Transcript 第八章激光
激 光 物理教研组 激光及其应用 激光(laser)是受激辐射光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 的缩写。爱因斯坦在1917 年研究黑体辐射时，曾预言受激辐射的存在，直到1960年， 梅曼制成世界上第一台激光器——红宝石激光器。证明了 爱因斯坦预言的正确性。 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 即Laser，按照其意义来说应当为：“受激辐射的光放 大”。形象的音译为“镭射”，在1964年，根据钱学森的 建议，将其改称为“激光”。这也就是我们目前最常见的 称呼了。 激光的发展过程 激光是在1960年正式问世的。但是，激光的历 史却已有100多年。 远在1893年，在波尔多一所中学任教的物 理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行 镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间 距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点， 但为未来发明激光发现了一个极为重要的现 象。 •1917年,爱因斯坦:可通过受激辐射方式发光. • 1958年 美国贝尔实验室的科学家肖洛和汤斯发现了 一种奇怪的现象：当他们将闪光灯泡所发射的 光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出 鲜艳的、始终会聚在一起的强光。 由此他们提出了“激光原理”，受激辐射 可以得到一种单色性、亮度又很高的新型光源。 汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠 定了激光发展的基础。 •1960年 1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman) 发明了世界上第一台红宝石激光器。梅 曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光 度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了 人类有史以来的第一束激光。 在此以后,在激光器品种方面,几乎每 年都有新的、关键性的重大突破. •1961年 • 在美国贝尔实验室，伊朗物理学家贾万 研制出了世界上的第一台氦氖激光器。 •另外，61年8月，中国科学院长春光学 精密机械研究所由王之江教授负责研制 成功了我国第一台红宝石激光器， 比世界上第一台只晚了18个月。“中国 激光之父”。 • • • • • • 1962年：研制成功第一台半导体激光器。 1963年：第一台液体激光器 1964年：锁模激光器 1965年：激光参量振荡器研制成功 1966年：制成染料激光器 1967年：超短脉冲激光器 到目前为止，激光器的品种已达数千种 之多. 以光作为武器在人类历史上并非绝无仅有。相传在公 元前215年的第二次布匿战争中，西西里岛名城叙拉古遭 受罗马舰队围城。城中的伟大的科学家阿基米德利用自己 设计的抛石器将可燃油料的陶罐抛射到罗马战舰之上，然 后利用巨大的凸透镜聚焦太阳光点燃敌船，被称为“死亡 之光”。以至于美国的一位教授将其煞有介事地称其为 “激光武器之父”。阿基米德的这种想法可能来自与他在 当时的学术之都埃及首都亚历山大里亚留学时观看七大奇 迹之一的法洛斯灯塔的经历有关。不管这种传说是真是假， 这座地中海的粮仓还是在3年后陷落在罗马共和国的鹰旗 之下。尽管罗马将领尊重阿基米德，下令军队要礼待他， 不得伤害，但是他还是被一名粗暴的罗马士兵杀死。于是 这个事件也成了政治摧残科学的典型。无独有偶，公元6 世纪，东罗马首都君士坦丁堡遭遇围城，也是依靠巨镜烧 毁敌舰脱险，战果几乎可以与摧毁了阿拉伯海军的拜占庭 的秘传武器“希腊火”相提并论。 激光作为武器，有很多独特的优点。首先， 它可以用光速飞行，每秒30万公里，任何武器 都没有这样高的速度。它一旦瞄准，几乎不要 什么时间就立刻击中目标，用不着考虑提前量。 另外，它可以在极小的面积上、在极短的时间 里集中超过核武器100万倍的能量，还能很灵活 地改变方向，没有任何发射性污染，因而具有 常规威慑力量。 激光武器分为三类：一是致盲型。二是近距 离战术型，可用来击落导弹和飞机。1978年美国 进行的用激光打陶式反坦克导弹的试验，就是用 的这类武器。三是远距离战略型。这类的研制困 难最大，但一旦成功，作用也最大，它可以反卫 星、反洲际弹道导弹，成为最先进的防御武器。 激光武器的效费比是比较高的。在防空武器 方面，当前主体是导弹，激光武器与之相比消耗 费用要便宜得多。例如，一枚“爱国者”导弹要 60－70万美元，一枚短程“毒刺”式导弹要2万美 元，而激光发射一次仅需数千美元，今后随着技 术的发展，激光发射一次的费用可降至数百美元。 机载激光武器(ABL)， ABL的目标是研制装 在经过改造的波音 747飞机上安装激光 武器，用于从高空攻 击敌方的战区弹道导 弹。 几种激光器 CO2激光器 • 夏普公司发布了笔记本电脑蓝光或HD DVD光驱 使用的蓝紫色半导体激光器GH04020A4G。其直 径仅3.3mm，是世界上最小的蓝光光头。 激光器的分类 按产生激光的工作物质的物态特性分类 •固体激光器 红宝石激光器 掺钕钇铝石榴石激光器.对治疗青光眼特别有效. •气体激光器 氦氖激光器,当今世界用的最多. 氩离子激光器:可用其进行眼科手术,是焊接 视网膜的理想光源. •半导体激光器 砷化镓激光器:体积小,输出波长在红外区， 所以保密性好，适合用于军舰、飞机和坦克上。 •液体激光器 以液体染料为工作物质的染料激光器于 1966年问世,广泛应用于各种科学研究领域。现在 已发现的能产生激光的染料,大约在500种左右。 这些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶 液。它们还可以包含在有机塑料中以固态出现， 或升华为蒸汽，以气态形式出现。所以染料激光 器也称为“液体激光器”。染料激光器的突出特点 是波长连续可调。燃料激光器种类繁多,价格低廉, 效率高,输出功率可与气体和固体激光器相媲美, 应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。 •化学激光器 如：氟原子和氢原子 “死光武器” • 原子激光器 1997 美国 麻省理工学院 钠原子 • X射线激光器 在科研和军事上有重要价值，应用于 激光反导弹武器中具有优势；生物学家 用X射线激光能够研究活组织中的分子结 构或详细了解细胞机能; 用X射线激光 拍摄分子结构的照片, 所得到的生物分 子像的对比度很高。 • 自由电子激光器 这类激光器比其他类型更适于产生很大功 率的辐射。它的工作机制与众不同，它从加速 器中获得几千万伏高能调整电子束，经周期磁 场，形成不同能态的能级，产生受激辐射 . 世界第一台自由电子激光器于1977年问世， 中国第一台自由电子激光器于1985年问世。自 由电子激光器的能量是由外场加速后的自由电 子的动能转换而成的。其输出功率可达很高水 平，在加工、反导、雷达、通信、光化学等方 面都有很大的用途，所以它一问世就受到各国 科技界的重视。 第一节 激光的基本原理 一．粒子的能级与辐射跃迁 1．粒子的能级 组成物质的原子、分子等粒子总是处于一定的能 态或能级，能量最低的能态称为基态，其它能量较 高的状态称为激发态。基态是最稳定的状态，通常 多数粒子处在基态上，当一粒子获得一定的能量跃 迁到某一激发态时，它在激发态上停留的时间一般 很短，其平均寿命大约在10 -9 ~10 -7 秒。有些粒子的 某些激发态寿命较长，平均寿命大约可达10 -3 ~10 -2 秒，这样的激发态称为亚稳态。 2．辐射跃迁的三种基本过程 光与物质的相互作用有三种基本过程，这就是光的 吸收、自发辐射和受激辐射。 1)吸收：假设E1、E2为某个粒子的两个能级，如图所 示。一个处在较低能级E1 上的粒子，吸收一个能量 hn= E2-E1 的光子，跃迁到较高的能级E2 上，这一过 程称为光的吸收。 E2 受激吸收 hv=E2-E1 E1 2)自发辐射：处在高能级上的粒子可以自发地辐射 光子而跃迁到较低的能级，这种过程称为自发辐射。 如图所示，自发辐射光子的能量hn= E2-E1。 特点 自发辐射发出的光子的传播方向、 振动方向、初相位彼此无关。 3)受激辐射：处在高能级E2 上的粒子，在一个外来 的能量为hn= E2-E1 的光子的诱发下，跃迁到能量较 低的能级E1，同时释放出一个与诱发光子完全相同 的光子的过程 称为受激辐射。 特点 受激辐射发出的光子的频率、传播方向、 振动方向、初相位与诱发光子相同。 受激辐射 E2 hv =E2-E1 hv hv E1 • 受激辐射发出的光子是同方向、同频 率、同相位、同偏振的。即受激辐射的 结果是入射一个光子，而出射的却是完 全相同的两个光子，即光被放大了。这 两个光子又会引起其它原子产生受激辐 射。于是在极短的时间内激发出无数个 同样的光子。这便是激光。 二．粒子数按能级分布 1.波尔兹曼分布 根据波尔兹曼分布，在热平衡条件下，处在高 能级上的粒子的数目总是少于低能级上的粒子的 数目。例如：根据波尔兹曼分布计算得知，氖原 子3s激发态与基态在常温下(T=300K)，两能级的 粒子数之比为 N2/N1=e-653 <<1 这说明，在热平衡条件下，绝大多数的粒子 都处在基态，能级能量越高，粒子数越少。 2.粒子数反转 1)受激辐射与吸收过程的矛盾 设想有一个诱发光子，欲诱发受激辐射，由于在热 平衡时，处在高能级上的粒子数目总是远远少于低能 级上的粒子数目，这样，诱发光子遇到低能级上粒子 的概率远远高于高能级上的粒子。因此，吸收过程远 远胜过受激辐射过程。 2)粒子数反转分布 为了使受激辐射过程胜过吸收过程，必须破坏粒 子数的热平衡分布，使得处在高能级上的粒子数目 大于低能级上的粒子数目，这种分布已不是热平衡 分布了，称为粒子数反转。 粒子数反转的实现条件 • 要有激励源 E2 激励 抽运 E1 但粒子在激发态的寿命很短,一般为10-11~ 10-8 S, 所以被抽运到激发态的粒子很快就会跃 迁到基态。 •要有具有亚稳态的工作物质 要实现粒子数反转分布，必须要有这样一种 物质，它具有寿命很长的激发态。这种寿命 很长的激发态，叫亚稳态，亚稳态的时间可 达到10-3~10-2 S，甚至1秒。 E3 无辐射跃迁 E（亚稳态） 2 抽 运 激励 hv=E2-E1 E1 3)能实现粒子数反转的物质——工作物质 ①有适当的能级结构，亚稳态 ②外界提供能量，泵浦(抽运)。 粒子数反转 三．光学谐振腔 实现了粒子数反转，解决了受激辐射与吸收过程 的矛盾，但还不能产生激光。要产生激光还需要一 个光学谐振腔。 4.光学谐振腔 •在工作 物质两 端安装 一对严 格平行 的反射 镜可以 “光放 大” 。 四.激光器 1.激光器的结构 2. 产生激光的必要条件： ①实现粒子数反转——工作物质 ②使原子被激发——激励装置 ③实现光放大——光学谐振腔 第二节.激光的特性 特性：1.方向性好，2.亮度高、强度大，3. 单色性好，4.相干性好，5.偏振性好。 普通光源的发光机理是自发辐射，就好象拥挤的人群从 刚散场的电影院走出，男女不一、高矮各异、衣着万 千；人们有的向东，有的向西，杂乱无章。 而激光的发射机理是受激辐射，就好象是解放军的 仪仗队，身体整齐、衣着统一、步调一致、向着一个 方向前进。 1.方向性好 激光是受激辐射发光，且有光学谐振腔， 使得激光基本上沿谐振腔的轴线方向传 播，发散角很小（可＜10-7弧度），接近 于平行光。 月球 38万公里 光斑直径 激光：1公里 而最好的普通光源：1000多公里 地球 发散面积相差：100万倍 应用１：激光微光束技术 激光微光束手术刀，能方便的对细胞、染色体、 遗传基因等进行切割、穿孔、移植、焊接等手术。 1960年世界上第一台红宝石激光器问世后，1961年即用 于治疗视网膜脱落，1963年激光光刀用于肿瘤切割。70 年代医用激光治疗机在临床各科得到广泛应用。激光以 其特有的优越性能解决了许多传统医学的难题。视网膜 剥离眼底血管病变、虹膜切开、青光眼等一大批眼科疾 患均能用激光治疗。激光手术刀具有术中出血少，可减 少细菌感染等优点。激光与中医针灸术结合而形成的 “光针”，对镇痛、哮喘、遗尿、高血压等有一定疗效。 应用２：激光针 优点:①“扎针”时没有疼痛.②可避免滞针、断 针、交叉感染 应用３：激光测距 测月，误差：1m 应用４：激光雷达 能自动精确跟踪飞机、导弹、卫星等高速飞行体 应用５：激光制导武器 命中率大大提高 2.亮度高 因为激光的能量集中在很小的角度内，所以， 作为光源，其亮度很高。 如：一台几毫瓦的氦氖激光器的亮度比太阳 光的亮度高几百倍；一个较亮一点的激光的亮 度比太阳表面的亮度还要高100亿倍。 • 应用1: 激光武器 在军事领域，激光能量提高，可以制成摧 毁敌机和导弹的光武器。 • 应用2: 激光致盲武器 3.单色性好 白光: 紫外 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红 红外 谱线宽度：630~760 nm 波长 单色性最好的氪灯：5×10-4 nm 红色氦氖激光：＜1×10-8 nm • 应用1: 激光光波拍频技术 可用来测量极其缓慢的速度(每秒移动几个 微米).拍摄鲜花的绽放过程. • 应用2: 激光测长 可用光波波长作为单位进行测量,这种光尺 测量准确，光的单色性越好,测量的最大长度 越大. 4.相干性好 物理学中常用“相干长度”来表示光的相 干性,光源的相干长度越长,光的相干性就越好. 普通光源发出的自然光,其相干长度与光 波波长具有相同的数量级； 钠光：约为0.058cm; 单色性最好的 普通光源氪灯: 38.5cm； 激光：几十~几百km • 应用1：引发核聚变 利用激光的相干性，将其能量会聚在空间极 小的区域内，可用于引发核聚变。 例：若把核燃料做成比芝麻还小的固体微型小 球，然后用激光作为点火器去照射它，就可 使微型小球加热到上亿摄氏度的高温，产生 的能量密度高达1015J/cm3。 这样高的能量密度相当于几十吨炸药在1m3体积 内爆炸所产生的能量，达到了原子爆炸时的 超高能量密度的数量级。 • 应用2：激光全息技术 普通照相术，是把从物体表面反射的光或 物体本身发出的光（统称物光）的强弱变化 记录在底片上，再在照相底片上显示出物体 的平面图象。 而全息照相术不仅在底片上记录物光的强弱 情况，同时还要把物光的相位记录下来，即把 物光的所有信息全部记录下来，并通过一定的 手续，“再现”出物体的立体图像。 由于全息照片记录了景物光波的全部信息，所 以再现出来的景象和原来的一模一样。全息照 片再现出来的景象是如此逼真，使人产生身临 其境之感。 第三节.激光的医学应用 一、激光的生物作用 1、热作用 激光使组织温度升高，由热致温热(38～42℃ )开始，相 继出现红斑、水泡、凝固、沸腾、炭化、燃烧至热致汽 化（5730 ℃ ）等，热致温热与红斑被用于理疗，沸腾、 炭化、燃烧被用于治疗。 2、机械作用 可降低眼压、治疗青光眼、白内障，甚至切开组织 3、光化作用 光化反应有光致分解、氧化、聚合、异构、敏化等 4、电磁场作用 5、生物刺激作用 弱激光作用：有兴奋作用、抑制作用 二、激光在基础医学研究中的作用 1、激光对生物分子、细胞、组织的作用与效应 激光可调整蛋白质与核酸的合成与活性，影 响DNA的复制、氨基酸的变化等。 激光细胞生物学是一门新学科，它研究激光 照射对细胞器、细胞质、细胞核、线粒体等及细 胞性质与功能等方面的影响。 激光热凝可杀死癌细胞，强激光剧升至5700℃ 可直接汽化癌细胞。 激光对组织有损伤作用也有修复、再生作用 2、用于基础医学研究的激光技术 (1)激光微光束技术 对细胞俘获、转移、穿孔、移植、融合及切断等微操作 (2)激光流式细胞计 在细胞流动过程中对细胞高速进行逐个定量分析和分选，并可 对一个细胞同时测定DNA、RNA含量、细胞体积等。 (3)激光拉曼光谱技术 (4)激光多普勒技术 测量血液流速 (5)激光全息显微技术 对活标本进行动态观察 (6)激光扫描共聚焦显微镜 三、激光的临床应用 1、激光诊断 激光光谱分析法 激光干涉分析法 激光散射分析法 激光投射分析法 激光衍射分析法 激光偏振法