视频公开课《走近物理学》第六讲

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主讲人程庆华教授主讲人程庆华教授

神奇的激光

神奇的激光

舞台艺术—绚丽多彩的激光表演舞台艺术—绚丽多彩的激光表演

激光全息照相激光测距

激光通讯

激光切割

激光的广泛应用激光的广泛应用

激光信息存储

激光武器—机载激光雷达系统

神奇的激光

第一台激光器于 1960 年诞生于美国；激光（ Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation ）的英文原意为“受激辐辐射的光放大”，英文缩写为“ Laser” ；最初的中文名称为英文音译“镭射”； 1961 年，钱学森先生建议将其中文名称命名为“激光”。

什么是“受激辐射”？问题？问题？

神奇的激光

从爱因斯坦的受激辐射谈起

庞大的激光器家族

激光的神奇特性

激光应用的现在与未来

激光的诞生


1 原子结构和能级1 原子结构和能级

物质的微观结构物质分子原子

原子中的正电荷和原子的质量均匀地分布在半径为的球体范围内，电子浸于其中 .m10 10

1903 年，汤姆孙提出原子的“葡萄干蛋糕模型” .

原子原子核 + 电子

原子核和电子以怎样的结构构成了原子？

原子核和电子以怎样的结构构成了原子？


电子轨道

核由质子和中子组成

卢瑟福的原子行星模型

原子的中心有一带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，电子围绕这个核旋转，核的尺寸与整个原子相比是很小的 .

卢瑟福


由经典电磁理论，电子绕核作匀速圆周运动，作加速运动的电子将不断向外辐射电磁波，发射光谱应是连续谱。与氢原子的线状光谱不相符！

v

F

r e

e 由于原子总能量逐渐减小，原子将不稳定。与原子是稳定的不相符！

e

e

原子行星模型的成功和困难成功解释了粒子散射实验解释了许多电学实验和化学现象 .

怎样解决这两大困难？怎样解决这两大困难？怎样解决这两大困难？怎样解决这两大困难？

带电谐振子的能量只能取分立值其中是频率为的谐振子的最小能量，为普朗克常数。（提出了能量量子化的概念）

3,2,

h h


2 普朗克和爱因斯坦辐射的量子理论

普朗克关于黑体辐射的两条假设

黑体由带电谐振子组成，电磁辐射由这些谐振子的振动产生。（这和经典电磁辐射理论一致）

普朗克


普朗克能量子假设的意义

成功解释了黑体辐射实验的频谱分布 .

打破了经典物理认为能量是连续的概念，导致了量子力学的建立，开创了物理学的新时代 .

电磁辐射由“光量子（简称光子）”构成 .


每个光子具有普朗克假定的能量元，其中 h 为普朗克常数，为辐射的频率 .

hε

爱因斯坦关于电磁辐射的两条假设

爱因斯坦光量子理论的巨大成功

成功解释了光电效应的实验，认识到光的本性具有“波粒二象性” .

爱因斯坦


3 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论

1913 年玻尔在卢瑟福原子行星模型的基础上，将普朗克量子化概念应用于原子系统，提出三条假设

(2) 频率条件(1) 定态假设

(3) 量子化条件玻尔

电子在原子中可以在一些特定的园轨道上运动而不辐射电磁波，这时原子处于稳定状态，简称定态 .

(1) 定态假设

与定态对应的能量分别为 E1 ， E2 ， E3 … ，

E1 < E2< E3

+E1

E3


(2) 频率条件

fi EEh

(3) 量子化条件

Ef

Ei

发射吸收

π2

hnrmL v

主量子数,,, 321n


第 n 轨道电子总能量

由此可以计算氢原子轨道半径和能量轨道半径

22

20

πn

me

hrn

)321( ,,,n


2220

4 1

8 nh

meEn

)321( ,,,n

( 电离能 )220

4

1 8 h

meE

eV 6.13

基态能量

21 nEEn 激发态能量 )1( n


1n 时对应的定态称为基态

1n 时对应的定态称为激发态


氢原子的模型和能级

-13.6 eV

-3.40 eV

-1.51 eV

-0.85 eV

-0.54 eV

0

n=1

n=2

n=3

n=4n=5

n=


玻尔理论的成功与困难

无法解释比氢原子更复杂的原子 .

对辐射谱线的强度、宽度、偏振等一系列问题无法处理 .

成功解释了氢原子的线状光谱建立了原子的量子模型，把电磁辐射的频率与原子的两个定态能量差联系起来，给出了电磁辐射的能量量子化图像。

量子力学的建立解决了这些问题！

量子力学的建立解决了这些问题！


4 受激辐射4 受激辐射

吸收（受激吸收）发射（自发辐射、受激辐射）

原子吸收外来的光子，从低能级 E1跃迁到高能级 E2 的过程称为吸收过程，也称为受激吸收。E1

E2

☻ 吸收

辐射（发光）过程

特点：必须有外来光子激励，且 .12

h

EE

在没有外来光子的情况下，处在高能级 E2 的原子总会以一定的概率自发地向低能级 E1跃迁，同时辐射出一个光子，这种过程称为自发辐射 .


特点：自发辐射是一个随机过程，所发射光子（光波）的传播方向、位相、偏振状态均不相同 .E1

E2

.12

h

EE 发射光子的频率

☻ 自发辐射

☻ 受激辐射


1916 年爱因斯坦提出了“受激辐射”的概念，预测到光可以因产生受激辐射而放大，奠定了激光的理论基础。

爱因斯坦


在外来光子的激励下，处在高能级 E2 的原子向低能级 E1跃迁并发射光子，这种过程称为受激辐射 .

E1

E2

受激辐射产生的光放大，就是激光（ Laser ）

特点：（ 1 ）一个光子激发，辐射两个光子；（ 2 ）辐射的光子与外来光子完全一样（即频率、位相、偏振状态、传播方向完全相同）

条件：受到外来光子的激发其频率为

h

EE 12


在外来光子的激励下，处在高能级 E2 的原子向低能级 E1跃迁并发射光子，这种过程称为受激辐射 .

E1

E2

特点：（ 1 ）一个光子激发，辐射两个光子；（ 2 ）辐射的光子与外来光子完全一样（即频率、位相、偏振状态、传播方向完全相同）

条件：受到外来光子的激发其频率为

h

EE 12

激光的诞生还需要什么条件？问题？问题？

光物理的基础研究预言了激光器的诞生

19世纪的科学家们进行了关于物质结构和电磁辐射的卓越研究19世纪的科学家们进行了关于物质结构和电磁辐射的卓越研究

1905 年爱因斯坦提出了光量子概念，揭示了电磁辐射的波粒二象性 1905 年爱因斯坦提出了光量子概念，揭示了电磁辐射的波粒二象性

1916 年爱因斯坦提出了受激辐射的概念1916 年爱因斯坦提出了受激辐射的概念

1900 年普朗克提出了能量子的概念 1900 年普朗克提出了能量子的概念

激光器诞生的理论基础

激光的诞生

1 有能造成粒子数反转的激活介质

高能级 E2上的粒子数 N2 大于低能级 E1上的粒子数

N1

高能级 E2上的粒子数 N2 大于低能级 E1上的粒子数

N1

激光的诞生

2 实现粒子数反转

3 获得方向单一和单色性很好的强光光束

——需要选择合适的工作物质

—— 通过光学谐振腔实现

——需要激励能源（光源或电源）

产生激光的三个必要条件

激光器诞生的实验基础

激光的诞生

1 精密加工（光学谐振腔的制作）

2 光学加工（光学镀膜、光学装调）

3 电子技术（激光电源、控制电路）等等

激光器诞生涉及的技术

基础理论研究实验研究技术支撑

使激光器的诞生呼之欲出

激光的诞生

1954 年汤斯、巴索夫与普罗霍洛夫几乎同时研制出微波受激辐射器 (Maser)


汤斯与脉泽装置

激光的诞生



1957 年和 1958 年汤斯提出激光器的工作原理和设计方案1957 年和 1958 年汤斯提出激光器的工作原理和设计方案

1960 年美国科学家梅曼研制出第一台激光器1960 年美国科学家梅曼研制出第一台激光器

梅曼和他的第一台激光器

激光的诞生





我国的第一台激光器于 1961 年在长春光机所创制成功我国的第一台激光器于 1961 年在长春光机所创制成功

激光器走向新技术的开发和工程应用阶段激光器走向新技术的开发和工程应用阶段

激光的诞生





我国的第一台激光器于 1961 年在长春光机所创制成功我国的第一台激光器于 1961 年在长春光机所创制成功

激光器的种类有多少？问题？问题？

庞大的激光家族

1 半导体激光器

2 气体激光器

3 固体激光器

4 其他激光器


2 气体激光器

3 固体激光器

4 其他激光器

目前比较成熟和应用较为广泛的激光器主要有下列类型



半导体材料作为激活介质。

http://info.laser.hc360.com/HTML/001/001/11661.htm


特点：可以通过外加电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能。

优势：体积小、重量轻、寿命长、结构简单

因此特别适于在飞机、军舰、车辆、宇宙飞船上和光纤通信中使用。


半导体材料作为激活介质。


2 气体激光器

气体激光器以气体为激活介质（氦 -氖激光器、二氧化碳激光器、氩离子激光器等）


特点和优势：单色性和相干性好，波长可达数千种

因此应用广泛，如医疗、美容、建筑测量、准直指示、照排印刷、激光测距、激光雷达、教学等。

2 气体激光器

气体激光器以气体为激活介质（氦 -氖激光器、二氧化碳激光器、氩离子激光器等）


3 固体激光器

通常以固态基质中掺入少量激活元素作为激活介质。

特点和优势：小而坚固，脉冲辐射功率较高。因此可应用于各种材料的加工、医疗和军事上。

钛宝石飞秒激光器 YAG倍频激光器


4 其他激光器

染料激光器（激活介质为液体）

随机激光（激活介质为随机增益介质，如半导体粉末、胶体溶液等）

特点：与其他激光不同的是不需要谐振腔


自由电子激光器

北京自由电子激光加速器部分


http://

gjss.ndrc.gov.cn/

cxtx/cxlt/

t20061027_90531.h

tm

上海光源（ SSRF ）国家重大科学工程国家 973项目“基于超导加速 SASE自由电子激光的关键物理及技术问题研究”



特点：产生机理不同于受激辐射，而是通过自由电子和辐射的相互作用来产生。

优势：频率连续可调，频谱范围广，峰值功率和平均功率大，相干性好，偏振强，时间结构可控。

原子核工程是自由电子激光器应用最有前途的领域之一。


激光为什么会有这么好的发展和应用前景？问题？问题？


1 单色性好

2 方向性好

3 相干性好

4 亮度极高

1 单色性好

2 方向性好

3 相干性好

4 亮度极高

激光的神奇特性主要表现在下列方面


单色性最好的氪（）灯，86Kr nm3107.4

稳频 He — Ne 激光器， nm910

激光的单色性比普通光高倍 .1010

白光 nmnm 360)400760(~

1 单色性好1 单色性好


基本沿某一条直线传播，通常发散角限制在10-6 球面度量级的立体角内 .

手电筒的光射到 ~m处，扩展成很大的光斑；激光射到 ~38 万 km 的月球上，光斑的直径只有~2km

1 单色性好1 单色性好2 方向性好2 方向性好


空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。

时间相干性好，普通光的相干长度约为激光的相干长度可达几十千米。

m1010 13


2 方向性好2 方向性好

3 相干性好3 相干性好


能量集中、脉冲瞬时功率大（达10 14瓦）、亮度极高。太阳表面的亮度比白炽灯大几百倍，一毫瓦氦氖激光是太阳亮度的 100倍，固体激光器可以是太阳亮度的 100亿倍。


2 方向性好2 方向性好

3 相干性好3 相干性好

4 亮度极高4 亮度极高


1 工农业生产2 信息技术3 舞台艺术4 医学 5 军事6 科学研究7 激光技术应用的未来

1 工农业生产2 信息技术3 舞台艺术4 医学 5 军事6 科学研究7 激光技术应用的未来

激光广泛的应用领域


1 激光在工农业生产中的应用۞ 在农业生产中的应用

选种育种 — 用激光照射种子能够诱发突变和遗传变异灭虫除害 — 用激光照射种子可以消毒和灭菌，预防作物病虫害

育苗助长 —用激光和水培法相结合，育苗和栽种水稻获得好收成… …


1 激光在工农业生产中的应用

激光加工切割 — 可以进行精确的切割和表面改性，如集成电路划片、艺术品雕刻、商品标记等精细加工等；

۞ 在工业生产中的应用

激光雕刻

激光刻标


激光加工切割 — 可以进行精确的切割和表面改性，如集成电路划片、艺术品雕刻、商品标记等精细加工等；

钻孔 — 激光钻孔有不受加工材料的硬度和脆性的限制、速度异常快、孔面微小、十分整齐光洁的特点。可以加工钻石，进行快速微钻孔等；

1 激光在工农业生产中的应用۞ 在工业生产中的应用

激光微钻孔

激光打孔


激光加工焊接 — 汇聚高能量将大块硬质材料焊接到一起


大型激光焊接设备在武钢的现场应用

高能激光产生大约的高温将大型硬质材料焊接到一起

C5500


激光加工焊接 — 汇聚高能量将大块硬质材料焊接到一起淬火其他… …

2005 年 2月，华工激光生产的高性能数控激光切管机成功进入美国市场， 2005 年 5月，销往澳洲市场


数控激光切管机


激光加工焊接 — 汇聚高能量将大块硬质材料焊接到一起淬火其他… …


昆钢 CO2 激光毛化成套设备现场


信息存储（激光光盘）、激光全息、光学图像信息处理、激光照排、激光打印、激光显示等，提供了全新的多样化的信息服务。

信息技术包括信息的产生、发送、传输、处理、探测、存储、显示等许多方面，激光在这些方面均有广阔的应用。

۞ 在信息技术领域的应用2 激光在信息技术领域中的应用


利用激光来有效地传送信息的方式主要有三种：

（ 1 ）“有线”光纤通信；（ 2 ）“无线”大气激光通信；（ 3 ）“深空”激光通信。

特点：通信容量大、质量高，保密性好，抗干扰性强。

布满全球的光纤网，加上卫星通信网，形成了信息高速公路的基础。

2 激光在信息技术领域中的应用۞ 在通信领域的应用


激光颜色纯正、色彩丰富和极高的发光强度，可以将艺术殿堂装扮得更加富丽堂皇。借助激光“人工制造”的景观，比海市蜃楼还要神奇奥妙，如梦似幻。

2008 年北京奥运会开幕式和 2010 年上海世博会开幕式均采用了大型激光表演，其绚丽多彩、神奇美妙的效果令人们至今难以忘怀。

3 激光在舞台艺术中的应用


☻ 激光手术

准分子激光手术治疗近视

4 激光在医学领域中的应用


☻ 激光手术☻ 激光治疗牙病☻ 激光美容

… …

4 激光在医学领域中的应用


☻ 激光测距 ☻ 激光雷达 ☻ 激光制导

☻ 激光武器：低能激光武器；高能激光武器；

☻ 激光瞄准☻ 激光引信

……

5 激光在军事领域中的应用


☻ 精密计量

稳频激光器有望统一两种计量基准

频率作为时间基准

输出波长作为长度基准

6 激光在科学研究领域中的应用


☻ 精密测量

良好的方向性作为非常好的准直线

精密的长度测量 — 测量小孔径，细丝、微粒直径

精密的时间测量



☻ 激光与介质相互作用时的非线性效应成为重要的研究领域

受激拉曼散射自聚焦热晕光学和频与倍频相干瞬态光学效应

等产生的条件、特性、机理

……



☻ 激光的应用以及提供的研究手段，拓宽了物理学的研究范围，促进了物理学的发展

超短、超强激光的研究将为这些领域提供新的手段和极端条件

相对论非线性物理天体物理宇宙学等

……



☻ 1995 年利用激光冷却的方法，在实验室实现了爱因斯坦 1926 年预言的 Bose-Einstein凝聚 21世纪， IT、仪器、计算机将进入量子境界， Bose-Einstein

凝聚态是其开始。☻ 美籍华人朱棣文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。

朱棣文



☻ 激光还在物理学与其他学科交叉的科学研究领域中发挥了巨大的作用

化学物理学（例如超短脉冲激光器成为分子化学键裁剪的剪刀）生物物理学（例如以激光为手段的分子雷达成为生命活细胞研究的工具）

……



☻ 设计生物品种☻ 同位素的辨认和分离 ☻ 受控核聚变 ☻ 地震预报 ☻ 油气钻井

……

7 激光技术应用的未来


激光的诞生标志着人类对光的掌握和利用进入了一个新的阶段。人类不仅发明了激光，更重要的是将激光技术与其他科学技术相结合，极大地推动了各行各业的现代化进程。如今激光技术在现代科技之林中已牢牢确立了其不可动摇和无法取代的地位，并将在工业、农业、医疗卫生、信息工程、通信、军事、科研等方面得到了更加广泛的应用，推动人类社会向前发展。

谢谢谢谢

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