激光特性及激光原理和分類講解

1、激光特性及激光原理和分類講解提 綱1.概論及激光發(fā)展史 2.激光特性及激光原理4.固體激光器5. 氣體激光器6. 激光技術(shù)3.衡量光束質(zhì)量的參數(shù)激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計算機、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。激光誕生的背景：具有理論基礎(chǔ)和生產(chǎn)實踐迫切需要。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)致一門新興產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)。激光使人們有效地利用前所未有的先進方法和手段，去獲得空前的效益和成果，從而促進了生產(chǎn)力的發(fā)展。1.概論及激光發(fā)展史 激光的發(fā)展簡史“受激輻射”理論的發(fā)展1917年愛因斯坦提出“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎(chǔ)。1950年，中學(xué)教師阿爾弗雷德卡斯特勒同讓布

2、羅塞爾發(fā)明了“光泵激勵”技術(shù)。1951年，美國哥倫比亞大學(xué)的教授查爾斯湯斯（Townes）對微波的放大進行了三年的研究，完善“受激輻射的微波放大”的理論，成功地制造出了世界上第一個“微波激射器” 。1958年貝爾實驗室的湯斯教授和他的學(xué)生阿瑟肖洛（Schawlow，諾貝爾物理獎的獲得者）把微波放大的技術(shù)應(yīng)用于光波，奠定了激光發(fā)展的基礎(chǔ)。激光器件的發(fā)展1960年，梅曼（T. Maiman）在量子電子學(xué)發(fā)展的成果基礎(chǔ)上發(fā)明了第一臺紅寶石激光器。1961年，德若凡發(fā)明了第一臺氣體激光器氦氖激光器。1962年，半導(dǎo)體激光器誕生。1964年，帕特爾（C. Patel）發(fā)明了第一臺CO2激光器。1965年

3、，第一臺大功率二氧化碳激光器誕生。1967年，第一臺射線激光器研制成功。1997年，美國麻省理工學(xué)院的研究人員研制出 第一臺原子激光器。以后的幾十年，各國都投入到激光器的研究之中，充足的資金和人力資源迅速推動著激光技術(shù)飛速進展。各種不同介質(zhì)、不同形狀、不同功率、不同波長的激光器不斷出現(xiàn)。我國第一臺激光器（紅寶石）于1961年出世。激光應(yīng)用遍及各個領(lǐng)域：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物、環(huán)境、軍事、日常生活等等。激光，像電力一樣成為這個時代最重要的技術(shù)因素，對人們的生活方式產(chǎn)生重大影響：激光通信使我們在地球的每一個角落里都能準(zhǔn)確迅速地進行信息交流；激光唱機使我們聆聽世界名曲的現(xiàn)場演奏；從科研到產(chǎn)業(yè)，從海洋

4、到太空，工業(yè)到農(nóng)業(yè)，從民用到軍事；激光的科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)著令人難以置信的奇跡。激光“解決問題的工具”固體激光器、全固態(tài)激光器氣體激光器半導(dǎo)體激光器染料激光器（液體激光器）化學(xué)激光器X射線激光器自由電子激光器等激光器的種類光纖激光器半導(dǎo)體激光器He-Ne激光器薄片激光器倍頻Nd:YAG激光器 氣體激光器 體積較大、壽命較長、高功率、價廉 化學(xué)激光器 高功率、大體積 燈泵固體激光器 光束好、高功率、壽命短、大體積 半導(dǎo)體激光器 體積小、壽命長、光束差、功率低 全固態(tài)激光器 體積小、壽命長、光束好、高功率各種激光器的特點激光運轉(zhuǎn)的波長范圍遍布紅外、可見、紫外、X射線的所有區(qū)域激光波長LASER

5、 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation “受激發(fā)射的輻射光放大”最初中文名叫做“鐳射”、“萊塞”1964年我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。2.激光特性及激光原理2.1 激光特性1. 單色性激光是受激輻射，頻率寬度很窄當(dāng)兩列振動方向相同、頻率相同、相位固定的單色波疊加后，光的強度在疊加區(qū)域不是均勻分布的，而是一些地方具有極大值，一些地方具有極小值，從而產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象，即這兩列波具有相干性。在普通的光源中，光是自發(fā)輻射，彼此相互獨立，沒有恒定的相位關(guān)系。而激光是受激輻射，具有恒定的相位關(guān)系，因

6、而激光具有良好的相干性2. 相干性 激光在諧振腔中經(jīng)反射鏡多次反射振蕩，超過一定的閾值后輸出，只有沿諧振腔軸線的光才能得到放大，因而具有良好的方向性。3. 方向性好激光具有很高的能量。由于激光的空間相干性和方向性，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦，可以產(chǎn)生極高功率密度，例如1051013 W/cm2的功率密度。在工業(yè)生產(chǎn)中，利用激光高能量特點進行打孔、切割和焊接。在醫(yī)學(xué)上、利用激光的高能量可進行外科手術(shù)。在軍事領(lǐng)域，激光武器可以摧毀敵機和導(dǎo)彈4. 高能量（高功率密度）2.2 激光原理基本概念：不同的原子具有不同的能級結(jié)構(gòu)。一個原子中最低的能級稱為基態(tài)，其余的稱為高能態(tài)，或激發(fā)態(tài)。原子從高能態(tài)E2躍遷到低能態(tài)E1

7、時，會向外發(fā)射某個頻率為v 的光輻射，滿足普朗克公式： h = E1 - E2 = AE 式中h為普朗克常數(shù)。反之，該原子吸收頻率為 的輻射時，就會從低能態(tài)E1躍遷到高能態(tài)E2。 產(chǎn)生激光的5個條件1.受激輻射：首要條件，也是必要條件，但還不是充分條件。(上能級E2)(下能級E1)受激輻射吸收躍遷基態(tài)E = E2 E1 = h泵浦高能態(tài)自發(fā)輻射如果讓這些受激光子一個一個地發(fā)射出來，是不能形成強大的能量的。（自發(fā)輻射）一般的，電子被激發(fā)到高能級后，在高能級上停留的時間是短暫的。而有些物質(zhì)的電子處于第二能級E2的時間較長，僅次于基態(tài)能級E1。這個能級就叫做亞穩(wěn)態(tài)能級。2.工作物質(zhì)必須具有亞穩(wěn)態(tài)能級

8、基態(tài)(下能級E1)受激輻射吸收躍遷E = E2 E1 = h泵浦高能態(tài)(上能級E2)亞穩(wěn)態(tài)外來的光子能激發(fā)出光子，產(chǎn)生受激輻射，但也可能被低能級所吸收。在激光工作介質(zhì)中，受激輻射和受激吸收這兩個過程都同時存在。在常溫下，吸收多于發(fā)射。選擇適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)，使其在高（亞）能級上的電子比低能級上的電子還多，即形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激發(fā)射多于吸收。3.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光器中開始產(chǎn)生的光子是自發(fā)輻射產(chǎn)生的，其頻率和方向雜亂無章。要使頻率單純，方向集中，就必須有一個諧振腔4. 諧振腔1激光 激光工作物質(zhì)和諧振腔都會使光子產(chǎn)生損耗。只有使光子在腔中振蕩一次產(chǎn)生的光子數(shù)比損耗掉的光子多得多時，才能有放大作用。5.增益大

9、于損耗高能態(tài)(上能級E2)基態(tài)(下能級E1)受激輻射(激光) 吸收躍遷E = E2 E1 = h激發(fā)形成激光的五個條件1、受激輻射2、亞穩(wěn)態(tài)能級3、粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)4、諧振腔5、增益大于損耗3.衡量光束質(zhì)量的參數(shù) 激光束模式激光的模式用TEMmnq表示m,n 為橫模的序數(shù)，q為縱模的序數(shù)基模(橫向單模)：m=n=0,其它的橫模稱為高階橫模方形鏡和圓形鏡的橫模圖形對于方形鏡，m表示X方向的節(jié)線數(shù)，即 X方向的暗紋數(shù)，n表示Y方向的節(jié)線數(shù)，即 Y方向的暗紋數(shù)；如何判斷橫模對于圓形鏡， m 表示徑向節(jié)線數(shù)，即暗環(huán)數(shù)，n表示角向節(jié)線數(shù)，即暗直徑數(shù)(c) TEM02(d) TEM03(a) TEM00(b)

10、TEM103.2 遠(yuǎn)場發(fā)散角基模高斯光束的發(fā)散角可由下式表示則基模高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角為理想情況下，均勻平面波聚焦后愛里(Airy)斑的寬度為：f/D;其中f聚焦光學(xué)系統(tǒng)焦距，D衍射孔徑3.3 聚焦光斑尺寸 束寬和發(fā)散角都可以通過使用聚焦光學(xué)系統(tǒng)來改變，但對于確定光束，其束腰寬度和遠(yuǎn)場發(fā)散角的乘積是不變的，稱為光束參數(shù)乘積BPBP=0 對于基模高斯光束BP0=0= 0/ 0= / 對于實際光束BP / BP越大，光束質(zhì)量越差3.4 光束參數(shù)乘積M2因子稱為衍射極限倍數(shù)因子，其定義為：M2的倒數(shù)稱為K因子；對于實際光束， M21(K1)，M2越小，光束質(zhì)量越高3.5 M2因子和K因子4.固體激光

11、器1960年世界第一臺激光器固體紅寶石激光器問世。中國科學(xué)院長春光機所1960年研制出中國第一臺激光器紅寶石激光器。40余年來，固體激光器件及技術(shù)迅速發(fā)展，約百種工作介質(zhì)可以產(chǎn)生激光。單脈沖激光能量高達(dá)上萬焦耳，平均輸出功率超過1000W，峰值功率達(dá)幾十太瓦(TW， 1012W)。 引 言固體激光器的主要特點固體激光的輸出波段多在可見光區(qū)域或近紅外光區(qū)域，容易使用晶體倍頻，獲得可見光甚至紫外光波段；固體激光器輸出易于用普通光學(xué)元件傳輸，便于光纖傳輸；固體激光器結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用、使用維護方便，制作成本低；廣泛的用途。 固體激光器的結(jié)構(gòu)13 3 固體激光器結(jié)構(gòu)圖1、激光工作介質(zhì)；2、全反射鏡 3

12、、泵浦光源；4、輸出耦合鏡；24激光輸出 常用的激光工作介質(zhì)固體激光工作介質(zhì)由激活離子和基質(zhì)材料兩部分組成。已實現(xiàn)激光躍遷的主要激活離子有：Ce3+、Pr3+、Nd3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、Sm2+、Dy2+、Tm2+、Co2+、Ni2+、V2+、Cr3+、U3+等。常用的基質(zhì)材料主要有：Y3Al5O12晶體(釔鋁石榴石YAG);YVO4晶體;LiYF4晶體(氟化釔鋁LYF); Gd3Ga5O12晶體 (釓鎵石榴石GGG);Al2O3晶體；磷酸鹽玻璃；硅酸鹽玻璃Nd3+:YAG晶體Nd3+:YVO4晶體紅寶石Cr3+:-Al2O3Nd

13、3+:LiYF4晶體惰性氣體放電燈：脈沖燈氙燈；連續(xù)燈氪燈激光二極管（Laser Diode）4.4 常用的泵浦光源激光二極管氙燈氣體激光器以氣體或蒸氣為工作物質(zhì)，包括原子、分子、離子、準(zhǔn)分子、或金屬原子蒸氣等激光器。氣體激光器躍遷譜線和相應(yīng)的激光輸出波長范圍較寬，從真空紫外直至紅外區(qū)。5 氣體激光器原子氣體激光器：以惰性氣體（氦、氖、氬、氪、氙）、鹵素氣體或蒸氣（氯、碘、溴）等為工作介質(zhì)。分子氣體激光器：以氣體分子和準(zhǔn)分子為工作介質(zhì)5.1 氣體激光器的種類原子氣體激光器氦氖激光器 、氙激光器 、氧碘原子激光器 氬離子激光器 、氪離子激光器 、氦鎘激光器 、0.6360m He-Ne激光器氬離

14、子激光器雙原子分子：CO激光器：、 N2分子激光器： 、 HF激光器： DF激光器：3.65.0 m多原子分子：CO2激光器：P支； R支分子氣體激光器 CO2激光器擴散冷卻式對流式橫流式快速軸流式按冷卻方式分類擴散冷卻式CO2激光器1:輸出耦合鏡；2：陽極；3：進水口；4：回氣管；5：放電管；6：儲氣管；7：水冷管；8：陰極；9：全反鏡；10出水口橫流式CO2激光器氣流方向4與激光諧振腔軸 以及放電方向相互垂直1：密封殼體；2：輸出耦合鏡；3：高速風(fēng)機；4：氣流方向5：熱交換器；6：陽極；7：折迭鏡； 8：全反鏡；9：陰極快速軸流式CO2激光器1：全反鏡；2：高壓放電區(qū)；3：輸出耦合鏡；4：放電管；5：高速風(fēng)機；6：熱交換器；工作氣體沿放電管軸向高速流動，即氣流方向、電場方向及激光諧振腔三者方向一致6 激光技術(shù)6.1 品質(zhì)因數(shù)Q的基本概念吸收