入职培训激光的基本知识PPT课件

1、.,1,提 纲,1.概论及激光发展史,2.激光特性及激光原理,4.固体激光器,5. 气体激光器,6. 激光技术,3.衡量光束质量的参数,.,2,激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。 激光诞生的背景：具有理论基础和生产实践迫切需要。 激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致一门新兴产业出现。 激光使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。,1.概论及激光发展史,.,3,激光的发展简史,.,4,“受激辐射”理论的发展,1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。 1950年，中

2、学教师阿尔弗雷德卡斯特勒同让布罗塞尔发明了“光泵激励”技术。 1951年，美国哥伦比亚大学的教授查尔斯汤斯（Townes）对微波的放大进行了三年的研究，完善“受激辐射的微波放大”的理论，成功地制造出了世界上第一个“微波激射器” 。 1958年贝尔实验室的汤斯教授和他的学生阿瑟肖洛（Schawlow，诺贝尔物理奖的获得者）把微波放大的技术应用于光波，奠定了激光发展的基础。,.,5,激光器件的发展,1960年，梅曼（T. Maiman）在量子电子学发展的成果基础上发明了第一台红宝石激光器。 1961年，德若凡发明了第一台气体激光器氦氖激光器。 1962年，半导体激光器诞生。 1964年，帕特尔（C

3、. Patel）发明了第一台CO2激光器。,.,6,1965年，第一台大功率二氧化碳激光器诞生。 1967年，第一台射线激光器研制成功。 1997年，美国麻省理工学院的研究人员研制出 第一台原子激光器。,.,7,以后的几十年，各国都投入到激光器的研究之中，充足的资金和人力资源迅速推动着激光技术飞速进展。各种不同介质、不同形状、不同功率、不同波长的激光器不断出现。 我国第一台激光器（红宝石）于1961年出世。 激光应用遍及各个领域：工业、农业、医学、生物、环境、军事、日常生活等等。,.,8,激光，像电力一样成为这个时代最重要的技术因素，对人们的生活方式产生重大影响： 激光通信使我们在地球的每一个

4、角落里都能准确迅速地进行信息交流； 激光唱机使我们聆听世界名曲的现场演奏； 从科研到产业，从海洋到太空，工业到农业，从民用到军事； 激光的科学研究和技术应用实现着令人难以置信的奇迹。,激光“解决问题的工具”,.,9,固体激光器、全固态激光器 气体激光器 半导体激光器 染料激光器（液体激光器） 化学激光器 X射线激光器 自由电子激光器等,激光器的种类,.,10,光纤激光器,半导体激光器,He-Ne激光器,薄片激光器,倍频Nd:YAG激光器,.,11,气体激光器 体积较大、寿命较长、高功率、价廉 化学激光器 高功率、大体积 灯泵固体激光器 光束好、高功率、寿命短、大体积 半导体激光器 体积小、寿命

5、长、光束差、功率低 全固态激光器 体积小、寿命长、光束好、高功率,各种激光器的特点,.,12,激光运转的波长范围遍布红外、可见、紫外、X射线的所有区域,激光波长,.,13,LASER Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation “受激发射的辐射光放大” 最初中文名叫做“镭射”、“莱塞” 1964年我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。,2.激光特性及激光原理,.,14,2.1 激光特性,1. 单色性 激光是受激辐射，频率宽度很窄,.,15,当两列振动方向相同、频率相同、相位固定的单色波叠加后，光的强度在

6、叠加区域不是均匀分布的，而是一些地方具有极大值，一些地方具有极小值，从而产生光的干涉现象，即这两列波具有相干性。 在普通的光源中，光是自发辐射，彼此相互独立，没有恒定的相位关系。 而激光是受激辐射，具有恒定的相位关系，因而激光具有良好的相干性,2. 相干性,.,16,激光在谐振腔中经反射镜多次反射振荡，超过一定的阈值后输出，只有沿谐振腔轴线的光才能得到放大，因而具有良好的方向性。,3. 方向性好,.,17,激光具有很高的能量。由于激光的空间相干性和方向性，经光学系统聚焦，可以产生极高功率密度，例如1051013 W/cm2的功率密度。 在工业生产中，利用激光高能量特点进行打孔、切割和焊接。 在

7、医学上、利用激光的高能量可进行外科手术。 在军事领域，激光武器可以摧毁敌机和导弹,4. 高能量（高功率密度）,.,18,2.2 激光原理,基本概念： 不同的原子具有不同的能级结构。一个原子中最低的能级称为基态，其余的称为高能态，或激发态。 原子从高能态E2跃迁到低能态E1时，会向外发射某个频率为v 的光辐射，满足普朗克公式： h = E1 - E2 = AE 式中h为普朗克常数。反之，该原子吸收频率为 的辐射时，就会从低能态E1跃迁到高能态E2。,.,19,产生激光的5个条件,1.受激辐射：首要条件，也是必要条件，但还不是充分条件。,(上能级E2),(下能级E1),受激辐射,吸收跃迁,基态,E

8、 = E2 E1 = h,泵浦,高能态,自发辐射,.,20,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。（自发辐射） 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。这个能级就叫做亚稳态能级。,2.工作物质必须具有亚稳态能级,.,21,基态(下能级E1),受激辐射,吸收跃迁,E = E2 E1 = h,泵浦,高能态(上能级E2),亚稳态,.,22,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。 在激光工作介质中，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

9、当的物质，使其在高（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。,3.粒子数反转,.,23,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，就必须有一个谐振腔,4. 谐振腔,1,激光,.,24,激光工作物质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，才能有放大作用。,5.增益大于损耗,.,25,高能态(上能级E2),基态(下能级E1),受激辐射 (激光),吸收跃迁,E = E2 E1 = h,激发,形成激光的五个条件 1、受激辐射 2、亚稳态能级 3、粒子数翻转 4、谐振腔 5

10、、增益大于损耗,.,26,3.衡量光束质量的参数,3.1 激光束模式,激光的模式用TEMmnq表示 m,n 为横模的序数，q为纵模的序数,基模(横向单模)：m=n=0, 其它的横模称为 高阶横模,方形镜和圆形镜的横模图形,.,27,对于方形镜，m表示X方向的节线数，即 X方向的暗纹数，n表示Y方向的节线数，即 Y方向的暗纹数；,如何判断横模,.,28,对于圆形镜， m 表示径向节线数，即暗环数，n表示角向节线数，即暗直径数,(c) TEM02,(d) TEM03,(a) TEM00,(b) TEM10,.,29,3.2 远场发散角,基模高斯光束的发散角 可由下式表示,则基模高斯光束的 远场发散

11、角为,.,30,理想情况下，均匀平面波聚焦后爱里(Airy)斑的宽度为： =1.22f/D; 其中f聚焦光学系统焦距，D衍射孔径,3.3 聚焦光斑尺寸,.,31,束宽和发散角都可以通过使用聚焦光学系统来改变，但对于确定光束，其束腰宽度和远场发散角的乘积是不变的，称为光束参数乘积BP BP=0 对于基模高斯光束 BP0=0= 0/ 0= / 对于实际光束 BP / BP越大，光束质量越差,3.4 光束参数乘积,.,32,M2因子称为衍射极限倍数因子，其定义为： M2的倒数称为K因子； 对于实际光束， M21(K1)，M2越小，光束质量越高,3.5 M2因子和K因子,.,33,4.固体激光器,19

12、60年世界第一台激光器固体红宝石激光器问世。 中国科学院长春光机所1960年研制出中国第一台激光器红宝石激光器。 40余年来，固体激光器件及技术迅速发展，约百种工作介质可以产生激光。 单脉冲激光能量高达上万焦耳，平均输出功率超过1000W，峰值功率达几十太瓦(TW， 1012W)。,4.1 引 言,.,34,固体激光器的主要特点,固体激光的输出波段多在可见光区域或近红外光区域，容易使用晶体倍频，获得可见光甚至紫外光波段； 固体激光器输出易于用普通光学元件传输，便于光纤传输； 固体激光器结构紧凑、牢固耐用、使用维护方便，制作成本低； 广泛的用途。,.,35,4.2 固体激光器的结构,1,3,3,

13、固体激光器结构图 1、激光工作介质；2、全反射镜 3、泵浦光源；4、输出耦合镜；,2,4,激光 输出,.,36,4.3 常用的激光工作介质,固体激光工作介质由激活离子和基质材料两部分组成。 已实现激光跃迁的主要激活离子有：Ce3+、Pr3+、Nd3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、Sm2+、Dy2+、Tm2+、Co2+、Ni2+、V2+、Cr3+、U3+等。 常用的基质材料主要有：Y3Al5O12晶体(钇铝石榴石YAG);YVO4晶体;LiYF4晶体(氟化钇铝LYF); Gd3Ga5O12晶体 (钆镓石榴石GGG);Al2O3晶体；磷酸盐玻璃；

14、硅酸盐玻璃,.,37,Nd3+:YAG晶体,Nd3+:YVO4晶体,红宝石Cr3+:-Al2O3,Nd3+:LiYF4晶体,.,38,惰性气体放电灯：脉冲灯氙灯；连续灯氪灯 激光二极管（Laser Diode）,4.4 常用的泵浦光源,激光二极管,氙灯,.,39,气体激光器以气体或蒸气为工作物质，包括原子、分子、离子、准分子、或金属原子蒸气等激光器。 气体激光器跃迁谱线和相应的激光输出波长范围较宽，从真空紫外直至红外区。,5 气体激光器,.,40,原子气体激光器：以惰性气体（氦、氖、氩、氪、氙）、卤素气体或蒸气（氯、碘、溴）等为工作介质。 分子气体激光器：以气体分子和准分子为工作介质,5.1

15、气体激光器的种类,.,41,原子气体激光器,氦氖激光器 3.39、1.15、0.6328m 氙激光器 3.507、2.026、3.507m 氧碘原子激光器 1.315m 氩离子激光器 0.4880、0.5145m 氪离子激光器 0.4762、0.5208、0.5682、0.6471m 氦镉激光器 0.4416、0.3250、0.5337、0.5378、0.6355、0.6360m,.,42,He-Ne激光器,.,43,氩离子激光器,.,44,双原子分子：CO激光器：5.45.7m、 N2分子激光器： 0.3371m、 HF激光器：2.63.5m DF激光器：3.65.0 m 多原子分子：CO2

16、激光器：P支10.6m； R支9.4m,分子气体激光器,.,45,5.2 CO2激光器,扩散冷却式,对流式,横流式,快速轴流式,按冷却方式分类,.,46,扩散冷却式CO2激光器,1:输出耦合镜；2：阳极；3：进水口；4：回气管；5：放电管； 6：储气管；7：水冷管；8：阴极；9：全反镜；10出水口,.,47,横流式CO2激光器,气流方向4与激光谐振腔轴 以及放电方向相互垂直,1：密封壳体；2：输出耦合镜； 3：高速风机；4：气流方向 5：热交换器；6：阳极； 7：折迭镜； 8：全反镜； 9：阴极,.,48,快速轴流式CO2激光器,1：全反镜； 2：高压放电区； 3：输出耦合镜；4：放电管； 5：高速风机； 6：热交换器；,工作气体沿放电管轴向高速流动，即气流方向、电场方向及激光谐振腔三者方向一致,.,49,6 激光技术,6.1 品质因数Q的基本概念,吸收损耗,损耗系数,反射损耗,散射损耗,衍射损耗,.,50,6.2 激光调Q 技术,反射损耗,吸收损耗,散射损耗,衍射损耗,染料调Q,声光调Q,电光调Q,.,51,染料调Q技术,液体染料或固