《激光基本原理》课件

激光基本原理激光技术是现代科学技术的重要组成部分，在各个领域都有着广泛的应用，例如医疗、通信、工业等。本课程将从基础理论出发，深入讲解激光的基本原理，并介绍其应用。什么是激光定向激光具有高度的方向性，这意味着光束能够在很长的距离内保持集中。单色性激光光束的频率非常窄，这意味着它只包含一种颜色。相干性激光光束中的光波具有相同的频率和相位，使光束能够保持一致性。光的性质光具有波粒二象性，既表现出波的性质，也表现出粒子的性质。光的波长决定了光的颜色，不同波长的光对应不同的颜色。光的频率决定了光的能量，频率越高，能量越大。阻尼振荡能量损失振荡系统在运动过程中会因摩擦、空气阻力等因素而损失能量。振幅减小能量损失会导致振荡幅度逐渐减小，最终停止振荡。衰减速度阻尼系数决定了振荡衰减的速度，系数越大，衰减越快。波动与粒子光具有波动性，表现出干涉、衍射等现象。光也具有粒子性，表现出光电效应、康普顿效应等现象。量子论的诞生11900年普朗克提出量子化概念，解释黑体辐射现象。21905年爱因斯坦提出光电效应理论，进一步支持量子化概念。31913年玻尔提出原子模型，引入能级和量子跃迁的概念。41920年代量子力学发展成熟，为理解原子结构和物质性质提供基础。量子跃迁1激发态电子吸收能量，跃迁到更高的能级2基态电子处于最低能量状态3跃迁电子吸收或释放能量，在能级间跃迁能量的量子化1光电效应光照射到金属表面，金属表面会释放出电子，但只有频率大于某一特定值的入射光才能使电子从金属表面发射出来，该特定值称为阈值频率2黑体辐射黑体辐射是指物体由于温度而发射电磁辐射的现象，黑体辐射光谱与温度有关，并且只有在特定的能量值下才会发射电磁辐射3原子光谱原子发射光谱和吸收光谱只能在特定能量值下出现，并且只有特定频率的光才能被吸收，而其余频率的光则会被原子穿透能级间跃迁1电子跃迁电子从低能级跃迁到高能级2能量吸收原子吸收光子能量3能量释放电子从高能级跃迁回低能级受激发射受激吸收当一个处于低能级的原子受到光子的照射，其电子可以吸收光子的能量，跃迁到高能级，这就是受激吸收。受激发射当一个处于高能级的原子受到一个与跃迁能级差相同的能量的光子的照射，电子会受激跃迁到低能级，同时发射一个与入射光子能量相同、频率相同、相位相同、偏振方向相同的光子。实现激光条件1粒子数反转高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数2光学谐振腔利用反射镜形成谐振腔，使光子在腔内多次反射3增益介质提供受激辐射的物质，放大光信号共振腔共振腔是激光器中必不可少的组成部分。它由两个相互平行的反射镜组成，一个反射镜完全反射，另一个反射镜部分反射。光在共振腔内来回反射，只有特定波长的光才能在腔内稳定存在，形成激光。反射镜凹面反射镜将平行光汇聚成一点凸面反射镜将平行光发散成一束光平面反射镜反射光束与入射光束平行半透明镜半透明镜是激光器共振腔中不可或缺的一部分，它允许部分激光束透射出去，同时反射一部分激光束回到增益介质中，从而形成激光谐振。半透明镜的透射率和反射率决定了输出激光束的能量和强度。增益介质能量吸收增益介质可以吸收外来能量，并将能量储存在其原子或分子中。受激辐射当介质中的原子或分子受到刺激时，它们会释放出能量并发射出与刺激光相同的频率和相位的光。增益效应由于受激辐射的能量会累积，导致光强增强，因此称为增益介质。抽运方式1光学抽运利用高能光源照射增益介质，使其原子或分子吸收光子而跃迁到较高能级，实现粒子数反转。2电抽运通过电流激发增益介质，使其原子或分子跃迁到较高能级，实现粒子数反转。3化学抽运利用化学反应释放的能量激发增益介质，使其原子或分子跃迁到较高能级，实现粒子数反转。泵浦源1光泵浦利用强光照射增益介质，使介质中的原子或分子跃迁到高能级。2电泵浦通过施加电流，激发增益介质中的电子，使其跃迁到高能级。3化学泵浦利用化学反应释放的能量，激发增益介质中的原子或分子。激光器的分类气体激光器氦氖激光器、二氧化碳激光器、氩离子激光器等固体激光器红宝石激光器、钕玻璃激光器、掺铒光纤激光器等半导体激光器二极管激光器、量子阱激光器、量子点激光器等染料激光器有机染料激光器、无机染料激光器等气体激光器工作原理气体激光器利用气体原子或分子作为增益介质，通过气体放电或其他方法激发气体原子或分子，使其跃迁到高能级，然后通过受激发射产生激光。优点气体激光器具有输出功率高、光束质量好、工作寿命长等优点，在工业、医疗、科学研究等领域应用广泛。分类气体激光器可以根据工作气体、激发方式、输出波长等进行分类，常见的类型包括氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器等。固体激光器红宝石激光器第一台激光器，利用Cr3+离子作为增益介质。钕玻璃激光器高能量输出，应用于激光切割和焊接等领域。掺钕钇铝石榴石激光器高效率，应用于激光扫描和激光测距等领域。半导体激光器芯片半导体激光器使用半导体材料制成，通常为砷化镓或磷化铟。半导体材料可以通过改变其化学成分来控制其光学性质，从而制造不同波长的激光器。封装半导体激光器芯片通常封装在一个小型外壳内，以保护其免受环境影响并提高其性能。应用半导体激光器广泛应用于光纤通信、激光扫描、激光打印和激光医疗等领域。染料激光器液体介质染料激光器使用有机染料作为增益介质。可调谐通过改变染料的类型或浓度，可以改变激光波长。宽光谱染料激光器可以产生宽光谱的激光输出。自由电子激光器高能量自由电子激光器可以产生高能量的激光束，能量范围可以从红外线到X射线。可调谐性自由电子激光器的波长可以通过改变电子束的能量和磁场来调整，从而可以产生不同波长的激光。应用广泛自由电子激光器在医学、科学研究、材料科学、工业加工等领域有着广泛的应用。激光器的性能参数功率激光功率指激光器输出的能量流密度，通常用瓦特（W）表示。峰值功率脉冲激光器中，单个脉冲的峰值功率。平均功率连续激光器或脉冲激光器在一段时间内的平均功率。单色性1窄频率范围非常窄2纯几乎只包含一种频率的光指向性定义激光束发散角很小，具有高度的指向性，几乎平行传播。特点能量集中，远距离传输能量衰减少，可实现精确的能量传递。应用激光测距、激光切割、激光焊接、激光扫描等。激光的应用激光技术在现代社会发挥着至关重要的作用，它已经渗透到各个领域，改变着人们的生活方式和工作模式。工业激光切割、焊接、打标等技术在制造业、汽车、电子等领域得到广泛应用。医疗激光治疗、手术、诊断等应用在医疗领域日益普及，为人们带来更高效便捷的医疗服务。科研激光在科研领域也发挥着重要作用，例如激光光谱分析、激光干涉测量等技术推动了科学研究的进步。激光在工业中的应用切割激光切割是一种精确、高效的切割方法，广泛应用于金属、塑料、木材等材料的切割。焊接激光焊接具有高精度、高效率、热影响区小的特点，广泛应用于电子、汽车、航空航天等领域。表面处理激光表面处理可以提高材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能，应用于工具、模具、机械零件等。激光在医疗中的应用1精确治疗激光可以精确地切割和烧灼组织，这使得它