激光原理与技术

第3章：激光纵模：每一个q值对应有正反两列沿相反方向传播的同频率光波两列光波的结果，将在腔内形成驻波。谐振腔形成的每一列驻波称为一个纵模。激光谐振腔的谐振频率主要决定于纵模序数Vmnq=qc/2口L.腔内两个相邻纵模频率之差为纵模的频率间隔：△Vq=Vq+1-Vq=c/2口L.激光纵模：激光的模式也常采用微波中标志模式的符号来标记，极为TEMmnq，其中TEMoo是基横模。激光横模：在激光谐振腔存在的稳定的横向分布，就是自再现模，通常称为横模。m、n的值正好分别等于光强在x，y方向上的节线(光强为0的线)数目，而且由Fm(X)和Fn(Y)函数的机制分布看出，m、内的值越大，光场也越向外扩展。基横模行波输出在与光束前进方向的垂直平面上的强度呈高斯型分布，通常称为高斯光束。高斯光束与普通光束有很大区别，它的传播方向性好很好，同时也会不断的发散，其发散的规律不同于球面波，在传播过程中她的波面曲率一直在变化，但是永远不会变成0，除光束中心外，高斯光束并不沿直线传播。高斯光束的强度分布：在z处基膜的有效截面半径w(z)=根号下入L[1+(2z/L)2]/2n。在共焦腔中心(z=0)的截面内光斑有极小值束腰半径：Wo=Ws/根号2=根号下入L/n除以根号2；在共焦腔的焦平面上，束腰半径Wo最小。该处称为高斯光束的“光腰”或“束腰”。基膜光斑尺寸：Ws=根号下Xs2+Ys2=根号下入L/n。高斯光束共焦场的相位分布由相位函数中(x，y，z)描述，中(x，y，z)随坐标而变化，与腔的轴线相交于Zo的等相位面的方程为：中(x，y，z)=中(0，0，Zo)，则偏离实际广州的程度Z-Zo=(根号下Ro2-(x4y2))-Ro。当zo>0时，Z-Zo<0；当Zo<0时，Z-Zo>0.这就表示，共焦场的等相位面都是凹面向着腔的中心(z=0)的球面。等相面的曲率半径随坐标z0而变化，当Zo=±f=±L/2时，R(Zo)=2f=L，表明共焦腔反射镜面本身与场的两个等相位面重合，当Zo=0时，R(Zo…无穷；当Zo-无穷时，R(Zo)趋近于无穷，可见通过共焦腔中心的等相位面是与腔轴垂直的平面，距腔中心无限远处的等相位面也是平面。不难证明，共焦腔反射镜面是共焦场中曲率最大的等相位面。共焦腔的基膜光束依双曲线规律从腔的中心向外扩展。则该发散角(28)定义为双曲线的两根渐近线之间的夹角2B=lim2w(z)/z;在光束有效截面半径处(即基膜强度的1/e2处)的远场发射角28=2根号下2入/nl=2入/nWo,高斯光束的远场发射角完全取决于其束腰半径。共焦腔基膜光束的理论发散角具有毫弧度的数量级，说明它的方向性好。高阶模的发散角随着模的阶次的增大而增大，所以多模震荡时，光束的方向性要比多模振荡差。激光器发出的高斯光束具有良好的方向性，因而它也具有高亮度的特点，亮度B定义为：单位面积的发光面在其法线方向上单位立体范围内输出的辐射功率。B=^I/^S^Q由于激光的远场发散角很微小，所以它所张得立体角可表示为：AQ=n(0R)2/R2=n02一般的激光器是想着数量级约为10负六次方sr的立体角范围内输出激光光束的。而普通光源发光时朝向空间各个可能的方向的，他的发光立体角是4nsr相比之下，普通光源的发光立体角是激光的约几万倍。当两个镜面完全相同时(对称开腔)，这种稳态场分布应在腔内经单程渡越(传播)后即实现“再现”。这个稳态的横向场分布，就是激光谐振腔的自再现模。其积分方程：Uq+1(x，y)=ik/4nJmJUq(x’，y’)e-ikp/p(1+cos0)ds’.本征值bmn一般也是复数，它的模反映了自再现模在腔内单程渡越时所引起的功率损耗，损耗包括衍射损耗和集合损耗，但主要是衍射损耗，称为单程衍射损耗，用。表示。定义。=(IUq|2-|Uq+1|2)/|UqF.自再现模在对称开腔中的单程总相移一般并不等于有腔长L所决定的几何相移kl，它们的关系为0①=-kl+△中，△中表示腔内单程渡越时相对于几何相移的单程附加相移，或简称为单程相移。腔内的光场可以通过基尔霍夫衍射公式计算由镜面M1上的场分布口mn(x1，y1)在腔内造成行波求得。这一行波被镜面M2反射，使得传播方向相反的两列行波在腔内叠加而形成驻波，该驻波场的分布就是腔内的光场分布。腔外的光场就是腔内沿一个方向传播的行波透过镜面的部分，实际上就是行波函数生意镜面的透射率。如果在场任意一个等相位面处放上一块具有相应曲率的反射镜片，则入射在该镜片上的场将准确地沿着原入射方向返回，这样共焦腔中产生的场分布将不会改变。只要该反射镜不在共焦腔原先的反射镜位置上，其曲率半径就与原反射镜不相同，使得到了一个新的球面腔，该球面腔与原共焦腔等价，产生的行波场与原共焦场完全一致，但是一定不再是共焦的。任何一个共焦腔场有无穷多个等相位面，因而存在无穷个“等价”的球面腔。任意一个满足稳定性条件的球面腔只可唯一的与一个共焦腔等价。等价共焦腔的共焦参数f=JL(R1-L)(R2-L)(R1+R2+L)/R1+R2-2L稳定共焦腔的光束传播特性：①等价共焦腔的束腰半径为wo=[(入/n)2L((R1-L)(R2-L)(R1+R2+L)/(R1+R2-2L)))]1②谐振频率Vmnq=C/入p=C/2pL[q+1/n(m+n+1)arccos根号下g1g2]光学谐振腔的衍射理论实际上是建立在标量衍射理论的菲涅耳-基尔霍夫衍射积分。以及模式再现概念的基础上的。均匀增宽型介质激光器的输出功率P=AIout=1/2t1IsA(2LGo/(a1+t1)-1);非均匀增宽介质激光器的输出功率：P=AIout(v)=At1I(v)=t1IsA[(2LG0D(v)/(a1+t1))2-1]，若频率为vo的光束截面为A,则激光器的输出功率为P=„Vo；随着频率逐渐接近于vo,输出功率也逐渐增大。当频率v变到vo-(1-I/Is)%^v/2<v<vo+1-I/Is)%^v/2范围内时，该光波在增益系数G(v)曲线对称“烧”的两个孔发生了重叠，这意味着参与对v光波进行增益放大的粒子束开始减少，因此，输出功率将不再随G0D(v)的增大而增大。随着(v)与vo的距离越来越小，G(v)曲线上两个孔完全重叠部分越来越大，输出功率也逐渐减小，直至V=Vo时，G(v)曲线上两个孔完全重合，输出功率降至一个极小值。输出功率P(v)曲线在中心频率处出现一个凹陷，称为“兰姆凹陷"，兰姆凹陷的中心频率Vo,宽度大致为均匀增宽的线宽△▼。自发辐射在任何激光器中都存在，所以这种因素造成的激光线宽无法排除。也就是说这种线宽是消除其他各种使激光线宽增加的因素后，最终可以达到的最小线宽，所以也叫做线宽极限。第4章激光器输出的选模技术就是激光器选频技术。大多数激光器为了得到较大的输出能量使用较长的激光谐振腔，这就使得激光器的输出是多模的。然而，基横模与高阶模相比，具有亮度高，发散角小，径向光强分布均匀、振荡频率单一等特点，具有最佳的时间和空间相干性。因此，单一基横模运转的激光器是一种理想的相干光源。激光器输出的选模(选频)技术分为两个部分，一部分是对于激光纵模的选取，另一部分是对激光横模的选取均匀增宽型谱线的纵模竞争：通过增益的饱和效应，是某个纵模逐渐把别的纵模的振荡抑制下去，最后只剩下该纵模的振荡的现象叫作“纵模的竞争”单纵模的选取方法：①短腔法②法布里-柏罗标准具法③三反射镜法：要提高光束的单色性和相干长度(如在干涉测长仪中就要求良好的单色性)，就需要使激光器工作在单一纵模下(一般是基横模)。但是许多非均匀增宽的气体激光器往往有几个纵模同时振荡，因此，要设计单纵模激光器，就必须采取选频的方法。常用的选频方法有如下几种：①短腔法：根据谐振腔原理可知，两相邻纵模间的频率差△▼q=c/2Ml,因此，纵模频率间隔和谐振腔的腔长成反比。要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使△▼q得宽度大于增益曲线阀值以上所对应的宽度即可。短枪法虽然简单，但是由于受到腔长限制，激活介质的工作长度也相应的受到限制，因此激光的输出功率必然受到限制，这对于那些需要大功率单纵模输出的应用场合是不适合的。其次，有些激光输出谱线荧光宽度很宽，弱要加大到足够的纵模间宽度，势必要使腔长缩到很短，激活介质的工作长度相应变短，以至于难以实现粒子数反转而不能输出激光。②法布里-柏罗标准具法：这种方法就是在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法布里-柏罗标准具。这种标准是用透射率很高的材料制成的，两个端面被研磨的高度平行，且渡有高反射率的反射膜。③三反射镜法：三反射镜法又叫作复合腔需选模法激光器一段的反射镜被三块反射镜的组合所替代，其中m3和m4为全反射镜，m2是具有适当透射率的部分投射反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合，一个谐振腔由ml和m3组成，其腔长为L1+L2;另一个谐振腔由m3和m4组成，其腔长为L2+L3.如果L2/L3较短，就形成了一个短谐振腔和一个长谐振腔的耦合，短谐振腔的纵模频率间隔为短△▼=c/（2p（L3+L2））,场谐振腔的纵模频率间隔为△▼=c/（2p（L1+L2））只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振荡，故只要选取L2+L3足够小，就可以获得单纵模输出。激光单横模的选取方法：激光振荡的条件是增益系数G必须大于损耗系数a总。损耗分为与横模阶数有关的衍射损耗和与振荡有关的其他损耗。基横模选择的实质是使TEMoo模达到振荡条件，而使高阶横模的振荡受到抑制。因此，需要控制各高阶模式的额衍射损耗，即可达到选取横模的目的。①在激光谐振腔内振荡的基横模是高斯光束，其光振幅和光强分布在与光轴垂直的平面上呈高斯函数形式，一直延伸到离光轴无限远外。因此，由于反射镜的而有限尺寸的限制，每一系反射都会有一部分光能衍射到镜面之外，造成能量损失。这种由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。基横模高斯光束的单程衍射损耗为6D=^’/中=exp（-2a2/w12）反射镜的镜面半径越大，衍射损耗越小。在实际激光器中，反射镜面常常是足够大的，对光束的限制来自于增益介质的孔径，如果在激光器写谐振腔中加了小孔光阑，则a应当取光阑的半径，镜面光斑尺寸越小，衍射损耗也越小。横模阶次越高则光斑尺寸越大。因此在a一定的情况下，越高阶的横模，其衍射损耗越大。只有基横模的衍射损耗最小，在分析衍射损耗时，为了方便，经常引入一个称为“菲涅耳数”的参量，它定义为N=a2/Al,镜面光斑半径（Ws=根号下Xs2+Ys2=根号下（入L/n），单程基横模衍射损耗可以表示为6D=exp（2nN）菲涅耳数越大，单程衍射损耗就越小，菲涅耳数是表征谐振腔衍射损耗的特征参量。②光阑法选取单横模利用小孔光阑选取基横模，是一种最简便有效从而也是最普遍的方法。其基本做法是在谐振腔内插入一个适当大小的小孔光阑。基膜具有最小的光束半径，其他光束半径则依次增大。如果用一个光阑，其半径和基横模光束半径相当，那么基膜可以较顺利的通过，对高阶模，由于被阻挡的部分多，不能顺利通过，从而达到选模的目的。小孔光阑的半径ro可以选取为放置小孔光阑处的光束有效截面半径w（z），即可使基膜光束“顺利”通过，而将高阶模抑制。③聚焦光阑法和腔内望远镜法选取横模。影响频率稳定的因素：①腔长变化的影响，影响腔长变化的因素很多，如温度的波动、机械振动、声波及重力影响等都会引起腔长的短期和长期的不稳定。②折射率变化的影响，受到气压、温度和湿度变化的影响，气体折射率会产生较大的变化，从而对频率稳定性造成影响。稳频方法:分为两类，被动式稳频（利用热膨胀系数低的材料制作谐振腔的间隔器;或将热膨胀系数为负值的材料和热膨胀系数为正值的材料按一定长度配合，以使热膨胀相互抵消，实现稳频。主动式稳频（目前采用的主动稳频方法基本原理大体相同，即把单品激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。根据参考频率的方法的不同，这种稳频方法又分为两类：一类是吧激光器中原子跃迁的中心频率作为参考频率，把激光频率锁定到跃迁的中心频率上，属于这类方法的有兰姆凹陷法、塞曼效应法、功率最大值法等。另一类方法是把振荡频率锁定在外界的参考频率上。兰姆凹陷法稳频：腔长自动补偿系统，初始状态下，在压电陶瓷上虚假一直流电压（o至几百伏之间可调）用以调节腔长使输出频率为vo,压电陶瓷上需加以频率为f（约为1Khz）、幅度很小（只有零点几伏）的交流信号，此信号称为“搜索信号”。在相敏蒸馏器中，误差信号和搜索信号进行比较，当它们有相同的相位时，则给出一个正的直流电压，反之将给出一二个负的直流电压，输出直流电压的大小则由误差信号的大小来决定。激光束的变换：大多数激光器发出的光束，在投入使用之前，都要通过一定的光学系统变换成所需要的形式。多数激光器的应用时输出的是高斯光束，因此高斯光束通过光学系统的变换特性是激光应用的一个重要的基本问题。高斯光束的变换特性，具体点说，就是研究高斯光束的聚焦、扩束、和准直的特性。高斯光束通过透镜时的变换：在几何光学中，对焦距为f的薄透镜（f>0）有如下的成像公式1/s+1/s’=1/f。若从广播的角度来看，薄凸透镜的作用可以说是把从O点出发爱的发散的球面波变成指向象点。'的会聚的球面波。一个从主光轴上的O点发出的球面波到达镜面时的波阵面曲率半径为R=S，R’=s’.因此从波动光学的角度讲，薄透镜的作用只是改变光波波阵面内的曲率半径。透镜的这种变换功能可以推广应用到高斯光束中去。首先，由于透镜很薄，因此在透镜两边的入射光束应该有相同的光强分布，即出射光束的光场分布也是高斯型的，而且出射光束在透镜处的光斑尺寸w’应等于入射光光束在透镜处的光斑尺寸w。高斯光束的聚焦：①高斯光束入射到短焦距投射时的聚焦：短焦距是指高斯光束在透镜处波阵面的半径R远远大于透镜焦距f的情形，即R>>f，由于腰部是高斯光束光束最细的部位，故出射光束腰wo’的位置s’就是光束聚焦点的位置。在R>>f的条件下，出射光在透镜处的波阵面半径约等于透镜的焦距。即s'Rf，聚焦点的光斑尺寸wo'=入f/nw,缩短透镜的焦距f和加大入射光在透镜处的光斑尺寸w都可以达到缩小焦距点光斑尺寸的目的。②入射光束的腰到透镜的距离s等于透镜焦距f的聚焦：s=f则有s'=f这就是说，当入射高斯光束的腰处于透镜的焦点上时，出射光束正好聚焦在透镜另一侧的焦点上。wo’=入f/nwo说明入射光的束腰半径越小，反而使聚焦点的光斑尺寸越大。高斯光束的准直：就是要改善光束的方向性，压缩光束的发散角。高斯光束的远场发散角与光束束腰半径的关系为20=2入/nwo.束腰半径越大，远场发散角越小。因此，要缩小光束的发散角，必须设法扩大出射光束的束腰半径。可以选择两个透镜来达到准直的目的。第一个透镜时短焦距的凸透镜，利用它先把入射光的束腰半径由3o缩小到3o'.第二个透镜是焦距较长的凸透镜，他的焦点正好与3o’的位置重合。激光调制：就是把激光作为载波携带低频信号，本质上是无限电波调制向光频段的拓展。在实际应用中，为提高抗干扰能力，往往采用二次调制方式，先将欲传递的低频信号对以高频副载波振荡进行频率调制，在用调制后的负载波对激光进行强度调制。电光强度调制：利用晶体的电光效应，可控制光在传播过程中的强度。沿x’和y’方向振动的两线偏振光之间产生的相位差：6=2npo2Y63V/入，po为晶体在未加电场之前的折射率，Y63为单轴晶体的线性电光系数，又称跑科尔斯系数。通过检偏器系的光强可以写成I=Iosin2npo3y63V/入.电光相位调制：设偏整片的通振动方向与晶体的y’轴平行，则垂直入射到晶体x'Oy'平面的偏振光其振动方向与y’轴方向平行。在这种情况下，外加电场产生的电光效应不再对光强进行调制，而是改变偏振光的相位。加电场后，振动方向与晶体的y’轴相平行的光通过长度为l的晶体，其相位增加为Q=2n（po+po3y63Ez/2）L/入。激光偏振技术可分为两类：一是模拟式偏转它能使激光束作连续的位移；另一类是数字式偏转，它能激光束离散地投射到空间中某些特定的位置上。前者主要用于激光显示技术，后者主要用于光存储。实现激光偏转的途径主要有机械偏转、电光偏转和声光偏转。机械偏转：利用反射镜或多而反射棱镜的旋转，或者利用反射镜的振动实现光束扫描。光电偏转：利用泡克尔斯效应，通过施加在电光晶体上的电场来改变晶体的折射率，使光束偏转。声光偏转：在被声波压缩的地方介质密度变密，其折射率变大；在被声波拉伸的地方密度变稀，其折射率变小。驻波偏转按照正弦规律变化，所以介质的折射率以空间周期入s在空间呈正弦变化。品质因素Q：是激光谐振腔的性能指标，与腔中的介质的增益系数没有关系，与谐振腔的腔长无关。Q=2n谐振腔内储存的能量/每振荡周期损耗的能量。调Q原理:采用某种办法使谐振腔在泵浦开始时处于高损耗低Q值状态，这时激光振荡的阀值很高，粒子密度反转数即使积累到很高的水平也不会产生谐振；当粒子密度反转数达到其峰值时，突然使腔的Q值增大，将导致激光介质的增益大大超过阀值，极其快速的产生振荡。这时储存在亚稳态上的粒子所具有的能量会很快转化为光子的能量，光子像雪崩一样以极高的速率增长，激光器便可以输出一个峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。用调节谐振腔的Q值以获得激光巨脉冲的技术称为激光调Q技术。调Q方法：电光调Q（利用晶体的电光效应作为Q开光的原件）、声光调Q（在激光谐振腔内放置声光偏转器，当光通过介质中的超生场时，由于衍射造成光的偏转，就会增加损耗而改变腔的Q值。这种方法具有重复频率高和输出稳定等优点，目前多用于获得中等功率的高重复频率的脉冲激光器中）、染料调Q（利用某种材料对光的吸收系数会随光强变化的特性来达到调Q的目的。激光锁模技术:对激光进行特殊调制，强迫激光器中振荡的各个纵模的相位固定，使各模式相干叠加以得到超短脉冲的技术。主动锁模：在谐振腔内插入一个调制频率V=c/2L的调制器，对激光输出进行振幅或相位调制，实现各个纵模振动同步，叫作主动锁模。被动锁模：光场多次通过染料的结果，强处和弱处就明显地被区别开来了，最终造成这些强处以窄脉冲的形式被选出来。第5章激光器的分类：固体激光器、气体激光器、染料激光器、和半导体激光器。固体激光器：以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器。固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统。谐振腔和冷却，滤光系统构成的。固体激光物质是固体激光器的核心。影响固体激光器工作特性的关键是固体激光工作物质的物理和光谱性质，主要是指吸收带、荧光谱线、热导率等。使用最广泛的是红宝石激光器、掺钕亿铝石榴石激光器和钕玻璃激光器。红宝石固体激光器激发机理：红宝石是在三氧化二铝（AL2O3）中掺入少量的氧化铭生成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铭离子。红宝石中的铭离子有两个强吸收带，峰值位于0.4川m处的紫外带（U带）和峰值位于0.55pm处的黄绿带（Y带），由于红宝石晶体是各向异性的，其吸收特性与光的偏振状态有关，所以对于光场的振动方向与晶体光轴C垂直和平行的两种分量，吸收曲线略有差别。固体激光器的泵浦系统：由于固体激光工作物质是绝缘晶体，所以一般都采用光泵浦激励。泵浦光源多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。泵浦光源应当满足两个基本条件:①有很高的发光效率②辐射光的光谱特性应与激光工作物质的吸收光谱相匹配。为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。固体激光器泵浦系统还要冷却和滤光，常用的额冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等。必须在泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件，滤去泵浦光中的紫外光谱固体激光器的输出特性介绍它的脉冲特性和转换效率。固体激光器的激光脉冲特性泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加固体激光器运转时，转换效率低是它的最突出的问题之一。在实际工作中，固体激光器的转换效率常用总体效率门七衡量。总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比1.He-Ne激光器的结构和激发机理根据激光器放电管和谐振腔反射镜放置方式的不同，He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图（5—9）所示。对于外腔式和半内腔式结构，在放电管的一端或两端，通过布儒斯特窗片实现真空密封，以减少损耗，并且保证了激光输出是线偏振光。He-Ne激光器的工作物质是Ne原子，即激光辐射发生在Ne原子的不同能级之间。He-Ne激光器放电管中充有一定比例的He气，主要起着提高Ne原子泵浦速率的辅助作用。He-Ne激光器的输出特性（1）谱线竞争在同一个激光器中，可能有多条激光谱线，而有些谱线可能对应同一个激光上能级，因此在它们之间就存在着对共有能级上粒子数的竞争。其中一条谱线产生振荡以后，用于其它谱线的反转粒子数减少，将使其它谱线的增益和输出功率降低，甚至完全被抑制。这就是谱线的竞争效应。2.输出功率特性He-Ne激光器的放电电流对输出功率有很大的影响。图（5—11）是实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线，可以看出，对于每种充气总压强都有一个使输出功率最大的放电电流，它与气体混合比及总压强有关。在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流。由该图可见，在最佳放电电流附近，因放电电流变化引起的输出功率的变化不大。因此，在实际使用时，对最佳放电电流的要求并不十分严格，这很有利于工作状态的调整1-叫激光器的结构和激发过程普通的封离式CO2激光器包括腔片架、放电管、电极和电源等几部分。图（5—12）是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。全反射镜为凹面镜，输出反射镜一般为平面镜，采用能透过10.6pm激光的红外材料制成。通常用的红外材料有两类：一类是碱金属的卤化物盐，例如，KCl、NaCl、KBr等晶体；另一类是半导体材料，如锗、硅、神化镓等。Ar+激光器的结构Ar+激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。2.Ar+激光器的激发机理Ar+激光器的激活粒子是Ar+，因为Ar+是由氩原子电离产生的，所以Ar+激光器的激发过程一般是两步过程：首先通过气体放电，将氩原子电离，然后，再通过放电激励将Ar+激发到激光上能级。此外，在低气压脉冲放电时，还有直接将氩原子激发到Ar+激发态的一步过程和级联过程。染料分子光辐射的特殊性，染料激光器应采用光泵浦。按照运转方式区分，有脉冲泵浦和连续泵浦；按照泵浦光源区分，有闪光灯泵浦和激光泵浦原子的能级对应着原子的不同运动状态。实际上固体中原子之间相距不远，由于原子间的相互作用，能级会分裂。在一个具有N个粒子相互作用的晶体中，每一个能级会分裂成为N个能级，其相互间能量差小到10-22eV数量级。因此这彼此十分接近的N个能级好象形成一个连续的带，称之为能带，把P型和N型半导体制作在一起，也就是在P型和N型连结处形成一个P-N结。外加电压产生的载流子注入使作用区的导带电子和价带空穴造成复合跃迁，辐射光子。这种过程产生的是非相干光，自发辐射的跃迁几率与电子在作用区的平均寿命成反比。产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件1.半导体激光器的基本结构和工作原理图（5—28）示出了GaAs激光器的结构。它的核心部分是p—n结。p—n结的两个端面是按晶体的天然晶面剖切开的，称为解理面，该二表面极为光滑，可以直接用作为平行反射镜面，构成谐振腔。上下电极施加正向电压，使结区产生双简并的能带结构及激光工作电流。激光可以从一侧解理面输出，也可由两侧输出。2,半导体激光器工作的阈值条件激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件，即谐振腔的双程光放大倍数大于1，或增益系数满足第二章中给出的（2-36）G>a内一2^In（rr）第6章干涉测量技术：是以光的干涉现象为基础进行测量的一门技术。常用的干涉仪有迈克尔孙干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等。激光干涉侧长的基本原理：激光干涉侧长的基本光路是一个迈克尔孙干涉仪，用于干涉条纹来反映被测量的信息，干涉条纹是接收面上两路光程差相同的点连成的轨迹。激光器发出的激光束到达半透半反射镜P后被分成两束，当两束光的光程相差激光半波长的偶数倍时，它们互相形成亮条纹，当两束光的光程相差半波长的奇数倍时它们相互抵消形成暗条纹。被测长度L与干涉条纹变化的次数N和干涉仪所用光源波长入之间的关系为L=N入/2激光干涉侧长系统的组成：除了迈克尔孙干涉仪外，激光干涉侧长系统还包括激光光源、可移动平台、光电显微镜、光电计数器和现实记录装置。激光干涉侧长除了测量长度外，还可以角度，以及压力、温度、折射率等。激光衍射测量方法可用于精密仪器测量，同时具有非接触、稳定性好、自动化程度及精度高等优点，因而被广泛使用。激光衍射测量原理：光的衍射现象，按照衍射物和观察衍射条纹的屏幕（即衍射场）之间的位置关系，一般将其分为两种类型，菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射。前者是有限距离处的衍射现象，即观察屏道衍射物的距离比较小的情况，也是近场衍射。后者是无限距离处的衍射现象，在观察屏离衍射物科院近似地看作无限远时才能观察到，也称远场衍射。用于衍射测量系统的衍射物通常只有两种，一种是单缝，另一种是圆孔。激光衍射测量的方法:间隙测量法、反射衍射测量法、分离间隙法、互补测量法、爱里斑测量法。激光衍射测量的应用：薄膜表面涂层厚度测量、薄带宽度测量；按测量方法的不同，激光测距又可为脉冲测距法和相位测距法。激光脉冲测距原理：就是通过反射激光脉冲控制计时器开们，接受返回的激光脉冲控制计时器关门，测量出激光光束在待测距离上往返传播的时间，完成测距d=ct/2激光脉冲测距仪对光脉冲的要求：①光脉冲应具有足够的强度②光脉冲的方向性要好③单色性好④宽度窄激光准直仪的原理：一般采用具有连续输出的氦氖激光器，并且通常使用的是基横模输出。简单的激光准直仪可以直接用目测来对准。为了便于控制和提高对准精度，一般的激光准直仪都采用光电探测器来对准。激光多普勒测速仪的原理是，用一束单色激光照射到随流体一起运动的微粒（自然存在或一起运动掺入的）上，测出其散射光相对于入射光的频率偏移，即虽未得多普勒品议，进而准确的确定流体的速度。环形激光测量角度环形激光精密测角、光纤陀螺。激光环境计量中采用了激光雷达。激光雷达又称为光雷达。激光雷达对大气中的微粒子的勘测灵敏度非常高，利用分光方法，可以测定特定的而大气成分的分布，因此成为大气环境计量的最有效手段。7.1激光加工原理1.（定义）激光加工指的是激光束作用于物体表面而引起的物体变形或改性的加工过程。按照光与物质作用的机理，分类：可分为激光热加工与激光光化学反应加丁[33]。激光热加工是基于激光束加入物体所引起的快速热效应的各种加工过程。激光光化学反应是借助于高密度高能光子引发或控制光化学反应的各种加工过程。两种加工方法都可对材料进行切割、打孔、刻槽、标记。前者对于金属材料焊接、表面改性、合金化更有利，后者则适用于光化学沉积、激光刻蚀、掺杂和氧化。2.激光热加工原理：无论是哪一种激光加工的方法，都要将一定功率激光束聚焦于被加工物体上，使激光与物质相互作用。（热吸收过程一冲击强化过程一表面熔化过程-表面汽化过程-等离子屏蔽现象）随着照射时间的推移，激光束与金属表面之间会产生多种相互作用过程。首先是热吸收过程，使材料局部升温。激光脉冲能量足够高，脉宽足够短，会产生冲击强化过程。随着热作用的持续，温度升高，导致表面熔化过程。继续照射，熔池会向内部发展，熔池表面发生气化过程。几乎与此同时，等离子体开始产生，形成的气化物和等离子体产生屏蔽现象。持续照射，屏蔽作用减弱，称作复合过程也。金属内热压缩激波和金属表面上产生的爆炸冲击效应变为主要现象，主要用于冲击硬化。7.2激光表面改性技术激光改性是材料表面快速局部处理工艺的一种新技术，它包括激光淬火、激光表面熔凝、激光表面熔覆、激光冲击强化、激光表面毛化等。原理（通过激光与材料表面的相互作用，使材料表层发生所希望的物理、化学、力学性能的变化，改变材料表面结构，获得工业上的许多良好性能。）应用特点：它主要用于强化零件的表面，工艺简单、加热点小、散热快，可以自冷淬火。表面改性后的工件变形小，适于作为精加工的后续工序。由于激光束移动方便，易于控制，可以对形状复杂的零件，甚至管状零件的内壁进行处理，激光改性应用十分广泛。激光淬火技术的原理与应用（激光淬火技术，又称激光相变硬化，它利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升到相变点以上。当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层）激光淬火不需要淬火介质，只要把激光束引导到被加工表面，对其进行扫描就可以实现淬火。激光淬火分类可分为叫激光淬火和YAG激光淬火。材料成分7.2.2激光表面熔凝技术这种表面处理是用激光束将表面熔化而不加任何合金元素，以达到表面组织改善的目的。有些铸锭或铸件的粗大树枝状结晶中常有氧化物和硫化物夹杂、金属化合物及气孔等缺陷。如果这些缺陷处于表面部位就会影响到疲劳强度，耐腐蚀性和耐磨性。用激光作表面重熔就可以把杂质、气孔、化合物释放出来，同时由于迅速冷却使晶粒得到细化。与激光淬火工艺相比，激光熔凝处理的关键是使材料表面经历了一个快速熔化-凝固过程，所获得的熔凝层为铸态组织。工件横截面沿深度方向的组织依次为：熔凝层、相变硬化层、热影响区和基材，激光熔覆（LaserCladding）技术亦称激光包覆、激光涂覆、激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之与基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成其合金化的熔覆层，以改善其表面性能。分为预置涂层法和同步送料法。（170）7.3激光去除材料技术激光去除材料是改变材料的尺寸或形状的激光加工工艺，是一种激光尺寸加工方法。激光去除材料的机制主要分两种，一种完全取决于激光与材料相互作用，例如材料气化、材料蒸发；另一种在激光与材料相互作用同时还采用一些辅助方法，例如氧化、气吹。基于激光去除材料的加工方法有激光打孔和激光切割两种。结构和原理：激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘加工头将激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，适当选择各加工参数，激光器发出光脉冲就可以加工出需要的孔。1.激光切割的原理与特点激光切割以连续或重复脉冲方式工作，切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于0.1mm）使焦点处达到很高功率密度（可超过106W/cm2）。这时光束输入（由光能转换）的热量远远超过被材料反射、传导或扩散部分，材料很快被加热至熔化及气化温度，与此同时一股高速气流从同轴或非同轴方向将熔化或气化了的材料由材料下部吹出。随着光束与材料相对移动，使孔洞形成宽度很窄（如0.1-0.3mm左右）的切缝分割材料。激光切割总的特点：1）切割质量好，切缝几何形状好，切口两边近平行并和底面垂直；2）不粘熔渣；切缝窄，热影响区小，基本没有工件变形；3）激光可切割的材料种类多，气割只能切割含Cr量少的低碳钢，中碳钢及合金钢，而激光可以切割金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革及木材；4）切割效率高；5）非接触式加工；6）噪声低；7）污染小。2.激光切割分类及其机理激光切割按其机理可分为气化切割、熔化切割、激光氧气切割和控制断裂切割。7.4激光焊接激光焊接是一种材料连接方法，主要是金属材料之间连接的技术。它和传统的焊接技术一样，通过将材料连接区的部分熔化而将两个零件或部件连接起来。因为激光能量高度集中，加热、冷却的过程极其迅速，一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料，用激光很容易实施焊接。它还能使一些高导热系数和高熔点金属快速熔化，完成特种金属或合金材料的焊接。另一方面，在激光焊接过程中无机械接触,易保证焊接部位不因受力而发生变形,通过熔化最小数量的物质实现合金连接,从而大大提高焊接质量，提高生产率。激光焊的焊缝深宽比大，而焊缝热影响区极小，质量好，图7T8为激光和电弧焊焊缝截面图比较。第三，激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。采用大焦距的激光系统，还可实现特殊场合下的焊接，如由软件控制进行需隔离的远距离在线焊接、高精密防污染的真空