第一章-激光的问世和发展课件

Copyright to Kansas State University激光物理导论Copyright to Kansas Stat1课程名称：激光物理导论课程性质：专业限选课授课学时：36 学时(周2学时)课程学分：2学分成绩评定：出勤(40%)+小论文(60%)课程基本情况课程名称：激光物理导论课程性质：专业限选课授课学时：36 学2教材和参考书v陈钰清和王静环，激光原理，浙江大学出版社，2010v伍长征等，激光物理学，复旦大学出版社，1989v张志刚，飞秒激光技术，科学出版社，2011vC.Rullire,Femtosecond Laser Pulses-Principles and Experiments,科学出版社，2007vChristopher C.Davis,Lasers and Electro-Optics(激光与 电光学)，Cambridge University Press，1996(1998授权世界图书 出版公司北京分公司独家重印发行)参考书：参考书：教材教材(试用)：阎吉祥等，激光原理与技术，高等教育出版社，2011教材和参考书参考书：教材(试用)：阎吉祥等，激光原理与技3授课内容第一章 激光的问世和发展第二章 激光的特性及其应用第三章 激光的物理基础和基本原理第五章 常见的激光器第六章 激光技术第七章 激光与物质的相互作用第四章 光学谐振腔和高斯光束授课内容第一章 激光的问世和发展第二章 激光的特性及其应用第4普通光源：自发辐射占优势激光光源：受激辐射占优势 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通过受激辐射实现光放大)激 光 （Laser）第一章 激光的问世和发展“激光”钱学森在1964年建议“镭射”台湾、香港 普通光源：自发辐射占优势 Light Amplificat5激光的问世1916年,爱因斯坦提出受激辐射概念1.1.理论和技术基础：理论和技术基础：1946年,布洛赫提出粒子数反转概念1948年,柏塞尔发现粒子数反转现象,提出负温度的概念,与布洛赫分享1952年诺贝尔物理学奖1913年,波尔提出原子能级假说,获1922年诺贝尔物理学奖1900年,普朗克提出能量子假说,获1918年诺贝尔物理学奖1905年,爱因斯坦提出光量子概念,获1921年诺贝尔物理学奖1949年,卡斯特勒发明光泵,1971年获得诺贝尔物理学奖激光的问世1916年,爱因斯坦提出受激辐射概念1.理论和技术6无线电电子学的发展对激光的促进2.社会需要：社会需要：光源发展需要1958年12月,肖洛和汤斯在物理评论上发表红外区和光学激射器,论证将微波激射技术扩展到红外区和可见光区的可能性。这是激光史上有重要意义的历史文献。汤斯因此于1964年获诺贝尔物理学奖。1957年,汤斯和肖洛最先发表激光器的详细方案，引人激光的概念无线电电子学的发展对激光的促进2.社会需要：光源发展需要17The first laser结构示意图波长为波长为694.3nmThe first laser结构示意图波长为694.3nm8MASER(脉泽,微波激射器)：通过受激辐射实现微波放大MASER(脉泽,微波激射器)：通过受激辐射实现微波放大91954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背景辐射。Townes由于在受激辐射放大方面的成就获得1964年诺贝尔物理学奖。1954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子数反转10第一章-激光的问世和发展课件11(腔型红宝石脉泽)(腔型红宝石脉泽)12第一章-激光的问世和发展课件13探测宇宙微波背景辐射，探索宇宙起源2.7K which supports the Bing Bang model of the universe探测宇宙微波背景辐射，探索宇宙起源2.7K which su14第一章-激光的问世和发展课件15第一章-激光的问世和发展课件16(钕玻璃激光钕玻璃激光)(光纤激光器光纤激光器)(砷化镓半导体激光器砷化镓半导体激光器)(钕玻璃激光)(光纤激光器)(砷化镓半导体激光器)18第一章-激光的问世和发展课件19patient:病人retinal tumor:视网膜肿瘤patient:病人20:rnik:rnik 21固体激光器固体激光器液体激光器液体激光器半导体激光器半导体激光器气体激光器气体激光器固体激光器液体激光器半导体激光器气体激光器22第一章-激光的问世和发展课件23第一章-激光的问世和发展课件24因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理学奖的科学家共有物理学奖的科学家共有1010位位.因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔25The Nobel Prize in Physics1964Charles Hard TownesCharles Hard Townes MIT Cambridge,Massachusetts,USA Nicolay Nicolay Gennadiyevich Basov Gennadiyevich Basov P.N.Lebedev Physical Institute Moscow,USSR Aleksandr Aleksandr Mikhailovich Mikhailovich Prokhorov Prokhorov P.N.Lebedev Physical Institute Moscow,USSR for fundamental work in the field of quantum electronics,which has led to the construction of oscillators andamplifiers based on the maser-laser principle.The Nobel Prize in Physics196426 Nicolaas Nicolaas Bloembergen Bloembergen Harvard University Cambridge,MA,USA Arthur Leonard Arthur Leonard Schawlow Schawlow Stanford University Stanford,CA,USA Kai M.SiegbahnKai M.Siegbahn Uppsala University Uppsala,Sweden The Nobel Prize in Physics 1981for their contribution to the development of laser spectroscopy for his contribution to the development of high-resolution electron spectroscopy(激光光谱学激光光谱学)Nicolaas Arthur LeonardThe N27Steven ChuSteven ChuStanford University Stanford,CA,USA Claude Cohen-Claude Cohen-TannoudjiTannoudjiCollge de France;cole Normale Suprieure Paris,France William D.PhillipsWilliam D.Phillips National Institute of Standards and Technology Gaithersburg,MD,USA The Nobel Prize in Physics 1997for development of methods to cool and trap atoms with laser light(原子的激光冷却和陷俘)美国标准技术研究所美国标准技术研究所(NIST)朱棣文朱棣文Steven ChuClaude Cohen-Tannoud28国内激光技术发展1.19611.1961年年8 8月，中国第一台红宝石激光器问世，中国科学院月，中国第一台红宝石激光器问世，中国科学院 长春光学精密机械研究所研制成功。长春光学精密机械研究所研制成功。国内激光技术发展1.1961年8月，中国第一台红宝石激光器问292.19642.1964年，我国第一所，也是当时世界上第一所激光技术年，我国第一所，也是当时世界上第一所激光技术 的专业研究所的专业研究所-中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院上海光学精密机械研究所 (简称简称“上海光机所上海光机所”)”)成立。成立。激光器的第一台 研制成功时间 研 制 人 红宝石激光器1961年8月 邓锡铭等He-Ne激光器 1963年7月 邓锡铭等 掺钕玻璃激光器 1963年6月 干福熹 GaAs同质结半导体激光器 1963年12月 王守武 CO2分子激光器 1965年9月 王润文等2.1964年，我国第一所，也是当时世界上第一所激光技术激光30高功率固体激光高功率固体激光华光装置华光装置（10109 9W W）中国科技大学中国科技大学 星光装置星光装置（10101111W W）中国科学院上海光机所中国科学院上海光机所 神光装置神光装置（10101212W W）中国科学院上海光机所中国科学院上海光机所天光装置天光装置（10101515W W）中国科学院上海光机所中国科学院上海光机所极光装置极光装置（10101515W W）中国物理所中国物理所高功率固体激光31极光极光I号装置（号装置（1999年完成）年完成）脉冲能量：脉冲能量：36mJ 脉脉 宽：宽：25fs 峰值功率：峰值功率：1.4TW极光极光II号装置（号装置（2001年完成）年完成）脉冲能量：脉冲能量：640mJ 脉脉 宽：宽：31fs 峰值功率：峰值功率：20TW物理所TW激光装置的发展极光I号装置（1999年完成）极光II号装置（2001年完成32极光III装置 原主要指标原主要指标 单脉冲能量：单脉冲能量：8J 脉冲宽度：脉冲宽度：200TW 鉴定时达到的指标鉴定时达到的指标 单脉冲能量：单脉冲能量：10.9J 脉冲宽度：脉冲宽度：31fs(最短最短27.6fs)峰值功率：峰值功率：355TW 重复频率：重复频率：20分钟一发分钟一发极光III装置 原主要指标 鉴定时达到的指标33激光峰值强度的研究进展激光脉冲宽度的研究进展激光的峰值强度和脉冲宽度的研究进展激光峰值强度的研究进展激光脉冲宽度的研究进展激光的峰值强度和34The 50th anniversary of the laser:One of the worlds most powerful petawatt laserfacilities created at the Institute of Applied Physics,Russian Academy of Science.拍瓦激光(Petawatt laser)The 50th anniversary of the la35目前功率最高的Ti:Sapphire 激光器(0.85PW),日本原子能研究所；Kansai:关西英国RAL(卢瑟福阿普 尔顿实验室)已经在 Vulcan 激光器上完成 了从100TW到PW的升级；美国和法国正在对他们 的激光器进行百TW到PW 的升级。目前功率最高的Ti:Sapphire 激光器(0.85PW)36最强激光器位于加州的美国国家点火装置组合192道激光束，组合峰值功率最高达500万亿瓦特(0.5PW),将用于激光惯性约束核聚变反应解决能源问题。最强激光器位于加州的美国国家点火装置组合192道激光束，组合37太阳上无穷尽的能量来源于其上氢的核聚变反应！核聚变能源是人类未来理想清洁的新能源太阳上无穷尽的能量来源于其上氢的核聚变反应！核聚变能源是人38最短激光脉冲K.Zhao,Q.Zhang,M.Chini,Y.Wu,X.Wang,and Z.Chang,Opt.Lett.37,3891(2012).(美国中弗罗里达大学)Zenghu Chang,distinguished professor最短激光脉冲K.Zhao,Q.Zhang,M.Ch39Time resolution:1/60th of a secondThe horse in motionWhy try to produce ultrashort laser pulse？Time resolution:1/60th of a s40Harold EdgertonMIT,1942“How to Make Apple sauce at MIT”1964“Splash on a Glass”Junior High School student 1996Strobe photography(频闪摄影术频闪摄影术)Time resolution:a few microseconds()TomatoHarold“How to Make“Splash on41Time attosecondsAttosecond time scalesFemtosecond time scalesPicosecond time scalesTime attosecondsAttosecond t42Ahmed H.Zewail used ultrafast-laser techniques to study how atoms in a molecule move during chemical reactions.The 1999 Nobel Prize in Chemistry awarded to Professor Ahmed H.Zewail of California institute of Technology(加加州理工州理工)for ultrafast spectroscopy(femtochemistry).Ahmed H.Zewail used ultrafast43Chemical reactionBond Breakage and Bond FormationFemtoschemistryChemical reactionBond Breakage44The isomerization of HCNHow atoms move in molecule?The isomerization of HCNHow at45Why try to make attosecond pulses?Characteristic time scaleBohr-orbit time in hydrogen:152 attosecondsReal-time observation of the ultrafast electronic dynamics in matters.Tracing or Manipulating?How far is the zeptosecond era?Why try to make attosecond pul46