激光原理與技術(shù)課程報(bào)告

1、激光原理與技術(shù)課程報(bào)告【摘要】 本文對在選修課上學(xué)到的知識進(jìn)行回顧與梳理，內(nèi)容包括激光的特性、產(chǎn)生原 理、選模技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、調(diào)Q技術(shù)、應(yīng)用等等?！娟P(guān)鍵詞】激光原理技術(shù)【正文】一、激光概念：來自受激輻射的放大、增強(qiáng)的光。（英文全稱為Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，縮寫為 Laser ）二、激光特性：特點(diǎn)作用應(yīng)用實(shí)例相干光可進(jìn)行調(diào)制、傳遞信息光纖通信平行度非常好傳播很遠(yuǎn)距離能保持一定強(qiáng)度，可精 確測距測速激光雷達(dá)可會聚于很小的一點(diǎn)，記錄信息密度 高DVD、CD、VCD 機(jī)，計(jì)算 機(jī)光驅(qū)亮度高可在很小空間短時(shí)間內(nèi)集中很

2、大能量激光切割、焊接、打孔醫(yī) 療手術(shù)產(chǎn)生高壓引起核聚變?nèi)斯た刂凭圩兎磻?yīng)三、激光產(chǎn)生機(jī)理：自發(fā)躍遷和自發(fā)輻射E1IO hv受激前發(fā)光后光子頻率 = E_丘，普通光源（白熾燈、日光燈、高壓水銀燈）的發(fā)光過程為自發(fā)輻射。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的 光彼此獨(dú)立，頻率、振動(dòng)方向、相位不一定相同一一為非相干光。受激躍遷和受激發(fā)光，光放大當(dāng)外來光子的頻率滿足hv=E2-E1時(shí)，使原子中處于高能及的電子在外來光子的激發(fā)下向低 能級躍遷，同時(shí)發(fā)射一個(gè)與外來光子相同的光子。受激輻射產(chǎn)生的光與外來光子的頻率、振動(dòng)方向、相位完全相同。于是，入射一個(gè)光子，就 會出射兩個(gè)完全相同的光子，這意味著原來的光信號被放大，這種在受激過

3、程中產(chǎn)生并放大 的光，就是激光。受激吸收指處于低能級的粒子當(dāng)吸收一定頻率的外來光能后會躍遷到高能級上。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一個(gè)誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，哪一個(gè)占主導(dǎo)地位，取決于 粒子在兩個(gè)能級上的分布。所以只有當(dāng)處在高能級的原子數(shù)目比處在低能級的還多時(shí)，受激 輻射躍遷才能超過受激吸收，而占優(yōu)勢。激光器發(fā)出的激光就是利用受激輻射而實(shí)現(xiàn)的，由 此可見，為使光源發(fā)射激光，關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級的數(shù)目比低能級上的多，這種情況， 稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級（基態(tài)）。因此，如何從技 術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。四、激光器的三要素：激工作介質(zhì)激光

4、的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。在這種介質(zhì)中可 以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，對實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反 轉(zhuǎn)是非常有利的?，F(xiàn)有工作介質(zhì)近千種，可產(chǎn)生的激光波長包括從真空紫外到遠(yuǎn)紅外，非常 廣泛。泵浦為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵(lì)原子體系，使處于上能級的粒 子數(shù)增加?？梢杂脷怏w放電的辦法來利用具有動(dòng)能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵(lì)；也 可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵(lì)；還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激勵(lì)方式被形 象化的稱為泵浦或抽運(yùn)。為了不斷得到激光輸出，必須不斷的“泵浦”以維持處于上能級的 粒子數(shù)比下能級多。諧

5、振腔有了合適的工作物質(zhì)和激勵(lì)源后，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強(qiáng)度很弱，無 法實(shí)際應(yīng)用。于是人們就想到了用光學(xué)諧振腔進(jìn)行放大。所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際是在激光器 兩端，面對面裝上兩塊反射率很高的鏡子。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射、少量透射 出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質(zhì)的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射， 光被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的 激光，從部分反射鏡子一端輸出。五、激光器分類氣體激光器u、固體激光器J連續(xù)輸出激光器按工作物質(zhì)、液體激光器按光輸出方式。脈沖輸出激光器半導(dǎo)體激光器J固體激光器一般講，固體激光器具有器件

6、小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn)。這種激光器的工作 介質(zhì)是在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，除了前面介紹用紅寶石和玻 璃外，常用的還有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價(jià)釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm的近 紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達(dá)100W以上，脈沖峰值功率可達(dá)109W。氣體激光器氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低；操作方便；工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好；以及能長時(shí)間 較穩(wěn)定地連續(xù)工作的特點(diǎn)。這也是目前品種最多、應(yīng)用廣泛的一類激光器，占有市場達(dá)60% 左右。其中，氦一氖激光器是最常用的一種。半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的。目前較成熟的是砷化鎵激光器

7、，發(fā)射840nm 的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻硫化鋅等激光器。激勵(lì)方式有光泵浦、電激勵(lì)等。這種 激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單而堅(jiān)固，特別適于在飛機(jī)、車輛、宇宙飛船上用。 在70年代末期，由于光纖通訊和光盤技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。液體激光器常用的是染料激光器，采用有機(jī)染料作為工作介質(zhì)。大多數(shù)情況是把有機(jī)染料溶于溶劑中（乙 醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長激光（在 可見光范圍）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。液體激 光器工作原理比較復(fù)雜。輸出波長連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬是它的優(yōu)點(diǎn)，使它也得到廣泛應(yīng) 用。

8、六、激光選模技術(shù)目的：減少激光模式數(shù)，改善激光的方向性，提高單色性。縱模沿腔軸線方向電磁場的本征態(tài)?？v模數(shù)表示激光振蕩頻率數(shù)，縱模數(shù)多，單色性差。單 一縱模單色性最好。1）短腔法原理：利用減少腔長的辦法增加縱模頻率間隔當(dāng) vAv時(shí)，實(shí)現(xiàn)單模振蕩。特點(diǎn)：ga）結(jié)構(gòu)簡單，無插入損耗，只需縮短腔長即可實(shí)現(xiàn)單模。b）輸出功率減小，L小，工作物質(zhì)尺寸小，模體積小，輸出功率小。c）只適用于增益介質(zhì)線寬vg窄的氣體激光器中。2）法布里一珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法S原理：當(dāng)把標(biāo)準(zhǔn)具放在腔內(nèi)時(shí)，除了處于標(biāo)準(zhǔn)具最大透過率頻率的光之外，其他頻 率的光由于反射損耗大，不能振蕩，激光的振蕩頻率受到限制。 特點(diǎn)：a）輸出功率比較大b）

9、通過改變標(biāo)準(zhǔn)具參數(shù)的方法適用于各類激光器選模c）存在插入損耗d）腔內(nèi)激光能量不能太高，否則損害標(biāo)準(zhǔn)具橫模在腔中垂直腔軸方向的電磁場的本征態(tài)。不同的橫模，光場分布不同，光束的發(fā)散角不 同。基橫模光強(qiáng)是高斯形，光場分布均勻，發(fā)散角最小。隨著橫模序數(shù)的增加，光場的 范圍加大，分布不均勻，發(fā)散角越來越大。一般激光器中有很多模式振蕩，實(shí)際的光場分布是復(fù)合模。為了改善激光的方向性，必須選出基橫模。1）小孔光闌法2）聚焦光闌法3）腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法七、穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻目的：使頻率本身穩(wěn)定，即不隨時(shí)間、地點(diǎn)變化，穩(wěn)頻是實(shí)際的要求。影響激光頻率穩(wěn)定的因素：頻率的穩(wěn)定性主要取決于n，L的穩(wěn)定1）引起n，L變化的外界因素：a

10、）溫度變化的影響b）大氣變化的影響c）機(jī)械振動(dòng)的影響d）磁場的影響2）引起頻率變化的內(nèi)部因素：a）激光管內(nèi)充氣壓比例不同，氣壓、放電電流變化引起頻率變化b）由于原子自發(fā)輻射造成的無規(guī)則噪聲影響到頻率穩(wěn)頻的實(shí)質(zhì)：保持n、L不變。蘭姆凹陷法把激光器中原子躍遷的中心頻率作為參考頻率，把激光頻率所得到躍遷的中心頻率上飽和吸收法把振蕩頻率鎖定到外界的參考頻率上，如用分子或原子的吸收線作為參考頻率；選取的吸收 物質(zhì)的吸收頻率必須與激光頻率相重合八、調(diào)Q（Q開關(guān)）技術(shù)Q值定義為在激光諧振腔內(nèi)，儲存的總能量與腔內(nèi)單位時(shí)間損耗的能量之比。Q值是評定激 光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的指標(biāo)（品質(zhì)因數(shù)）。調(diào)節(jié)Q值的途徑：

11、一般采取改變腔內(nèi)損耗的辦法來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的Q值。目的：壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。電光調(diào)Q聲光調(diào)Q染料調(diào)Q色心晶體調(diào)Q轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q九、激光調(diào)制技術(shù)內(nèi)調(diào)制:在激光生成的振蕩過程中加載調(diào)制信號，通過改變激光的輸出特性實(shí)現(xiàn)的調(diào)制。外調(diào)制：在激光形成后，再用信號對激光進(jìn)行調(diào)制。該方法不改變激光器的參數(shù)，而改變已經(jīng)輸出的激光束的參數(shù)。十、激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)機(jī)械偏轉(zhuǎn)：利用反射鏡或多面反射棱鏡的旋轉(zhuǎn)或反射鏡的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束掃描。電光偏轉(zhuǎn)：利用泡科爾斯效應(yīng)，在電光晶體上施加電場改變晶體的折射率。聲光偏轉(zhuǎn)：聲波在介質(zhì)中傳播，改變介質(zhì)的折射率，介質(zhì)起到衍射光柵的作用。十一、激光技術(shù)的應(yīng)用工業(yè)：激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬

12、火、激光熱處理、激光打標(biāo)、玻璃內(nèi)雕、激光微調(diào)、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封裝、激光修復(fù)電路、激光布線 技術(shù)、激光清洗等等。2.軍事:a）激光測距b）激光制導(dǎo)：激光制導(dǎo)武器精度高、結(jié)構(gòu)比較簡單、不易受電磁干擾，在精確制導(dǎo)武 器中占有重要地位。c）激光模擬訓(xùn)練：用激光模擬器材進(jìn)行軍事訓(xùn)練和 作戰(zhàn)演習(xí)，不消耗彈藥，訓(xùn)練安全，效果逼真?，F(xiàn)已研制生產(chǎn)了多種激光模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，在各種 武器的射擊訓(xùn)練和作戰(zhàn)演習(xí)中廣泛應(yīng)用。d）高能激光武器：用高功率激光器制成的戰(zhàn)術(shù)激光 武器，可使人眼致盲和使光電探測器失效。利用 高能激光束可能摧毀飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等軍事目 標(biāo)。用于致盲、防空等的戰(zhàn)術(shù)激光武器，已接近 實(shí)用階段。用于反衛(wèi)星、反洲際彈道導(dǎo)彈的戰(zhàn)略激光武器。e）激光雷達(dá)信息通訊：激光通信具有信息容量大、傳送線路多，保密性強(qiáng)、可傳送距離較遠(yuǎn)，設(shè)備 輕便、費(fèi)用經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。原來的電磁通訊技術(shù)容量小，保密性差，越來越不能滿足社會 發(fā)展的要求。電話之父貝爾早在1880年就有過光電話的設(shè)想，但由于普通光受云、雨、 霧所阻礙，實(shí)驗(yàn)失敗了。激光發(fā)明后，結(jié)合另一發(fā)明光導(dǎo)纖維，光通訊重獲新生并得到 迅速應(yīng)用。醫(yī)學(xué)應(yīng)用科研應(yīng)用6.【參考文獻(xiàn)】王成，激光原理與激光束的傳輸ppt