基础科学补充激光技术ppt模版课件

激 光 技 术 简 介,激光技术的应用涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科，主要分为以下几类： 1.激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。 2.激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。, 1. 激光技术应用简介,3.激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器为主。,4.激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。,5.激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应用广泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器为主。,6.激光化学：传统的化学过程，一般是把反应物混合在一起，然后往往需要加热 (或者还要加压)。加热的缺点，在于分子因增加能量而产生不规则运动，这种运动破坏原有的化学键，结合成新的键，而这些不规则运动破坏或产生的键，有时会阻碍预期的化学反应的进行。 但是如果用激光来指挥化学反应，不仅能克服上述不规则运动，而且还能获得更大的好处。这是因为激光携带着高度集中而均匀的能量，可精确地打在分子的键上，比如利用不同波长的紫外激光，打在硫化氢等分子上，改变两激光束的相位差，则控制了该分子的断裂过程。也可利用改变激光脉冲波形的方法，十分精确和有效地把能量打在分子身上， 触发某种预期的反应。,激光化学的应用非常广泛。制药工业是第一个得益的领域。应用激光化学技术，不仅能加速药物的合成，而又可把不需要的副产品剔在一旁，使得某些药物变得更安全可靠，价格也可降低一些。又如，利用激光控制半导体，就可改进新的光学开关，从而改进电脑和通信系统。激光化学虽然尚处于起步阶段，但其前景十分光明。,7.激光医疗：激光在医学上的应用分为两大类：激光诊断与激光治疗，前者是以激光作为信息载体，后者则以激光作为能量载体。多年来，激光技术已成为临床治疗的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了医学中的许多难题，为医学的发展做出了贡献。现在，在基础研究、新技术开发以及新设备研制和生产等诸多方面都保持持续的、强劲的发展势头。,8.超快超强激光：超快超强激光主要以飞秒激光的研究与应用为主，作为一种独特的科学研究的工具和手段，飞秒激光的主要应用可以概括为三个方面，即飞秒激光在超快领域内的应用、在超强领域内的应用和在超微细加工中的应用。 飞秒激光在超快现象研究领域中所起到的是一种快速过程诊断的作用。飞秒激光尤如一个极为精细的时钟和一架超高速的“相机”可以将自然界中特别是原子、分子水平上的一些快速过程分析、记录下来。,飞秒激光在超强领域中的应用(又称为强场物理)归因于具有一定能量的飞秒脉冲的峰值功率和光强可以非常之高。这样的强光所对应的电磁场会远大于原子中的库仑场，从而很容易地将原子中的电子统统剥落出去。因此，飞秒激光是研究原子，分子体系高阶非线性、多光子过程的重要工具。与飞秒激光相应的能量密度只有在核爆炸中才可能存在。飞秒强光可以用来产生相干X射线和其它极短波长的光，可以用于受控核聚变的研究。,飞秒激光用于超微细加工是飞秒激光用于超快现象研究和超强现象研究之外的又一个飞秒激光技术的重要的应用研究领域。这一应用是近几年才开始发展起来的，目前已有了不少重要的进展。与飞秒超快和飞秒超强研究有所不同的是飞秒激光超微细加工与先进的制造技术紧密相关，对某些关键工业生产技术的发展可以起到更直接的推动作用。飞秒激光超微细加工是当今世界激光、光电子行业中的一个极为引人注目的前沿研究方向。,9.激光武器：激光测距仪是激光在军事上应用的起点，将其应用到火炮系统，大大提高了火炮射击精度。激光雷达相比于无线电雷达，由于激光发散角小，方向性好，因此其测量精度大幅度提高。由于同样的原因，激光雷达不存在“盲区”，因此尤其适宜于对导弹初始阶段的跟踪测量。但由于大气的影响，激光雷达并不适宜在大范围内搜索，还只能作为无线电雷达的有力补充。还有精确的激光制导导弹，以及模拟战场上使用的激光武器技术运用。,机载激光武器(ABL)，ABL的目标是研制装在经过改造的波音747飞机上安装激光武器，用于从高空攻击敌方的战区弹道导弹。,激光武器的优点；无需进行弹道计算；无后坐力；操作简便，机动灵活，使用范围广；无放射性污染。 激光武器的分类：不同功率密度，不同输出波形，不同波长的激光，在与不同目标材料相互作用时，会产生不同的杀伤破坏效应。激光器的种类繁多，名称各异。按工作介质区分，目前有固体激光器、液体激光器和分子型、离子型、准分子型的气体激光器等。按其发射位置可分为天基、陆基、舰载、车载和机载等类型，按其用途还可分为战术型和战 略型两类，即战术激光武器和战略激光武器。,10.激光全息技术： 全息术的发明与发展 ：全息术即全息照相术，是记录波动（包括机械波、电磁波和光波）干扰的振幅和位相分布，以及使之再现的专门技术。它广泛地用作三维光学的成像，也可用于声波（声全息）和射频波。“全息”意思是全部的信息，即不仅是振幅信息，还包含位相信息在内.,11.光通信 激光是一种频率更高的电磁波，它具有很好相干性，因而象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以用来作为传递信息的载波。 由激光“携带”的信息(包括语言、文字、图像、符号等)通过一定的传输通道(大气、光纤等)送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。这种将信息加载于激光的过程称之为调制，,完成这一过程的装置称为调制器。其中激光称为载波;起控制作用的低频信息称为调制信号。 解调：调制的反过程，即把调制信号还原成原来的信息。,2. 激光技术的基本内容,2.1 激光调Q技术 2.2 超短脉冲技术 2.3 模式选择技术 2.4 稳频技术 2.5 激光放大技术,调Q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。现在，欲要获得峰值功率在兆瓦级(106w)以上，脉宽为纳秒级(10-9s)的激光脉冲已并不困难。,2.1 调Q(Q开关)技术,图 1-5-1 固体激光器的结构 1，晶体棒 2，反射膜；3，氙灯，4一电源,晶体棒或玻璃棒的直径由1cm到几个cm不等，长度由十几个cm到几十个cm不等。棒的两端面磨的很光滑，平行度很高，镀上反射膜以后就可以当成反射镜组成光学谐振腔。泵浦源使用普通强光源，如氙灯等。固体激光器的优点是输出功率大，体积小，坚固，贮存能量的能力较强，适合实现Q开关、锁模等技术。下边我们分别以红宝石激光器和掺钕离子激光器为例，简介其工作原理。,固体激光器的结构大体一致，如下图所示。,图 2.1,图 2.2脉冲激光器输出的尖峰结构,图2.3 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化,固体激光器的优点是输出功率大，体积小，坚固，贮存能量的能力较强，适合实现Q开关、锁模等技术。下边我们以固体激光器为例，简介其工作原理。,一、调的基本原理 通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很大的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率不能提高的原因。 既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。,Q值称为品质因数，它定义为: Q=20 (腔内存储的能量 / 每秒损耗的能量）,当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。 改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。从“激光原理”得知，激光器振荡的阈值条件可表示为,式中，g 是模式数目，A21自发辐射几率，c是光子在腔内的寿命，,(2.1-1),而,c是腔内能量衰减到初始能量的1/e所经历的时间,所以 （2.1-2),式中，0为真空中激光中心波长。可见，当0和L一定时，Q值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过突变谐振腔的Q值(或损耗)来实现。,这样，Q值可表示为,（2.1-3),调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值(损耗)随时间按一定程序变化的技术。,Q值称为品质因数，它定义为: Q=20 (腔内存储的能量 / 每秒损耗的能量）,调Q激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如图2.4所示。 图(a)表示泵浦速率Wp随时间的变化； 图(b)表示腔的Q值是时间的阶跃函数(蓝虚线)； 图(c)表示粒子反转数n的变化； 图(d)表示腔内光子数随时间的变化。,图 2.4,在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值(Qo)状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至 t0时刻，粒子数反转达到最大值ni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此ni nt(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短的时间,nt,内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。,return14,调Q脉冲的建立有个过程，当Q值阶跃上升时开始振荡，在t=t0振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数增长十分缓慢，其值始终很小(i)，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。,tf,图2.1-4 从开始振荡到脉冲形成的过程,只有振荡持续到ttD时，增长到了D ，雪崩过程才形成， 才迅速增大，受激辐射才迅速超过自发辐射而占优势。,图 2.5,综上所述，谐振腔的Q值与损耗成反比，如果按照一定的规律改变谐振腔的值，就可以使Q值发生相应的变化。谐振腔的损耗一般包括有：反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。那么，我们用不同的方法控制不同类型的损耗变化，就可以形成不同的调Q技术。有机械转镜调Q、电光调Q技术，声光调Q技术，染料调Q技术等。,利用某些晶体的电光效应可以做成电光Q开关器件。电光调Q具有开关时间短，效率高，调Q时刻可以精确控制，输出脉冲宽度窄，峰值功率高等优点。,电光调Q,声光调Q,声光调Q装置示意图,当声光介质中通过超声波时，由于超声光栅的作用，使光束衍射，偏出腔外，激光器损耗很大，Q值极低，不能形成激光振荡。在这种情况下，工作物质在光泵浦的激励下，激光上能级的粒子数不断积累，并实现粒子数反转。当反转粒子数达到最大时，突然撤除超声场，衍射效应消失，光路畅通，Q值猛增，迅速形成激光振荡，输出激光巨脉冲。,染料调Q,染料调Q装置示意图,利用有机材料对光的吸收系数会随着光强变化的特性来达到调Q的目的。,某些有机染料是一种非线性吸收介质，即其吸收系数并不是常数，当在较强激光作用下，其吸收系数随光强的增加而减小直至饱和，对光呈现透明的特性，这种染料称为可饱和吸收染料，吸收系数可以表示为：,式中0是中心频率小信号吸收系数; I 和 Is 分别为人射光强和饱和光强。,可见,吸收系数随光强的增加而减少,当光强很大时,吸收系数为零,入射光几乎全部透过。饱和吸收体的透过率随光强的变化如下图所示。,Is为染料的饱和吸收光强，其大小与染料的种类和浓度有关，一般来说，染料的浓度增加， Is值也增加；I为入射光强。由上式可以看出，当I Is 时，吸收系数趋于零，染料对通过的光束于是变为透明,将饱和吸收体放在谐振腔中,泵浦过程开始时,腔内自发荧光很弱，染料吸收系数很大，使光的透过率很低，腔处于低Q值(高损耗)状态，故不能形成激光振荡。 随着光泵的继续作用反转粒子数的积累，放大的自发辐射逐渐增加,当光强与饱和吸收体的Is可比拟时,染料的吸收系数变小，透过率逐渐增大.当这一过程发展到一定程度时,单程增益等于单程损耗,激光器开始起振。 随着激光强度的增加,到一定数值时，染料吸收达到饱和（吸收最小）值，突然被“漂白”而变得透明了，这时腔内Q值猛增，产生了受激辐射不断增长的雪崩过程.产生激光振荡输出调Q激光脉冲。 当激光光强增加饱和时,增益系数显著下降,最终导致激光熄灭。,染料调Q装置示意图,因为泵浦是脉冲式的，腔内光场迅速减弱（I0)，因而染料又恢复了吸收特性（透过很小），起到将腔关闭的作用，然后再重复以上的过程。,由上述巨脉冲发展过程可知,用作被动Q开关的饱和吸收体应具备下列特性: 吸收峰中心波长应与激光器激光波长吻合; 饱和光强Is要适当。 Is小于增益介质的饱和光强Is是巨脉冲产生的必要条件,Is太大还会因Q开关速度太慢而严重影响调Q效果,但Is也不宜过小,否则很弱的光就能使其透明,工作物质的反转粒子数便不能充分积累。,超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学，以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段。超短脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁摸(CPM)，以及90年代出现的加成脉冲锁模(APM)或耦合腔锁模(CCM)、自锁模等阶段。自60年代实现激光锁模以来，锁模光脉冲宽度为皮秒(10-12s)量级，70年代，脉冲宽度达到亚皮秒(10-13s)量级，到80年代则出现了一次飞跃，采用光脉冲压缩技术后，获得了6fs的光脉冲。90年代自锁模技术的出现，在掺钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序列。,2.2 超短脉冲技术,下面将讨论超短脉冲激光器的原理、特点、实现的方法，几种典型的锁模激光器及有关的超短脉冲技术，如超短脉冲脉宽的测量方法、超短脉冲的压缩技术等。,为了更好地理解锁模的原理，先讨论未经锁摸的多纵模自由运转激光器的输出特性。腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为 （2.2-1),一、多模激光器的输出特性,自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阀值的纵模，如图3.10所示。这些模的振幅及相位都不固定， 激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。 假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N个纵模，那么激光器输出的光波电场是N个纵模电场的和，即,N=11,荧光光谱,图 3.10,假如各个模的振幅及相位都固定，也可推得输出脉冲的峰值功率正比于 ，因此，由于锁模，峰值功率增大了N倍。,可以推得总光强：,该式说明了平均光强是各个纵模光强之和,每个脉冲的宽度 约为：,每个脉冲的宽度 , 可见增益线宽愈宽，愈可能得到窄的锁模脉冲。,先看三个不同频率光波的叠加：Ei = E0cos(2 i t+ i ) i=1,2,3 设三个振动频率分别为1 、 2 、 3 的三个光波沿同一方向传播，且有关系式： 3=31， 2= 21 , E1 = E 2 =E3 = E0,若相位未锁定，则此三个不同频率的光波的初位相 1 、 2 、 3 彼此无关，如左图，由于破坏性的干涉叠加，所形成的光波并没有一个地方有很突出的加强。输出的光强只在平均光强3 E02 /2级基础上有一个小的起伏扰动。,二、锁模的基本原理,但若设法使 1 = 2 = 3 =0时，有 E1 = E0cos(21 t) E2 = E0cos(41 t) E3 = E0cos(61 t),当 t=0 时, E = 3E0, E2 = 9E02; t = 1/(31)时, E1 = E0cos(2/3) = -E0/2， E2 = E0cos(4/3) = -E0/2, E3 = E0cos(2) = E0 , 三波叠加的结果是： E = E1 + E 2 + E3 = 0; 同理可得，t=2/(31 )时，E = 0； t = 1/1时，E = 3E0 。这样就会出现一系列周期性的脉冲，见下图。 当各光波振幅同时达到最大值处时，由于“建设性”的干涉作用，就周期性地出现了极大值（ I = E2 = 9E02 ）。当然, 对于谐振腔内存在多个纵模的情况，同样有类似的结果。,要获得窄脉宽、高峰值功率的光脉冲，只有采用锁模的方法，就是使各纵模相邻频率间隔相等并固定为 ，而且相邻纵模的初位相差为常量。这一点在单横模的激光器中是能够实现的。,图3.16给出了7个振荡模的输出光强曲线。,图 3 . 16,多模(0+qq )激光器相位锁定的结果，实现了q+1 - q=常数，导致输出一个峰值功率高，脉冲宽度窄的序列冲。因此多纵模激光器锁模后，各振荡模发生功率耦合而不再独立。每个模的功率应看成是所有振荡模提供的。,1.主动锁模： 主动锁模采用的是周期性调制谐振腔参量的方法。主动锁模是在激光腔内插入一个调制器，调制器的调制频率应精确地等于纵模间隔，这样可以得到重复频率为fc/2L的锁模脉冲序列。,三、锁模的方法,2.被动锁模：产生超短脉冲的另一种有效的方法是被动锁模。在激光谐振腔中插入可饱和吸收染料来调节腔内的损耗当满足锁模条件时，就可获得一系列的锁模脉冲。,4. 同步泵浦锁模 如果要通过周期性地调制谐振腔的增益来实现锁模，则可以采用一台主动锁模激光器的脉冲序列泵浦另一台激光器来获得。这种方式就是同步泵浦锁模。,3.自锁模：当激活介质本身的非线性效应能够保持各个振荡纵模频率的等间隔分布，并有确定的初相位关系，不需要在谐振腔内插入任何调制元件，就可以实现纵模锁定的方法。,2.3 模式选择技术,要求激光方向性或单色性很好。要求对激光谐振腔的模式进行选择。模式选择技术可分为两大类: 一类是横模选择技术; 另一类是纵模选择技术。 从激光原理可知, 所谓横模, 就是指在谐振腔的横截面内激光光场的分布。横模阶数越高, 光强分布就越复杂且分布范围越大, 因而其光束发散角越大。反之，基模 (TEM00) 的光强分布图案呈圆形且分布范围很小, 其光束发散角最小, 功率密度最大，因此亮度也最高，径向强度分布是均匀的。横模选择技术是使激光发散角小。不同横模的衍射损耗不同，是选择横模的基础。,横模选择方法可分为两类：一类是改变谐振腔的结构和参数以获得各模衍射损耗的较大差别，提高谐振腔的选模性能；另一类是在一定的谐振腔内插入附加的选模元件来提高选模性能。气体激光器采用前类方法，固体激光器采用后类方法。,图3.18 采用小孔光阑作为选模元件,如: n为折射率，L为腔长, 因 所以 取微分后 = c/2nL 纵模选择技术则是单频激光运转的必要手段。,所谓纵模, 就是指沿谐振腔轴线方向上的激光光场分布。对于一般腔长的激光器, 往往同时产生几个甚至几百个纵模振荡; 纵模个数取决于激光的增益曲线宽度及相邻两个纵模的频率间隔。,下面主要讲述纵模（单色激光）选择的原理。,激光器的振荡频率范围是由工作物质的增益谱线的宽度决定的，而产生多纵模振荡数则是由增益线宽和谐振腔两相邻纵模的频率间隔决定的，即在增益线宽内，只要有几个纵模同时达到振荡阈值，一般都能,形成振荡。如以0表示增益曲线高于阈值部分的宽度，相邻纵模的频率间隔为q，则可能同时振荡的纵模数,一.纵模选择原理,q,0,图3.18 激光振荡的纵模数,对于一般稳定腔来说，由衍射理论可知，不同的横模(TEMmm)具有不同的谐振频率数,故参与振荡的横模数越多，总的振荡频谱结构就越复杂；当腔内只存在单横模(TEM00)振荡时, 其振荡频谱结构才较简单，为一系列分立的振荡频率，其间隔为=c/2nL。,纵模选择的基本思想：激光器中某一个纵模能否起振和维持振荡主要取决于这一个纵模的增益与损耗值的相对大小。对于同一个横模的不同纵模而言，其损耗是相同的，但是不同纵模间却存在着增益差异，因此，利用不同纵模之间的增益差异，在腔内引入一定的选择性损耗，使欲选的纵模损耗最小，而其余纵模的附加损耗较大，只有中心频率附近的少数增益大的纵模建立起振荡。最终形成并得到放大的是增益最大的中心频率所对应的单纵模。,如果激光工作物质具有发射多条不同波长的激光谱线，那么，在纵模选择之前，必须将频率进行粗选, 将不需要的谱线抑制掉。例如, He-Ne激光器，可发射 623.8 nm，1.15 m = 1150 nm，3.39 m = 3390 nm三条谱线。,二.纵模选择的方法, (色散腔粗选频率、短腔法、标准具法、复合腔法等),1.色散腔粗选频率,通常是利用腔镜反射膜的光谱特性(只对某个波段反射率大)或在腔内插入棱镜或光栅等色散元件，将工作物质发出的不同波长的光束在空间分离，然后设法，仅使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡。,图3.20所示的是腔内插入色散棱镜的粗选装置图。谐振腔所能选择振荡的最小波长范围由棱镜的角色散和腔内振荡光束的发散角决定。,图3.20 色散棱镜的粗选装置图,另一种色散腔是用一个反射光栅代替谐振腔的一个反射镜，如图3. 21所示。,设d为光栅栅距(光栅常数)，1为光线在光栅上的入射角，2为光线在光栅上的反射角，则形成光栅衍射主极大值的条件是,图3.21 光栅色散腔粗选频率,式中，m1,2为衍射级次。,(5.3-4),图3.21 光栅色散腔粗选频率,色散腔法虽然能从较宽范围的谱线中选出较窄的振荡谱线，实现了单条荧光谱线的振荡；但这还只是较粗略的选择， 在该条谱线的荧光线宽范围内，还存在着频率间隔为 的一系列分立的振荡频率，即多个纵模，如何进一步从单条谱线中选出单一的纵模，就要采取如下的一些方法。,激光振荡的可能纵模数主要由工作物质的增益线宽0和谐振腔的纵模间隔q决定。而纵模间隔 与腔长成反比，因此选择单纵模的方法之一是缩短谐振腔的长度, 以增大q，使得在0范围内只存在一个纵模，而其余的纵模都位于0之外，如图3.22所示, 此即所谓短腔法选纵模。,.短腔法,如He-Ne激光器，当L=1m时，其纵模间隔 =150MHz (设n=1)。因0 = 1500 MHz,若要求单纵模振荡就要求L=0.1m以下。故短腔法只适用于增益线宽较窄的激光器。由于腔长缩短，激光输出功率必然受到限制。因此在大功率单纵模输出的场合，此法不适用。,图3.22 短腔法选纵模原理,式中， 为标准具的精细度；R为标准具对光的反射率；d为标准具的厚度