第一篇：激光的特性及應(yīng)用教案

《6.2 激光的特性及應(yīng)用》教學(xué)設(shè)計

【教學(xué)內(nèi)容】

第六單元第2節(jié)。

【教學(xué)目標(biāo)】

知識與技能：了解激光的產(chǎn)生機理，掌握激光的基本特性，知道激光的常見應(yīng)用；通過延伸閱讀，收集整理行業(yè)內(nèi)激光應(yīng)用的相關(guān)資料，了解行業(yè)內(nèi)對激光的應(yīng)用。

過程與方法：通過對激光的特點及應(yīng)用的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)應(yīng)用物理知識解決實際問題的意識與能力；通過課外閱讀收集整理有關(guān)激光應(yīng)用的資料，培養(yǎng)學(xué)生收集、加工、整理、應(yīng)用信息的能力。

情感態(tài)度價值觀：通過對激光應(yīng)用的學(xué)習(xí)，使學(xué)生感受到科學(xué)知識的無窮力量，感受科技進步對社會文明進程的推進作用，培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)、獻身科學(xué)的品質(zhì)。

【教學(xué)重點】

激光的特性及應(yīng)用。

【教學(xué)難點】

激光的產(chǎn)生機理。

【教具準(zhǔn)備】

激光器等。

【教學(xué)過程】

◆創(chuàng)設(shè)情境──引出課題

1．引導(dǎo)學(xué)生說說自然界及生產(chǎn)生活中見到的各種光現(xiàn)象

太陽光，燭光，各式各樣的電燈發(fā)光，物體燃燒發(fā)光，熾熱的固體、液體、氣體發(fā)光，霓虹燈發(fā)光，雷電發(fā)光等等。

2．光是怎樣產(chǎn)生的？

是由光源發(fā)出的。

3．光源是怎樣發(fā)光的？

各種光源發(fā)光的機理不同，發(fā)出的光的特性也會不同。這節(jié)課我們了解一種在自然界本來不存在，在人們使用了一種特殊刺激的方法，從原子內(nèi)部激發(fā)出光的方法及激發(fā)出的光的特性和應(yīng)用。

◆合作探究──新課學(xué)習(xí)

一、激光

1．什么是激光？

學(xué)生閱讀課文，歸納小結(jié)，得出結(jié)論：

激光：原子受到特定刺激，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時發(fā)出的光。對于激光的理解，有三個方面，一是激光在自然界原本不存在，二是激光是從原子內(nèi)部發(fā)出的，三是原子內(nèi)部發(fā)出激光不是自發(fā)進行的，需要特定的刺激。

1964年，我國科學(xué)家錢學(xué)森建議，中文中用“激光”一詞。

2．世界上第一臺激光器

1964年，人類制造出了第一臺紅寶石激光器。

3．激光技術(shù)

將激光應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、科技、軍事等的技術(shù)。

二、激光的特性

1．學(xué)生閱讀課文，思考問題：激光具有什么特性？各個特性有何應(yīng)用？

2．組織學(xué)生討論，得出結(jié)論

（1）方向性好

激光器發(fā)出的光是較好的平行光，傳播過程中可以較好的保持平行，不發(fā)生散射。利用激光的這一特性，人類從地球表面向月球表面發(fā)射激光，成功接收到了被月面反射回的激光，利用光速和測出的激光從發(fā)出到接受經(jīng)歷的時間，計算出了月地距離。

（2）亮度極高

激光的能量極高，如果將激光束利用特殊“透鏡”聚焦到一點上，這一點的能量極高，可以融化物質(zhì)。利用激光的這一特性，加工行業(yè)中可以用激光進行切割、焊接、打孔，醫(yī)學(xué)上可以利用激光切除病灶或殺死病變組織。

（3）單色性好

激光的顏色純，可以獲得特定顏色的單色光，作為光學(xué)研究中的單色光，也可制作廣告牌、裝飾舞臺等等。

（4）相干性好

光是電磁波，具有波的一切特性，比如兩列頻率相等、振動方向相同、相位一致的兩列光波相遇，會發(fā)生干涉現(xiàn)象。由于激光的單色性好，容易獲得滿足干涉條件的兩列光波。

三、激光的應(yīng)用

1．醫(yī)學(xué)應(yīng)用

（1）激光美容：利用激光去除皮膚色斑、紋身圖案等。

（2）激光手術(shù)：利用激光束作為手術(shù)刀，完成手術(shù)，手術(shù)創(chuàng)口小、出血少、愈合快。

（3）激光治癌：利用激光束殺死癌變組織。

（4）激光戒煙：激光束刺激人體特定穴位，提高煙民體內(nèi)嗎啡激素的分泌水平，減少戒煙初期造成的各種不適反應(yīng)。

2．工業(yè)應(yīng)用

機等焊接，激光切割，激光鉆孔等。

3．信息技術(shù)中的應(yīng)用

傳輸信息：光纖通訊中，將傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^調(diào)制加載在激光上，利用激光在光纖中的全反射傳遞出去。

記錄、讀取信息：利用激光束在光盤上刻錄信息，讀取信息，實現(xiàn)海量信息的方便存儲與讀取；制作商品的防偽標(biāo)識，讀取商品條碼信息。

激光全息照相：利用激光束的干涉，拍攝物體的全息照片；在利用激光的干涉立體顯示拍攝物體的像，即使照片損傷，利用激光干涉，從照片任一碎片，也可顯出物體的整個立體像。

4．測量地形地貌，獲取地理信息。

5．軍事應(yīng)用──激光武器：

（1）激光炮、激光槍：發(fā)射高能激光束，利用激光能量摧毀目標(biāo)。

（2）激光瞄準(zhǔn)：狙擊步槍等配置激光瞄準(zhǔn)器，提高射擊精度。

（3）地形地貌測繪：了解戰(zhàn)場情況，敵情偵查等。

6．農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

利用激光照射農(nóng)作物種子，改善作物品質(zhì)，提高產(chǎn)量等。

◆交流評價──鞏固總結(jié)

1．討論問題：課本第172頁“復(fù)習(xí)與鞏固”1、2、3。

2．歸納小結(jié)本節(jié)要點（見板書設(shè)計）。

【布置作業(yè)】

1．復(fù)習(xí)課文，書面完成課本第172頁“復(fù)習(xí)與鞏固”1。

2．查閱有關(guān)激光特性與應(yīng)用的資料，撰寫小論文《激光的工業(yè)（或醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、軍事）應(yīng)用》。

【板書設(shè)計】

第二篇：激光原理與應(yīng)用教案

激光原理與應(yīng)用教案

一.緒論

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

讓學(xué)生了解激光的歷史，激光形成及發(fā)展、理論體系的形成。

讓學(xué)生了解激光科學(xué)的分支及激光在軍事、信息技術(shù)、醫(yī)療等方面的應(yīng)用；

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

1．激光的概念：

激

光——利用受激輻射的光放大。

LASER——Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 2． 激光的發(fā)現(xiàn)：

最早在1917年——Einstein首次預(yù)言受激輻射激光，歷史上首先在微波波段實現(xiàn)量子放大（1953），1954年——C.H.Townes, I.P.Gorden, H.J.Zeiger 使用NH3分子射束實現(xiàn)Maser向更短波長進發(fā)——ammonia beam maser，1958年——A.L.Schawlow, C.H.Townes, A.M.PoxopoB提出將Maser原理推廣到光波段——laser，1960年——T.H.Maiman of Bell Lab 紅寶石 首次實現(xiàn)laser l=6943? 紅光（早期的名稱：萊塞、光量子振蕩器、光激射器 受激光，“激光”——錢學(xué)森在1963年提出。61年 中國（亞洲）第一臺激光器誕生在長春（長春光機所和光機學(xué)院），由王之江院士發(fā)明。

激光科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)學(xué)科——光譜學(xué)，物理光學(xué)，固體物理，物質(zhì)結(jié)構(gòu)，無線電電子學(xué)。推動力——廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域：核聚變，加工，熱處理，通訊，測距，計量，醫(yī)療可調(diào)諧性和超短脈沖——高時間、空間分辨、能量分辨。

3．激光與普通光源的區(qū)別？

（1）良好的單色性。單色性指光源發(fā)射的光波長范圍很小，測距。（2）良好的方向性。激光的光束幾乎只沿著一個方向傳輸。測距，通信。（3）高亮度。激光功率集中在極小的空間范圍內(nèi)。切割，手術(shù)，軍事。（4）極好的相干性。各列波在很長的時間內(nèi)存在恒定的相位差。精確測距。4．激光的應(yīng)用。

（1）信息科學(xué)領(lǐng)域。激光雷達，空間通信。

（2）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。激光穿心術(shù)，激光眼科手術(shù)，激光牙科手術(shù)。

（3）工業(yè)領(lǐng)域。激光切割，激光打孔，飛秒激光微加工，激光全息，激光電視。（4）能源方面。激光受控核聚變，神光裝置。

（5）軍事領(lǐng)域。低能和高能激光武器，太空武器等，激光測距。

5．激光器的組成

激光器由泵浦源，工作物質(zhì)和諧振腔組成。

由外界激勵源的激發(fā)在工作物質(zhì)的能級之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是形成激光的內(nèi)在依據(jù)。光學(xué)諧振腔是形成激光的外部條件。

本節(jié)課教學(xué)手段與方法：

采用多媒體形式。播放了世界上第一臺激光器的發(fā)明電影短片，并采用豐富的圖片總結(jié)性地講述激光與普通光源的區(qū)別和激光廣泛的應(yīng)用。

第一章 輻射理論概要與激光產(chǎn)生的條件

§1.光的波粒二象性

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

讓學(xué)生光的本質(zhì)及光的經(jīng)典理論。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容： 1．光波

電磁波理論雖然使光的波動說一度占領(lǐng)了光學(xué)領(lǐng)域，但19世紀末，實踐中遇到的光與物質(zhì)相互作用的許多 現(xiàn)象卻無法解釋，如黑體輻射、光的吸收與發(fā)射、光電效應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)等。1905年，愛因斯坦發(fā)展了普朗克的量子假說，在一種全新的物理意義上提出了光子學(xué)說。愛因斯坦認為光子既是粒子、同時又是波。光在與物質(zhì)相互作用時粒子性明顯，光在傳播中則波動性突出。光的這種粒子性和波動性相互對立又并存的性質(zhì)，叫做光的“波粒二象性”。

光波是一種電磁波，是E和B的振動和傳播。習(xí)慣上把電矢量叫做光矢量。光速、頻率和波長三者的關(guān)系

υ?c??υ???(???0)?2．單色平面波

波面——相位相同的空間各點構(gòu)成的面

平波面——波面是彼此平行的平面,且在無吸收介質(zhì)中傳播時,波的振幅保持不變。

單色平波面——具有單一頻率的平面波。

實際上任何光波都不可能是全單色的，總有一定的頻率寬度。當(dāng)△v＜＜v0時，就叫準(zhǔn)單色波。

簡諧波——理想單色平面波

簡諧波方程： U?U0cos?(t??)?U0cos?(t?zc)

2?t2?zU?U0cos?(t?z)?U0cos(?)cT?3．光子

在真空中一個光子的能量為?，動量為P，則它們與光波頻率，波長之間的關(guān)系：

??hν?hν?h?h2??h?P?n0?n0??n0?kc?2??2?式中h是普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J?S 本節(jié)課教學(xué)手段與方法：

采用多媒體形式。用豐富的圖片來說明光的經(jīng)典理論。

§2.原子的能級和輻射躍遷

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

理解原子能級和簡并度、原子狀態(tài)的標(biāo)記； 掌握玻爾茲曼分布、輻射躍遷和非輻射躍遷

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

1.原子中電子的狀態(tài)由下列四個量子數(shù)來確定

（1）主量子數(shù)n，n＝1，2，3，?代表電子運動區(qū)域的大小和它的總能量的主要部分。

(n（2）輔量子數(shù)l, l ?

0 ,1 ,2 ?

? 1)代表軌道的形狀和軌道角動量，這也同電子的能量有關(guān)。

（3）磁量子數(shù)（即軌道方向量子數(shù)）m=0，±1，±2，±l? 代表軌道在空間的可能取向，即軌道角動量在某一特殊方向的分量

（4）自旋量子數(shù)（即自旋方向量子數(shù)）ms= ±1/2，代表電子自旋方向的取向，也代表電子自旋角動量在某一特殊方向的分量

2.電子具有的量子數(shù)不同，表示有不同的電子運動狀態(tài)

（1）電子的能級，依次用E0，E1，E2，? En表示（2）基態(tài)：原子處于最低的能級狀態(tài)

（3）激發(fā)態(tài)：能量高于基態(tài)的其它能級狀態(tài)

3.玻爾茲曼分布

現(xiàn)考慮由n0個相同原子(分子或離子)組成的系統(tǒng)，在熱平衡條件下，原子數(shù)按能級分布服從波爾茲曼定律

ni?gie?Ei kT

?nmgm?enngn(Em?En)kT分別處于Em和En能級上的原子數(shù)nm和nn必然滿足下一關(guān)系

4．輻射躍遷和非輻射躍遷

（1）輻射躍遷：發(fā)射或吸收光子從而使原子造成能級間躍遷的現(xiàn)象

（2）非輻射躍遷：原子在不同能級躍遷時并不伴隨光子的發(fā)射和吸收，而是把多余的能量傳給了別的原子或吸收別的原子傳給它的能量。

本節(jié)課教學(xué)手段與方法：

采用多媒體形式。

先復(fù)習(xí)原子的四個量子數(shù)，再對簡并、簡并度進行定義。闡明在熱平衡情況下，處于高能態(tài)的粒子數(shù)總是小于處于低能態(tài)的粒子數(shù)的這一規(guī)律。最后介紹原子的輻射躍遷和非輻射躍遷。

§3.光的受激輻射

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

了解光與物質(zhì)的相互作用，掌握這種相互作用中的受激輻射過程是激光器的物理基礎(chǔ)，根據(jù)光與物質(zhì)的相互作用物理模型分析空腔黑體的熱平衡過程，從而導(dǎo)出愛因斯坦三系數(shù)之間的關(guān)系。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

一、經(jīng)典的輻射理論引用偶極子的概念，反映了光的發(fā)射和吸收過程的規(guī)律；

二、黑體熱輻射的實驗現(xiàn)象；

三、光和物質(zhì)的相互作用（重點、難點）

1.愛因斯坦粒子模型——粒子只有間距為hv=E2－E1(E2＞E1)的二個能級,且它們符合輻射躍遷選擇定則。

2.光頻電磁場與物質(zhì)的三種相互作用過程——(1).自發(fā)發(fā)射、(2).受激輻射、(3).受激吸收以及各個過程的特點、系數(shù)、各系數(shù)的物理意義；

四、愛因斯坦三系數(shù)的相互關(guān)系的推導(dǎo)，五、自發(fā)輻射功率與受激輻射功率的計算（重點）

討論: 創(chuàng)造條件，增大受激輻射程度的方法。

本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式。

先介紹經(jīng)典的輻射理論，反映了光的發(fā)射和吸收過程的規(guī)律、再介紹黑體熱輻射，重點介紹光和物質(zhì)的相互作用過程、愛因斯坦粒子模型，講解清楚電磁場與物質(zhì)的三種相互作用過程的特點、系數(shù)、各系數(shù)的物理意義。最后導(dǎo)出自發(fā)輻射功率與受激輻射功率的計算和比較，引導(dǎo)學(xué)生討論創(chuàng)造怎樣的條件，可增大受激輻射程度，達到激光的目的。

§4.光譜線增寬

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

了解光譜線型對光與物質(zhì)的作用的影響，分析引起譜線加寬的各種物理機制,并根據(jù)不同的物理過程求出g(ν,ν。)的具體函數(shù)形式。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

一、光譜線，線型和光譜線寬度

1．原子輻射的波不是單色的，而是分布在中心頻率(E2-E1)/h附近一個很小的頻率范圍內(nèi)。

2.就每一條光譜線而言，在有限寬度的頻率范圍內(nèi)，光強的相對強度也不一樣。

二、自然增寬（重點）

1.經(jīng)典理論——描述原子內(nèi)部電子的運動,其物理模型就是按簡諧振動或阻尼振動規(guī)律運動的電偶極子,稱為簡諧振子。

2．衰減振動不是簡諧振動，因此原子輻射的波不是單色的，譜線具有有限寬度。

3．自然增寬: 作為電偶極子看待的原子作衰減振動而造成的譜線增寬。

?νN2?fN(ν)?

4．自然增寬的譜線型函數(shù)：（難點）

(ν?ν0)2?(?νN2)2

5.量子解釋——測不準(zhǔn)關(guān)系，對原子的能級來說，時間的不確定值就是原子的平均壽命，則能級有一定寬度。

三、碰撞增寬（重點）

1．自然增寬是假設(shè)原子彼此孤立并且靜止不動所造成的譜線增寬。而碰撞增寬是考慮了發(fā)光原子間的相互作用造成的，碰撞使原子發(fā)光中斷或光波位相發(fā)生突變，即使發(fā)光波列縮短。fc(ν)?2．碰撞增寬的譜線型函數(shù)：

四、多普勒增寬

多普勒增寬——光源與接收器相對運動引起的頻移導(dǎo)致的譜線增寬。

?νc2?(ν?ν0)2?(?νc2)2本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式。

先介紹原子在發(fā)輻射過程中，各種因素的影響,自發(fā)輻射并不是單色的,而是分布在中心頻率(E2-E1)/h附近一個很小的頻率范圍內(nèi)。引入譜線加寬的概念。定義線型函數(shù)為

f(?)?I(?)?I0I(?)?I(?)d?再分析引起譜線加寬的各種物理機制,并根據(jù)不同的物理過程求出f（ν）的具體函數(shù)形式。

§5.激光形成的條件

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

掌握產(chǎn)生激光的基本條件 ——激發(fā)射占優(yōu)勢、產(chǎn)生激光必須具備的三個條件；

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

一、介質(zhì)中光的受激輻射放大（重點、難點）

1.要能形成激光，首先必須使介質(zhì)中的受激輻射大于受激吸收。

2.光束在介質(zhì)中的傳播規(guī)律

3.介質(zhì)中產(chǎn)生受激光放大的條件、增益介質(zhì)與增益系數(shù)。

二、光學(xué)諧振腔和閾值條件

1.滿足了以上兩個條件后，還要采取什么措施使受激輻射成為增益介質(zhì)中的主要發(fā)光過程，而不是自發(fā)輻射？

2.要使受激輻射幾率遠大于自發(fā)輻射幾率，3.光學(xué)諧振腔的作用；

4．產(chǎn)生激光必須具備的條件（重點）

（1）激勵能源——把介質(zhì)中的粒子不斷地由低能級抽運到高能級去

（2）增益介質(zhì)——能在外界激勵能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)

本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式。

介紹光放大的條件——集居數(shù)反轉(zhuǎn)。一定的條件下物質(zhì)的光吸收可以轉(zhuǎn)化為自己的對立面——光放大；引進光放大物質(zhì)的增益系數(shù)與增益曲線；再介紹自激振蕩概念，以及激光器應(yīng)包括光放大器和光諧振腔兩部分，最后導(dǎo)出產(chǎn)生激光必須具備的條件。

第二章 激光器的工作原理

§1.光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

了解光學(xué)諧振腔的作用，它是理解激光的相干性、方向性、單色性等一系列重要特性，進行激光器件的設(shè)計和裝調(diào)的基礎(chǔ)，也是研究和掌握激光本技術(shù)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。根據(jù)幾何偏折損耗的高低．開放式 光腔可以分為穩(wěn)定腔和非穩(wěn)腔。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

一、光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性 1．光腔的作用 2．光腔的構(gòu)成和分類

二、腔 —— 開放式共軸球面光學(xué)諧振腔的構(gòu)成（重點）

三、腔按幾何損耗(幾何反射逸出)的分類:

四、共軸球面諧振腔的穩(wěn)定性條件

五、軸球面諧振腔的穩(wěn)定圖及其分類（重點）

六、穩(wěn)定圖: 穩(wěn)定條件的圖示

七、定圖的應(yīng)用（重點、難點）

例(a)要制作一個腔長L＝60cm的對稱穩(wěn)定腔，反射鏡的曲率半徑取值范圍如何？

(b)穩(wěn)定腔的一塊反射鏡的曲率半徑R1＝4L，求另一面鏡的曲率半徑取值范圍。

本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式。

先回顧產(chǎn)生激光的必要條件，引進對光腔問題的研究在激光技術(shù)中具有重要的理論和實踐意義。再介紹開放式共軸球面光學(xué)諧振腔的構(gòu)成，并根據(jù)光腔按幾何損耗進行分類以及光腔穩(wěn)定條件、軸球面諧振腔的穩(wěn)定圖。重點介紹對稱共焦腔是最重要和最具有代表性的一種穩(wěn)定腔。最后用圖直觀地表示穩(wěn)定條件——穩(wěn)定圖及穩(wěn)定圖的應(yīng)用。

§2.速率方程組與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

掌握速率方程方法以及速率方程的求解步驟，通過求解速率方程組，了解可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的幾種量子系統(tǒng)。從而知道在光頻區(qū), 二能級系統(tǒng)不可能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；而三能級系統(tǒng)雖然可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但因為下能級為基態(tài)，極易積累粒子，對抽運的要求很高，所以不易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；而四能級系統(tǒng)的下能級不是基態(tài)，故閾值抽運強度比三能級系統(tǒng)小，有時甚至可以小3～4個數(shù)量級，所以四能級系統(tǒng)較容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容： 一、二能級三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)（重點）

畫出各能級系統(tǒng)能級圖、列出各能級系統(tǒng)能的速率方程組，求解速率方程組，從

而得到數(shù)學(xué)解和物理解；分析各能級系統(tǒng)的數(shù)學(xué)解和物理解，得出結(jié)論——二能級系統(tǒng)

不可能產(chǎn)生激光，而四能級系統(tǒng)產(chǎn)生激光要比三能級系統(tǒng)容易得多。

二、考慮譜線增寬再討論以上情況。（重點）

三、穩(wěn)態(tài)工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布

四、小信號工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布

1．小信號粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布

2．小信號粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物理條件

五、均勻增寬型介質(zhì)的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布（難點）

六、均勻增寬型介質(zhì)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的飽和效應(yīng)（難點）

本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式。

先回顧實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的兩個必要條件，引入速率方程方法，求解速率方程組，分析粒子系統(tǒng)能否實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的數(shù)學(xué)解，確定粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物理條件。進一步討論穩(wěn)態(tài)工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布，導(dǎo)出小信號粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物理條件，再研究均勻增寬型介質(zhì)的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布△n，討論△n與各種因素的關(guān)系，引出△n飽和效應(yīng)的概念、飽和原因。最后導(dǎo)出飽和光強(飽和參量)Is 的物理意義。

§3.均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

從速率方程出發(fā)導(dǎo)出激光工作物質(zhì)的增益系數(shù)表示式,分析影響增益系數(shù)的各種因素,著重討論光強增加時增益的飽和行為，導(dǎo)出的增益系數(shù)表示式。從而得到結(jié)果——在均勻加寬譜線情況下,由于每個粒子對譜線不同頻率處的增益都有貢獻,所以當(dāng)某一頻率(ν

1)的受激輻射消耗了激發(fā)態(tài)的粒子時.,也就減少了對其他頻率(ν)信號的增益起作用的粒子數(shù)。其結(jié)果是增益在整個譜線上均勻地下降。于是在均勻加寬激光器中,當(dāng)一個模振蕩后,就會使其他模的增益降低,因而阻止了其他模的振蕩。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容

一、均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)

二、增寬飽和：在抽運速率一定的條件下，當(dāng)入射光的光強很弱時，增益系數(shù)是一個常數(shù)；當(dāng)入射光的光強增大到一定程度后，增益系數(shù)隨光強的增大而減小。

三、對增益飽和分幾種情況討論（重點）

例.He-Ne激光器中，Ne原子數(shù)密度n0＝n1+n2＝l012 cm-3，1/f(?)＝15×109 s-1，λ＝0.6328?m，＝10-7s，g2＝3，g1＝5，又知E2、E1能級數(shù)密度之比為4，求此介質(zhì)的增益系數(shù)G值。

本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式。

從速率方程出發(fā)導(dǎo)出激光工作物質(zhì)的增益系數(shù)表示式,分析影響增益系數(shù)的各種因素,著重討論光強增加時增益的飽和行為。讓學(xué)生明確：在均勻加寬譜線情況下,由于每個粒子對譜線不同頻率處的增益都有貢獻,所以當(dāng)某一頻率(ν1)的受激輻射消耗了激發(fā)態(tài)的粒子時.,也就減少了對其他頻率(ν)信號的增益起作用的粒子數(shù)。其結(jié)果是增益在整個譜線上均勻地下降。于是在均勻加寬激光器中,當(dāng)一個模振蕩后,就會使其他模的增益降低,因而阻止了其他模的振蕩。

§4.非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

因為具有均勻加寬譜線和具有非均勻加寬譜線的工作物質(zhì)的增益飽和行為有很大差別,由它們所構(gòu)成的激光器的工作特性也有很大不同,因此將分別予以討論。所以必須掌握非均勻增寬介質(zhì)的特點，即不同發(fā)光粒子只對光源光譜線的相應(yīng)部分有貢獻。從而導(dǎo)出的增益系數(shù)表示式以及反轉(zhuǎn)粒子數(shù)—— 燒孔效應(yīng)。分析可以得到：光波I 使均勻增寬型介質(zhì)對各種頻率的光波的增益系數(shù)都下降同樣的倍數(shù)；而對非均勻增寬型介質(zhì)它只能引起某個范圍內(nèi)的光波的增益系數(shù)下降，并且下降的倍數(shù)不同。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

一、非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和

1．由于介質(zhì)內(nèi)的粒子在作紊亂的熱運動，粒子運動的速度沿腔軸方向的分量滿足麥克斯韋速度分布律。

2．因為在非均勻增寬工作物質(zhì)中，每一種特定類型的粒子，只能同某一定頻率v 的光相互作用。因此反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度△n0 按頻率v有一個分布.二、增益系數(shù)的計算（重點、難點）

方法:把一條非均勻增寬譜線看作大量線寬極窄的均勻增寬譜線的疊加。

三、非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布

四、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)燒孔效應(yīng)（重點）

五、非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和

本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式。

先回顧非均勻增寬特點——不同發(fā)光粒子只對光源光譜線的相應(yīng)部分有貢獻。分析影響增益系數(shù)以及粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的各種因素,讓學(xué)生明確：因為在非均勻增寬工作物質(zhì)中，每一種特定類型的粒子，只能同某一定頻率v 的光相互作用。因此反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度n0 按頻率v有一個分布.著重講解非均勻增寬增益系數(shù)的計算，方法是:把一條非均勻增寬譜線看作大量線寬極窄的均勻增寬譜線的疊加。再介紹非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布、非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和。引進—— 燒孔效應(yīng)的概念。讓學(xué)生了解到(燒孔面積)常用來估算輸出激光功率?！?.激光器的損耗與閾值條件

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

如果諧振腔內(nèi)工作物質(zhì)的某對能級處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài),則頻率處在它的譜線寬度內(nèi)的微弱光信號會因增益而不斷增強。另一方面,諧振腔中存在的各種損耗,又使光信號不斷衰減。能否產(chǎn)生振蕩,取決于增益與損耗的大小。本節(jié)由增益飽和效應(yīng)出發(fā)估算穩(wěn)態(tài)工作時的腔內(nèi)平均光強,推導(dǎo)激光器自激振蕩的閾值條件。并在此基礎(chǔ)上給出粗略估算輸出功率的方法。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

一、損耗

1．內(nèi)部損耗——增益介質(zhì)內(nèi)部由于成分不均勻、粒子數(shù)密度不均勻或有缺陷而使光產(chǎn)生折射、散射等使部分光波偏離原來的傳播方向，造成光能量的損耗。2．鏡面損耗

二、激光器內(nèi)形成穩(wěn)定光強的過程（重點）

三、閾值條件

四、對介質(zhì)能級選取的討論

例：實驗測得He-Ne激光器以波長 λ＝0.6328?工作時的小訊號增益系數(shù)為G0＝3?10－4/d(cm-1)，d為腔內(nèi)毛細管內(nèi)徑(cm)。以非均勻增寬計算腔內(nèi)光強I＝50W／cm2的增益系數(shù)G(設(shè)飽和光強Is＝30W／cm2時，d＝1mm)，并問這時為保持振蕩穩(wěn)定，兩反射鏡的反射率(設(shè)r1＝r2，腔長0.1m)最小為多少(除透射損耗外，腔內(nèi)其它損耗的損耗率a內(nèi)＝9?10－4cm-1)?又設(shè)光斑面積A＝0.11mm2，透射系數(shù)t＝0.008，鏡面一端輸出，求這時輸出功率為多少毫瓦。

本節(jié)課教學(xué)手段與方法：

采用多媒體形式。

先回顧 ——產(chǎn)生激光的三個必要條件：1.工作物質(zhì) 2.激勵能源3.光學(xué)諧振腔再討論對光學(xué)諧振腔, 要獲得光自激振蕩, 須令光在腔內(nèi)來回一次所獲增益,至少可補償傳播中的損耗.，研究諧振腔的損耗與閾值條件。通過研究激光器內(nèi)形成穩(wěn)定光強的過程，推導(dǎo)出形成激光所要求的增益系數(shù)的條件、激勵能源對介質(zhì)粒子的抽運一定要滿足的條件，然后對介質(zhì)能級選取進行討論，并通過例題加深學(xué)生對這些問題的認識。

第三章 激光器的輸出特性

§1.光學(xué)諧振腔的衍射理論

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

本節(jié)將討論光腔模式問題。模式問題在激光技術(shù)中具有重要的理論和實踐意義。它是理解激光的相干性、方向性、單色性等一系列重要特性，自再現(xiàn)模的求解是諧振腔衍射理論的重要部分，自再現(xiàn)模積分的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是菲涅耳——基爾霍夫衍射積分公式，我們的目的是弄清楚激光模式的基本特征及其與腔的結(jié)構(gòu)之間的具體依賴關(guān)系。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

一、惠更斯-基爾霍夫衍射公式

二、光學(xué)諧振腔的自再現(xiàn)模積分方程（重點）

1．自再現(xiàn)模概念

2．腔與模的一般聯(lián)系

3．橫模的形成

4．孔闌傳輸線、自再現(xiàn)模(橫模)的形成過程

三、菲涅耳-基爾霍夫衍射積分（重點、難點）

首先要解決的一個問題是,如果已知某一鏡面上的場分布u1(x?，y?),如何求出在衍射的作用下經(jīng)腔內(nèi)一次渡越而在另一個鏡面上生成的場u2(x,y)。' 這里,(x?,y?)、(x,y)分別衰示兩個鏡面上場點的坐標(biāo)。知道了光波場在其所達到的任意空間曲面上的振幅和相位分布,就可以求出該光波場在空間其他任意位置處的振幅和相位分布。

四、積分方程解的物理意義（重點）

五、光學(xué)諧振腔諧振頻率和激光縱模

1．諧振條件、駐波和激光縱模 2．縱模頻率間隔

3．選縱模

本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式。

先回顧 ——產(chǎn)生激光的三個必要條件：1.工作物質(zhì) 2.激勵能源3.光學(xué)諧振腔再從研究諧振腔的衍射理論開始,為了形象地理解開腔中自再現(xiàn)模的形成過程,我們用波在孔闌傳輸線中的行進,模擬它在平面開腔中的往復(fù)反射。這種孔闌傳輸線由一系列同軸的孔徑構(gòu)成,這些孔徑開在平行放置著的無限大完全吸收屏上,相鄰兩個孔徑間的距離等于腔長,孔徑大小等于鏡的大小。當(dāng)模擬對稱開腔時,所有孔徑的大小和形狀都應(yīng)相同。

光學(xué)中著名的惠更斯-菲涅耳原理是從理論上分析衍射問題的基礎(chǔ),因而' 也必然是開腔模式問題的理論基礎(chǔ)。該原理的嚴格數(shù)學(xué)表述是所謂菲涅耳.基爾霍夫衍'射積分,它可以從普遍的電磁場理論推導(dǎo)出來。該積分公式表明,如果知道了光波場在其所達到的任意空間曲面上的振幅和相位分布,就可以求出該光波場在空間其他任意位置處的振幅和相位分布

§2.對稱共焦腔內(nèi)外的光場分布

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

敘述開腔模的物理概念, 應(yīng)用惠更斯-菲涅耳原理是從理論上定量討論衍射問題。介紹平面腔模的迭代解法，求解對稱共焦腔中的自再現(xiàn)模積分方程,了解輸出激光的具體場的分布。以方型鏡面的對稱共焦腔為例，求解方程：

?mnumn(x,y)???K(x,y,x',y')umm(x',y')ds'得出一系列本征函數(shù),它們描述共焦腔鏡面上場的振幅和相位分布,同時得出一系列相應(yīng)的本征值,它們決定模的相移和損耗。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

一、共焦腔鏡面上的場分布（重點、難點）

1．方形鏡面共焦腔自再現(xiàn)模積分方程的解析解

2．鏡面上自再現(xiàn)模場的特征： TEMmn模在鏡面上振幅分布的特點取決于厄米多項式與高斯函數(shù)的乘積。厄米多項式的零點決定場的節(jié)線，厄米多項式的正負交替的變化與高斯函數(shù)隨著x、y的增大而單調(diào)下降的特征決定著場分布的外形輪廓。

二、共焦腔中的行波場與腔內(nèi)外的光場分布（重點）

腔內(nèi)的光場可以通過基爾霍夫衍射公式計算,由鏡面M1上的場分布在腔內(nèi)造成的行波求得。腔外的光場則就是腔內(nèi)沿一個方向傳播的行波透過鏡面的部分。即行波函數(shù)乘以鏡面的透射率t。

上式是共焦腔模式理論的最基本的結(jié)果。

?22??22??umn?x,y,z??CmnHm??xH??1??2w?n?1??2wss????2x2?y2? exp???1??2?w2??exp??i??x,y,z??s???y????本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式。

前面已經(jīng)敘述了開腔模的物理概念,先回顧自再現(xiàn)模積分方程解的物理意義、建立激光模式的概念。再求解對稱開腔中的自再現(xiàn)模積分方程,了解輸出激光的具體場的分布。讓學(xué)生了解到解積分方程問題就是要求出一些本征值與本征函數(shù)。它們決定著開腔自再現(xiàn)模的全部特征,包括場分布及傳輸特性，并以符號TEMmn表示共焦腔自再現(xiàn)模。共焦腔反射鏡面本身構(gòu)成光場的一個等相位面。

§3.高斯光束的傳播特性，穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

1.在求解對稱開腔中的自再現(xiàn)模積分方程,了解輸出激光的具體場的分布的基礎(chǔ) 上，研究高斯光束的傳播特性。

2． 共焦腔模式理論不僅能定量說明共焦腔震蕩模本身的特性，更重要的是它能夠被推廣到一般穩(wěn)定球面腔系統(tǒng)。本節(jié)將證明：任何一個共焦腔與無窮多個穩(wěn)定球面腔等價，而任何一個球面腔唯一地等價于一個共焦腔。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

一、高斯光束的振幅和強度分布（重點）

1．基橫模TEM00的場振幅U00和強度I00分布分別為：

2．光斑半徑

3．模體積

二、高斯光束的相位分布（共焦場的等相位面的分布圖）

三、高斯光束的遠場發(fā)散角

四、高斯光束的高亮度

五、穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性（重點、難點）

1．穩(wěn)定球面腔的等價共焦腔

2．穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性

本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式

1.先回顧求解對稱開腔中的自再現(xiàn)模積分方程,了解輸出激光的具體場的分布，再研究高斯光束的傳播特性。引導(dǎo)學(xué)生了解到高斯光束與普通光束有著很大的區(qū)別，因此研究高斯光束在空間的傳輸規(guī)律．以及光學(xué)系統(tǒng)對高斯光束的變換規(guī)律，就成為激光的理論和實際應(yīng)用中的重要問題。

2.共焦腔模式理論不僅能定量地說明共焦腔振蕩模本身的特征,更重要的是,它能被推廣到整個穩(wěn)定球面腔系統(tǒng),這一推廣是諧振腔理論中的一個重大進展。任何一個共焦腔與無窮多個穩(wěn)定球面腔等價。而任何一個穩(wěn)定球面腔唯一地等價于→個共焦腔。這里所說的“等價”,就是指它們具有相同的行波場。這種等價性深刻地揭示出各種穩(wěn)定腔(共焦腔也是其中的一種)之間的內(nèi)在聯(lián)系,它使得我們可以利用共焦腔模式理論的研究結(jié)果來解析地表述一般穩(wěn)定球面腔模的特征。

§4.激光器的輸出功率，激光器的線寬極限

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

1由于激活介質(zhì)中的光放大作用、諧振腔內(nèi)損耗系數(shù)的不均勻分布以及駐波效應(yīng)和光波場的橫向高斯分布,腔內(nèi)光強是不均勻的。精確計算腔內(nèi)各點光強是個復(fù)雜的問題。本節(jié)由增益飽和效應(yīng)出發(fā)估算穩(wěn)態(tài)工作時的腔內(nèi)平均光強,并在此基礎(chǔ)上給出粗略估算輸出功率的方法。

2．激光線寬及頻率牽引也是激光器的要特性

線寬是由于自發(fā)輻射的存在而產(chǎn)生的,因而是無法排除的,所以稱它為線寬極限。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

一、均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率

1．穩(wěn)定出光時激光器內(nèi)諸參數(shù)的表達式

2．激光器的輸出功率

二、非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和（重點、難點）

三、非均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率

四、激光器的線寬極限

1．造成線寬的原因

2．激光線寬與激光器輸出功率成反比

輸出功率越大,線寬就越窄。這是因為輸出功率增大就意味著腔內(nèi)相干光子數(shù)增多,受激輻射比自發(fā)輻射占更大優(yōu)勢,因而線寬變窄。減小損耗和增加腔長也可使線寬變窄。例如半導(dǎo)體激光器由于腔長只有數(shù)百微米而具有較寬的激光線寬。若將它與一外反射鏡構(gòu)成外腔半導(dǎo)體激光器則可使線寬顯著減小。P?AIout12LG0?t1IsA(?1)2a1?t1本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式

講解讓學(xué)生明白：1激光器在外界激發(fā)作用很弱時,激活介質(zhì)的小信號增益系數(shù)小于閾值增益系數(shù),激光器無輸出。如果外界激發(fā)作用增強到小信號增益系數(shù)超過閾值增益系數(shù),腔內(nèi)光強便會不斷增大.但是腔內(nèi)光強不會無限制地增加下去,因為當(dāng)光強越強,消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便越多,由于激活介質(zhì)的增益飽和作用而使增益系數(shù)下降.只要增益系數(shù)尚未降至閾值,上述過程就會繼續(xù)下去,即光強繼續(xù)增大,增益系數(shù)繼續(xù)下降.直到增益系數(shù)下降到閾值時,增益與損耗達到平衡,光強不在增大,這時,激光器建立起了穩(wěn)定的工作狀態(tài)。2因此激光器的凈損耗以及單縱模的線寬似乎應(yīng)等于零,但這只是對激光器內(nèi)物理過程的一種理想化的近似描述。這種理想情況的物理圖像是:腔內(nèi)的受激輻射能量補充了損耗的能量,且由于受激輻射產(chǎn)生的光波與原來的光波具有相同的相位,二者相干疊加使腔內(nèi)光波的振幅始終保持恒定,因而輸出激光在理想情況下為一無限長的波列,其線寬應(yīng)等于零。這一矛盾的原因是,我們在分析激光器振蕩過程時,忽略了自發(fā)輻射的存在,而實際上自發(fā)輻射是始終存在的。由于和受激輻射相比自發(fā)輻射的貢獻極其微弱,因而在討論閾值及輸出功率等問題時可以忽略不計;但在考慮線寬問題時卻必須考慮自發(fā)輻射的影響。

第四章 激光的基本技術(shù)

§1.激光器輸出的選模

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

從一臺簡單激光器出射的激光束,其性能往往不能滿足應(yīng)用的需要,為了改善激光器輸出光的時間相性或空間相干性,發(fā)展了模式選擇。本節(jié)介紹如何設(shè)計與改進激光器的諧振腔以獲得單模輸出的原理

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

一、激光單縱模的選取

1．均勻增寬型譜線的縱模競爭

2．非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩

3．單縱模的選取

二、激光單橫模的選取

1．衍射損耗和菲涅耳數(shù)

2．衍射損耗曲線

3．光闌法選取單橫模

4．聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠鏡法選橫模

本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式

講解讓學(xué)生明白：1.激光的優(yōu)點在于它具有良好的方向性、單色性和相干性。理想激光器的輸出光束應(yīng)只具有一個模式,然而若不采取選模措施,多數(shù)激光器的工作狀態(tài)往往是多模的。含有高階橫模的激光束光強分布不均勻,光束發(fā)散角較大。含有多縱模及多橫模的激光束單色性及相干性差。激光準(zhǔn)直、激光加工、非線性光學(xué)研究、激光中遠程測距等應(yīng)用均需基橫模激光束。而在精密干涉計量、光通信及大面積全息照相等應(yīng)用中不僅要求激光是單橫模的,同時要求光束僅含有一個縱模。因此,如何設(shè)計與改進激光器的諧振腔以獲得單模輸出是一個重要課題。然后介紹實現(xiàn)橫模選擇的幾種具體方法、如何在特定躍遷譜線寬度范圍內(nèi)獲得單縱模振蕩的方法。

§2.激光調(diào)Q技術(shù)，激光鎖模技術(shù)

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

本節(jié)討論了用調(diào)Q技術(shù)壓縮激光脈沖寬度以獲得高功率脈沖的方法。為了得到更窄的脈沖,還可以利用鎖模技術(shù)對激光束進行特殊的調(diào)制,使光束中不同的振蕩縱模具有確定的相位關(guān)系,從而使各個模式相干疊加得到超短脈沖。鎖模激光脈沖寬度可達10-11~10-14s,相應(yīng)的具有很高的峰值功率。本節(jié)還對鎖模激光器工作原理作簡單介紹。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

一、激光調(diào) Q 技術(shù)

1激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q

2調(diào) Q原理（重點）

調(diào)Q 激光器的基本原理:就是通過某種方法使諧振腔的損耗值按規(guī)定的程序變化,從而壓縮光脈沖的寬度,大大提高輸出峰值功率。調(diào)Q 的基本過程:在泵浦開始時,使諧振腔的損耗增大, Q 值降低,此時器件振蕩閾值變高,振蕩不能形成,上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度便有可能大量積累.當(dāng)積累到最大值(飽和值)時,突然使諧振腔的損耗變小, Q 值突增,這時器件振蕩閾值突然變低,激光器振蕩迅速建立,腔內(nèi)象雪崩一樣以極快的速度建立起極強的振蕩,在短時間內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量被消耗,轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量,同時輸出一個極強的激光脈沖。

3電光調(diào) Q

4聲光調(diào) Q

5染料調(diào)Q

二、激光鎖模技術(shù)

鎖模是進一步對激光進行特殊的調(diào)制。技術(shù)上利用多縱模輸出的激光束，經(jīng)過特殊的調(diào)制，使其各個縱模之間有了確定的位相關(guān)系。

1主動鎖模

2被動鎖模 本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式 通過討論讓學(xué)生明白：

為了得到高的峰值功率和窄的單個脈沖,采用了Q調(diào)制技術(shù),它的基本原理是通過某種方法使諧振腔的損耗δ(或Q值)按照規(guī)定的程序變化,在泵浦激勵剛開始時,先使光腔具有高損耗δH,激光器由于閾值高而不能產(chǎn)生激光振蕩,于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)便可以積累到較高的水平。然后在適當(dāng)?shù)臅r刻,使腔的損耗突然降低到δ,閾值也隨之突然降低,此時反轉(zhuǎn)集居數(shù)大大超過閾值,受激輻射極為迅速地增強。于是在極短時間內(nèi),上能級儲存的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰?在輸出端有一個強的激光巨脈沖輸出。普通的脈沖激光器,光脈沖的寬度約在ms級,峰值功率也只有幾十kW.調(diào) Q 激光器,光脈沖的寬度可以壓到ns級,峰值功率也已達到MW.而鎖模是進一步對激光進行特殊的調(diào)制。

第五章 典型激光器介紹

§1.固體激光器

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

一般固體激光器是指沒有調(diào)Q、倍頻、鎖模等特殊功能的固體激光器,它是固體激光器的最基本組成形式。本節(jié)重點討論固體激光器的共同部分,即討論固體工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、冷卻與濾光以及連續(xù)和長脈沖固體激光器的闕值、激光輸出能量(功率)和效率。在泵浦系統(tǒng)中著重討論當(dāng)前最常用的燈泵浦系統(tǒng)和時可國內(nèi)外重點發(fā)展的激光二極管泵浦系統(tǒng)。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

一、固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)（重點）

固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。

紅寶石激光器屬于三能級系統(tǒng)，紅寶石激光器的優(yōu)點和主要缺點。

二、固體激光器的泵浦系統(tǒng)

固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵。常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。

三、固體激光器的輸出特性

固體激光器的激光脈沖特性

四、新型固體激光器

1.半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器

2.可調(diào)諧固體激光器

3.高功率固體激光器

本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式 通過討論讓學(xué)生明白：

紅寶石突出的缺點是閾值高(因是三能級)和性能易隨溫度變化。但具有很多優(yōu)點,如:機械強度高,能承受很高的激光功率密度;容易生長成較大尺寸;亞穩(wěn)態(tài)壽命長,儲能大,可得到大能量輸出;熒光譜線較寬,容易獲得大能量的單模輸出;低溫性能良好,可得到連續(xù)輸出;紅寶石激光器輸出的紅光(0.6943um),不僅能為人眼可見,而且很容易被探測接收(目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對紅光的感應(yīng)靈敏度較高)。因此,紅寶石仍屬一種優(yōu)良的工作物質(zhì)而得到廣泛應(yīng)用。用紅寶石制成的大尺寸單脈沖器件輸出能量已達上千焦耳。單級調(diào)Q器件很容易得到幾十兆瓦的峰值功率輸出(用這類器件已成功地對載有角反射器的人造衛(wèi)星進行了測距試驗)。多級放大器件的輸出峰值功率已達數(shù)千兆瓦到一萬兆瓦。紅寶石在激光發(fā)展上是貢獻比較大的一種晶體。

§2.氣體激光器

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

本節(jié)重點討論He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機理、輸出特性、CO2激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程 Ar＋激光器的結(jié)構(gòu)、Ar＋激光器的工作持性。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

一、氦-氖(He-Ne)激光器

1.He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機理

2.He-Ne激光器的輸出特性二、二氧化碳激光器

1.CO2激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程

2．CO2激光器的輸出特性

三、Ar+離子激光器

1.Ar＋激光器的結(jié)構(gòu)

2.Ar＋激光器的激發(fā)機理

本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式

通過討論讓學(xué)生明白：與其他種類的激光器相比較，氣體激光器的突出優(yōu)點是輸出光束的質(zhì)量好（單色性、相干性、光束方向性和穩(wěn)定性等）。

§3.染料激光器，半導(dǎo)體激光器，其他激光器

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

本節(jié)重點討論染料激光器、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機理、輸出特性、工作持性等。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

一、染料激光器的激發(fā)機理

1.染料分子能級

2.染料分子的光輻射過程

3.染料分子的三重態(tài)“陷阱”

二、染料激光器的泵浦

1.閃光燈脈沖泵浦

2.激光脈沖泵浦

三、染料激光器的調(diào)諧

四、半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件

五、PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

六、半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件

七、同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器

八、準(zhǔn)分子激光器 本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式

通過討論讓學(xué)生明白各種激光器的特點及優(yōu)缺點。

激光在信息技術(shù)中的應(yīng)用

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用，包括以激光為信息載體，將聲音、圖象、數(shù)據(jù)等各種信息通過激光傳送出去，或者通過激光將信息存儲在光學(xué)存儲器里，以及通過激光將信息打印或顯示出來，等等。本節(jié)介紹激光通信、激光顯示、激光存儲等領(lǐng)域的技術(shù)和應(yīng)用，讓學(xué)生了解到激光在上述各方面應(yīng)用的新思想、新概念、新技術(shù)、新進展。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

一、光纖通信系統(tǒng)中的激光器和放大器

1．半導(dǎo)體激光器 2．光纖激光器 3．光放大器

二、激光全息三維顯示

1．全息術(shù)的歷史回顧

2．激光全息術(shù)的基本原理和分類

3．白光再現(xiàn)的全息三維顯示 4．計算全息圖

5．計算全息三維顯示的優(yōu)點

三、激光存儲技術(shù)

1．激光存儲的基本原理、分類及特點

2．激光光盤存儲

3．激光體全息光存儲

4．激光存儲技術(shù)的新進展

四、激光掃描和激光打印機

1．激光掃描

2．激光打印機

本節(jié)課教學(xué)手段：

采用多媒體形式

通過學(xué)習(xí)讓學(xué)生了解到激光在上述各方面應(yīng)用的新思想、新概念、新技術(shù)、新進展。

復(fù)習(xí)課

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：

系統(tǒng)復(fù)習(xí)本學(xué)期所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，幫助學(xué)生總結(jié)本課程的重點、難點及解決問題的辦法。讓學(xué)生了解到：在光信息科學(xué)與技術(shù)知識體系中，激光在信息產(chǎn)生、獲取和處理中均起到重要作用。

本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：

重點：輻射半經(jīng)典理論、光譜線形及加寬機制、增益飽和、閾值條件、連續(xù)激光器的穩(wěn)態(tài)建立、諧振腔的穩(wěn)定條件、諧振腔的衍射理論及高斯光束的解析特性、等價共焦腔、調(diào)Q及鎖模技術(shù)原理

難點：增益飽和、諧振腔的衍射理論及高斯光束的解析特性

解決辦法：針對教學(xué)內(nèi)容中的重點和難點內(nèi)容，采取重點復(fù)習(xí)，認真閱讀教科書，通過比較多樣化解題方式，并借助上課時發(fā)下去的多媒體課件的直觀化，真正理解和掌握重點、難點內(nèi)容，握激光器運轉(zhuǎn)的基本物理原理及激光應(yīng)用技術(shù)的理論基礎(chǔ)。為后續(xù)專業(yè)課程的進一步學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，為今后在光電子學(xué)及相關(guān)的電子信息科學(xué)等領(lǐng)域從事學(xué)術(shù)研究和教學(xué)工作奠定扎實的理論基礎(chǔ)。

本節(jié)課教學(xué)手段：

借助多媒體課件的直觀化，使學(xué)生真正理解和掌握重點、難點內(nèi)容。

第三篇：激光測距應(yīng)用

激光測距應(yīng)用

應(yīng)用領(lǐng)域：

電力、水利、通訊、環(huán)境、建筑、地質(zhì)、警務(wù)、消防、爆破、航海、鐵路、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、房地產(chǎn)、休閑/戶外、反恐/軍事 主要應(yīng)用方向：

? 在鋼鐵廠和軋鋼廠用于過程監(jiān)控 ? 料位、液位的測量

? 行車定位系統(tǒng)、裝卸處理設(shè)備的定位系統(tǒng)

? 對人力所不能到達部位的測量，如罐裝物、管道、集裝箱等 ? 車輛、船舶的定位監(jiān)控系統(tǒng) ? 起重安裝設(shè)備位置控制 ? 不宜接近的物體測量

? 距離、位置、液位、料位、生產(chǎn)線料坯傳送定位 ? 行吊XY定位 ? 電梯運行測量 ? 大型工件裝配定位 ? 運動物體位置監(jiān)控 ? 大型貨架庫存管理 ? 超大物體幾何計量 ? 靶距自動控制 ? 電氣化鐵路接觸網(wǎng)測量

? 鐵路建筑物限界測量以及江河湖海等的水位測量。測距發(fā)展路線： ? 民用，手持式 ? 工業(yè)用，高可靠性 市場開拓方式： ? 大客戶

? 代理商，借助代理商的客戶群 具體應(yīng)用示例： 1.汽車防撞探測器

一般來說，大多數(shù)現(xiàn)有汽車碰撞預(yù)防系統(tǒng)的激光測距傳感器使用激光光束以不接觸方式用于識別汽車在前或者在后形勢的目標(biāo)汽車之間的距離，當(dāng)汽車間距小于預(yù)定安全距離時，汽車防碰撞系統(tǒng)對汽車進行緊急剎車，或者對司機發(fā)出報警，或者綜合目標(biāo)汽車速度、車距、汽車制動距離、響應(yīng)時間等對汽車行駛進行即時的判斷和響應(yīng)，可以大量的減少行車事故。在高速公路上使用，其優(yōu)點更加明顯。2.車流量監(jiān)控及車輪廓描畫

這種使用方式一般固定到高速或者重要路口的龍門架上，激光發(fā)射和接收垂直地面向下，對準(zhǔn)一條車道的中間位置，當(dāng)有車輛通行時，激光測距傳感器能實時輸出所測得的距離值的改變，進而描繪出所測車的輪廓。這種測量方式一般使用的激光束發(fā)散角度較小，測距范圍一般小于30米即可，且要求激光測距速率比較高，一般要求達到幾百赫茲就可以了。這對于在重要路段監(jiān)控可以達到很好的效果，能夠區(qū)分各種車型，對車身掃描的采樣率可以達到10厘米一個點，且對車流限高，限長等都能實時輸出結(jié)果。如圖3。在沒有車輛到來時，激光測距傳感器測出的是一個距離常量，也就是測距儀到地的距離，當(dāng)有車輛從測距儀下面經(jīng)過時，距離值改變，當(dāng)距離值再次回到常量就認為有一輛車通過，根據(jù)這種方式我們可以對通過一些路段的車流量進行監(jiān)控?，F(xiàn)在常用的方法是對一段時間內(nèi)的車流進行統(tǒng)計平均的方法，帶有很大的估計成分，而視頻統(tǒng)計的方法還有很多現(xiàn)實應(yīng)用的困難，因此，激光測距統(tǒng)計方法為車流量統(tǒng)計提供了一種可行的方案。3.車輛行人違法監(jiān)測

由于激光測距傳感器的光束不是實質(zhì)性的障礙，在利用激光測距傳感器對路面進行監(jiān)控的時候，并不會阻礙交通的正常運行。因此，在一些禁?；蛘呓剐腥塑囕v通行的路段，用激光束平行路面以一定高度進行固定發(fā)射或者以一定角度進行掃描，當(dāng)遇到有車輛違法停車闖紅燈或者行人違法跨越護欄等，激光測距距離值改變，可以進行報警或者警示。這種應(yīng)用光束不必要太寬，但一般要求測距距離比較長，以確保一定路段長度的防護距離。這種方式構(gòu)成的智能交通違法監(jiān)控系統(tǒng)將在交通物聯(lián)網(wǎng)中得到很大的應(yīng)用。4.激光測速傳感器

激光測距傳感器是激光測距技術(shù)在交通管理領(lǐng)域最早的一種形式，因為其卓越的性能，在實際應(yīng)用中逐漸得到普及。激光測距傳感器是采用激光測距的原理，是對被測物體進行兩次有特定時間間隔的激光測距，取得在此時間間隔內(nèi)被測物體的距離變化，從而得到該被測物體的移動速度。激光測速儀分為固定式的和移動式兩種，固定式的一般固定在路邊或者龍門架上，以一個比較小的角度迎向來車，一般通過車牌反射進行測量，測量精度比較高，可以達到±1公里/小時，測速范圍可達250公里/小時，測距范圍在此應(yīng)用中不用太長，一般80到100米即可。移動式激光測速儀對操作要求比較高，一般光束發(fā)散角度要大于3 mrad，鑒于激光測速的原理，激光光束必須要瞄準(zhǔn)垂直與激光光束的平面反射點，又由于車輛處于移動狀態(tài)，車體平面不大，且測速需要一定時間，只能作為臨時測速，取證應(yīng)用。激光測距傳感器由于光束發(fā)散角度較小，便于測速取證，不像雷達多普勒測速儀，在多車道測量時不能確知超速的具體車輛，且由于激光測速傳感器發(fā)射的是近紅外的光波，不能被雷達探測器、電子狗等探側(cè)，且不易受市區(qū)雷達雜波干擾。鑒于激光測距傳感器的上述優(yōu)點，在智能交通中的應(yīng)用將越來越普及。如圖2。

5.測量傳送帶上箱子的寬度

使用兩個發(fā)散型傳輸時間激光測距傳感器，在傳送帶的兩側(cè)面對面安裝。因為尺寸變化的箱子落到傳送帶上的位置是不固定的，這樣，每個激光測距傳感器都測量出自己與箱子的距離，設(shè)一個距離為L1，另一個為L2。此信息送給PLC，PLC將兩個激光測距傳感器間總的距離減去L1和L2，從而可計算出箱子的寬度W。6.在港口碼頭上的使用 使用激光測距傳感器，可以測量船只到船只的距離和船只到船只的相對速度。在一艘船只移動的過程中，用來檢測船只到碼頭或到另外的船只的的相對距離和速度，船只根據(jù)激光測距傳感器輸出的數(shù)字信號，調(diào)整船只行進的速度和航線。如果使用云臺可以測量一定角度范圍的物體的距離，并且可以知道在那個角度有物體，其距離和相對速度。7.在火車站上的使用

使用激光測距傳感器，可以測量火車到站臺的的距離和火車到火車到站臺的相對速度。

8.在石油鉆機上的使用

使用激光測距傳感器，可以測量游車到塔頂?shù)木嚯x和相對速度，防止“上碰下砸”事故的發(fā)生。

9、保護液壓成型沖模 機械手把一根預(yù)成型的管材放進液壓成型機的下部沖模中，操作者必須保證每次放的位置準(zhǔn)確。在上部沖模落下之前，一個發(fā)散型傳感器測量出距離管子臨界段的距離，這樣可保證沖模閉合前處于正確位置。

10、二軸起重機定位

用兩個反射型傳感器面對反射器安裝，反射器安裝在橋式起重機的兩個移動單元上。一個單元前后運動，另一個左右運動。當(dāng)起重機驅(qū)動板架輥時，兩個傳感器監(jiān)測各自到反射器的距離，通過PLC能連續(xù)跟蹤起重機的精確位置。

激光輪廓掃描儀

應(yīng)用方向： 港口應(yīng)用 1.岸吊大梁防撞

防止大梁與輪船上的煙囪、天線等相撞。2.岸吊集卡定位

通過測量集裝箱的輪廓來判斷卡車位置，通過面板顯示司機應(yīng)前進或后退的距離。

3.輪胎吊地面防撞

通過區(qū)域保護功能，防止輪胎吊的前進方向上與卡車、人物等障礙物碰撞，同時可起到防止兩臺輪胎吊相撞的目的。4.倒車雷達

通過區(qū)域保護功能，防止港口重型車輛在倒車時與卡車、人物等障礙物碰撞。

5.輪胎吊/軌道吊防打保齡

通過測量堆場中集裝箱的輪廓，控制吊具的提升高度，確保吊具及吊具上的集裝箱不與堆場中的集裝箱碰撞，同時做到優(yōu)化操作路線，提高效率的功能。交通應(yīng)用 1.車輛超限檢測

通過輪廓測量功能，測量過往車輛的最高，最寬值。2.貨車體積測量

通過輪廓測量功能，測量過往車輛的最高，并計算車輛的體積。3.鐵路貨運安全檢測門

通過輪廓測量功能，測量過往車輛的截面，將截面數(shù)據(jù)與設(shè)定值對比，檢測是否超出。4.鐵軌障礙物檢測

通過輪廓測量功能，測量在鐵軌上是否有障礙物及障礙物的大小、位置。其它應(yīng)用

1． 機器人和AGV自動導(dǎo)航車

通過輪廓測量功能，實現(xiàn)機器人自動導(dǎo)航或防撞，或地圖掃描。2． 船閘應(yīng)用

通過區(qū)域檢測功能，檢測航道上是否有船經(jīng)過，以避免與船閘相撞。3． 盤煤系統(tǒng)

安裝在堆取料機上，自動盤煤。4． 人數(shù)統(tǒng)計

監(jiān)控人流密度，控制區(qū)域安全及節(jié)能等作用。5． 安防

通過人眼不可見的紅外掃描，廣泛應(yīng)用于核電、軍隊、監(jiān)獄、博物館等重要場合的安防應(yīng)用。6． 地圖構(gòu)建

通過輪廓測量功能，實現(xiàn)無人車的自動避障或周圍環(huán)境的輪廓掃描。7． 機器人輪廓掃描及定位

通過輪廓測量功能，掃描物體的輪廓及位置，方便機器人抓取。市場開拓方式： ? 大客戶

? 代理商，借助代理商的客戶群

具體應(yīng)用： 港口應(yīng)用 1.岸吊大梁防撞

防止大梁與輪船上的煙囪、天線等相撞。

2.岸吊集卡定位

通過測量集裝箱的輪廓來判斷卡車位置，通過面板顯示司機應(yīng)前進或后退的距離。

3.輪胎吊地面防撞

通過區(qū)域保護功能，防止輪胎吊的前進方向上與卡車、人物等障礙物碰撞，同時可起到防止兩臺輪胎吊相撞的目的。

4.倒車雷達

通過區(qū)域保護功能，防止港口重型車輛在倒車時與卡車、人物等障礙物碰撞。

5.輪胎吊/軌道吊防打保齡

通過測量堆場中集裝箱的輪廓，控制吊具的提升高度，確保吊具及吊具上的集裝箱不與堆場中的集裝箱碰撞，同時做到優(yōu)化操作路線，提高效率的功能。

交通應(yīng)用 1.車輛超限檢測

通過輪廓測量功能，測量過往車輛的最高，最寬值。

2.貨車體積測量

通過輪廓測量功能，測量過往車輛的最高，并計算車輛的體積。

3.鐵路貨運安全檢測門

通過輪廓測量功能，測量過往車輛的截面，將截面數(shù)據(jù)與設(shè)定值對比，檢測是否超出。

4.鐵軌障礙物檢測

通過輪廓測量功能，測量在鐵軌上是否有障礙物及障礙物的大小、位置。

其它應(yīng)用

1． 機器人和AGV自動導(dǎo)航車

通過輪廓測量功能，實現(xiàn)機器人自動導(dǎo)航或防撞，或地圖掃描。

2． 船閘應(yīng)用

通過區(qū)域檢測功能，檢測航道上是否有船經(jīng)過，以避免與船閘相撞。

3． 盤煤系統(tǒng)

安裝在堆取料機上，自動盤煤。

4． 人數(shù)統(tǒng)計

監(jiān)控人流密度，控制區(qū)域安全及節(jié)能等作用。

5． 安防

通過人眼不可見的紅外掃描，廣泛應(yīng)用于核電、軍隊、監(jiān)獄、博物館等重要場合的安防應(yīng)用。

6． 地圖構(gòu)建

通過輪廓測量功能，實現(xiàn)無人車的自動避障或周圍環(huán)境的輪廓掃描。

7． 機器人輪廓掃描及定位

通過輪廓測量功能，掃描物體的輪廓及位置，方便機器人抓取。

第四篇：激光加工應(yīng)用范圍

主要可廣泛應(yīng)用于:

1: 汽車機械行業(yè)：軸承，鋼套，活塞環(huán)，發(fā)動機標(biāo)簽，汽車面板按鍵，機床配件等； 2: 電子通訊行業(yè)：手機按鍵，鍵盤，電子元器件，家電面板，光纜，電纜等；

3: 五金工具行業(yè)：工具，量具，刃具，衛(wèi)浴潔具，餐具，鎖，刀剪，醫(yī)療器械，健身器材，不銹鋼制品等；

4: 飾扣標(biāo)牌行業(yè)：鈕扣，箱包扣，皮帶扣，金銀飾品，指示牌，胸牌，考勤卡，名片賀卡，日歷，相片，皮包，皮帶，筆及筆盒，獎狀，獎杯各種證書，收藏器，藝術(shù)品，圖章，牌匾等；

5: 儀表眼鏡行業(yè)：金屬表殼，表底，眼鏡框，儀器儀表面板等；

6: 木器工藝行業(yè)：木制工藝品，字畫復(fù)制及裝表，家具工藝裝飾等；

7: 包裝瓶蓋行業(yè)：煙草，食品，藥品等內(nèi)外包裝，金屬瓶蓋，易拉罐等。

第五篇：激光的發(fā)展及應(yīng)用

激光的發(fā)展及應(yīng)用

13材料C1 安海山 20134865620 前言：激光作為新能源代表，在許多領(lǐng)域都有更廣泛應(yīng)用，激光器的發(fā)明是20世紀中能與原子能、半導(dǎo)體、計算機相提并論的重大科技成就。自誕生到現(xiàn)在得到了迅速發(fā)展，激光光源的出現(xiàn)是人工制造光源歷史上的又一次革命。我國激光技術(shù)在起步階段就發(fā)展迅速，無論是數(shù)量還是質(zhì)量都和當(dāng)時國際水平接近。一項創(chuàng)新性技術(shù)能夠如此迅速地趕上世界先進行列，這在我國近代科技發(fā)展史上并不多見。能夠?qū)⑽锢碓O(shè)想、技術(shù)方案順利地轉(zhuǎn)化成實際激光器件，主要得力于長春光機所多年來在技術(shù)光學(xué)、精密機械方面的綜合能力和堅實基礎(chǔ)。一項新技術(shù)的開發(fā)，沒有足夠技術(shù)支撐很難形成氣候。

摘要：激光是２０世紀６０年代出現(xiàn)的最重大科學(xué)技術(shù)成就之一，它的 出現(xiàn)深化了人們對光的認識，擴大了光為人類服務(wù)的天地。激光是基于受激發(fā)射放大原理而產(chǎn)生的一種相干輻射。能夠發(fā)射出激光的實際裝置，稱之為激光器，普通光由原子群中的原子無秩序地、個體自發(fā)發(fā)光產(chǎn)生，而激光的產(chǎn)生，則是控制了原子群，使之集體化地，有組織有紀律地發(fā)光，就是說，激光是由原子群的集體化受激發(fā)光產(chǎn)生的。

關(guān)鍵詞：激光、激光產(chǎn)業(yè)、發(fā)展趨勢 1.激光的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1激光在自然科學(xué)研究上的應(yīng)用

1.1.1非線性光學(xué)反應(yīng)

在熟悉的反射、折射、吸收等光現(xiàn)象中，反射光、折射光的強度與入射光的強度成正比，這類現(xiàn)象稱為線性光學(xué)現(xiàn)象。如果強度除了與入射光強度成正比外，還與入射光強調(diào)成二次方、三次方乃至更高的方次，這就屬非線性光學(xué)效應(yīng)。這些效應(yīng)只有在入射光足夠大時才表現(xiàn)出來。高功率激光器問世后，人們在激光與物質(zhì)相互作用過程中觀察到非線性光學(xué)現(xiàn)象，如頻率變換，拉曼頻移，自聚焦，布布里淵散射等。

1.1.2用激光固定原子

氣態(tài)原子、分子處于永不停息運動中（速度接近340 m/s），且不斷與其它原子，分子碰撞，要“捕獲”操作它們十分不易。1997年華裔科學(xué)家、美國斯坦福大學(xué)朱棣文等人，首次采用激光束將原子數(shù)冷卻到極低溫度，使其速度比通常做熱運動時降低，達到“捕獲”操作的目的。具體做法是，用六路倆倆成對的正交激光束，用三個相互垂直的方向射向同一點，光束始終將原子推向這點，于是約106個原子形成的小區(qū)，溫度在240μκ以下。這樣使原子的速度減至10 m/s兩級。后來又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在約1s內(nèi)從控制區(qū)墜落后被捕獲。此項技術(shù)在光譜學(xué)、原子鐘、研究量子效應(yīng)方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

1.2激光測距、激光雷達

利用激光的高亮度和極好的方向性，做成激光測距儀，激光雷達和激光準(zhǔn)直儀。激光測距的原理與聲波測距原理類似。激光雷達與激光測距的工作原理相似，只是激光雷達對準(zhǔn)的是運動目標(biāo)或相對運動目標(biāo)。利用激光雷達又發(fā)展了遠距離導(dǎo)彈跟蹤和激光制導(dǎo)技術(shù)，這些在1991年海灣戰(zhàn)爭中都已投入使用。激光制導(dǎo)導(dǎo)彈，頭部有四個排成十字形的激光接收器（四象限探測儀）。四個接收器收到的激光一樣多，就按原來方向飛行；有一個接收器接受的激光少了，它就自動調(diào)整方向。另一類激光制導(dǎo)是用激光束照射打擊目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)反射的激光被導(dǎo)彈上的接收器收到，引導(dǎo)導(dǎo)彈擊中目標(biāo)。激光準(zhǔn)直儀起到導(dǎo)向作用，例如在礦井坑道的開挖過程中為挖掘機導(dǎo)向。激光 準(zhǔn)直儀還被用在安裝發(fā)動機主軸系統(tǒng)等對方向性要求很高的工作中。

1.3激光在工業(yè)應(yīng)用

激光加工代表精密加工裝備未來的發(fā)展方向，體現(xiàn)著一個國家的生產(chǎn)加工能力、裝備水平和競爭能力。目前，激光加工技術(shù)在各種僅金屬與非金屬材料加工中的應(yīng)用非常廣泛。工業(yè)激光器目前主要包括CO2激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器等。這幾種激光器各具優(yōu)點，如CO2激光器的成本最低，固體激光器的光束質(zhì)量好，半導(dǎo)體激光器的出光效率高。光纖激光器是未來新一代激光技術(shù)的發(fā)展方向，它具有常規(guī)固體激光器所不具備的許多優(yōu)點。然而激光器服務(wù)的機床企業(yè)非常謹慎，終端用戶對激光器本身的印象遠不及對系統(tǒng)那么深刻。在現(xiàn)代重工業(yè)中，如材料切割、焊接、快速成型等過程中，激光技術(shù)體現(xiàn)出了優(yōu)越性。激光可以通過軟件來控制軌跡。激光加工屬于非接觸加工，因此穩(wěn)定性和壽命都比較好。在當(dāng)今半導(dǎo)體行業(yè)，光科技術(shù)已成為半導(dǎo)體工業(yè)的“領(lǐng)頭羊”。激光器在線加工已成為不可或缺的一部分。例如激光調(diào)阻機可達到產(chǎn)能70萬只/小時，芯片光刻已實現(xiàn)65nm的制程。

1.4激光在醫(yī)學(xué)應(yīng)用

激光在醫(yī)療領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。激光與生物體的作用產(chǎn)生多種效應(yīng)，如熱效應(yīng)、壓力效應(yīng)、光化效應(yīng)、電磁效應(yīng)。有時，這幾種效應(yīng)在作用是同時存在。激光類醫(yī)療器材產(chǎn)品被定義為：為了手術(shù)、治療或醫(yī)療診斷目的而進行人體照射的那些種類的醫(yī)療器材產(chǎn)品。激光醫(yī)療設(shè)備可分為激光治療器、激光診斷儀器和激光檢測設(shè)備。激光美容、激光切除腫瘤、激光眼科手術(shù)、激光心肌血管再造等等都得到了迅速發(fā)展。在世界激光醫(yī)療市場，中國已成為僅次于美國和日本的世界第3大激光醫(yī)療市場。弱激光對生物組織有刺激、陣痛、消炎、擴張血管等作用，用弱激光照射病灶，有治療效果。利用弱激光照射穴位?？梢援a(chǎn)生類似針灸的效果。低強度的He-Ne激光血管內(nèi)照射可以治療腦梗塞、頸椎病、冠心病等缺血性疾病]。研究表明，紫光激光器對軟組織治療有著很好的療效，打破了CO2激光器最適合治療這類疾病的常規(guī)認識。

1.5激光通信

激光通信主要是利用激光的單色性和方向性好的特點。根據(jù)傳輸媒質(zhì)的不同，激光通信可分為宇宙通信、大氣通信、水下通信以及光纖通信。目前在軍事領(lǐng)域使用較為廣泛的是大氣通信。大氣激光通信保密性能好，難以截獲和干擾。諾·格公司已完成衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)兼容性實驗，2007年進行下一階段試驗，該系統(tǒng)能夠為多種用戶提供更強的通信能力。民用光纖通信的容量很大，且成本低。目前光纖通信蓬勃發(fā)展，已成為重要的民用領(lǐng)域之一。

1.6激光與能源

激光具有高亮度的特點，在能源利用上也有其自身獨特的優(yōu)勢。目前，激光與核能的應(yīng)用緊密相關(guān)：一是激光分離同位素，用于核燃料的提純工作；二是激光核聚變。能源現(xiàn)已成為社會發(fā)展中的中的重要問題之一。最理想的能源應(yīng)是既潔凈又取之不竭的核能，這當(dāng)然是聚變能的利用。據(jù)估計，地球海洋中的聚變資源可夠人類用1千億年，可以說是取之不盡，用之不竭，同時又不會污染環(huán)境的能源?？梢?，可控聚變核反應(yīng)是一個非常理想的核能來源，已引起各國科學(xué)家的高度重視，但尚未能夠做成實用的能源來發(fā)電。目前，強激光功率已達到聚變的點火條件。俄羅斯實驗物理科研所已成功研制出用于熱核反應(yīng)的新型大功率激光器。該激光器的功率達到了1015W/cm2，能量達300 000 J，可代替實驗室條件下的核試驗。用于激光傳輸不需要介質(zhì)，因而可作為遠距離作用能源。據(jù)報道，日本一個研究小組以實驗成功用激光驅(qū)動機器人。機器人電源一般使用電池，然而在核電站和化學(xué)污染嚴重的場所，對正在作業(yè)的機器人更換電池有一定的困難，而用激光驅(qū)動十分便利。此外在宇宙空間用激光驅(qū)動機器人也比使用電池優(yōu)越。目前，日本正在進行激光推進技術(shù)、跟蹤和控制小型車輛的實驗研究，進展良好。此外，激光還有許多用途，在軍事、科研、文化、國防、公安偵破等領(lǐng)域均有廣泛用途。

2.激光的發(fā)展趨勢

激光器自問世30余年以來，以日新月異的面貌改變著自身的功能，令人瞠目結(jié)舌，也令世人刮目相看，接下來再看看激光未來發(fā)展走向以及激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2.1激光器發(fā)展趨勢 2.1.1功率越來越高

美國、法國、德國和日本最近已經(jīng)完成或正在建造拍瓦新裝置（1拍瓦=1015W）。這些高功率激光器都有2種運轉(zhuǎn)方式：可以斷續(xù)發(fā)射幾百焦耳的長脈沖（每個約400fs），（1 fs =1015s），或發(fā)射不連續(xù)的短脈沖（每個約20fs），每個脈沖為幾十焦耳。超短超強飛秒激光器可用于激光核聚變實驗和高能量密度物理研究，在商用上也有巨大的潛力。飛秒激光器用于光纖通信可擴展通信寬帶，到2010年通信系統(tǒng)的傳輸速率達到5～10Tbps。

2.1.2小型化、集成化激光器

目前，全球固體激光器市場一派興旺，半導(dǎo)體激光器迅速增長，二極管泵浦的固體激光器成為新的增長點。據(jù)研究表明，激光二極管采用脈沖方式供電可以在相當(dāng)程度上提高其峰值功率，這將有效推進激光二極管在材料處理中的使用。

2.1.3陣列激光器

光通信的迅猛發(fā)展極大推動了陣列激光器的出現(xiàn)和進一步發(fā)展。據(jù)研究表明，陣列激光器非常適合全光互連，采用光子晶體耦合激光器顯著提高了出光效率。

2.1.4新波段激光器

近年來，中遠紅外激光器、極紫外激光器等也得到了發(fā)展，現(xiàn)已有近千種工作介質(zhì)，可產(chǎn)生的激光波長包括從真空紫外到遠紅外，光譜范圍越來越寬。3.1.5高效率 激光器的出光效率越來越高。新型YAG激光器的斜度效率在泵浦功率>20W時約為81%。

2.2全球激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

世界激光器市場可劃分為3大區(qū)域：美國（包括北美）、歐洲、日本以及太平洋地區(qū)。由于半導(dǎo)體激光器的迅速發(fā)展，使二極管泵浦固體激光工業(yè)加工設(shè)備所占的市場份額越來越大。2002年全球工業(yè)激光系統(tǒng)產(chǎn)值約為29.9億美元，2003年約為31.116億美元，2004年約為32.11億美元。2006年用于材料加工的激光器的銷售額達到了17億美元。在世界激光市場上，日本在光電子技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，約占50%的份額。追蹤世界激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展，可看出其中包含的幾點趨勢：①在激光源方面，半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體泵浦固體激光器將成為未來的主導(dǎo)；②激光技術(shù)對產(chǎn)品投入產(chǎn)出比和技術(shù)基礎(chǔ)的優(yōu)化作用更加明顯，融合在產(chǎn)品與服務(wù)中的技術(shù)含量越來越高；③激光技術(shù)與眾多新興學(xué)科技術(shù)相結(jié)合，更加貼近人們的日常生活；④激光產(chǎn)業(yè)界并購盛行，各公司力爭成為產(chǎn)業(yè)巨頭。

2.3我國激光產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及存在主要問題

我國激光產(chǎn)業(yè)具有很好的發(fā)展前景和潛力。近年來，中國激光市場呈現(xiàn)出穩(wěn)定、高速增長的態(tài)勢。1999年和2005年，中國激光產(chǎn)品市場銷售額分別為14.13億和47.75億人民幣 ]。在行業(yè)迅猛發(fā)展的同時，我們也該認識到我國激光產(chǎn)業(yè)起步晚、基礎(chǔ)薄 弱，與世界領(lǐng)先國家的差距還很大。例如，與先進國家的激光加工系統(tǒng)相比，我國的激光加工系統(tǒng)差距甚大，僅占全球銷售額的2%左右。主要體現(xiàn)在：高檔激光加工系統(tǒng)很少，甚至沒有；主力激光不過關(guān)；激光微細加工裝備缺口較大。目前，存在的主要問題有：（1）核心技術(shù)少很多關(guān)鍵性基礎(chǔ)性技術(shù)沒有解決好，甚至某些技術(shù)還有退步。目前，國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)大多來自于進口，產(chǎn)品競爭力不足。（2）產(chǎn)研結(jié)合欠佳 我國的激光學(xué)術(shù)研究方面仍處于世界領(lǐng)先地位，但產(chǎn)業(yè)卻非常落后，其中知識產(chǎn)權(quán)和專利成果保護不力，很多先進的激光技術(shù)沒有轉(zhuǎn)換成產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。另外，學(xué)術(shù)的開放性不夠，由于擔(dān)心技術(shù)流失，導(dǎo)致創(chuàng)新效率低下。（3）創(chuàng)新能力不足，配套能力較差 系統(tǒng)的配套能力不高，創(chuàng)新能力不足，大多是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型。現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)大多是光機電算綜合的產(chǎn)業(yè)，而國產(chǎn)激光器和其他行業(yè)的結(jié)合很不好，智能化、自動化程度太低，增加了用戶使用的困難。（4）從技術(shù)管理上看，缺少良好的評價系統(tǒng) 缺少國家標(biāo)準(zhǔn)，評價體系“當(dāng)量”折算不當(dāng)，華而不實?，F(xiàn)有的評價體系是一種自我循環(huán)，導(dǎo)致激光產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)督不夠，這些都不利于激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3.結(jié)束語

激光在當(dāng)今世界應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，通過對當(dāng)今不同激光產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的了解，對激光以及激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的把握，有助于我國在激光這一新技術(shù)方面處于前列。更好的為經(jīng)濟服務(wù)，是我國經(jīng)濟有更大的發(fā)展空間。

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