激光-理论-培训

1、激光 理论 培训培训目的：模糊 业余1模糊到业余的过程了解激光发展史激光如何产生的 2一、激光器的产生和发展二、激光的相关名词解释三、激光的原理简介四、产生激光的五个条件五、激光的特性六、激光器的结构七、激光器的种类3激光学是20世纪60年代发展起来的一门新兴学科，是继原子能、计算机和半导体技术之后的重大科技成果之一。被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成

2、的缩写词。意思是“受激辐射的光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。41916年 爱因斯坦提出的“自发和受激辐射”理论是现代激光系统的物理学基础。1960年 梅曼（Theodore Maiman）成功地应用人工合成的淡红色宝石晶体制造出世界上第一台激光器，为输出波长694.3nm，脉能400mJ的相干光，被称做激光。为了表明其威力，Maiman用毫米波的脉冲激光在一打剃须刀片上成功地进行了一次钻孔实验。51961年， Java等研制成功了波长1150nm、近红外线的氦氖（HeNe）激光器；同年，Johnson发明了掺铷钇铝石榴石（Nd ：YAG）激光器；1962年， Benne

3、tt研制成功了波长为488nm的氩（Argon）激光器；1964年， Pate等又发明了二氧化碳（CO2）激光器。随后，多种固体、气体和半导体激光器相继问世，标志着一门新兴学科激光技术的形成。 1961年 我国研制出第一台红宝石激光器。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。6二、激光的相关名词解释原子处在激发态时间很短10-8s，但有些物质还有一些亚稳态，可以停留10-3s,在亚稳态上粒子数不断积累，实现粒子数反转，达到光放大的目的。技术上要实现粒子数反转，一定要有能实现粒子数反转的物质，称为工作物质。这种物质存在比一般激发态稳定得多的能级，平均寿命可达10-31

4、s的数量级，称亚稳态。7当原子内所有电子处于可能的最低能 级时，整个原子的能量最低，我们称原子处于基态。当一个或多个电子处于较高的能级时，我们称原子处于受激状态。电子可 通过吸收或释放在能级之间跃迁。跃迁又可分为三种形式 81.受激吸收 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶 92.自发幅射 电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶 103.受激幅射 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低 能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最後就变成两个相同的光子。11受激辐射的特点如下：感应光子的能量等于向下跃迁的能级之差

5、；受激辐射产生的光子与感应光子是全同光子，不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向都相同，因此它们是相干的；受激辐射过程实质上是对外来入射光的放大过程。 124.粒子数反转 在通常情况下，处于低能级E1的原子数大于处于高能级E2的原子数，这种情况得不到激光。为了得到激光，就必须使高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的原子数目，因为E2上的原子多，发生受激辐射，使光增强（也叫做光放大）。为了达到这个目的，必须设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态E2，处于高能级E2的原子数就可以大大超过处于低能级E1的原子数。这样就在能级E2和E1之间实现了粒子数的反转。在工作物质处于谐振腔内时，只要有能量为

6、h=E2-E1的光子能引起腔内谐振，就可以得到激光。实现粒子数反转的工作物质是制造激光器所不能缺少的。 13三激光原理的简单介绍 在一个激光系统中，激光的工作介质在没有受到激励以前，绝大多数粒子处于稳态，粒子的原子核带正电，核外电子带负电，电子处在核外的一些特定的轨道上围绕原子核不停地旋转着。当激光的工作介质受到激励（如强光照射）从外界获得适当能量时，电子就会从能量较小的轨道跃迁到能量较大的轨道上去，呈亚稳态级状态，实现粒子的反转，亚稳态能级上的部分原子自发跃迁到低能级而返回稳态，同时放出能量，即光子，此类光子称为自发辐射光子。自发辐射光子在共振控内呈布朗运动，随着运动，可能会碰撞到其它电子，

7、使其跃迁到稳定的状态，从而放出更多的光子，产生受激辐射。14自发辐射光子的传播方向不一，凡不沿工作介质轴线方向传播的以及由它诱发产生的受激辐射光子，都很快地从工作介质的侧面逸出，而沿轴线方向传播的自发辐射光子以及由它诱发产生的受激辐射光子传播至共振腔内的部分反射镜时，少量光子透射出去，大部分被反射回工作介质。被部分反射镜反射重新回到工作介质的光子，继续诱发新的受激辐射，光同时被放大，继续传播遇到全反射镜时，光子全部被反射。被反射镜反射出来的光子，再次进人工作介质，诱发新的受激辐射，光进一步被放大，光子在共振腔中来回振荡，受激辐射不断增强，光不断被放大，当光子增加到一定数量时，便能从部分反射镜一

8、端连续地、稳定地输出激光。激光同样是一种光，也同样具有波动性和粒子性，但不象太阳光那样是天然存在，而是人工激活的特定活性物质，在特定的条件下产生的受激发光。激光器是强相干光源，它所发出的激光是一种受激辐射相干光，是在一定条件下电场和激光工作物质相互作用的结果。15红宝石激光原理图16如图所示红宝石激光的原理。它由一枝闪光灯，激光介质和两面镜所组成。激光介质是红宝石晶体，当中有微量的铬原子。在开始时，闪光灯发出的光射入激光介质，使激光介质中的铬原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。此时，有些电子会透过释放光子，回到较低的能阶。而释放出的光子会被设于激光介质两端的镜子来回反射，诱发更多的电子进行

9、受激辐射射，使激光的强度增加。设在两端的其中一面镜子会把全部光子反射，另一面镜子则会把大部分光子反射，并让其余小部分光子穿过而穿过镜子的光子就构成我们所见的激光。17四激光产生的五个条件激光在英文中是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思是受激辐射的光放大。可见，受激幅射是产生激光的首要条件，也是必要条件，但还不是充分条件。18如果让这些受激光子一个一个地发射出来，是不能形成强大的能量的。一般的，电子被激发到高能级后，在高能级上停留的时间是短暂的。而有些物质的电子处于 第二能级E2的时间较长，仅次于基态能级E1。这个

10、能级就叫做亚稳能级。要形成激光，工作物质必须具有亚稳态能级。这是产生激光的第二个条件。 19外来的光子能激发出光子，产生受激辐射，但也可能被低能级所吸收。在激光工作物质中，受激辐射和受激吸收这两个过程都同时存在。在常温下，吸收多于发 射。选择适当的物质，使其在亚能级上的电子比低能级上的电子还多，即形成粒子数反转，使受激发射多于吸收。这是产生激光的第三个条件。 20激光器中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向杂乱无章。要使频率单纯，方向集中，就必须有一个振荡腔。这是产生激光的第四个条件。21这些晶体和谐振腔都会使光子产生损耗。只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多得多时，才

11、能有放大作用，这是产生激光的第五个条件。22五激光的特点激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。 231 单色性好：普通光源发射的光子，在频率上是各不相同的，所以包含有各种颜色。而激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源。242 相干性好：激光是相干的，所有光子都有相同的相，相同的偏振，它们叠加起来便产生很大的强度。而在日常生活中所见的光，它们的相和偏振是随机的，相对于激光，这些光就弱得多了。 253 方向性好：激光束的发散角很小，几乎

12、是一平行的光线，激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方，为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置，但即便是最好的探照灯，如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1 000公里以上。激光束的方向性好这一特性在医学上的应用主要是激光能量能在空间高度集中，从而可将激光束制成激光手术刀。另外，由几何光学可知，平行性越好的光束经聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之激光单色性好，经聚焦后无色散像差，使光斑尺寸进一步缩小，可达微米级以下，甚至可用作切割细胞或分子的精细的“手术刀”。 264 亮度高：激光的亮度可比普通光源高出10121019倍，是目前最亮的光源，强激光甚至可

13、产生上亿度的高温。激光的高能量是保证激光临床治疗有效的最可贵的基本特性之一。利用激光的高能量还可使激光应用于激光加工工业及国防事业等。27六激光器的结构激光器一般包括三个部分281、激光工作介质这是激光器的核心，只有能实现能级跃迁的物质才能作为激光器的工作物质。激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，非常广泛。292、激励源 激励能源（光泵） 它的作用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激发到高能级的

14、外界能量。 30 3、谐振腔 光学共振腔 这是激光器的重要部件，其作用一是使工作物质的受激辐射连续进行；二是不断给光子加速；三是限制激光输出的方向。 31七.激光器的种类 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。32 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，除了前面介绍用红宝石和玻

15、璃外，常用的还有钇铝石榴石（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。33 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。343、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