工程光学 Engineering Optics 郭 峰 青岛理工大学  机械工程学院

激光：Laser (Light amplification by stimulated emission of radiation) 第12章 激光 激光：Laser (Light amplification by stimulated emission of radiation) 主要内容： 1）激光的产生与原理； 2）激光的特点； 美国人梅曼制造出第一台激光器。

Theodore Harold “Ted” Maiman (July 11, 1927 – May 5, 2007) was an American physicist who made the first　LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Maiman received many awards and honors for his work, and was the author of a book titled The Laser Odyssey, which describes the events surrounding the creation of the first laser. Born July 11, 1927 Los Angeles, California Died May 5, 2007 (aged 79) Vancouver, British Columbia Citizenship United States Fields Physics Institutions Hughes Research Laboratories Quantatron Alma mater University of Colorado Stanford Known for Inventing, Demonstrating, and Patenting the World‘s First　LASER Notable awards Stuart Ballantine Medal (1962) Wolf Prize in Physics (1983) Japan Prize (1987)

一、激光的产生原理 1、普通光源发光-受激吸收和自发辐射 1）受激吸收 （简称“吸收”） E2 E1 处在低能级E1的原子受到 等 于E2-E1的外来能量时， 吸收这一能量跃迁到高能级的过程。 h

2)自发幅射 自发幅射的光是非相干光 E3 E2 L1 E1 处在高能级（E2）的原子，即使没有任何外界的激励，总是自发地跃迁到低能级（E1），并且发射一个频率为，能量h=E2-E1的光子的过程。 自发幅射的光是非相干光 E2 E1 E3 L1

2、受激辐射和光的放大 (1) 自发辐射的选择规则：电子从高能态向低能态的跃迁只能发生在角动量量子数 相差 的两个状态之间 (1) 自发辐射的选择规则：电子从高能态向低能态的跃迁只能发生在角动量量子数 相差 的两个状态之间 (2) 亚稳态能级：不满足选择规则的能级(寿命： (3) 受激幅射：（1917年爱因斯坦提出） 处在高能级上（E2）的原子，受到能量恰为h=E2-E1的外来光子的激励（或诱发，或剌激）从而跃迁到低能级E1，并发射一个与外来光子“一模一样”的光子的过程。

受激幅射产生的光子与入射光子是完全相干的； E2 E1 与外来光子频率 相同、相位相同、 偏振方向和传播 方向相同。 外来光子 hv 输入 输出 光放大示意图 受激幅射光子 特点： 受激幅射产生的光子与入射光子是完全相干的； 受激幅射中，光子成倍增长，产生了光放大。

当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两 过程同时存在，因受激辐射使光子数增加，受激吸收使光子数 减小。物质处于热平衡态时，处在较低能级E1的粒子数必大于 处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量 只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能 级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平 衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反 转，如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。 任何工作物质，在适当的激励条件下可在特定的高低能级间实现粒子数反转。

(4)激光的产生过程 E4 粒子数反转状态 E3 E2 E2 E1 E1 为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成粒子数反转的状态。 且粒子数正常分布是： 激光是受激幅射的光，但实际中还存在自发幅射 和吸收， E1 E2 E3 E4 能 量 粒子数反转状态 E1 E2 为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成粒子数反转的状态。

3、粒子数反转：产生激光的必要条件 怎样才能实现粒子数反转呢？ 粒子数反转状态 1）提供足够的能量； E1 E2 2）原子在激发态多停 留 一会,具有亚稳态的 原子结构； 3）减小损失，不断放 大。

二、    激光简史 1917年，爱因斯坦提出受激辐射 1958年，汤斯和肖洛发表《红外与光学激射器》，巴索夫和普罗霍罗夫发表《实现三能级粒子数反转和半导体激光器建议》 1959年，汤斯提出制造红宝石激光器的建议 1960年，加州休斯实验室的梅曼制成了第一台红宝石激光器 1964年，汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫分享诺贝尔物理学奖 1961年8月，我国第一台红宝石激光器在长春光机所研制成功 1987年6月，大功率脉冲激光系统-神光装置，在上海光（学精密）机（械研究）所研制成功

三、激光器的结构 1、工作介质：产生激光的原子系统或可以实现粒子数反转的气体、液体或固体 所谓能级合适是指存在“亚稳态能级”，即存在激发态寿命=10-3秒左右的能级（一般原子系统的激发态寿命只有10-8秒） 能 量 E1 E2 E3 激 发 亚稳态能级

产生激光的能级系统（例） （1） 三能系统 （2）四能级系统 三能级系统 四能级系统 红宝石激光器 铷玻璃激光器

E1 E2 E1 E2 粒子数反转状态 2、激励源(泵浦或抽运)：用来实现和维持粒子数反转。有电激励，光激励，热激励，化学激励等 激励--从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从低能态跃迁到高能态能级以实现粒子数反转 的过程（又称“激发”、“抽运” 或 “泵浦”）。 E1 E2 E1 E2 粒子数反转状态 1）光泵抽运 如红宝石激光器

2）电子碰撞 如氩离子激光器 电子 - 3）化学反应 如氟化氘激光器等。 4）共振转移 He Ne 如He--Ne激光器 。 Ne He - - -

3、光学谐振腔 要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的构造： 实物图 全反 射镜 半反 射镜 激光工作物质 原理图

工作原理： 激光工作物质 全 反 射 镜 半 反 射 镜 out 光放大原理

四、激光器的种类 1、固体激光器：器件小、坚固、使用方便、输出功率大 2、气体激光器：结构简单、造价低，操作方便， 介质均匀光束质量好且能长时间稳定工作 He-Ne激光器简介：最早(1961)制成且应用最广泛。 激光波长为632.8纳米(氖原子发出)，采用电激励。 高压电源使气体放电，氦激发，能量传递给氖，四 能级系统 3、 液体激光器：输出波长连续可调，覆盖面宽 4、半导体激光器：体积、质量小，寿命长，结构简单而坚固

激光器分类表 气体 类型 增益介质 波 长 峰值功率 脉冲长度 He--- Ne Ar 633nm 488nm 1mw 10mw 连续波 CO2 200w 10.6m 5Mw 20 ns 半导体 G a As 840nm 固体 染料 化学 准分子 红宝石(QS) 694nm 100Mw 10ns Nd:YAG(QS) 1.06m 50Mw 20ns Nd:YAG 50w Nd:玻璃 Rh6G（ML） 10Tw 11pw 10Kw 600nm 30fs HF 3m 50ns ArF 10Mw 193nm CO2（TEA）

§12.2 激光的特性及应用 一、激光的主要特性 1、方向性好---激光的发散角小。 =2~5mrad（毫弧度） (1km时光斑直径10m) §12.2　激光的特性及应用 一、激光的主要特性 1、方向性好---激光的发散角小。 =2~5mrad（毫弧度） (1km时光斑直径10m) 激光器 Laser D=1.6km He--Ne激光经纬仪 =0.031mrad 测月红宝石激光器 =410-5mrad

  = S /r2 2 亮度高、能量集中 光源亮度--单位面积、单位时间在垂直于光源 表面的单位立体角内发射的能量。 立体角定义： S E  S r 光源   = S /r2 太阳 1mW He--Ne激光器 大功率激光器 P=1mW的氦-氖激光器的亮度约是太阳光的100倍

3）单色性好 激光所包含的波长或频率范围极小 可使一切金属熔化 一束普通的红光 频率范围： 可使一切非金属化为一缕青烟 6328埃的He--Ne激光（中心频率 Laser （理论值，实际几赫兹）

波长范围： He-Ne Laser 中心波长 波长范围： 又如单色性最好的氪灯，其中心波长6057埃 4）相干性好 相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。 相干性越好则光场中各点光振动在频率、振 动方向的一致性越好，相位的关联性也越好。 相干性越好则光场中任取两点作光源所产生 的干涉和衍射的条纹越清晰。

杨氏双缝干涉 屏 单 缝 双 缝

圆孔衍射 I r 注意：光的单色性越好，则其相干性也越好。 二者是统一的.

二、激光的应用简介 1、 激光测距、激光雷达和激光准直 2、 激光用于农业 3、 激光用于加工领域 4、 激光用于医疗领域 5、 激光通信 6、 激光与能源 7、 激光舞台与激光唱片 8、激光用于物理学基础研究（用激光产生冲击波等）朱棣文（Steven Chu ）等发明了用激光冷却原子的方法，并因此获得1997年诺贝尔物理学奖 9、 发展中的激光武器 10、激光在测试中的运用

连续激光手术刀光路 CO2激光加工机方框图

激光扫描测径仪光路原理图 激光测距机方框原理图