本課程是面向信息學(xué)院光信和電科專業(yè)本科生的核心專業(yè)基礎(chǔ)課。定位于為培養(yǎng)信息科學(xué)類工程技術(shù)及研究型最優(yōu)秀人才打好激光物理基礎(chǔ)，按照研究型大學(xué)的教學(xué)理念采用研究型教學(xué)模式。課程的教學(xué)理念：把培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新精神放在第一位。教學(xué)內(nèi)容：精講鞏固基礎(chǔ)，加強(qiáng)科技前沿介紹。教學(xué)方法：講課主要是講物理概念、處理問題的思路方法，講重點(diǎn)、講難點(diǎn)；既注意嚴(yán)格的邏輯推理又進(jìn)行滲透式、歸納式、討論式教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和自主學(xué)習(xí)的能力。
教學(xué)手段：課堂講授采用多媒體與版書結(jié)合，電子教案上網(wǎng)，開展網(wǎng)絡(luò)討論和師生交流。
我院《激光原理》課程有著悠久的歷史和輝煌的教育業(yè)績，目前已成為信息學(xué)院精品課程。該課程依托“光學(xué)工程”省級重點(diǎn)學(xué)科和省光子學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和博士后流動站，有堅(jiān)實(shí)的科研基礎(chǔ)和高水平的師資隊(duì)伍。該課程所采用的《激光原理》教材獲得同行的一致好評，并被多所高校采用。該專業(yè)的畢業(yè)生許多已成我國光學(xué)行業(yè)的棟梁之材，有的成為了院士、長江學(xué)者，有的成為了某個研究方向的戰(zhàn)略科學(xué)家。
簡介
激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又非常非常重[1]大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的亮度為太陽光的100億倍。它的原理早在 1916 年已被著名的美國物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但要直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理論準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。激光可使人們有效地利用前所未有的先進(jìn)方法和手段，去獲得空前的效益和成果，從而促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。該項(xiàng)目在華中科技大學(xué)武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室和武漢東湖中國光谷得到充分體現(xiàn)，也在軍事上起到重大作用。
激光產(chǎn)生
一．物質(zhì)與光相互作用的規(guī)律
光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子，同時改變自身運(yùn)動狀況的表現(xiàn)。
微觀粒子都具有特定的一套能級（通常這些能級是分立的）。任一時刻粒子只能處在與某一能級相對應(yīng)的
物質(zhì)與光相互作用的規(guī)律
狀態(tài)（或者簡單地表述為處在某一個能級上）。與光子相互作用時，粒子從一個能級躍遷到另一個能級，并相應(yīng)地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級的能量差△E，頻率為=△E/h（h為普朗克常量）。
1. 受激吸收（簡稱吸收）
處于較低能級的粒子在受到外界的激發(fā)（即與其他的粒子發(fā)生了有能量交換的相互作用，如與光子發(fā)生非彈性碰撞），吸收了能量時，躍遷到與此能量相對應(yīng)的較高能級。這種躍遷稱為受激吸收。
2. 自發(fā)輻射
粒子受到激發(fā)而進(jìn)入的高能態(tài)，不是粒子的穩(wěn)定狀態(tài)，如存在著可以接納粒子的較低能級，既使沒有外界作用，粒子也有一定的概率，自發(fā)地從高能級（E2）向低能級（E1）躍遷，同時輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率 =（E2-E1）/h。這種輻射過程稱為自發(fā)輻射。眾多原子以自發(fā)輻射發(fā)出的光，不具有相位、偏振態(tài)、傳播方向上的一致，是物理上所說的非相干光。
3. 受激輻射、激光
1917年愛因斯坦從理論上指出：除自發(fā)輻射外，處于高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。他指出當(dāng)頻率為=（E2-E1）/h的光子入射時，也會引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1，同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個過程稱為受激輻射。
可以設(shè)想，如果大量原子處在高能級E2上，當(dāng)有一個頻率 =（E2-E1）/h的光子入射，從而激勵E2上的原子產(chǎn)生受激輻射，得到兩個特征完全相同的光子，這兩個光子再激勵E2能級上原子，又使其產(chǎn)生受激輻射，可得到四個特征相同的光子，這意味著原來的光信號被放大了。這種在受激輻射過程中產(chǎn)生并被放大的光就是激光。
激光
．粒子數(shù)反轉(zhuǎn)
愛因斯坦1917提出受激輻射，激光器卻在1960年問世，相隔43年，為什么？主要原因是，普通光源中粒子產(chǎn)生受激輻射的概率極小。
當(dāng)頻率一定的光射入工作物質(zhì)時，受激輻射和受激吸收兩過程同時存在，受激輻射使光子數(shù)增加，受激吸收卻使光子數(shù)減小。物質(zhì)處于熱平衡態(tài)時，粒子在各能級上的分布，遵循平衡態(tài)下粒子的統(tǒng)計(jì)分布律。按統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，處在較低能級E1的粒子數(shù)必大于處在較高能級E2的粒子數(shù)。這樣光穿過工作物質(zhì)時，光的能量只會減弱不會加強(qiáng)。要想使受激輻射占優(yōu)勢，必須使處在高能級E2的粒子數(shù)大于處在低能級E1的粒子數(shù)。這種分布正好與平衡態(tài)時的粒子分布相反，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，簡稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件。
理論研究表明，任何工作物質(zhì)，在適當(dāng)?shù)募顥l件下，可在粒子體系的特定高低能級間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。
若原子或分子等微觀粒子具有高能級E2和低能級E1,E2和E1能級上的布居數(shù)密度為N2和N1，在兩能級間存在著自發(fā)發(fā)射躍遷、受激發(fā)射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發(fā)射躍遷所產(chǎn)生的受激發(fā)射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干輻射場激發(fā)下產(chǎn)生的受激發(fā)射光是相干的。受激發(fā)射躍遷幾率和受激吸收躍遷幾率均正比于入射輻射場的單色能量密度。當(dāng)兩個能級的統(tǒng)計(jì)權(quán)重相等時，兩種過程的幾率相等。在熱平衡情況下N2＜N1，所以自發(fā)吸收躍遷占優(yōu)勢，光通過物質(zhì)時通常因受激吸收而衰減。外界能量的激勵可以破壞熱平衡而使N2＞N1,這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。在這種情況下，受激發(fā)射躍遷占優(yōu)勢。光通過一段長為l的處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的激光工作物質(zhì)(激活物質(zhì))后，光強(qiáng)增大eGl倍。G為正比于(N2-N1)的系數(shù)，稱為增益系數(shù)，其大小還與激光工作物質(zhì)的性質(zhì)和光波頻率有關(guān)。一段激活物質(zhì)就是一個激光放大器。
如果，把一段激活物質(zhì)放在兩個互相平行的反射鏡（其中至少有一個是部分透射的）構(gòu)成的光學(xué)諧振腔中（圖1），處于高能級的粒子會產(chǎn)生各種方向的自發(fā)發(fā)射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外：軸向傳播的光波卻能在腔內(nèi)往返傳播,當(dāng)它在激光物質(zhì)中傳播時，光強(qiáng)不斷增長。如果諧振腔內(nèi)單程小信號增益G0l大于單程損耗δ(G0l是小信號增益系數(shù))，則可產(chǎn)生自激振蕩。原子的運(yùn)動狀態(tài)可以分為不同的能級，當(dāng)原子從高能級向低能級躍遷時，會釋放出相應(yīng)能量的光子（所謂自發(fā)輻射）。同樣的，當(dāng)一個光子入射到一個能級系統(tǒng)并為之吸收的話，會導(dǎo)致原子從低能級向高能級躍遷（所謂受激吸收）；然后，部分躍遷到高能級的原子又會躍遷到低能級并釋放出光子（所謂受激輻射）。這些運(yùn)動不是孤立的，而往往是同時進(jìn)行的。當(dāng)我們創(chuàng)造一種條件，譬如采用適當(dāng)?shù)拿劫|(zhì)、共振腔、足夠的外部電場，受激輻射得到放大從而比受激吸收要多，那么總體而言，就會有光子射出，從而產(chǎn)生激光。
2011年中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向
2010年，我國激光加工產(chǎn)業(yè)有了可喜的轉(zhuǎn)變：經(jīng)濟(jì)回暖，訂單增多，企業(yè)重組，產(chǎn)業(yè)細(xì)分，向高精專方向發(fā)展。在2011年及未來，激光產(chǎn)業(yè)將何去何從？中國光學(xué)學(xué)會激光加工專業(yè)委員會副主任鄧鴻林先生談行業(yè)、企業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來之路。
鄧鴻林
[2]
中國光學(xué)學(xué)會激光加工專業(yè)委員會副主任鄧鴻林先生
作為我國工業(yè)激光風(fēng)向標(biāo)的大功率激光切割裝備，其市場令人振奮。2010年11月上海國際工業(yè)博覽會上，國內(nèi)外20家廠商展出了30臺大功率數(shù)控激光切割機(jī)，是歷年國內(nèi)各種展會上展商與展品最多的一年。展品的亮點(diǎn)是：國產(chǎn)三維激光切割機(jī)、國產(chǎn)光纖激光切割機(jī)及進(jìn)口激光與沖裁復(fù)合機(jī)。會上有6臺（4臺平面機(jī)，2臺機(jī)器人）國產(chǎn)光纖激光切割機(jī)展示6mm以下金屬板的切割。
激光功率已不足以描述切割能力的大小，亮度（Brightness）才是。亮度的定義是“單位面積單位立體角的激光功率”。對比CO2激光器、碟片激光器和光纖激光器，可以得出這樣的結(jié)論：直到5千瓦，以光纖激光的亮度最大，切割金屬板最快最厚的當(dāng)屬光纖激光。
但實(shí)際上切割厚板尚不如CO2激光，盡管碳鋼對近紅外的1.07摻鐿光纖激光的吸收率數(shù)倍于中紅外10.6的CO2激光，但10倍于光纖激光波長的CO2激光之切縫比光纖的寬得多（一般2mm），氧氣易于吹入。 這就是CO2激光46年來一直獨(dú)占固體激光之鰲頭的緣由。
第一，國產(chǎn)激光切割機(jī)的量產(chǎn)與自主開發(fā)力度的加大，外國一線公司在華本土化的生產(chǎn)，縮小了二者的產(chǎn)品差距與價(jià)格差距。用戶對國產(chǎn)機(jī)的認(rèn)同度不斷提高，其在2010年國內(nèi)市場的占比高達(dá)80%。
第二，2010年我國千瓦以上大功率CO2激光切割機(jī)銷量達(dá)1000臺，占全球市場的20%-25%。上海團(tuán)結(jié)普瑞瑪、大族激光、武漢法利萊、奔騰楚天等一線廠商都有大幅的增長。最多一家竟占了國內(nèi)市場的30%。
市場興旺得力于擴(kuò)大內(nèi)需，但主要是這種加工手段的魅力，特別在鐵路鋼鐵、工程機(jī)械、汽車造船、航空航天和軍工等高端市場的旺盛需求。
明年市場難料，但可深信一點(diǎn)，今年大起，明年絕不會大落，作為制造大國的中國，保有量不會低于10000臺。須知2000年前的10年我國的總量才280臺。
第三，我國大功率激光切割裝備的產(chǎn)業(yè)鏈遠(yuǎn)未形成，尚無自主知識產(chǎn)權(quán)的新型大功率激光器，無論激光器還是切割機(jī)的關(guān)鍵元部件都得依賴進(jìn)口。價(jià)昂的電容切割頭及作為耗材的光學(xué)鏡片等的研發(fā)生產(chǎn)，迄今都無人問津。成不了國內(nèi)配套，進(jìn)軍海外市場不過是夢想。唯有待到國產(chǎn)整機(jī)批量出口之日，才是我國這一產(chǎn)業(yè)的形成之時。
第四，光纖激光是當(dāng)前的熱門話題。ROFIN與TRUMPF分別收購NUFERN與SPI公司發(fā)展光纖激光已三年，今春上海慕尼黑激光展上，ROFIN展出了2KW光纖激光器，但全球高功率光纖激光器市場依然是IPG一統(tǒng)天下。繼上年SALVAGNINI與LASER PHOTONICS等公司展出用其的光纖激光器之切割機(jī)后，2010年11月在亞特蘭大的FABTECH 與漢諾威的EUROBLECH 展會上又推出愈來愈多的光纖激光切割機(jī)。
欣喜的是一批海歸博士矢志回國創(chuàng)業(yè)，創(chuàng)建了武漢銳科光纖激光、西安炬光等公司，研發(fā)生產(chǎn)高功率光纖激光器與二極管激光泵源，相信有自主知識產(chǎn)權(quán)的4KW連續(xù)波光纖激光器不久將會呈現(xiàn)在國人面前。 超快激光器 超快激光器是國科激光基于SESAM鎖模技術(shù)的Amberpico系列皮秒激光器、Amberfemto系列飛秒激光器開發(fā)的激光器。
Amberpico系列皮秒激光器具有超短脈沖寬度（小于15ps）、高單脈沖能量（最大單脈沖能量30mJ）、高重復(fù)頻率（1kHz以上）和值得信賴的優(yōu)良輸出性能, Amberfemto系列飛秒激光器脈沖寬度小于200fs，重復(fù)頻率1Hz—100kHz可選，具有優(yōu)異的空間模式和卓越的功率穩(wěn)定性。可以實(shí)現(xiàn)高效的二倍頻、三倍頻、甚至四倍頻光的輸出。波長范圍遍及紅外、綠光、紫外，波長最短可以達(dá)到266/263nm。二者是衛(wèi)星測距、激光精細(xì)微加工、非線性光學(xué)、激光光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、強(qiáng)場光學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)等科研領(lǐng)域強(qiáng)有力的研究工具。
超快激光事業(yè)部致力于為客戶提供穩(wěn)定的高性能超快激光器系統(tǒng)，其部門擁有一批在超快領(lǐng)域工作多年的研發(fā)人員，并且在電源、控制和制冷等方面研發(fā)實(shí)力強(qiáng)大，使國科激光有能力進(jìn)一步為客戶提供更多定制和高性能的產(chǎn)品，更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，在填補(bǔ)國內(nèi)空白的基礎(chǔ)上大力推廣潛力巨大的超快激光器應(yīng)用市場，促進(jìn)民族激光產(chǎn)業(yè)的振興。是基于SESAM鎖模技術(shù)的Amberpico系列皮秒激光器、Amberfemto系列飛秒激光器開發(fā)的激光器。 皮秒連續(xù)鎖模激光器 皮秒連續(xù)鎖模激光器就是脈沖寬度壓縮到ps量級（10-12s） 的“超短”脈沖連續(xù)鎖模激光器。按照泵浦方式，可以分為燈泵浦皮秒連續(xù)鎖模激光器和半導(dǎo)體泵浦皮秒連續(xù)鎖模激光器；按照鎖模方式，可以分為半導(dǎo)體可飽和吸收體連續(xù)鎖模皮秒激光器和染料連續(xù)鎖模皮秒鎖模激光器；按照激光媒質(zhì)，可以分為固體皮秒連續(xù)鎖模激光器和光纖皮秒連續(xù)鎖模激光器等。
一般采用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡作為鎖模器件，LD泵浦的皮秒連續(xù)鎖模激光器。所謂半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，一般是采用外延法將半導(dǎo)體可飽和吸收體直接生長在半導(dǎo)體布拉格反射鏡上，因此被叫做可飽和半導(dǎo)體布拉格反射鏡(Saturable Bragg Reflector，簡稱SBR)或半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(Semiconductor Saturable Absorber Mirror,簡稱SESAM)。所謂SESAM，它是一種將半導(dǎo)體可飽和吸收材料和反射鏡結(jié)合在一起的新型器件，當(dāng)激光入射到可飽和吸收體表面時，下能級的粒子受到激發(fā)躍遷到上能級，當(dāng)上能級的粒子數(shù)飽和后，吸收體便被漂白。半導(dǎo)體可飽和吸收體具有兩個特征的馳豫時間：帶內(nèi)馳豫時間和帶間馳豫時間。帶內(nèi)馳豫時間很短，約為100-200fs；而帶間馳豫時間相對較長，約為幾皮秒到幾百皮秒。
在SESAM鎖模過程中，帶間馳豫時間提供了鎖模自啟動機(jī)制，帶內(nèi)馳豫時間有效壓縮脈寬、維持鎖模穩(wěn)定。 激光歷史 激光起源于大物理學(xué)家‘愛因斯坦’，1916年愛因斯坦提出了一套全新的技術(shù)理論‘受激輻射’。這一理論是說在組成物質(zhì)的原子中，有不同數(shù)量的粒子（電子）分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會從高能級跳到（躍遷）到低能級上，這時將會輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個弱光激發(fā)出一個強(qiáng)光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的光放大”，簡稱激光。
1958年，美國科學(xué)家肖洛和湯斯發(fā)現(xiàn)了一種神奇的現(xiàn)象：當(dāng)他們將內(nèi)光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發(fā)出鮮艷的、始終會聚在一起的強(qiáng)光。根據(jù)這一現(xiàn)象，他們提出了"激光原理"，即物質(zhì)在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激勵時，都會產(chǎn)生這種不發(fā)散的強(qiáng)光--激光。他們?yōu)榇税l(fā)表了重要論文。肖洛和湯斯的研究成果發(fā)表之后，各國科學(xué)家紛紛提出各種實(shí)驗(yàn)方案，但都未獲成功。
1960年5月15日，美國加利福尼亞州休斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家梅曼宣布獲得了波長為0.6943微米的激光，這是人類有史以來獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上第一個將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)家。
1960年7月7日，梅曼研制成功世界上第一臺激光器，梅曼的方案是，利用一個高強(qiáng)閃光燈管，來刺激在紅寶石色水晶里的鉻原子，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時，可使其達(dá)到比太陽表面還高的溫度。
前蘇聯(lián)科學(xué)家H.Γ.巴索夫于1960年發(fā)明了半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)通常由P層、N層和形成雙異質(zhì)結(jié)的有源層構(gòu)成。其特點(diǎn)是：尺寸小，耦合效率高，響應(yīng)速度快，波長和尺寸與光纖尺寸適配，可直接調(diào)制，相干性好。 激光的特點(diǎn) （一）定向發(fā)光
普通光源是向四面八方發(fā)光。要讓發(fā)射的光朝一個方向傳播，需要給光源裝上一定的聚光裝置，如汽車的車前燈和探照燈都是安裝有聚光作用的反光鏡，使輻射光匯集起來向一個方向射出。激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個方向射出，光束的發(fā)散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。1962年，人類第一次使用激光照射月球，地球離月球的距離約38萬公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照燈光柱射向月球，按照其光斑直徑將覆蓋整個月球。
（二）亮度極高
在激光發(fā)明前，人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高，與太陽的亮度不相上下，而紅寶石激光器的激光亮度，能超過氙燈的幾百億倍。因?yàn)榧す獾牧炼葮O高，所以能夠照亮遠(yuǎn)距離的物體。紅寶石激光器發(fā)射的光束在月球上產(chǎn)生的照度約為0.02勒克斯（光照度的單位），顏色鮮紅，激光光斑明顯可見。若用功率最強(qiáng)的探照燈照射月球，產(chǎn)生的照度只有約一萬億分之一勒克斯，人眼根本無法察覺。激光亮度極高的主要原因是定向發(fā)光。大量光子集中在一個極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度自然極高。
（三）顏色極純
光的顏色由光的波長（或頻率）決定。一定的波長對應(yīng)一定的顏色。太陽光的波長分布范圍約在0.76微米至0.4微米之間，對應(yīng)的顏色從紅色到紫色共7種顏色，所以太陽光談不上單色性。發(fā)射單種顏色光的光源稱為單色光源，它發(fā)射的光波波長單一。比如氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源，只發(fā)射某一種顏色的光。單色光源的光波波長雖然單一，但仍有一定的分布范圍。如氖燈只發(fā)射紅光，單色性很好，被譽(yù)為單色性之冠，波長分布的范圍仍有0.00001納米，因此氖燈發(fā)出的紅光，若仔細(xì)辨認(rèn)仍包含有幾十種紅色。由此可見，光輻射的波長分布區(qū)間越窄，單色性越好。
激光器輸出的光，波長分布范圍非常窄，因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例，其光的波長分布范圍可以窄到2×10^-9納米，是氪燈發(fā)射的紅光波長分布范圍的萬分之二。由此可見，激光器的單色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何一種單色光源。
（四）能量密度極大
光子的能量是用E=hv來計(jì)算的，其中h為普朗克常量，v為頻率。由此可知，頻率越高，能量越高。激光頻率范圍3.846*10^(14)Hz到7.89510(14)Hz.電磁波譜可大致分為：（1）無線電波——波長從幾千米到0.3米左右，一般的電視和無線電廣播的波段就是用這種波；（2）微波——波長從0.3米到10^-3米，這些波多用在雷達(dá)或其它通訊系統(tǒng)；（3）紅外線——波長從10^-3米到7.8×10^7米；（4）可見光——這是人們所能感光的極狹窄的一個波段。波長從780—380nm。光是原子或分子內(nèi)的電子運(yùn)動狀態(tài)改變時所發(fā)出的電磁波。由于它是我們能夠直接感受而察覺的電磁波極少的那一部分；（5）紫外線——波長從3 ×10^-7米到6×10^-10米。這些波產(chǎn)生的原因和光波類似，常常在放電時發(fā)出。由于它的能量和一般化學(xué)反應(yīng)所牽涉的能量大小相當(dāng)，因此紫外光的化學(xué)效應(yīng)最強(qiáng)；（6）倫琴射線—— 這部分電磁波譜，波長從2×10^-9米到6×10^-12米。倫琴射線（X射線）是電原子的內(nèi)層電子由一個能態(tài)跳至另一個能態(tài)時或電子在原子核電場內(nèi)減速時所發(fā)出的；（7）γ射線——是波長從10^-10～10^-14米的電磁波。這種不可見的電磁波是從原子核內(nèi)發(fā)出來的，放射性物質(zhì)或原子核反應(yīng)中常有這種輻射伴隨著發(fā)出。γ射線的穿透力很強(qiáng)，對生物的破壞力很大。由此看來，激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因?yàn)樗淖饔梅秶苄。话阒挥幸粋�點(diǎn)），短時間里聚集起大量的能量，用做武器也就可以理解了。 激光的其它特性 激光有很多特性：首先，激光是單色的，或者說是單頻的。有一些激光器可以同時產(chǎn)生不同頻率的激光，但是這些激光是互相隔離的，使用時也是分開的。其次，激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一個“波列”。再次，激光是高度集中的，也就是說它要走很長的一段距離才會出現(xiàn)分散或者收斂的現(xiàn)象。
激光（LASER）是上世紀(jì)60年代發(fā)明的一種光源。LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母縮寫。激光器有很多種，尺寸大至幾個足球場，小至一粒稻谷或鹽粒。氣體激光器有氦－氖激光器和氬激光器；固體激光器有紅寶石激光器；半導(dǎo)體激光器有激光二極管，像CD機(jī)、DVD機(jī)和CD-ROM里的那些。每一種激光器都有自己獨(dú)特的產(chǎn)生激光的方法。 激光技術(shù)應(yīng)用 激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工以及做為光源，識別物體等的一門技術(shù)，傳統(tǒng)應(yīng)用最大的領(lǐng)域?yàn)榧す饧庸ぜ夹g(shù)。激光技術(shù)是涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測等多門學(xué)科的一門綜合技術(shù)，傳統(tǒng)上看，它的研究范圍一般可分為：
1.激光加工系統(tǒng)。包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機(jī)床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)。
2.激光加工工藝。包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標(biāo)、劃線、微調(diào)等各種加工工藝。
激光焊接：汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。
激光切割：汽車行業(yè)、計(jì)算機(jī)、電氣機(jī)殼、木刀模業(yè)、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機(jī)件用銅板、一些金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。
激光治療：可以用于手術(shù)開刀，減輕痛苦，減少感染。
激光打標(biāo)：在各種材料和幾乎所有行業(yè)均得到廣泛應(yīng)用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。
激光打孔：激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機(jī)葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產(chǎn)中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主，也有一些準(zhǔn)分子激光器、同位素激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。
激光熱處理：在汽車工業(yè)中應(yīng)用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時在航空航天、機(jī)床行業(yè)和其它機(jī)械行業(yè)也應(yīng)用廣泛。我國的激光熱處理應(yīng)用遠(yuǎn)比國外廣泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器為主。
激光快速成型：將激光加工技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)及柔性制造技術(shù)相結(jié)合而形成。多用于模具和模型行業(yè)。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主。
激光涂敷：在航空航天、模具及機(jī)電行業(yè)應(yīng)用廣泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器為主。
美國得克薩斯州大學(xué)的科學(xué)家研制出世界上功率最強(qiáng)大的可操作激光，這種激光每萬億分之一秒產(chǎn)生的能量是美國所有發(fā)電廠發(fā)電量的2000倍，輸出功率超過1 皮瓦——相當(dāng)于10的15次方瓦。這種激光第一次啟動是在1996年。馬丁尼茲說，希望他的項(xiàng)目能夠在2008年打破這一紀(jì)錄，也就是說，讓激光的功率達(dá)到1.3皮瓦到1.5皮瓦之間。超級激光項(xiàng)目負(fù)責(zé)人麥卡爾·馬丁尼茲表示：“我們可以讓材料進(jìn)入一種極端狀態(tài)，這種狀態(tài)在地球上是看不到的。我們打算在德州觀察的現(xiàn)象相當(dāng)于進(jìn)入太空觀察一顆正在爆炸的恒星。”
激光“抓住”碳納米管并使之移動
最近，科學(xué)家開發(fā)出用激光“抓住”碳納米管并使之移動的新技術(shù)。這種技術(shù)可以為芯片制造工程師提供一種把納米元件移動到預(yù)定位置的新方法，從而制造出以納米管為基礎(chǔ)的微型芯片。
直徑只有幾納米、長約100納米的碳納米管具有半導(dǎo)體性能，這意味著碳納米管可能在某天成為低功率超快速計(jì)算機(jī)芯片的基礎(chǔ)。迄今，安裝碳納米管的惟一方法是利用一種名為原子力顯微鏡的昂貴設(shè)備，設(shè)法推動納米管至預(yù)定位置，然而這種方法操縱起來十分費(fèi)事。
為了改變這種狀況，美國伊利諾伊州紐約大學(xué)的科學(xué)家和一家光學(xué)公司的科研人員試驗(yàn)了一種名為“光學(xué)捕獲”的技術(shù)，試圖更便利地操縱碳納米管。光學(xué)捕獲技術(shù)就是利用激光能捕獲微小粒子的能力，在移動激光束時使微小粒子跟隨激光移動。由于激光能捕獲微小粒子，因此在它移動時就會像鑷子一樣，“夾”著微小粒子移動。科學(xué)家把這種現(xiàn)象稱為“激光鑷子”。現(xiàn)在生物學(xué)家已能用激光鑷子夾住單個細(xì)胞。例如，從血液中分離出單個血紅細(xì)胞用于研究鐮刀狀血紅細(xì)胞貧血癥或瘧疾治療研究。激光鑷子能“夾”住微小粒子，是因?yàn)榧す馐行膹?qiáng)度大于邊緣強(qiáng)度，因此當(dāng)激光束照射一個微小粒子時，從中心折射的光線要比向前的光線多。
當(dāng)折射的光線獲得向外的沖力時，粒子上的反作用力就使沖力指向激光束中心，因此粒子總是被吸引到激光束中心。如果粒子非常小且具有很小的重力或摩擦力，當(dāng)激光束移動時，粒子就會跟著移動。
然而，激光鑷子移動的血細(xì)胞直徑有幾微米，但現(xiàn)在要移動直徑僅2～20納米的碳納米管會麻煩得多。因此想利用單個激光鑷子移動大量碳納米管到一定位置，可能會與用原子力顯微鏡一樣費(fèi)事。
為此，科學(xué)家用一種液晶激光分離器把激光束分成200個可單獨(dú)控制的小激光束，研究人員可以控制這些激光束使之形成三角形、四邊形、五邊形和六邊形等形狀，從而移動大量的納米管群，使它們在顯微鏡載片表面定位，達(dá)到移動碳納米管的目的。
光學(xué)捕捉技術(shù)的成功，受到美國加利福尼亞大學(xué)的納米管專家、物理學(xué)家亞歷克斯·澤特爾的稱贊，他說，因?yàn)槟壳斑�沒有一種可靠的技術(shù)能操縱大量的納米管，而這種新的光學(xué)捕獲技術(shù)有可能應(yīng)用于工業(yè)。
激光成像：利用激光束掃描物體，將反射光束反射回來，得到的排布順序不同而成像。用圖像落差來反映所成的像。
激光成像具有超視距的探測能力，可用于衛(wèi)星激光掃描成像，未來用于遙感測繪等科技領(lǐng)域。 激光在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要分三類：激光生命科學(xué)研究、激光診斷、激光治療，其中激光治療又分為：激光手術(shù)治療、弱激光生物刺激作用的非手術(shù)治療和激光的光動力治療。
應(yīng)用于牙科的激光系統(tǒng)依據(jù)激光在牙科應(yīng)用的不同作用，分為幾種不同的激光系統(tǒng)。區(qū)別激光的重要特征之一是：光的波長，不同波長的激光對組織的作用不同，在可見光及近紅外光譜范圍的光線，吸光性低，穿透性強(qiáng)，可以穿透到牙體組織較深的部位，例如氬離子激光、二極管激光或Nd：YAG激光(如圖1)。而Er：YAG激光和CO，激光的光線穿透性差，僅能穿透牙體組織約0．01毫米。區(qū)別激光的重要特征之二是：激光的強(qiáng)度(即功率)，如在診斷學(xué)中應(yīng)用的二極管激光，其強(qiáng)度僅為幾個毫瓦特，它有時也可用在激
《激光技術(shù)原理與實(shí)驗(yàn)》 課程代碼： 課程名稱：激光原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn) 學(xué)分：3 學(xué)時：48 （其中實(shí)驗(yàn)學(xué)時：16） 先修課程：普通物理、物理光學(xué) 一、目的與任務(wù) 本課程是測控技術(shù)與儀器專業(yè)一門理論與實(shí)驗(yàn)并重的專業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)目的是通過該課程 理論部分的學(xué)習(xí)，使學(xué)生系統(tǒng)掌握激光的基本概念和基礎(chǔ)理論，掌握各種類型激光器和基本激光 技術(shù)的工作原理與設(shè)計(jì)方法，了解激光器件和激光技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和技術(shù)前沿。通過實(shí)驗(yàn)環(huán) 節(jié)的鍛煉，進(jìn)一步加深對激光器和激光技術(shù)基本工作原理的理解，認(rèn)識和熟悉常見激光器的基本 構(gòu)造、工作特性和調(diào)試方法，掌握激光器主要特性參數(shù)的測試方法，并學(xué)會使用激光實(shí)驗(yàn)研究常 用的測試儀器。以期通過本課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識解決實(shí) 際工程問題的能力。 二、教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配 理論部分 緒論（1 學(xué)時） 第一章 激光的物理基礎(chǔ)（4 學(xué)時） 1. 激光的特性 2. 光波模式和光子狀態(tài) 3. 原子的能級、分布和躍遷 4. 激光產(chǎn)生的必要條件與充分條件 第二章 場與物質(zhì)的相互作用（4 學(xué)時） 1. 譜線加寬與線型函數(shù) 2. 激光器的速率方程理論 3. 均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù) 4. 非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù) 第三章 光學(xué)諧振腔理論 （5 學(xué)時） 1. 光學(xué)諧振腔的基本知識 2. 光學(xué)諧振腔的損耗 3. 光學(xué)諧振腔的穩(wěn)定性條件 4. 諧振腔的衍射積分理論 5. 平行平面腔的自再現(xiàn)模 6. 對稱共焦腔的自再現(xiàn)模 7. 一般穩(wěn)定球面腔的模式特征 8. 高斯光束 第四章 激光器的工作特性 （4 學(xué)時） 1. 連續(xù)激光器和脈沖激光器 2. 激光振蕩的閾值條件 3. 激光器的振蕩模式 4. 激光器的輸出特性 5. 單模激光器的線寬極限 6. 激光器的泵浦技術(shù) 第五章 典型激光器（4 學(xué)時） 1. 概述 2. 氣體激光器 3. 固體激光器 4. 光纖激光器 5. 半導(dǎo)體激光器 6. 其他類型激光器 第六章 激光調(diào)制技術(shù)（2 學(xué)時） 1. 調(diào)制的基本概念 2. 電光調(diào)制 3. 聲光調(diào)制 4. 直接調(diào)制 第七章 調(diào)Q 技術(shù)與鎖模技術(shù)（4 學(xué)時） 1. 調(diào)Q 技術(shù)的基本原理 2. 常用的調(diào)Q 技術(shù) 3. 鎖模技術(shù) 第八章 激光的頻率變換（2 學(xué)時） 1. 非線性極化的基礎(chǔ)知識 2. 光學(xué)倍頻 3. 光學(xué)參量效應(yīng) 第九章 激光模式選擇與穩(wěn)頻技術(shù)（2 學(xué)時） 1. 激光橫模選擇技術(shù) 2. 激光縱模選擇技術(shù) 3. 激光穩(wěn)頻技術(shù) 實(shí)驗(yàn)部分（實(shí)驗(yàn)教師可從下列項(xiàng)目中選擇5 項(xiàng)） 1．氦—氖激光器內(nèi)部參數(shù)的測量（3 學(xué)時） 2．Nd 3+ ：YAG 脈沖激光器的裝調(diào)和最佳輸出耦合的選取（3 學(xué)時） 3．半導(dǎo)體激光器主要參數(shù)的測量（3 學(xué)時） 4．光纖激光器主要參數(shù)的測量（3 學(xué)時） 5．摻鈦藍(lán)寶石激光器調(diào)諧性能的測量分析（3 學(xué)時） 6．氦—氖激光器縱、橫模的測量分析（3 學(xué)時） 7．電光調(diào)制及語音傳遞實(shí)驗(yàn)（3 學(xué)時） 8．電光Q 開關(guān)技術(shù)實(shí)驗(yàn)（3 學(xué)時） 9．蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光器原理實(shí)驗(yàn)（3 學(xué)時） 10．高斯光束的參數(shù)測量及其透鏡變換（3 學(xué)時） 三、考核與成績評定 考核：理論部分采用閉卷筆試的考核方式，實(shí)驗(yàn)部分通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)操作情況評分。 成績評定：理論部分成績占60%，其中考試占50%，平時作業(yè)占10%；實(shí)驗(yàn)部分成績占40%， 其中實(shí)驗(yàn)報(bào)告占30%，實(shí)驗(yàn)操作占10%。按百分制給出最終成績。 四、大綱說明 1.本課程涉及的教學(xué)內(nèi)容十分廣泛，任課教師在保證基本教學(xué)要求的前提下，可以根據(jù)實(shí)際 情況對教學(xué)內(nèi)容做適當(dāng)調(diào)整和刪節(jié)。 2. 本課程適用于測控技術(shù)與儀器本科專業(yè)，同時也可用于非光電子的其它相近專業(yè)。
