《激光原理与设备》课件

激光原理与设备课程大纲激光原理激光产生原理，能量跃迁，受激辐射，光学谐振腔等。激光器类型固体激光器，气体激光器，半导体激光器等。激光特性单色性，方向性，相干性，高亮度等。什么是激光激光是**受激辐射的光放大**的简称，是一种具有高方向性、高单色性、高亮度和高相干性的光。它与普通光源相比，具有许多独特的性质。激光的特性1单色性激光只包含一种波长的光，因此它的颜色非常纯净。2方向性激光的光束非常集中，能够在很长的距离内保持平行。3相干性激光的光波是同步的，具有相同频率和相位。激光发射原理1受激吸收激光介质中的原子吸收光子，跃迁到高能级。2自发辐射处于激发态的原子自发跃迁回低能级，发射出光子。3受激辐射处于激发态的原子在入射光子的作用下，跃迁回低能级，发射出与入射光子相同的光子。4光放大受激辐射的光子与入射光子具有相同的频率、方向和相位，从而产生光放大效果。泵浦过程1能量传递泵浦源将能量传递给工作物质2能级跃迁工作物质中的粒子跃迁到高能级3粒子数反转高能级粒子数量超过低能级粒子共振腔反射镜共振腔由两个反射镜组成，一个为全反射镜，另一个为部分反射镜。光束反馈部分反射镜允许一部分光束穿透，形成激光输出，而其余光束反射回腔内，不断循环放大。谐振模式腔内光束在反射镜之间来回传播，形成稳定的光学谐振模式，以特定频率和方向输出激光。光谱特性波长激光器发射的激光束具有特定的波长范围，通常称为激光器的“谱线”。线宽激光器的线宽是指激光束发射的波长范围，线宽越窄，激光束的单色性越好。光谱纯度光谱纯度是指激光束中单色光的比例，光谱纯度越高，激光束的单色性越好。主要激光器类型固体激光器固体激光器以固体材料作为增益介质，如红宝石、钕玻璃等。它们通常具有高功率和高效率的特点，广泛应用于工业加工、医疗和科研领域。气体激光器气体激光器以气体作为增益介质，如氦氖激光器、二氧化碳激光器等。它们通常具有高功率和良好的光束质量，应用于激光切割、激光焊接和激光雕刻等领域。半导体激光器半导体激光器以半导体材料作为增益介质，如砷化镓、磷化铟等。它们体积小、效率高、价格低廉，应用于光纤通信、激光扫描和激光测距等领域。液体激光器液体激光器以液体染料作为增益介质，可产生可调谐的激光输出，应用于光谱分析、医学诊断和激光显示等领域。固体激光器红宝石激光器第一个实现激光输出的激光器。钕玻璃激光器高能量输出，可用于激光切割、焊接等。掺钕钇铝石榴石激光器应用广泛，包括激光雷达、医疗器械等。气体激光器工作原理利用气体介质中的原子或分子在受到外界能量激励后跃迁到高能级，然后在跃迁回低能级时释放出光子。种类常见的气体激光器包括氦氖激光器、二氧化碳激光器、氩离子激光器等，它们在不同领域有着广泛的应用。特点气体激光器具有输出功率高、光束质量好、寿命长等优点，适合于高精度加工、医疗、科研等领域。半导体激光器体积小半导体激光器体积小巧，便于集成到各种设备中。效率高半导体激光器能量转换效率较高，能耗低。成本低半导体激光器生产成本相对较低，易于普及。液体激光器染料激光器使用有机染料作为增益介质。可调谐性通过改变染料的浓度或溶液的温度，可以调节激光的波长。应用用于光谱学、生物医学和光化学研究。激光器的基本结构激光器主要由三个基本部分组成：**泵浦源**、**增益介质**和**谐振腔**。泵浦源提供能量以激发增益介质中的原子或分子，使其处于激发态。增益介质是能够放大光的物质，通常是气体、固体或液体。谐振腔是一个由反射镜组成的系统，用于反射激光束并增强其强度。通过反复反射，激光束在谐振腔内被放大，直到其输出能量达到一定水平。输出功率连续激光器以恒定的速率发射激光束脉冲激光器以短脉冲的形式发射激光束脉冲激光高能量脉冲激光在短时间内释放高能量，可用于精密切割、焊接和表面处理。精确控制通过控制脉冲宽度和频率，可以实现精确的能量控制，适用于微细加工和材料改性。广泛应用脉冲激光在工业、医疗、科学研究等领域都有广泛应用。连续激光1稳定输出连续激光器以稳定的速率输出激光束，没有间断，可以长时间保持稳定。2功率可调可以通过调节激光器的能量供应，改变输出功率，以满足不同的应用需求。3广泛应用在材料加工、光谱学、医学等领域都有着广泛的应用。单模和多模单模仅包含一个横向模式的激光束。多模包含多个横向模式的激光束。激光束质量光束质量激光束质量是指激光束的聚焦能力和传播稳定性。光束模式激光束的模式是指激光束的横截面形状，常见的模式包括高斯模式、TEM00模式等。光束发散角光束发散角是指激光束在传播过程中扩散的程度，发散角越小，光束质量越好。激光束的传播1直线传播在均匀介质中，激光束沿直线传播。2衍射现象激光束在传播过程中会发生衍射，导致束斑扩大。3聚焦特性通过透镜可以将激光束聚焦到很小的区域。激光束的聚焦1聚焦镜片利用透镜或凹面镜等聚焦元件2光斑尺寸聚焦后形成微小的光斑3能量密度提高能量密度，增强加工效率激光的应用领域工业激光切割、焊接、打标、表面处理等。医疗激光手术、激光治疗、激光诊断等。通信光纤通信、激光雷达、卫星通信等。科研激光光谱分析、激光显微镜、激光干涉仪等。激光在加工中的应用切割激光切割是一种精密加工技术，可以切割各种材料，例如金属、塑料、木材和陶瓷。焊接激光焊接是一种高效的焊接方法，可用于各种材料的焊接，例如金属、塑料和陶瓷。表面处理激光表面处理可用于改进材料的表面特性，例如硬度、耐磨性和耐腐蚀性。激光在医疗中的应用精确治疗激光手术精度高，能精确地切割和烧灼组织，减少对周围组织的损伤。微创治疗激光手术伤口小，恢复快，减少患者痛苦和感染风险。应用广泛激光在眼科、皮肤科、肿瘤科、牙科等多个医疗领域都有广泛的应用。激光在测量中的应用精确测量激光测距仪速度测量激光多普勒测速仪高度测量激光水平仪激光在通信中的应用光纤通信激光用于光纤通信，传输数据速度快、容量大，是现代通信的基础。卫星通信激光在卫星通信中用于高带宽数据传输，提供全球范围内的通信服务。激光雷达激光雷达用于精确测距和定位，在导航、测绘等领域应用广泛。激光安全注意事项1眼睛保护直接或反射的激光束对眼睛有害，务必佩戴防护眼镜。2皮肤保护高功率激光可能灼伤皮肤，操作时应穿戴防护服。3环境安全激光器应放置在安全区域，避免儿童接触。激光器选型原则应用需求确定激光器在具体应用中的用途，例如切割、焊接、打标等。材料特性考虑被加工材料的特性，例如材料的类型、厚度、硬度等。加工精度根据加工精度要求选择合适的激光器类型和参数。成本效益平衡激光器价格、运行成本和加工效率，选择最优性价比的方案。激光器维护与保养定期清洁激光器内部的灰尘和污垢会影响激光器的性能。定期清洁激光器可以保持激光器的工作效率。可以使用压缩空气或专门的清洁剂来清洁激光器内部。更换消耗品激光器使用的某些部件是消耗品，需要定期更换。例如，激光器的滤光片、冷媒和电源线都需要定期更换。更换消耗品可以确保激光器能够正常工作。本课