现代高技术激光技术

现代高技术激光技术第1页，共43页，2023年，2月20日，星期六二十世纪四大发明——半导体；原子能；计算机；激光第2页，共43页，2023年，2月20日，星期六1917年爱因斯坦提出了受激辐射理论；

1958年肖洛和汤斯发表了《红外线和光的微波激器》；1960年梅曼制成了世界上第一台激光器——红宝石激光器第3页，共43页，2023年，2月20日，星期六单色性强；相干性强激光的特性（重点）能量集中，高方向性高强度，高亮度；颜色极纯-第4页，共43页，2023年，2月20日，星期六α光束发散角=2α探照灯-35毫弧度=1度激光---10-2毫弧度激光的高方向性sr第5页，共43页，2023年，2月20日，星期六一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮度高8个数量级(几千万倍）连续发光激光器功率：几毫瓦，几百瓦，几瓦，十几瓦目前可达几千瓦，几万瓦脉冲激光器：毫焦耳，焦耳，几十焦耳，目前可达几千焦耳，几万焦耳时间，空间都得到压缩的激光，其功率密度比会聚的太阳光高几十亿倍！激光的高强度和高亮度第6页，共43页，2023年，2月20日，星期六激光的颜色极纯-单色性强连续光谱-太阳光谱线状光谱-霓虹灯单一颜色谱线-激光第7页，共43页，2023年，2月20日，星期六单色光具有单一频率的光波称为单色光。任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。波长所对应的波长范围越窄，光的单色性越好谱线宽度：通常用强度下降到的两点之间的波长范围：谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量第8页，共43页，2023年，2月20日，星期六单色性：/λ或氪灯——10-6普通氦氖激光——10-12第9页，共43页，2023年，2月20日，星期六激光的相干性强相干长度课件相干长度：单色性越好，相干长度越长普通光源——几厘米激光可达——105千米第10页，共43页，2023年，2月20日，星期六爱因斯坦受激辐射理论：

强调光的物质性；用量子观点预言受激辐射的存在和光放大的可能性。

激光的产生和原理第11页，共43页，2023年，2月20日，星期六

入射光受激辐射光原子受激辐射示意图第12页，共43页，2023年，2月20日，星期六1正常情况下，低能级的粒子数大于高能级的粒子数，实现受激辐射条件——实现粒子数反转。2光波的受激辐射比微波的受激辐射实现起来更困难。可见光：400-750nm微波:亚毫米波0.1~1mm

毫米波1~10mm

厘米波1~10cm

分米波0.1~1m第13页，共43页，2023年，2月20日，星期六受激辐射理论的意义：对辐射理论的发展起了十分重要的指导作用。揭示了光能集中与放大的条件。为激光器的研制成功奠定了基础。第14页，共43页，2023年，2月20日，星期六1954年美国物理学家汤斯研制成功波长为1.25厘米的氨分子振荡器——受激辐射微波放大器（MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation麦泽）

激光器的问世第15页，共43页，2023年，2月20日，星期六氨分子微波激射器原理示意图氨分子源聚焦器谐振腔1960年又成功地研制了固体麦泽第16页，共43页，2023年，2月20日，星期六汤斯遇到的困难：振荡器的尺寸第17页，共43页，2023年，2月20日，星期六光腔代替微波共振腔肖洛提出创造性设想——第18页，共43页，2023年，2月20日，星期六肖洛提出----光腔代替微波共振腔向各个方向自发辐射的光子沿中心轴方向的辐射被受激放大光在工作物质中反复传播被放大激光器的组成：工作物质泵辅源光谐振腔工作物质聚光腔+M光谐振腔MM第19页，共43页，2023年，2月20日，星期六1960年7月7日：

梅曼成功研制出第一台红宝石激光器第20页，共43页，2023年，2月20日，星期六

1工作物质

2泵浦源

3谐振腔激光器的结构（重点）第21页，共43页，2023年，2月20日，星期六激光器的种类激光器的分类激励方式工作物质工作方式输出波长输出频率特性第22页，共43页，2023年，2月20日，星期六固体激光器工作物质-各种激光晶体和玻璃输出波长-由工作物质中激活元素决定。输出方式-连续灯泵浦——连续光脉冲灯泵浦——脉冲光例如：可调谐的固体激光器掺Cr3+的紫翠玉宝石激光器。输出波长0.7-0.8μm掺Cr3+的氟化锌钾激光器。输出波长780-850nm第23页，共43页，2023年，2月20日，星期六掺钕钇铝石榴石Nd:YAG1064nm1047nm~1064nm:激光加工，切割，打孔，焊接等1540nm~2940nm:医学和通信近年来，研制出掺钛(Ti)蓝宝石激光器670nm~1100nm固体激光器常用于产生强激光，连续输出~几千瓦,脉冲输出~几万焦耳第24页，共43页，2023年，2月20日，星期六掺铒光纤激光器在石英或玻璃光纤中掺入稀土离子，用半导体二极管或其他固体激光器作泵辅源也可产生可调谐激光。用掺铒光纤作成的光纤激光器，是光纤通信中不可缺少的部分。第25页，共43页，2023年，2月20日，星期六光纤放大器（光纤激光器）由微型激光器芯片驱动的掺铒的光纤。原理：当激光在光纤中传输时，光纤中的铒离子受微型激光器发出的激光激发，经过能级跃迁，不断把能量传递给光子，使得激光在传输中所损耗的能量不断地得到补充，经过数百千米甚至数千千米的行程后，被减弱的光信号又恢复了活力用途：通信，局域网，数字电视，宽带网络等第26页，共43页，2023年，2月20日，星期六二极管激光器（半导体激光器）半导体激光器发展很快，在微型化方面进展迅速。整个器件只有50mx150mx250m，比普通的米粒还小。用于：光通信，光盘，激光打印，光计算机，微量气体探测等方面。第27页，共43页，2023年，2月20日，星期六工作物质：砷化镓等半导体材料。工作原理：砷化镓等半导体材料只允许电流沿着一个方向流动。当穿过介质的光遇到一个被激发的原子时，它将使这个原子以相同的波长和频率释放能量，光在来回传播的过程中，不断地被加强，直到从反射镜面上逃逸出去，形成激光。二极管激光器（半导体激光器）第28页，共43页，2023年，2月20日，星期六气体激光器气体激光器——原子激光器，分子激光器，离子激光器，准分子激光器。原子激光器：以氦—氖激光器为代表，这种激光器大都是连续工作方式，输出功率在100毫瓦以下，多用于检测和干涉计量。离子激光器：以氩离子激光器为代表，这种激光器可以发射较强的连续功率激光，功率可达几十瓦，是可见光中的重要激光器件，多用于扫描，医学及全息学等方面。第29页，共43页，2023年，2月20日，星期六气体激光器分子激光器：以CO2激光器为代表，因红外波长激光的热效应高，故多用于激光刀，医疗，机械加工方面，还用于测距，通信。准分子激光器：特点—发光都在紫外波段。用途—多用于微细加工，光刻及医学。原理—不是分子固有能级跃迁发光，而是当两种元素的原子被高能量的电脉冲激励时，两种元素的原子在瞬态结合成的准分子的能级间跃迁产生的受激发光。发光后，分子很快分解成原子。第30页，共43页，2023年，2月20日，星期六液体激光器主要是染料激光器。多为粉末状染料溶于有机溶剂中，方可产生激光，它可以用闪光灯泵浦，或激光泵浦。特点：从红外到紫外范围调谐任意波长(几十到几百纳米）的输出光，谱线很窄，单色性好，适于光化学与光谱学方面的应用。第31页，共43页，2023年，2月20日，星期六原理：自由电子激光器是利用自由电子在真空磁场中的周期性摆动产生激光。特点：自由电子通过很多对极性彼此相反的磁铁组成的交变磁场，磁场的周期取决于这些磁铁的大小与间距。发射激光的波长由交变磁场的周期及入射电子的能量决定。用途：自由电子激光器可连续工作，输出功率几百瓦。也可脉冲式工作，平均最高功率几兆瓦。用于材料科学，医学，表面科学，化学，生物及生命科学等。自由电子激光器第32页，共43页，2023年，2月20日，星期六X射线激光器

X射线是原子内部壳层的电子跃迁产生的光子，其光子能量非常高目前，最短的X射线波长已达到4.483nm水窗范围（因为水是吸收X射线的，只有在4.483nm附近，水分子有个不吸收区，X射线可顺利通过，损耗很小，故称水窗），由于生物细胞活性组织内均含有很多水份，因此这种波长的X射线激光用于生物学，医学，生命科学的研究。已经用波长4.483nmX射线激光制成了X射线显微镜，并成功地得到了老鼠精子内核的图象,用于DNA在精子细胞内排列的研究。第33页，共43页，2023年，2月20日，星期六生物微腔激光器砷化镓基底半导体反射镜量子阱增益区液体中的细胞介质膜反射镜玻璃基底

一种研究活体生物细胞的手段和方法，将一含有被测细胞的液体放在半导体激光器的发光表面，上面覆盖镀有反射膜的玻璃片。细胞置于激光共振腔中，当激光在腔内往返数百次后，细胞中的信息充分被激光发射带出，通过这些信息的识别，由发射激光的脉冲形状，模式，空间分布以及收集到的荧光图象，就可知道细胞属于那一类。是正常细胞还是癌细胞等。这种生物微腔激光器一般用波长850纳米的半导体激光器来制作。第34页，共43页，2023年，2月20日，星期六纳米激光器问世据2001年美国《科学》杂志报道，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在仅有头发丝千分之一的纳米导线上制造出世界上最小的激光器——纳米激光器。研究人员希望用电流来激活纳米激光器，这样就可用于电路。最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息储存量。第35页，共43页，2023年，2月20日，星期六激光在科技领域的应用超快和超慢现象的研究超快现象：在微观世界很多现象是在极短的时间内发生的。如，热原子与分子的碰撞时间仅为皮秒，甚至更短。（光在一皮秒内仅移动0.3毫米）固体，液体中的能量转移；液体中的分子的快速化学反应；生物的光合作用；DNA能量转移;超高速光通信的光电转移等等。为了研究微观世界所发生的现象，就需要本身具有同样时间尺度的工具。第36页，共43页，2023年，2月20日，星期六激光器发出的激光脉冲：皮秒；飞秒；阿秒。用超短激光脉冲启动和终止电信号制造比晶体管快的开关，可以极大地提高计算机，通信设备等半导体设备的工作速度，并减小它们的体积。第37页，共43页，2023年，2月20日，星期六多普勒效应：如果波源与观察者之间有相对运动，则观察者接受到的波频率不同于波源的频率。速度越小频率的偏移量也越小，就要求用于测量的光具有极高的频率稳定性。激光可以观测每小时只有3毫米的超慢运动。如，观测珊瑚的生长，细胞的分裂等。超慢现象研究：频率的偏移量正比于物体的运动速度。

第38页，共43页，2023年，2月20日，星期六光钳技术

光的辐射压力：(彗星的尾巴总是背向太阳，被认为是太阳光的压力造成的。功率为毫瓦数量级的光，大约能产生皮牛量级的辐射压力。拾起一颗小小的图钉的力，大约是几百亿皮牛)激光辐射产生的皮牛量级的力恰好适于移动细胞和生物大分子。激光光钳示意图激光器聚焦镜样品池显微镜第39页，共43页，2023年，2月20日，星期六光钳技术当用激光钳住一个细胞时，再用另一束较强的激光作为激光刀，对细胞进行手术。如，切下DNA或细胞膜，研究细胞功能的变化;钳住某种基因将其注入到植物细胞内，起到基因传递的作用等。