傳播的損失，光信號(hào)是在光纖內(nèi)傳遞的，光信號(hào)在光纖中的損耗很小。號(hào)在光纖中的損耗很小。29 現(xiàn)在發(fā)展的光計(jì)算機(jī)是用光波束代替電流構(gòu)造現(xiàn)在發(fā)展的光計(jì)算機(jī)是用光波束代替電流構(gòu)造計(jì)算機(jī)，會(huì)獲得更高的運(yùn)算速率和容量。計(jì)算機(jī)，會(huì)獲得更高的運(yùn)算速率和容量。 在顯示技術(shù)上，激光液晶大屏幕將代替陰極射線在顯示技術(shù)上

39、，激光液晶大屏幕將代替陰極射線管，有可能成為管，有可能成為21世紀(jì)電視的主角。世紀(jì)電視的主角。 六六. 激光的生物應(yīng)用激光的生物應(yīng)用 生物育種上可以采用生物育種上可以采用“誘發(fā)育種誘發(fā)育種”方法培育良種，方法培育良種，誘發(fā)育種也有化學(xué)誘變、核輻射誘變、光誘變等，激誘發(fā)育種也有化學(xué)誘變、核輻射誘變、光誘變等，激光照射屬光誘變。生物組織吸收激光能量后，將會(huì)使光照射屬光誘變。生物組織吸收激光能量后，將會(huì)使生物體發(fā)生光生物體發(fā)生光-生物熱效應(yīng)、生物光壓效應(yīng)、生物光化生物熱效應(yīng)、生物光壓效應(yīng)、生物光化學(xué)效應(yīng)、生物電磁效應(yīng)和生物刺激效應(yīng)，由此引起生學(xué)效應(yīng)、生物電磁效應(yīng)和生物刺激效應(yīng)，由此引起生物遺傳異變。我國(guó)已用激光照射種子培育新品種，改物遺傳異變。我國(guó)已用激光照射種子培育新品種，改善品質(zhì)。善品質(zhì)。30 七七. 激光用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域激光用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 現(xiàn)在激光技術(shù)已成為醫(yī)學(xué)中的新技術(shù)，并開(kāi)始形成現(xiàn)在激光技術(shù)已成為醫(yī)學(xué)中的新技術(shù)，并開(kāi)始形成一個(gè)新的醫(yī)學(xué)分支一個(gè)新的醫(yī)學(xué)分支激光醫(yī)學(xué)。主要應(yīng)用有激光醫(yī)學(xué)。主要應(yīng)用有 1. 激光刀激光刀 是用光學(xué)系統(tǒng)聚焦的激光束作用于生物體組織，在是用光學(xué)系統(tǒng)聚焦的激光束作用于生物體組織，在短時(shí)間內(nèi)使之燒灼和氣化。當(dāng)光束以一定速度移動(dòng)時(shí)，短時(shí)