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中国各类激光器的“第一台”
名 称 红宝石激光器 He-Ne激光器 掺钕玻璃激光器 GaAs同质结半导体激光器 脉冲Ar+激光器 CO2分子激光器 研制成功时间 1961年9月 1963年7月 1963年6月 1963年12月 1964年10月 1965年9月 研 制 人 王之江等 邓锡铭等 干福熹等 王守武等 万重怡等 王润文等
U3+:CaF2 (Four level system, 1960) P. Sorokin & M.J. Stevenson HeNe (1961) A.Javan
California Man Invented Death Ray, Laser
Ruby was ruled out… (Wilde & Schalow) Pulse operation Another episode related to masers 科学家很难判断研究工作的价值和影响， 爱因斯坦做不到，梅曼也做不到
2000
2100
萌芽时期
几何光学
波动光学
量子光学/现代光学
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LASER
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
1、gain medium 2、pumping source 3、cavity 4、output coupler 5、laser beam Coherence Spatial coherence Temporal coherence The foundation of lasers
国家点火装置(NLF)----雅典娜 (投资 12亿美元) Yb:glass 主振----192 路光束放大---1.8 MJ
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世界上最小的激光器
The University of Texas at Austin，施至刚 教授 &台湾清华大学，果尚志 教授
Science 337, 450 (2012)
Δ t 1/ Δ v L c Δ t
相干长度可达几十公里
• 空间相干性好 不同地点同一时刻的光之间的相干性
激光波面上各个点可以做到都是相干的（如基横模）
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激光的特性
3、方向性好
激光束的发散角很小(几个毫弧度)，
几乎是一平行的光线。
用来测量地球到月球的距离，精度 达几厘米（17cm-2mm）； 通过测量单一激光脉冲在月球表面 和地球表面的往返时间得到。
前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。
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激光通信
（1）大气激光通信 1960年，激光器诞生后几个月后，贝尔实验室的科学家 试验成功大气光通信，距离为25英里。 缺点：由于天气和障碍物的影响，加上地球表面为球形， 光的直线传播距离很短。
（2）空间激光通信
在接近真空的环境下进行的 激光通信，如卫星和卫星之 间的通信。
1964: Alexsander M. Prokhorov, Charles H. Townes, and Nicolay G. Basov (量子电子学与激光理论,导致激光的实现)。 1981: Nicolaas Bloembergen & Arthur L. Schawlow (激光光谱与 非线性光学)。
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Light Amplification
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Light Amplification
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Light Amplification
Four-level system
激发阈值
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The most powerful laser
NOVA ( LLNL 实验室)足球场大小 740mm口径 100kJ/25ns 放大后 100TW (100ps) ( 全球电量 3TW)
（2）全息防伪
激光医学
（1）强激光治疗 利用激光的光热效应对组织进行凝固、汽化或切割，从而消除病变。出血少， 操作定为精确，非接触，无菌，对周围组织损伤小。 人体组织75%以上是水 临床上最早用于强激光治疗的激光器有CO2激光器，Nd:YAG激光和Ar+激 光。 CO2激光，10.6um，广泛用于治疗皮肤科、妇科、普外科多种疾病，如色 素痣，老年斑等。
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激光的特性
4、亮度高
B 1016 W 激光亮度： m2 Sr
单位截面和单位立体角内发射的光功率 光源的亮度：
p S
p B S
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强度：
在聚焦状态
激光强度可达到
I 1017 W/cm2
脉冲瞬时功率可达～10 14 W 可产生108 K的高温，引起核聚变。
激光的亮度可比普通光源高出 1012 － 1019 倍，是目
- 多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、 热泵浦等、磁泵浦；
- 多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体（He-Ne、 CO2）、液体、染料、半导体、自由电子等；
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光纤激光器 固态激光器
半导体激光器
气体激光器
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半导体激光器
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The great mind
曼哈顿计划
The concept of “stimulated emission” (Einstein, 1916) “MASER” (pulse) (Charles H Townes, 1954, with J.Gordon, H. Zeiger) “MASER” (cw) (N. Basov & A. Prokhorov)
Black Body Emission
Rayleigh-Jeans Wien Planck
R/R
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Wavelength (m)
Max Planck, 1900
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Solar Spectrum Blackbody Emission @5200K
激光近视眼校正
用准分子激光通过对角膜瓣下基质层进行屈光性切削， 从而降低瞳孔区的角膜曲率，达到矫正近视的目的。
（2）弱激光治疗 弱激光又称为低强度、低水平激光.弱激光作用于生物组织 时,不造成生物组织不可逆的损伤,但可以刺激机体产生一系 列的生理生化反应,对组织或机体起到调节、增强或抑制的 作用,从而达到治病的目的.机制目前不是很清晰。 激光理疗，用于口腔溃疡、甲沟炎和皮肤带状疱疹等。 激光针灸治疗，包括损伤、甲状腺功能亢进、高血脂和高 血压等。 用于弱激光治疗的激光器 波长632.8nm 的He-Ne激光 波长630—690nm 半导体激光器和波长780—980nm半导 体激光器
500
1000
1500
2000
2500
Wavelength (nm)
Max Planck 1901
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Light Amplification
Albert Einstein, 1905
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Light Amplification
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Light AmBiblioteka lificationloss spontaneous emission amplification
优点：激光在真空中传播 衰减小，可用小功率激光器 实现远距离通信。 （3）水下通信。利用波长为0.46~0.53m的兰绿色激 光（能穿透几百到几千米海水）在海水中进行通信。
（ 4）激光光纤通信：让载有信号的激光束通过光导纤 维传输至对方以实现通信的方法。
激光全息
（1）全息照相 普通照相仅仅记录光波的强 度，丢失了光波的相位信息； 全息照相借助于物体的物光 和另外一束简单的参考光的 干涉，同时记录来自物体光 波的振幅和相位，也就是记 录了光波所承载的全部信息。 具有长相干长度的激光诞生后，开始了全息的新纪元。
CH3I化学激光器
YAG激光器
1966年3月
1966年7月
邓锡铭等
屈乾华等
1918, Quanta (Planck) 1921, Einstein 1947, Stimulated emission in hydrogen (Lamb & Reherford) 1950, Optical pump.(Kastler) 1964, Maser (Townes, Basov, Prokhorov) 1971, Holography (Gabor) 1981, Laser spectroscopy & Nonlinear optics (Bloembergen & Schawlow) 1989, Atomic clock (Ramsey) 1997, Laser cooling and trapping (Chu, Cohen-Tannoudji, & Phillips) 1999, Femtochemistry (Zewail) 2001, BEC (Cornell, Ketterle, &Wieman) 2005, Frequency comb (Hall & Hansch); Quantum theory of optical coherence (Glauber) 2009, Optical fiber (Kao), CCD (Boyle & Smith) 2014, Blue LED (Akasaki, Amano, & Nakamura)
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激光的特性
—与普通光的区别 极 高 强 度 极 高 亮 度 ( ) 极 好 方 向 性 极 高 相 干 性
空时 间间 相相 干干 性性
低于振荡阈值
高于振荡阈值