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激光器系列实验 张权中国科技大学天文与应用物理系 激光器系列实验 1 简介2 特征3 原理4 系列实验5 应用 简介 激光 Laser 原意是受激辐射放大所产生的光 它是英文 LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 的缩写 激光科学从它的孕育到初创和发展 凝聚了众多科学家的创造智慧 其中美国物理学家C H Townes和A L Schawlow所做的开创性工作尤为突出 他们量子电子学领域中的基础研究 导致了微波激射器和激光器的发明 简介 世界上第一台激光器是美国人梅曼 T H Maiman 在1960年5月15日加州休斯实验室制成的红宝石激光器 它是三能级系统 用红宝石晶体做发光材料 用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源 获得了人类有史以来的第一束激光 波长为694 3nm 实现了汤斯和肖洛在1958年的预言 T H Maiman Townes CharlesHard 1939年在贝尔电话实验室作技术工作 1948年在哥伦比亚大学任教 3年后他产生微波激射的想法 用氨气作放大介质 于1953年12月造出第一台微波激射器 这一研究导致梅曼于1960年获得激光 1967年任加里福尼亚大学教授 在该校开创了射电和红外天文学计划 结果在恒星际空间发现复杂的分子 氨和水 简介 汤斯 Townes CharlesHard 1915年出生 美国物理学家 因对量子电子学的研究和发明微波激射器 获1964年诺贝尔物理学奖金 他生于美国南卡罗来州的格林维尔 毕业于格林维尔的富尔曼大学 获加州理工学院哲学博士学位 激光的特征 激光的空间相干性和方向性时间相干性和单色性激光的高强度 相干光强 激光的空间相干性和方向性 1 光束的空间相干性和它的方向性是紧密联系的2 衍射极限激光器的方向性分别为氦氖为固体激光器为半导体激光器为 时间相干性和单色性 1 时间相干性和单色性存在简单的关系即单色性越高 相干时间越长 2 无源光腔的模式频带宽度 时间相干性和单色性 一般来说单模稳频气体激光器的单色性最好 一般在106 103赫兹固体激光器的单色性较差 主要因为工作物质的增益曲线很宽 很难在单模下工作 半导体激光器的单色性最差 激光的高强度 由于激光的光子简并度极高 激光输出的功率是很高的 提高输出功率和效率是激光发展的重要课题 如固体激光器的调Q和锁膜技术的应用 可使脉宽达到10 12秒 将一个千兆瓦级 109瓦 调Q激光脉冲聚焦到直径为5微米的光斑上 可获得1015瓦 厘米2的功率密度 激光器的分类 对激光器有不同的分类方法 一般按工作介质的不同来分类 在可以分为固体激光器 气体激光器 液体激光器和半导体激光器 另外 根据激光输出方式的不同又可分为连续激光器和脉冲激光器 其中脉冲激光的峰值功率可以非常大 还可以按发光的频率和发光功率大小分类等 激光器的分类 1 固体激光器一般讲 固体激光器具有器件小 坚固 使用方便 输出功率大的特点 这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子 有红宝石和玻璃外 常用的有钇铝石榴石 YAG 晶体中掺入三价钕离子的激光器 它发射1060nm的近红外激光 固体激光器一般连续功率可达100W以上 脉冲峰值功率可达109w 激光器的分类 2 气体激光器气体激光器具有结构简单 造价低 操作方便 工作介质均匀 光束质量好 以及能长时间较稳定地连续工作的特点 这也是目前品种最多 应用广泛的一类激光器 占有市场达60 左右 其中 氦氖激光器是最常用的一种 激光器的分类 3 半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的 目前较成熟的是砷化镓激光器 发射840nm的激光 另有掺铝的砷化镓 硫化铬 硫化锌等激光器 激励方式有光泵浦 电激励等 这种激光器体积小 质量轻 寿命长 结构简单而坚固 特别适于在飞机 车辆 宇宙飞船上用 在70年代末期 由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展 激光器的分类 4 液体激光器常用的是染料激光器 采用有机染料作为工作介质 大多数情况是把有机染料溶于溶剂中 乙醇 丙酮 水等 使用 也有以蒸气状态工作的 利用不同染料可获得不同波长激光 在可见光范围 染料激光器一般使用激光作泵浦源 例如常用的有氩离子激光器等 它的优点为输出波长连续可调 且覆盖面宽因此也得到广泛应用 激光的原理 1 受激吸收和自发辐射普通常见光源的发光 如电灯 火焰 太阳等发光 是由于物质在受到外来能量 如光能 电能 热能等 作用时 原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级 即原子被激发 激发的过程是一个 受激吸收 过程 处在高能级 E2 的电子寿命很短 一般为10 8 10 9秒 在没有外界作用下会自发地向低能级 E1 跃迁 跃迁时将产生光 电磁波 辐射 辐射光子能量为h E2 E1 激光原理 这种辐射称为自发辐射 原子的自发辐射过程完全是一种随机过程 各发光原子的发光过程各自独立 互不关联 即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方 另外初始位相 偏振状态也各不相同 由于激发能级有一个宽度 所以发射光的频率也不是单一的 而有个范围 在通常热平衡条件下 处于高能级E2上的原子数密度N2 远比处于低能级的原子数密度低 这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小 即N exp E kT 这是著名的波耳兹曼分布规律 于是在上 下两个能级上的原子数密度比为 激光原理 N2 N1 exp E2 E1 kT 式中k为波耳兹曼常量 T为绝对温度 因为E2 E1 所以N2 N1 例如 已知氢原子基态能量为E1 13 6eV 第一激发态能量为E2 3 4eV 在20 时 kT 0 025eV 则N2 N1 exp 400 0可见 在20 时 全部氢原子几乎都处于基态 要使原子发光 必须外界提供能量使原子到达激发态 所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程 一般说来 这种光源所辐射光的能量是不强的 加上向四面八方发射 更使能量分散了 激光原理 2 受激辐射和光的放大由量子理论知识知道 一个能级对应电子的一个能量状态 电子能量由主量子数n n 1 2 决定 但是实际描写原子中电子运动状态 除能量外 还有轨道角动量L和自旋角动量s 它们都是量子化的 由相应的量子数来描述 对轨道角动量 玻尔曾给出了量子化公式Ln nh 但这不严格 因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的 严格的能量量子化以及角动量量子化都应该由量子力学理论来推导 激光原理 量子理论告诉我们 电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l 角动量量子数 量子数相差 1的两个状态之间 这就是一种选择规则 如果选择规则不满足 则跃迁的几率很小 甚至接近零 在原子中可能存在这样一些能级 一旦电子被激发到这种能级上时 由于不满足跃迁的选择规则 可使它在这种能级上的寿命很长 不易发生自发跃迁到低能级上 这种能级称为亚稳态能级 但是 在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级 并放出光子 这种过程是被 激 出来的 故称受激辐射 受激辐射的概念是爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时 第一个提出来的 激光原理 他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性 这是激光的基础 受激辐射的过程大致如下 原子开始处于高能级E2 当一个外来光子所带的能量h 正好为某一对能级之差E2 E1 则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁 这种受激辐射的光子有显著的特点 就是原子可发出与诱发光子全同的光子 不仅频率 能量 相同 而且发射方向 偏振方向以及光波的相位都完全一样 于是 入射一个光子 就会出射两个完全相同的光子 这意味着原来光信号被放大这种在受激过程中产生并被放大的光就是激光 激光原理 3 粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射 而且它也能引起受激吸收 所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时 受激辐射跃迁才能超过受激吸收 而占优势 由此可见 为使光源发射激光 而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多 这种情况 称为粒子数反转 但在热平衡条件下 原子几乎都处于最低能级 基态 因此 如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件 激光器的组成 激光器的组成通常由三部分1 工作物质2 谐振腔3 泵浦源 激光器的组成 结构图 实物图 Nd 3 YAG晶体能级图 系列实验内容 本实验中使用的固体激光器是YAG激光器 YAG是指工作物质 它是掺钕钇铝石榴石 化学式为Y3Al5O2 钕离子的浓度一般为YAG为四能级系统 比红宝石激光器的三能级系统更易实现激光输出 实验内容具体可分为如下几点 系列实验内容 1 全面认识激光器 2 测量激光器的阈值 3 测量激光器的输入 输出能量关系曲线 4 测量不同泵浦能量的脉冲宽度与输出光斑大小关系 5 测量调Q激光器的阈值能量 脉冲宽度和不同Q延迟下的输出能量 找出最佳调Q延迟时间 并计算出调Q激光器输出平均功率 6 观察锁膜脉冲的变化 找出最佳锁膜腔长 并用能量计测出能量 计算单个脉冲的峰值功率和平均功率 实验仪器参数 1 YAG激光器 输出波长 1064nm532nm输出能量 400mJ 1064nm 不调Q 150mJ 1064nm 调Q 50mJ 532nm 调Q 脉冲宽度 10ns调Q 200 s 不调Q光束发散角 5mrad重复频率 1hz 2Hz 单次储能电容 100 F放电电压 0 8Kv触发电压 6Kv调Q电压 3 8Kv 实验仪器参数 2 能量计 光谱响应范围 0 25 m 11 m敏感面积 20探测器可承受最大平均功率密度 100Mw cm2响应时间 0 4秒分辨率 1 J 系列实验内容之一 波形对比 调Q后的脉冲波形 自由输出的脉冲波形 激光器的应用 由于激光具有方向性好 亮度高 单色性好 相干性好等特点而得到广泛应用 如激光测距 激光钻孔和切割 地震监测 光信息处理 光通信 激光手术等 而激光在军事领域也得到最充分应用 例如 激光致盲武器 激光防空武器 激光反卫星武器 激光等离子武器 激光制导导弹 激光窃听器 激光沙盘等现代高技术武器都展现了激光的本领 激光器的应用 1 激光钻孔机 JJ 200型Nd YAG激光打孔焊接机适用于各种材料的打孔 金银首饰的焊接及微型继电器与电容器的气密性封装 该机能使用在生产线上 长时间稳定地运转 该机符合国际安全标准 其光路设计为全封闭型 并带有冷却水温 水流保护装置及冷却水过滤装置 激光器的应用 2 激光医学 用于切除等手术输出 1w 30w 用于五官科的治疗输出 1w 15w 色素去除 皮质切除输出 1w 30w 激光器的应用 激光之所以能成为