激光测量技术 Laser Measurement Technology.

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1 激光测量技术 Laser Measurement Technology

2 第一章 激光原理与技术 §1.1 辐射理论概论 一、光量子学说及波粒二象性 几何光学 波动光学 微粒说 电磁理论 量子理论 电磁说 量子说
第一章 激光原理与技术 §1.1 辐射理论概论 一、光量子学说及波粒二象性 几何光学 波动光学 电磁理论 量子理论 微粒说 波动说 电磁说 量子说

3 光也是由最小能量单元hν -光子组成 光电效应与光量子学说 1900年普朗克（Max Plank）提出辐射能量量子的概念
他在对黑体辐射实验进行理论解释的时候发现，必须大 胆的假设： 黑体辐射的能量是不连续的，存在一 个最小的能量单元，这就是量子。 空腔辐射体 1905年爱因斯坦（Albert Einstein）在解释光电效应实 验的时候进一步提出： 光也是由最小能量单元hν -光子组成

4 思考题 思考题 1、光能否作为火箭动力? 2、光在传播过程中是否受重力影响? 3、光照射到物体上,是否有压力？太阳帆的原理是什么？ 太阳能 光动力火箭

5 二、原子能级、简并度及波尔兹曼分布 1.原子能级 玻尔理论: （1）原子内的电子非沿着任意轨道，而是沿 着具有一定半径或能级的轨道运动。
定态、基态、激发态 （2）原子内的电子可由某一定状态跃迁到另 一定态，这一过程要吸收和辐射辐射能。 （3）对于原子内的电子可能存在的状态有一 定限制，即电子的轨道运动的角动量必须 满足玻尔的量化条件 h 2π Pφ = n

6 跃迁： hν = E1 − E2 跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。 高 辐射跃迁： 高 低 吸收能量 辐射能量
吸收跃迁： 低 辐射跃迁： 高 （自发辐射） 高 hν = E1 − E2 低

7 2.简并度、简并能级 电子运行的状态不同，其能量相同 能量相同的能级对应不同的电子运动状态 简并度 同一能级对应的不同的电子运动状态的数目
电子可以有两个或两个以上的不同运动状态具有 相同的能级，这样的能级叫简并能级

8 由大量粒子所组成的系统在热平衡状态下粒子
3.玻尔兹曼分布 由大量粒子所组成的系统在热平衡状态下粒子 按能级的分布规律 Ei kT − N i ∝ g i e 分别处在Em和En能级的粒子数目： Em − En kT N m / g m N n / g n − = e N m N n g m g n 由 Em > En < 结论 高能级的粒子数目少于低能级的粒子数目

9 三、光与物质的相互作用 1917年，爱因斯坦提出受激辐射新概念 ——奠定了激光发明的理论基础 爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体
和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡， 还必须存在受激辐射。 预示了利用受激辐射来放大（振荡）光的可能性！ 但当时的技术和生产水平根本没有这种需要（无线 电技术刚刚开始，光学技术处于初级阶段）激光不 可能超越时代在当时被发明。

10 hν 1.自发辐射 E2 E1 发光前 发光后 普通光源（日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐
自发辐射、受激吸收和受激辐射 1.自发辐射 E2 E1 hν 发光前 发光后 hν = E2 − E1 普通光源（日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐 射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方 向、相位不一定相同——为非相干光。

11 激光原理 . 第一章 2.受激吸收 E2 E1 hν hν = E2 − E1 吸收前 吸收后

12 发光后 hν hν 3.受激辐射 E2 E1 相干光 当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程 hν = E2 − E1 发光前
能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。 受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的 外来光子具有相同的特征（频率、相 位、振动方向及传播方向均相同）。 受激辐射光子与入射光子属同一光子态。 相干光 当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程

13 当光与原子相互作用时，总是同时 存在这三种过程 自发辐射 受激辐射 受激吸收 粒子能量 也可能达不到平衡 光场能量 可能达到平衡

14 Laser §1.2 激光产生的原理及条件 “受激辐射光放大”
Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation “受激辐射光放大”

15 一、粒子数反转分布及泵浦过程 1.粒子数反转分布 要使介质对光产生放大作用，必须使受激辐射超过受激吸收; 受激辐射 hν hν 受激吸收
二者几率分别与上能级粒子数密度和下能级粒子数密度成正 比。 粒子数分布反转是介质对光放大作用的条件及产生激光 的前提 E 2 E1 hν hν 受激吸收 hν 受激辐射

16 E 2 E 1 2.泵浦(抽运) 定义：使两个能级实现粒子数反转的过程 E 3 h ν 浦 受激辐射 自发辐射 或其他释 式 hν 放能量方

17 泵浦分类： ① ② ③ ④ 光泵浦 电泵浦 化学泵浦 热泵浦

18 二、光的受激放大 1.增益介质 光波与物质的相互作用： (1)物理、化学作用 (2)反射、散射 (3)受激吸收 (4)自发辐射
损耗 应当减弱,利于放大 (3)受激吸收 泵浦 容易实现粒子数反转 (4)自发辐射 杂散光，影响单色性、相干性 增益介质 易于通过泵浦实现粒子数反转分布，光在此介质 中受激辐射大于受激吸收、自发辐射、各种损 耗，对光有放大作用

19 三、谐振腔的共振作用与激光的形成 2.受激放大 I ( z ) = I 0 eGZ 不考虑损耗的情况下, G越大,Z越大,对光的放大作
增益介质对光的放大作用 I ( z ) = I 0 eGZ 不考虑损耗的情况下, G越大,Z越大,对光的放大作 用越好, 但是G,Z有限,也可能形成不了激光 三、谐振腔的共振作用与激光的形成 作用 1.光往返,增加z的大小,利于光放大； 2.腔体对光的频率、相位、传播方向和偏振方向有选择作用。

20 四、激光产生的基本条件及阈值条件 三要素: 1. 泵浦 3. 谐振腔 阀值条件: 光在谐振腔来回往返一次所获得光增益必须大
2. 增益介质 3. 谐振腔 阀值条件: 光在谐振腔来回往返一次所获得光增益必须大 于或者等于所遭受的各种损耗之和.

21 激光发明简史 • 1928年,登伯格和科夫曼首次从实验上 证实了受激辐射的存在。 • 1946年,美国物理学家布洛赫首次观测
到粒子数反转的实验现象。 • 1947年美国物理学家兰姆等人指出在 粒子数反转的境况下会出现负吸收。 • 1949年，法国物理学家卡斯特勒提出 了光泵方法

22 • 1951年,New Idea几乎同时、独立在两 组科学家的头脑中产生 USA:Townes汤斯，Gorden. USSR:巴索夫和普罗霍罗夫 利用原子（分子）与电磁场相互作用的受 激辐射来放大和产生电磁辐射——量子电 子学. 摈弃了电子学传统概念：自由电子与电磁 场相互作用是放大和振荡电磁场的唯一方 法

23 量子电子学诞生！ • 1954年，上述两个研究组分别建立 了世界第一台Maser：NH3分子微波量 子振荡器（波长1.25cm）。
微波振荡器具有极高的（频率）波长 稳定度 ——Cs原子钟 微波激射放大器 Maser——Micro-wave Amplification by Stimulated Emission of Radiation 量子电子学诞生！

24 根据上述原理制成“红宝石微波量子放大器”
自此以后，在激光领域内一大批勇于创新，勇于实践 的人不失时机地发明创造，推动激光技术的发展。 1958年，美国布隆伯根（Bloembergen）提出“三 能级光泵方法”，成为获得粒子数反转的经典方 法。 Bloembergen借用他人 的思想用到量子电子 学领域。 根据上述原理制成“红宝石微波量子放大器” Ruby Maser

25 Ruby Maser之后，开始了向Laser的总进攻。
激光的诞生 Ruby Maser之后，开始了向Laser的总进攻。 关键问题：（1）光谐振腔？封闭微波腔几何尺寸~λ （2）合适的材料 汤斯、普罗霍罗夫分别独立提出开放式光谐振腔概念 Fabry-perot标准具 抛弃了微波技术的传统概念 借助了光学已有的概念和技术 发明光腔

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27 1958年12月，Townes和Schawlow发表文章，提 出了实现Laser的可能性。几十个小组都在争 做世界第一台Laser。
难点在于探索合适材料，实现粒子数反转。 汤斯->钾蒸气 肖洛->红宝石 巴索夫->半导体材料 除了光泵法以外 贝尔实验室的贾万（Javan）提出放电法 连续运转的氦氖激光器方案 最终花落谁家？

28 1960年，梅曼（Maiman）做出世界第一台红 宝石激光器
1955年，Stanford.Ph.D后在Hughes.R.Lab研究红宝石的荧光特性 1959年看到S-T文章

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31 机遇偏爱有准备的头脑 和敢于实践的人! 两周后，USSR重复实现Ruby Laser 1961，He-Ne Laser
1962, GaAs Semiconductor Laser 机遇偏爱有准备的头脑 和敢于实践的人!

32 二十世纪四大发明 •原子能 •计算机 •半导体 •激光器

33 五、结构形式 通用结构 泵浦源 部分反部分透射镜 全 反 镜 激光 增益介质 谐振腔

34 He-Ne激光器的三种结构： 内腔式 外腔式 半内腔式

35 { { { 六、激光器的分类及特点 远红外、红外激光器 可见光激光器 紫外、真空紫外激光器 按工作波段分类 X光激光器 连续激光器
脉冲激光器 超短脉冲激光器 固体激光器 气体激光器 染料激光器 半导体激光器 按工作波段分类 按运转方式分类 按工作物质分类 { {

36 §1.3 激光的基本物理性质 一、激光的方向性 通常用发散角来描述 定义 光源发出的所有光线中两光线 日光灯: 之间的夹角的最大夹角
2θ 常见光源发散角: 通常用发散角来描述 定义 光源发出的所有光线中两光线 日光灯: 2π 之间的夹角的最大夹角 也可用空间立体角来表示 气体激光: 固体激光: 半导体激光: 10 -2 5-10×10-2 激光的方向性好坏,直接关系到准直、聚焦

37 激光的方向性 常见光源的发散角

38 单位面积的光源在单位时间内向着其法线方向上 的单位立体角范同内辐射的能量
二、激光的高亮度 亮度定义: 单位面积的光源在单位时间内向着其法线方向上 的单位立体角范同内辐射的能量 Δ E Δ s ΔΩΔ t B = 单位: W/cm 2 .Sr 太阳光的亮度约为1.03W/cm 2 ·Sr 普通的1mW氦氖激光10 5 W/cm 2 ·Sr 大功率脉冲激光 W/cm 2 ·Sr 飞秒激光可达10 20 W/cm 2 ·Sr 激光是最亮的光 请勿对准眼睛 • • • •

39 超快超强激光可形成的物理条件 激光可形成 自然界存在 聚焦强度 光压 加速度 磁场 聚焦强度 10 20 W/cm 2 2 10 12 bar 10 21 g Gauss 3.5×10 16 W/cm 2 2 1bar g 0.5Gauss 10 20 W/cm 3.5×10 16 W/cm 光压 10 12 bar 1bar 加速度 10 21 g g 磁场 0.5Gauss

40 三、单色性 单色性是指光强按频率(波长)的分布状况 激光的频率受以下条件影响： • 腔长变化 • 泵浦 • 温度 • 震动 • 能级分裂
激光单色性的好坏可以用频谱分布的宽度 Δν= ν2- ν1(线宽)描述。

41 激光的单色性

42 四、相干性 1.时间相干性(同地异时) 定义：在同一空间点上，由同一光源分割出来的两 光波之间的位相差与时间无关的性质，即光
波的时间延续性。也可理解为：同一光源的光经过 不同的路径到达同一位置，尚能发生干涉，其经过 的时间差τ c 称为相干时间 两列光波间允许的最大光 程差称为相关长度 L c = c Δ t = c / Δ ν = λ 2 / Δ λ τ c = Lc / c Δντ c = 1

43 Lc = λ2 / Δλ = 6.328m 例1 : He-Ne laser 的线宽和波长比值为10-7 解：
求Michelson干涉仪的最大测量长度是多少？ 解： Lc = λ2 / Δλ = 6.328m 最大测量长度为Lmax=Lc/2=3.164m

44 同一时间，由空间不同的点发出的光波的相干性
2.空间相干性（同时异地） 定义： 同一时间，由空间不同的点发出的光波的相干性 以杨氏实验为例 ① 狭缝间距一定 产生干涉条件 bd / R < λ / 2 光源临界宽度 b c = λ R / d = λ / Δ θ 杨氏双缝干涉

45 d c = λR / 2b = λ / Δφ ② 光源宽度一定 狭缝最大允许距离即横向相关长度可表示为
② 光源宽度一定 狭缝最大允许距离即横向相关长度可表示为 d c = λR / 2b = λ / Δφ 一般尺寸为100um的矩形汞弧灯光源，当针孔屏距 0.5m，横向相干长度为0.25mm，激光器的横向相 干长度可达100m以上

46 五、激光的横模和纵模 1.激光的纵模 光波在谐振腔中应满足驻波条件 Δν = 2nL 可以存在的纵模频率为 相邻两个纵模频率的间隔为 λ k
Δ ν = C 2 nL nL = q ( k = 1 , 2 , 3 ...) 可以存在的纵模频率为 υ k = c λ k c 2 nL = k 相邻两个纵模频率的间隔为 C 2nL Δν =

47 沿轴向传播的振动模式,称为轴向模式,简称轴模 或者纵模
每一个谐振频率的振荡,成为一个模式 沿轴向传播的振动模式,称为轴向模式,简称轴模 或者纵模 谐振腔的腔长、增益介质的增益曲线一定，因此只有 落在增益大于损耗大大的谐振频率才能形成激光。 思考题：如何形成单模

48 谐振腔的作用： （1）提供正反馈； （2）选择激光的方向性； （3）提高激光的单色性。
例 设He-Ne激光器腔长L分别为0.30m、1.0m, 气体折射率n≈1,试求纵模频率间隔各为多少? C 2 nL Δ ν = 3 × 10 8 2 × 1 × 0 . 3 = 5 × 10 8 Hz L = m , Δ ν 1 = 3 × 10 8 2 ×1×1.0 = × 10 8 Hz L = 1.0m, Δ ν 2 =

49 2. 激光的横模 定义 光场在横向不同的稳定分布 模式一般用TEMmnq表示： 激光横模形成的主要因素是谐 振腔两端反射镜的衍射作用
轴向 X向暗条纹数 n Y向暗条纹数 q 纵模数 旋转 圆周向暗条纹数 径向暗条纹数 纵模数 激光横模形成的主要因素是谐 振腔两端反射镜的衍射作用

50 束腰： 振幅下降为中心的1/e时对 一、高斯光束表达式 高斯分布 应的光束截面半径，别称光束的截 面半径或者光斑半径
§1.4 高斯光束 一、高斯光束表达式 高斯分布 A = A0 e − r 2 / ω 2 束腰： 振幅下降为中心的1/e时对 应的光束截面半径，别称光束的截 面半径或者光斑半径 非特指束腰为高斯光束的最小束腰

51 ϕ ( z ) = arctg πω 0 2 沿z轴方向传播的高斯光束的电矢量表达式为 ω ( z ) = ω 0 ⎛ λz ⎞
⎡ x 2 + y 2 ⎤ exp⎢− 2 ⎣ ⎦ ⎡ ⎛ x 2 + y ⎞ ⎤ A0 ω ( z) E00 ( x, y, z) = exp⎢− ik ⎜ ⎣ ⎜ 2R( z) + z ⎟ + iϕ ( z)⎥ ω ( z) ⎥ ⎝ ⎠ ⎦ ⎛ λz ⎞ ⎜ πω 2 ⎟ 2 ⎡ ⎛ πω 2 ⎞ 2 ⎤ ω ( z ) = ω 0 1 + ⎜ ⎟ R ( z ) = z ⎢ 1 + ⎜ 0 ⎟ ⎥ ⎣ ⎝ ⎠ ⎦ ⎢ ⎜ λ z ⎟ ⎥ ⎝ 0 ⎠ λ z πω 0 2 ϕ ( z ) = arctg

52 二、高斯光束的特性 1.z=0的情况 • 等相位, 平面波 • 光强分布为高斯分布 2.z=z 0 >0的情况 ω0 ⎡ ρ 2 ⎤
⎡ ρ 2 ⎤ A0 E ( x, y,0) = exp⎢− ⎥ ω0 ⎣ ω0 ⎦ 特点: • 等相位, 平面波 • 光强分布为高斯分布 2.z=z 0 >0的情况 A ⎡ x 2 + y 2 ⎤ ⎡ ⎛ x 2 + y 2 ω ( z 0 ) ⎣ ω ( z 0 ) ⎥ ⎣ ⎜ 2 R ( z 0 ) ⎞ ⎤ + z 0 ⎟ + i ϕ ( z 0 ) ⎥ ⎠ ⎦ exp ⎢ − 2 exp ⎢ − ik ⎜ E ( x , y , z 0 ) = ⎝⎦

53 a.相位部分 R( z0 ) = z0 ⎢1 + ⎜ 0 ⎟ ⎥ > z0 b.振幅部分 为高斯分布
⎣ ⎝ ⎠ ⎦ 为发散球面波, 曲率半径随Z变化 b.振幅部分 为高斯分布 ⎡ ⎛ πω 2 ⎞2 ⎤ ⎢ ⎜ λz0 ⎟ ⎥ ⎛ λ z ⎞ 2 ω ( z ) = ω ⎜ ⎝ 0 ⎠ ⎜ πω 2 ⎟ > ω 0 ⎟

54 R(z)=-R(z) 为汇聚球面波 其他同Z>0情况
c. 发散角 d ω(z ) λ 2z − 1 2 λ πω 0 1 π 2ω 0 4 λ z 2θ = = (π ω z λ ) = dz πω 0 Z=0时, 2θ=0,平面波 2 λ 2 θ = πω 0 z→∞, 2 2 + 1 2 2 πω 0 2 λ 2 λ πω 0 z = 2 θ = ω 0 θ z z 2 z πω 0 λ 1 2 Z从0到 的区域,称为准直区 3. z<0 R(z)=-R(z) 为汇聚球面波 其他同Z>0情况

55 三、高斯光束的变换 1.高斯光束的复曲率半径 q ( z ) R ( z ) πω ( z ) πω 0 2 λ πω 0 2 λ
λ = − i λ πω 0 2 λ − i q 0 R ( 0 ) πω 0 = q 0 = i 2 πω 0 2 λ + z = q 0 + z ——高斯光束q参数在自由空间中的传播规律 q ( z ) = i

56 2.高斯光束通过薄透镜的变换 q 2 R 2 πω 2 ⎝ R 1 F ⎠ πω 2 ⎝ R 1 πω 1 ⎠ F q 1 F
3.高斯光束通复杂透镜的变换 λ ⎛ 1 1 ⎞ λ ⎛ λ ⎞ = − i 2 = ⎜ − ⎟ − i 2 = ⎜ − i 2 ⎟ − = − Aq 1 + B Cq1 + D q 2 = ⎛ A B ⎞ M =⎜ ⎟ ⎝ C D ⎠ 为简单光学元件的光线变换矩阵

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58 四、高斯光束的聚焦 w 0 ' = ( f − l ) + ⎜ ⎟ ⎛ π w 0 2 ⎞ ⎝ ⎠ ⎜ λ ⎟ 2 ⎜ λ ⎟
⎠ + i 2 π w 0 ⎞ 2 l ( f − l ) − ⎜ ⎟ ( f − l ) 2 + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ f ⎜ ⎟ ⎜ λ ⎟ ⎜ λ ⎟ ( f − l ) 2 + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎝ ⎠ q c = l c + F ⎛ π w 0 2 ⎞ 2 ⎛ π w 0 2 ⎞ 2 ⎜ λ ⎟ ⎜ λ ⎟ f 2 w 0 ( f − l ) + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 2 ( l − f ) f 2 (l − f ) + ⎜ ⎝ 2 l ' = l c = f + w 0 ' = ⎛ π w 0 ⎞ 2 ⎛ π w 0 2 ⎞ 2 2 ⎟ 2 2 ⎜ λ ⎟ ⎜ λ ⎟ ⎠

59 对于单透镜系统l=f时，ω ' 达到最大值 ω ' ≈ λ f
聚焦条件：短焦距透镜，束腰远离透镜 1.聚焦点位置 l ' ≈ F λ πω (l ) ω0 ' ≈ f ≈ ω0 l f 2.聚焦点尺寸 五、高斯光束的准直 对于单透镜系统l=f时，ω ' 达到最大值 ω ' ≈ λ f πω λ πω 0 ' ω θ 0 ' = f = 2 0 f 可利用倒置望远镜可实现激光光束的准直

60 压缩比 θ f ω (l ) λl πω0 2 M ' = = 2 θ0 '' f1 ω0 = M 1 +

61 计算合理 VCD头, He-Ne激光,ω0=1mm,距离透镜500mm,要求 聚焦后直径为10μm,求透镜焦距 ω ' = πω
2 ⎛ λz ⎞ ⎝ 0 ⎠ = mm ω ( z) = ω0 1 + ⎜ ⎟ ⎜ πω 2 ⎟ λ πω ω ' = f = 5 × 10 − 3 mm f = 25 mm << 500 mm 计算合理

62 υq = q R = δ v / v 稳频的必要性： 在精密计量中，通常以波长为基准， 测量精 度很大程度上决定于波长的精确程度 频率稳定度
§1.5 激光的稳频技术 稳频的必要性： 在精密计量中，通常以波长为基准， 测量精 度很大程度上决定于波长的精确程度 频率稳定度 频率再现性 S v = Δ v / v R = δ v / v 一、频率变化原因 c 2nL υq = q 温度、振动、大气

63 Lamb 下陷 :由于增益介质的增益饱和，在激光器的输出功
二、稳频方法 （一）被动稳频 （二）被动稳频 1.兰姆(Lamb)下陷法 Lamb 下陷 :由于增益介质的增益饱和，在激光器的输出功 率P和频率v的关系曲线上，在中心频率v0处输出功率出现 凹陷的现象

64 稳频原理 利用激光器的输出功率P和频率v的关系曲线上的凹 陷反应，在凹陷处输出功率随频率变化比较敏感，

65 1. A处,与激励信号,同频反相 2. B处,同频,同相 3. V 0 处,2倍频 以中心频率为标准频率,对中心频率的改变,无控制作用 经lamb稳频后,He-Ne激光的频率稳定度可达10 -9

66 2. 饱和吸收法 装置示意图 特点: 频率稳定度高可达10-11 增益、吸收曲线

67 3. 塞曼(Zeeman)效应法 塞曼效应:原子能级在磁场作用下发生分裂的现象 双频激光器:由塞曼效应制成的激光器 频率

68 激光的主要应用领域 • … 信息光电子技术 • 激光加工与热处理 • 激光医疗与生物技术 • 激光测量、计量与检测技术 •
激光物理（非线性光学、超快光子技术等） 激光化学 • • 激光分离同位素 激光核聚变 激光武器 • • • …

69 光通信：用光纤（线）中的光子流代替电线中的电子流来传输信息
信息光电子技术的主要内容 光通信：用光纤（线）中的光子流代替电线中的电子流来传输信息 优点：频带宽--目前一对商用光纤可传24 万路电话（20 千兆比特/秒） 一条20芯（10对光纤）光缆可传240 万路电话， 相当于两个240 万人口的城市间每人有一条专用电话线。 传输衰减小--中继站距离可长达几百公里 光盘存储： 用激光束（针）代替唱针在光盘上存储和读出信息 优点：存储密度高--在一张直径12厘米的光盘上可以存储数千兆比特 的数字信息( DVD-ROM)或四小时左右的高质量电影(DVD) 可擦除，可重录----代替磁盘和录象带。 光显示： 平板全彩色或激光彩色大屏幕电视机。 以发光二极管（LED）或光纤端点为象素的特大彩色显象屏幕 光传感：用光纤或光束作为敏感元件来感知，测量和获取各种信息。 例：光纤陀螺----测量角速度和方位。 优点：灵敏度高, 抗电磁干扰和辐射 光输入输出设备：激光打印机，复印机，条码扫描器等

70 促成信息光电子技术产业化的两个技术创新 双异质结半导体激光器 光导纤维
早期同质结半导体激光器在77K下工作 阿尔菲洛夫（Zhores I. Alferov）和克罗默尔（Herbert Kroemer） 提出了双异质结半导体激光器的新构思，他们为此获得2000 年诺贝尔物理学奖 1970 年，贝尔实验室的潘尼希（ Morton Panish ）和哈亚希 （ Izuo Hayashi）成功的实现了双异质结半导体激光器在室温 连续工作 光导纤维 1966 年，高锟（ Chals Gao ）和霍克哈姆（ George Hockham） 预言了基于光全反射原理的光导纤维来传输光的可能性 1970 年，康宁公司的柯克（ Donald Keck ）、舒尔兹（Peter Schultz）和毛瑞尔（Robert Maurer）实现了高锟和霍克哈姆 的预言并开发出实用的光纤产品

71 激光显示 重庆三峡广场----水幕激光 Video

72 激光陀螺仪

73 激光焊接、切割、打标、表面处理 和工业机器人结合，为未来的制造业提 供先进的、精密的、灵巧的特殊加工工 具 Video1 Video2
激光加工与热处理 激光焊接、切割、打标、表面处理 和工业机器人结合，为未来的制造业提 供先进的、精密的、灵巧的特殊加工工 具 Video1 Video2

74 激光眼科治疗

75 激光美容 激光嫩肤 激光去斑 激光脱毛 激光点痣 激光嫩肤 激光脱毛 激光去斑 激光点痣

76 激光精密测量 从开始有测量的时间起，才开始有科学。没有量度，精密科学就没有意义。 ——门捷列夫 黄钟律管 黄钟律管 累黍造尺 累黍造尺

77 米定义的三次变更

78 米定义的复现 一、飞行时间法 一、飞行时间法 二、真空波长法 二、真空波长法 三、稳频激光器 三、稳频激光器

79 飞秒激光的典型应用——微纳米加工

80 纳米牛 Ti:S 780nm, 150fs, 76MHz 1.4NA 高倍显微物镜聚焦
SCR500 resin ( JSR, Japan ) + urethane acrylate (尿脘丙 烯酸脂） 光聚合分辨率 120nm 牛尺寸 10μm ×7μm Nature, Vol. 412, （ H.B. Sun et al ) )

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82 纳米弹簧 a. 原始状态b. 伸展状态c. 阻尼振荡恢复曲线

83 功能器件 匈牙利科学院Peter Galajda ，A.P.L, vol.78, 2001

84 飞秒高速摄影 光源：飞秒激光 时间分辨率：163ns 重复频率：6.1MHz 快门速度：440ps

85 Video1 Video2

86 激光核聚变 磁约束核聚变 惯性约束核聚变 托卡马克 激光核聚变 粒子束核聚变 电流脉冲核聚变 可控核聚变

87 激光核聚变的四个阶段

88 er s a L 直接利用高度集中的激光能量对敌人和敌人的 武器进行杀伤、破坏的武器。 特点： 1）不需计算弹导，“指哪打哪”。
激光武器 直接利用高度集中的激光能量对敌人和敌人的 武器进行杀伤、破坏的武器。 特点： 1）不需计算弹导，“指哪打哪”。 2）不需计算提前量，“说时迟，那时快”。特 别适合攻击高速运动的目标。 3）无后座之扰； 4）不受电子干扰。 局限： 受天气影响，云雾、雨雪都有是 er s a L 激光难以逾越的障碍。

89 前西德 高能激光防空坦克 激光束 聚焦、光学 跟踪系统 目标探测器 高 发散角0.01毫弧 能 度，跟踪精度1’’ 激 发射望远镜直径
升降机 高 能 激 光 束 发散角0.01毫弧 度，跟踪精度1’’ 发射望远镜直径 1m。安装在15米 高的望远镜上。 激光排 气 / 热 激光器 据称可破坏 10 公 里外的低空直升 激光燃料箱 飞机的蒙皮和 20 公里远的红外制 导导弹和光学传 感器 前西德 高能激光防空坦克

90 §1.6 激光调制技术 一、光调制的基本概念 把欲传输的信息加载到激光辐射的过程称为激光调制，把完 成这一过程的装置称为激光调制器。
激光起到携带低频信号的作用，所以称为 载波 调制的激光称为 已调制波或 已调制光 激光调制可分为: 内调制和 外调制 内调制指在激光振荡过程中加载调制信号，即以调制信号的 规律去改变激光振荡的参数，从向改变激光的输出特性。 外调制是指在激光形成以后，再用调制信号对激光进行调 制，它不改变激光器的参数，们是改变已经输出的激光参 数(如强度、频率、位相等)。

91 设激光瞬时电场强度为 E (t ) = A0 cos(ω0t + ϕ )
则瞬时光强度为 设调制信号为 I (t ) ∝ E 2 (t ) = A0 2 cos2 (ω0t + ϕ ) a(t ) = Am cos(ωmt ) 幅值调制 E A ( t ) = A 0 (1 + M cos ω m t ) cos( ω 0 t + ϕ ) 强度调制 A 0 2 2 I ( t ) = (1 + M I cos ω m t ) cos 2 ( ω 0 t + ϕ ) 频率调制 E F ( t ) = A 0 cos( ω 0 t + M F sin ω m t + ϕ ) 相位调制 EP (t ) = A0 cos(ω0t + M P sin ωmt + ϕ )

92 电光效应：某些材料在外加电场的作用下，其折射率发生变化
二、电光调制 (一)电光调制原理 电光效应：某些材料在外加电场的作用下，其折射率发生变化 沿z轴加电压，晶体主轴x、y、 z变为x’、y’、z，即坐标系沿z 轴转45º KDP 1 3 n x = n o − n o γ 63 E Z 2 n ' y = n o + n o γ 63 E Z 沿x方向振动的线偏振光通过长度为 L的晶体产生的相位差为 ' 1 3 2π λ 2π λ 2π λ Δ ϕ = (n'y − nx ) = ' noγ 63 EZ L = 3 noγ 63V 3

93 一般把引起π相位差的电压 称为半波电压，Vπ或者
线性电光效应（Pockels效应） 相位差Δφ与所加电压V成正比的电光效应 一般把引起π相位差的电压 称为半波电压，Vπ或者 Vλ/2表示 V λ = λ / (2 n o γ 63 ) 3 (二)电光调制器 1.电光强度调制器

94 光强透过率 2.电光位相相位调制 2 Δϕ T = sin λ π 2 πV ⎡ 2π 1 3 ⎤ E (t ) = A cos ⎢ωt −
Δϕ = + π π V 1 ⎡ πV ⎤ 1 ⎡ πV ⎤ T = sin 2 ( + Vπ ) = ⎢1 + sin( m sin ωmt )⎥ ≈ ⎢ m sin ωmt ⎥ (Vm << Vπ ) 2 ⎣ Vπ ⎦ 2 ⎣ Vπ ⎦ 2.电光位相相位调制 ⎡ 2π ⎤ E (t ) = A cos ⎢ωt − (n0 − no γ 63 Am sin ωmt )l ⎥ ⎣ λ 2 ⎦

95 三、 声光调制 Raman-Nath声光衍射 Bragg衍射

96 四、 磁光调制 原理: 法拉第旋光效应:线性偏振光经过磁性介质后,投射光偏振方向 会发生偏转 LH rf φ(t)=φs sin ωt
四、 磁光调制 原理: 法拉第旋光效应:线性偏振光经过磁性介质后,投射光偏振方向 会发生偏转 LH rf H DC φ(t)=φs sin ωt

97 五、电源调制/直接调制 定义: 直接将调制信号加载于激光电源，从而使激光器发射的激 光强度或激光脉冲参数随调制信号而变化的调制，称为电
源调制成直接调制

98 六、干涉调制 迈克耳逊干涉仪调制光强