第1章陈鹤鸣激光原理

空间相干性的演示
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4. 高亮度
亮度：光源的明亮程度，主观量
光源在单位面积、单位频带宽度、单位立体角内发射的光功率 单色亮度：
P B S
空间高度集中：单色亮度比太阳表面高 1010 倍。
时间高度集中：功率峰值可达1015瓦。 普通光源如太阳、日光灯等的发散角都很大，光谱范围很 宽，能量分散，所以，尽管某些光源如太阳发出的光总功率 很高，但单色亮度仍很小 。
4. 激光在生物医学领域的应用 激光技术为医学诊断和疾病治疗提供了新方式：激光手 术刀、视网膜凝固治疗、激光美容、OCT、激光荧光光谱诊 断等。 从激光基因测序到激光显微镜，激光技术的进步极大地 推进了生物学基础研究。激光问世不久就进入细胞遗传学领 域，利用激光可聚焦成微米或纳米级光斑的特点，可以进行 显微细胞外科手术、测量人体DNA分布、基因转移、DNA裁 剪和基因定位、促进 DNA合成、细胞融合等。在酶工程和发 酵工程等生物技术中，激光也得到了重要应用。
激光原理及应用
参考书： 1. 《激光原理》（第6版），周炳焜，国防工业出版社 2. 《激光技术》（第3版），蓝信钜，科学出版社
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1.1 激光发展简史
1 爱因斯坦的理论贡献 1917年，爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用时，提出光的受激辐 射的概念，从理论上预见了激光产生的可能性，但未受到重视。 2 激光的发明与发展 （1）1954年发明了氨分子微波振荡器——一种在微波波段的受激辐射放大 器（ Microwave amplification by stimulated emission of radiation ，缩写为 Maser），利用电磁波与束缚电子作用实现放大，但采用封闭腔体。 （2）汤斯和贝尔实验室的肖洛于1958年在《物理评论》杂志上发表了题为 《红外和光学激射器》的论文，提出开放式谐振腔概念。
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5. 激光在国防科技领域的应用
激光作为武器在军事上应用的形式千变万化，但是基本 上可以分为三个主要部分：追踪、寻的系统（即正确判定攻 击目标的位置和性质的系统）；发射实施摧毁性打击的高能 激光系统；辅助的控制和通信系统。
激光摧毁导弹
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激光制导
激光武器是利用高能量密度激光束代替子弹的新型武器， 是武器装备发展历程中继冷兵器、火器和核武器等之后又一 个重要里程碑。它以光束作战的迅速反应能力，外科手术式 杀伤的高效作战方式。以及特别适合于反卫星和破坏敌方信 息系统，使其成为新一代主战兵器。
测量的量程与单色性有关，为 Lc / 2
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【空间相干性】
空间相干性描述垂直于光束传播方向的波面上各点之间的 相位关系，指光场中不同的空间点在同一时刻光场的相干性， 可以用相干面积来描述： 2 —光束平面发散角 S( )

对于普通光源，只有当光束发散角小于某一限度，光束才 具有明显的空间相干性。 对于激光来说，所有属于同一个横模模式的光子都是空间 相干的，不属于同一个横模模式的光子则是不相干的。
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梅曼的红宝石激光器
我国研制的红宝石激光器
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1.2 激光的特性 1. 高方向性
平面发 散角
由于谐振腔对光振荡方向的限制，激光只有沿腔轴方向受激辐射才能 振荡放大，所以激光束具有很高的方向性。
激光光束发散角在毫弧度量级，激光的高方向性使其能长距离传输， 能聚焦很小，提高功率密度。各种激光器的发散角见表1.1 发散角受到衍射极限的限制。
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2. 单色性好
激光由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，单色性可表示为

单色型最好的普通光源氪同位素86， / 106

或

氦氖激光器， / 1010 ~ 1013
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3. 相干性好 相干条件：振动方向相同、频率相同、相位差恒定。
激光：相干光
普通光源：非相干光
本振 Байду номын сангаас光器
相干光通信系统框图
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2. 激光在信息领域的应用 激光在信息领域的应用，除了以激光为信息载体将声音、 图像、数据等各种信息进行传输的激光通信之外，还包括通 过激光将信息进行存储，以及通过激光将信息打印或显示出 来等等。 3. 激光在工业领域的应用 激光的高单色和高亮度，使它成为精密计量的一种十分 有效的工具。又由于激光单色性好、发散角小，能够在透镜 的焦点处聚焦成高功率的光斑，高功率激光集中在物体上的 某一点，便可对被物体进行高温加热、切断、焊接及熔覆等 加工。激光还可以对材料进行非接触式处理或探测。因为没 有表面接触，不会产生由探测射线所引起的污染，也不会引 起器具边缘的磨损，而扫描性好的特点又使其可在大面积范 围内进行工作。 14
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6. 激光在科学技术前沿问题中的应用
光谱分析是研究物质结构的重要手段，激光技术与经典光 谱学相结合形成的激光光谱学，具有频率、空间和时间上的 高分辩率，可以进一步揭示物质的微观结构。 激光诱导的惯性约束核聚变是产生可控核聚变的一种途径。
激光束照亮了超微世界，它呈现的超快或超窄脉冲（时间 域）帮助人们了解微观世界中的原子、分子结构。
激光可以作为光学镊子应用于分子生物学领域中对微生物、 染色体、细胞等微粒的操作。
激光化学也是激光的重要应用领域。
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普通光源是发光中心的自发辐射过程，不同发光中心发出 的波列，或同一发光中心在不同时刻发出的波列相位都是随 机的。 激光是通过自发辐射过程形成的，每个光子的运动状态 都相同。
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普通光源——自发辐射——相干性差 激光——受激辐射------相干性好 【时间相干性】 时间相干性描述沿光束传播方向上各点的相位关系，或 指光场中同一空间点在不同时刻光波场之间的相干性。
（3）1960年5月，美国休斯公司实验室从事红宝石荧光研究的梅曼研制成 了世界上第一台红宝石固体激光器（波长694.3nm）。
随后，各种类型的激光器层出不穷，激光技术迅速发展。
1960年12月研制氦氖激光器，1962年半导体激光器，1964二氧化碳激 光器，1965年YAG激光器。 2
与此同时，选频、稳频、调制、调Q、锁模等各种激光技术也相继出现。
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1.3 激光应用简介
1. 激光在通信领域的应用 光纤中传送的是一系列经过编码的激光脉冲。 光纤的优越性： •通信容量大 •通信质量高 •保密性好
•成本低
光纤通信系统：光发射器、光纤放大器、光探测器
关键技术：光纤技术、激光器
光纤通信用光源： 短距离通信用0.85um； 长距离通信用1.31um，1.55um
1 相干时间和单色性之间关系： tc =
3. 相干性好
相干长度指可以使光传播方向上两个不同点处的光波场 具有相干性的最大空间间隔，即光源发出的光波列长度 c Lc =t c c = 可见，单色性越好，相干时间和相干长度越长。单色性好 的气体激光器相干长度达几十公里。
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激光干涉测长仪的原理图
3 中国激光技术的发展 我国第一台激光器于1961年8月研制成功，是中国科学院长春光学精 密机械研究所王之江领导设计并和邓锡铭、汤星里等共同实验研制的，所 以中国光学界尊称王之江为“中国激光之父”。我国的红宝石激光器在结 构上与梅曼的有所不同，最明显的地方是，泵浦灯不是螺旋氙灯，而是直 管式氙灯，灯和红宝石棒并排地放在球形聚光器的附近。这是因为经过王 之江的计算，这样会比螺旋氙灯获得更好的效果。实践证明，这种设想和 计算是正确的，如今世界上的固体激光器大都是采用这种方式。 4 “激光”名称的由来 1964年10月，钱学森致信《受激光发射译文集》（即现《国外激光》） 编辑部），建议称为“激光”，同年12月，全国第三届光受激辐射学术会 议上，正式采纳了这个建议，从此，“ Laser” 的中文译名统一称为“激 光”。
激光空间通信、激光雷达等：激光在大气中传输。
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目前光通信的发展方向是全光网络，即信息从源节点到 目的节点能够实现全光透明传输的网络。全光网中的网络节 点在光域中处理信息、交换、路由等都在光域完成。
单模光纤 光载波 激光器 调制器 光匹配器
解调
中频放 大、滤波
光电 检测器
光匹配器
基带放 大、滤波
再生