激光簡史、發(fā)展與應(yīng)用

1、激光簡史、發(fā)展與應(yīng)用,激光簡史,什么是激光？LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation激光：受激輻射光放大,激光簡史,史前時(shí)代17世紀(jì)—對光的本性的探求：波動說：以一定方式沿空間傳輸?shù)牟▌舆^程，惠更斯、虎克；微粒說：以經(jīng)典方式運(yùn)動著的微小粒子，牛頓；19世紀(jì)：光的波動本性有了進(jìn)一步發(fā)展電磁場理論、麥克斯韋方程組,激光簡史,19世紀(jì)下半葉發(fā)

2、展起來的電磁場理論能夠解釋光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和雙折射等現(xiàn)象；然而到了20世紀(jì)初，出現(xiàn)了黑體輻射、原子線狀光譜、光電效應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)和康普頓散射等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這些涉及到光與物質(zhì)相互作用時(shí)能量與動量交換特征的就無法用當(dāng)時(shí)的經(jīng)典理論來解釋。,激光簡史,黎明前的黑暗1900年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎；1905年，愛因斯坦提出光子假說并成功解釋了光電效應(yīng)，并因此獲得1921年諾貝爾物

3、理學(xué)獎；,"in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta","for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of th

4、e photoelectric effect",激光簡史,1913年，玻爾借鑒了普朗克的量子概念提出了全新的原子結(jié)構(gòu)模型，并因此獲得1922年諾貝爾物理學(xué)獎；1917年，愛因斯坦在玻爾的原理結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了受激輻射理論，為激光的出現(xiàn)奠定了理論的基礎(chǔ)；1928年，Landenburg證實(shí)了受激輻射和“負(fù)吸收”的存在；,"for his services in the investigation of th

5、e structure of atoms and of the radiation emanating from them",激光簡史,1940年，V.A Fabrikant在其博士論文中提出了產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)方法，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是MASER/LASER產(chǎn)生的必要條件。,激光簡史,1947年，Lamb和Reherford在氫原子光譜中發(fā)現(xiàn)了明顯的受激輻射，這是受激輻射第一次被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Lamb由于在氫原子光譜研究方面的成績獲得

6、1955年諾貝爾物理學(xué)獎；1950年，Kastler提出了光學(xué)泵浦的方法，兩年后該方法被實(shí)現(xiàn)。他因?yàn)樘岢隽诉@種利用光學(xué)手段研究微波諧振的方法而獲得諾貝爾獎。,"for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum","for the discovery and development of optica

7、l methods for studying Hertzian resonances in atoms",激光簡史,1951年,Townes提出受激輻射微波放大，即MASER的概念。1954年，第一臺氨分子Maser建成，首次實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，其主要作用是放大無線電信號，以便研究宇宙背景輻射。Townes由于在受激輻射放大方面的成就獲得1964年諾貝爾物理學(xué)獎。,"for fundamental work in t

8、he field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle",激光簡史,突破1956年Nicolaas Bloembergen在哈弗大學(xué)提出了固態(tài)微波激射器的概念， 于1956年10月在Physical Review上發(fā)表了

9、一片又決定意義的文章，第一臺成功的設(shè)備幾個(gè)月后在Bell實(shí)驗(yàn)室研制出來。 1958年Schawlow和Townes在Physical Review Letters 上發(fā)表論文“Infrared and Optical Maser”，標(biāo)志著激光作為一種新事物登上了歷史舞臺。,激光簡史,1959年，Gordon Gould 發(fā)表論文“The LASER: Light Amplification by Stimulated Emission

10、 of Radiation”，這是LASER這一術(shù)語第一次被提出。1960年5月，休斯實(shí)驗(yàn)室的Maiman和Lamb共同研制的紅寶石激光器發(fā)出了694.3nm的紅色激光，這是公認(rèn)的世界上第一臺激光器。,激光簡史,1960年年中，IBM實(shí)驗(yàn)室的Sorokin和Stevenson利用CaF2中的三價(jià)鈾制成了第一臺四能級固體激光器；1960年12月，BELL實(shí)驗(yàn)室的Javan，Bennett和Herriott制成了第一臺氦氖氣體激光器；,

11、激光簡史,1961年，Elias Snitzer 報(bào)道了第一臺釹玻璃激光器成功出光。這種激光器成為了激光武器研究的第一種候選方案，現(xiàn)在被作為可控核聚變的主要候選光源；1961年: P. A. Franken, A.E. Hill等人將紅寶石激光器發(fā)出的光脈沖通過石英晶體，將紅光變成了綠光，成功的演示了諧波產(chǎn)生的非線性光學(xué)效應(yīng)，這是高效非線性光學(xué)的首次實(shí)驗(yàn)演示。1962年，第一臺釔釹石榴石(YAG)激光器在BELL實(shí)驗(yàn)室誕生

12、，這種激光器現(xiàn)在在材料加工等各種領(lǐng)域仍然發(fā)揮著不可替代的作用。,激光簡史,1962年，GE、IBM和MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的研究小組幾乎同時(shí)報(bào)道了砷化鎵（GaAs）激光器；1962年，F(xiàn). J. McClung 和R. W. Hellwarth研發(fā)了激光器調(diào)Q技術(shù)，從而使激光器能發(fā)出高單脈沖能量的短脈沖；1962年，美國的4個(gè)研究小組幾乎同時(shí)報(bào)道了研制成功能夠在液氮冷卻條件下脈沖工作的半導(dǎo)體激光器，這是在光通訊、光存儲和光學(xué)泵浦等

13、重要領(lǐng)域走出的具有里程碑意義的 一步；,激光簡史,1963年，Herbert Kroemer和Rudolf Kazarinov、Zhores Alferov的團(tuán)隊(duì)獨(dú)立的提出了利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)造半導(dǎo)體激光器的思路，這一工作使得他們獲得了2000年的諾貝爾物理學(xué)獎。 1964年，C. K. N. (Kumar) Patel研制了第一臺CO2激光器；1964年，William B. Bridges研制了第一臺離子激光器；,激光簡史,19

14、64年，J. E. Geusic、H. M. Marcos和L. G. Van Uitert研制了第一臺摻釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）固體激光器，這是現(xiàn)在被應(yīng)用于切割、焊接、光學(xué)應(yīng)用和非線性光學(xué)領(lǐng)域用途最廣的激光器；1964年，C. J. Koester和E. Snitzer研制了第一臺摻釹光纖放大器。光纖放大器現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于光通訊和高能激光器中。1964: Arno Penzias和Robert Wilson利用MAS

15、ER作為放大器觀察3K的宇宙背景輻射，從而證明了Big Bang Theory。他們因此獲得了1978年諾貝爾獎。,激光簡史,1965年，Anthony J.DeMaria, D. A. Stetser和H. A. Heynau報(bào)道了第一臺利用釹玻璃激光器和飽和吸收器產(chǎn)生皮秒級脈沖的激光器。1965年，George C. Pimentel和Jerome V. V. Kasper 研制了第一臺化學(xué)激光器；1965年，Peter Sor

16、okin和John R. Lankard 研制了第一臺生物染料激光器，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用在超快光學(xué)和光譜學(xué)領(lǐng)域；,激光簡史,從1917年愛因斯坦提出受激輻射的概念到1960年第一臺激光器誕生，其間用了近半個(gè)世紀(jì)，而實(shí)際上卻沒有太多理論上的突破，為什么激光器沒有早半個(gè)世紀(jì)誕生？為什么各類第一臺激光器都是誕生在IBM、GE、BELL實(shí)驗(yàn)室？,激光的發(fā)展,發(fā)展更大為了進(jìn)行高能物理、熱核聚變等方面的研究工作，激光器產(chǎn)生的能量密度和功率不斷提高。

17、現(xiàn)在世界上功率最大的激光器是美國的國家點(diǎn)火工程（NIF）中使用的NOVA激光系統(tǒng)，其峰值功率達(dá)到1.3PW（1015W），該系統(tǒng)有望在2010投入使用。,激光的發(fā)展,NIS已經(jīng)于2009年點(diǎn)火成功，2010年報(bào)道的單脈沖能量達(dá)到1MJ，峰值功率1015W以上。超過美國歷史上任意時(shí)刻消耗電功率的500倍以上。NIS,激光的發(fā)展,目前，神光-Ⅲ原型裝置“十五”建設(shè)目標(biāo)已圓滿完成，達(dá)到“8束出光，脈沖-萬焦耳”的水平，標(biāo)志著我國成為繼美、

18、法后世界上第三個(gè)系統(tǒng)掌握新一代高功率激光驅(qū)動器總體技術(shù)的國家，使我國成為繼美國之后世界上第二個(gè)具備獨(dú)立研究、建設(shè)新一代高功率激光驅(qū)動器能力的國家。,激光的發(fā)展,更小各種工業(yè)指示、標(biāo)記、探測用的半導(dǎo)體激光器或者半導(dǎo)體泵浦固體激光器向著小型化方向發(fā)展；,激光的發(fā)展,更集成 各種通信用的激光模塊，往往包含十幾個(gè)甚至幾十個(gè)半導(dǎo)體激光器，并且集成了調(diào)制、功率檢測、溫度監(jiān)測等功能模塊。,激光的發(fā)展,更快更高的調(diào)制頻率：GHz；更短的脈

19、沖寬度：阿秒脈沖(attosecond Laser)；德國Max Planck量子光學(xué)研究中心成功產(chǎn)生了脈沖寬度小于1飛秒（10-15s）的光脈沖，這一發(fā)光時(shí)間小于可見光波長的一個(gè)振蕩周期。,激光的發(fā)展,更多樣化多樣化的泵浦方式：光泵浦、電泵浦、化學(xué)能泵浦、熱泵浦等、磁泵浦；多樣化的工作物質(zhì)：固體（Nd：YAG）、氣體（He-Ne、CO2）、液體、染料、半導(dǎo)體、自由電子等；,激光的應(yīng)用,從科幻到現(xiàn)實(shí)第一個(gè)描述激光的作品？威爾斯

20、在1898年的小說《世界大戰(zhàn)》（火星人入侵）：“由某種方式在非傳導(dǎo)的小室中產(chǎn)生酷熱，用拋物鏡將其變成平行光，射向目標(biāo)，這些射線不是可見光，而是某種熱……”CO2激光器，由CO2作為工作物質(zhì)，通過放電激發(fā)產(chǎn)生10.6um的紅外激光，肉眼不可見，其輸出方式多為拋物鏡構(gòu)成的反射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；火星大氣充滿CO2，并且有強(qiáng)烈的大氣放電（閃電），因此可能存在天然的激光；,激光的應(yīng)用,激光的實(shí)際應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用：切割：速度快、無接觸、精度高、切縫光

21、滑；焊接：焊接點(diǎn)均勻、美觀、精度高；表面處理；芯片刻蝕等。,激光的應(yīng)用,醫(yī)療：最早的激光醫(yī)療應(yīng)用：1961年12月在哥倫比亞長老會醫(yī)院用紅寶石激光器進(jìn)行了視網(wǎng)膜腫瘤治療；腫瘤治療；眼科手術(shù)：視網(wǎng)膜焊接、近視治療；美容；外科手術(shù)等。,激光的應(yīng)用,科研：1971年，Dennis Gabor因?yàn)樵?946年至1951年間發(fā)表的一系列文章提出了光學(xué)全息術(shù)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎，然而真正的全息照相直到激光器被發(fā)明才成為現(xiàn)實(shí)。 1

22、985: Steven Chu等人研究出了利用激光束冷凍、捕捉原子的方法，這一方法對于研究基礎(chǔ)物理現(xiàn)象和以空前的精度測量重要物理量起到了重要的作用，他們因此獲得了1997年諾貝爾物理學(xué)獎。,激光的應(yīng)用,2001年Eric Cornell等人由于在波色-愛因斯坦凝聚態(tài)方面的研究獲得諾貝爾物理學(xué)獎；“for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases

23、of alkali atoms.” 2005年Roy J. Glauber等人由于在基于激光的高精度光譜測量領(lǐng)域的貢獻(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎；“ for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique”2009年高錕等人由于在光纖通訊領(lǐng)域

24、的貢獻(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎 ；"for their groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication",激光的應(yīng)用,確定地月距離登月是20世紀(jì)最大的騙局？1969年阿波羅15號在登月時(shí)帶上了一套特別設(shè)備——大型角反射器，用來反射從地球發(fā)射過來的激光光束，通過記錄往返