视频公开课 《 走近物理学 》 第六讲

1. 视频公开课《走近物理学》第六讲 神奇的激光 主讲人 程庆华教授

2. 神奇的激光

3. 神奇的激光

4. 神奇的激光

5. 神奇的激光

6. 舞台艺术—绚丽多彩的激光表演 神奇的激光

7. 激光切割 激光信息存储 激光测距 激光通讯 激光全息照相 激光武器—机载激光雷达系统 神奇的激光 激光的广泛应用

8. 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”。 问题？ 什么是“受激辐射”？

9. 从爱因斯坦的受激辐射谈起 激光的诞生 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

10. 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 . 从爱因斯坦的受激辐射谈起 1 原子结构和能级 原子核和电子以怎样的结构构成了原子？ 物质的微观结构 物质  分子  原子 原子  原子核+电子 • 1903年，汤姆孙提出原子的“葡萄干蛋糕模型”.

11. 卢瑟福 电子轨道 核由质子和中子组成 从爱因斯坦的受激辐射谈起 • 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.

12. 怎样解决这两大困难？ 怎样解决这两大困难？ 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. 从爱因斯坦的受激辐射谈起 • 原子行星模型的成功和困难 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！ 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！

13. 普朗克 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） 从爱因斯坦的受激辐射谈起 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）

14. 从爱因斯坦的受激辐射谈起 • 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.

15. 爱因斯坦 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. 从爱因斯坦的受激辐射谈起 • 爱因斯坦关于电磁辐射的两条假设 电磁辐射由“光量子（简称光子）”构成. • 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”.

16. 玻尔 从爱因斯坦的受激辐射谈起 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 (1)定态假设 (2)频率条件 (3)量子化条件

17. E1 + E3 从爱因斯坦的受激辐射谈起 (1)定态假设 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. 与定态对应的能量分别为 E1，E2， E3… ， E1 < E2< E3

18. Ei 吸收 发射 Ef 主量子数 从爱因斯坦的受激辐射谈起 (2) 频率条件 (3)量子化条件

19. 从爱因斯坦的受激辐射谈起 由此可以计算氢原子轨道半径和能量 轨道半径 第 n 轨道电子总能量

20. 时对应的定态称为基态 时对应的定态称为激发态 (电离能) 激发态能量 从爱因斯坦的受激辐射谈起 基态能量

21. n= 0 n=5 -0.54 eV n=4 -0.85 eV n=3 -1.51 eV n=2 -3.40 eV n=1 -13.6 eV 从爱因斯坦的受激辐射谈起 氢原子的模型和能级

22. 从爱因斯坦的受激辐射谈起 量子力学的建立解决了这些问题！ • 玻尔理论的成功与困难 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。 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.

23. E2 特点：必须有外来光子激励，且 E1 从爱因斯坦的受激辐射谈起 4 受激辐射 吸收（受激吸收） 发射（自发辐射、受激辐射） 辐射（发光）过程 • 吸收 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。

24. E2 发射光子的频率 E1 从爱因斯坦的受激辐射谈起 • 自发辐射 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.

25. 爱因斯坦 从爱因斯坦的受激辐射谈起 • 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。

26. 条件：受到外来光子的激发 其频率为 E2 E1 从爱因斯坦的受激辐射谈起 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. 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） 受激辐射产生的光放大，就是激光（Laser）

27. 条件：受到外来光子的激发 其频率为 E2 E1 从爱因斯坦的受激辐射谈起 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. 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） 问题？ 激光的诞生还需要什么条件？

28. 激光的诞生 • 激光器诞生的理论基础 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 1900年普朗克提出了能量子的概念 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 光物理的基础研究预言了激光器的诞生

29. 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 • 激光器诞生的实验基础 产生激光的三个必要条件 1 有能造成粒子数反转的激活介质 ——需要选择合适的工作物质 2 实现粒子数反转 ——需要激励能源（光源或电源） 3 获得方向单一和单色性很好的强光光束 ——通过光学谐振腔实现

30. 基础理论研究 实验研究 技术支撑 激光的诞生 • 激光器诞生涉及的技术 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 使激光器的诞生呼之欲出

31. 汤斯与脉泽装置 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)

32. 梅曼和他的第一台激光器 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) 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

33. 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) 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 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

34. 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) 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 我国的第一台激光器于1961年在长春光机所创制成功 问题？ 激光器的种类有多少？

35. 庞大的激光家族 目前比较成熟和应用较为广泛的激光器主要有下列类型 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

36. 庞大的激光家族 1 半导体激光器 半导体材料作为激活介质。

37. 庞大的激光家族 1 半导体激光器 半导体材料作为激活介质。 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。

38. 庞大的激光家族 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 ）

39. 庞大的激光家族 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。

40. YAG倍频激光器 钛宝石飞秒激光器 庞大的激光家族 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。

41. 庞大的激光家族 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

42. 北京自由电子激光加速器部分 庞大的激光家族 • 自由电子激光器

43. http://gjss.ndrc.gov.cn/cxtx/cxlt/t20061027_90531.htm 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” 庞大的激光家族 • 自由电子激光器

44. 庞大的激光家族 • 自由电子激光器 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。 问题？ 激光为什么会有这么好的发展和应用前景？

45. 激光的神奇特性 激光的神奇特性主要表现在下列方面 1 单色性好 2 方向性好 3 相干性好 4 亮度极高

46. 单色性最好的氪（）灯， 白光 稳频 He — Ne 激光器 ， 激光的单色性比普通光高 倍. 激光的神奇特性 1 单色性好

47. 激光的神奇特性 1 单色性好 2 方向性好 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

48. 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。 激光的神奇特性 1 单色性好 2 方向性好 3 相干性好 空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。

49. 激光的神奇特性 1 单色性好 2 方向性好 3 相干性好 4 亮度极高 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。

50. 激光应用的现在与未来 激光广泛的应用领域 • 工农业生产 • 信息技术 • 舞台艺术 • 医学 • 军事 • 科学研究 • 7 激光技术应用的未来