激光原理课件

1、激光是20世纪60年代出现的新型光源激光器发出的光。激光这个词的本意是被辐射放大的光。1960年，美国休斯研究研究所的梅曼制造了第一台红宝石激光器，1961年年九月中国科学院长春光学精密机械研究所制造了我国第一台激光。此后，在激光开发、激光技术的应用、激光理论方面取得了很大进展，并带动了全息光学、傅里叶光学、非线性光学、光化学等新学科的发展。激光与当今重点产业信息产业密切相关。第九章激光，9-1激光原理1物质与光相互作用的规律，光与物质的相互作用实质上是构成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状态的表现。微粒子有其自己的能量水平集。任何时候，粒子只能处于与特定能量级别相对应的状态(或

2、简单地标记为处于特定能量级别)。与光相互作用时，粒子从一个能量级别跳到另一个能量级别，并相应地吸收或发射光子。光子的能量值是这两个级别之间的能量差E，频率为=E/h(h是普朗克常数)。在整个过程后，E2HE1E1被称为吸收，刺激吸收。在整个过程后E2 E2 E1 E1自发辐射，H，H，在整个过程后，E2 E2 E1 E1的刺激辐射，H，2H，1917年爱因斯坦除了自发辐射外，频率=(E2-E1)，如果大量原子在高能级E2上，可以想象有一个频率=(E2-E1)/h的光子入射，激励E2的原子产生刺激辐射，两个特征得到完全相同的光子，在刺激辐射过程中产生和放大的这种光就是激光。2粒子数反转，刺激辐射

3、的概念爱因斯坦1917提出，激光在1960年出现，43年，为什么？主要原因是普通光源的粒子，产生辐射的概率很低。当一定频率的光进入工作物质时，刺激辐射和刺激吸收过程同时存在。刺激辐射导致光子数量增加，刺激吸收导致光子数量减少。物质处于热平衡状态时，低能量级别E1上的粒子数必须大于高能量级别E2上的粒子数。这样当光线通过工作物质时，光的能量只会减弱，不会加强。要使刺激辐射占优势，高能级E2中的粒子数必须大于低能级E1中的粒子数。这种分布与平衡状态下的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，即粒子数反转，技术上实现粒子数反转的方法是生成激光所必需的。反射镜，目前，工作物质已接近一千种，能生产出从紫外线到

4、远红外波段有波长的激光器。激光、谐振腔、反射镜、激励源、工作物质、2用气体放电方法刺激物质原子，这称为电激励，可以利用脉冲光源照射工作物质，这称为光激励、热冲击、激励、化学激励等。为了不断获得激光输出，需要不断地把低能级的原子泵到高能级，把激励器称为泵。(莎士比亚，坦普林，激光名言) (三谐振腔，即所谓的光学谐振腔，实际上在激光两端安装了两个反射率高的平面镜，一个平面镜几乎完全反射在光上，另一个反射光很大的部分，通过少量的透射，使激光通过这面镜子发射，光在放大介质中经历的距离越长，作用的原子越多，获得的光越有效。但是使工作物质无限长是不现实的。反射镜的作用之一是沿工作物质轴在反射镜之间前后反射

5、。工作物质光每经过一次就会放大。被工作物质的光反射，继续引发新的刺激辐射。在谐振腔内，光线前后振动，引起连锁反应，雪崩扩大。(David aser，Northern Exposure，成功)，刘涛辐射的起始光信号来自自发辐射，自发辐射的光包含更大的波长范围，因此可以扩大大范围的波长，从而产生光输出，而不是单个波长。反射镜在特定波长光上镀有反射率的薄膜，使该波长的光只能在谐振腔内前后反射，其他波长的光在通过一次反射镜时从腔外逸出。9-3激光器的种类，现在人们根据实际应用的需要制造了多种激光器。一般可以根据工作物质、激励方式、工作方式、输出波长范围等进行分类。1 .固体激光、工作材料包括红宝石、钕

6、玻璃、钇铝石榴石(YAG)等，在基质材料的晶体或玻璃中均匀混合少量离子，称为活化离子。起激光发射作用的是混合离子。可用作活化离子的过渡族金属离子有铬离子(Cr3)、稀土金属离子(Nd3)、溴系离子等。一般来说，固体激光器具有器件大小小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。气体激光器，工作物质是气体或金属蒸汽。气体激光器的特点是激光输出波长范围大。常用的氦-氖激光通过气体放电反转Ne原子中的粒子数，输出激光的波长为632.8nm(红色)。气体激光器具有结构简单、价格便宜、操作方便、光束质量好、长时间稳定、持续运行的特点，是目前品种最多的激光器。3 .使用半导体激光器、半导体作为工作物质生成激光器的

7、方法有p-n结注入式、电子束激发、光激发、雪崩式破坏等。体积小，重量轻，寿命长，结构简单，坚固，特别适合飞机、车辆、航天器等。现在光驱、VCD和DVD的激光头都是小型半导体激光发射器。4 .液体激光器，一般使用有机染料作为工作物质，大部分情况下，在乙醇、丙酮、水等中溶解有机染料，用作蒸汽。液体激光器的工作原理比较复杂，但输出的波长可以连续调节，复盖范围很广。5 .自由电子激光，使用自由电子作为工作物质。利用自由电子与电磁波相互作用而产生的微波到X射线的刺激辐射称为自由电子激光器。一种特殊类型的激光，由电子加速器加速的电子类注入周期变化的磁场。只要改变电子束的速度，就会产生波长连续变化的一致电磁

8、辐射。原则上，其相干辐射光谱可以从X-张艺兴波段切换到微波领域，其峰值功率和平均功率高，可调节，一致性好，可以得到偏振输出，因此具有很有吸引力的前景。(David aser，Northern Exposure，Northern Exposure)其他光纤激光器、化学激光器、单元激光器、X-张艺兴激光器等。2根据工作方式，可分为连续激光、单脉冲激光、重复脉冲激光、Q激光、钳制激光、单模和稳定频率激光、可曹征激光等。，3可分为激励方式，光泵激光器、电激励激光器、化学激励激光器(又称化学激光器)、核泵激光器。按输出激光的波段范围分类，可分为远红外激光、中红外激光、近红外激光、可见光激光、近紫外线激光

9、、真空紫外线激光、X-张艺兴激光等。9-4激光束的主要特性，普通光源发出的光向各个方向发射，随着传播距离的增加而衰减。主要原因是，这些光源发出的光由构成光源的大量分子或原子在自发辐射过程中“各自政治”发射光子。激光随着入射光子经过刺激辐射过程而扩大。激光产生的机制不同于普通光源的发光，因此激光具有一系列不同于普通光源的特性。1 .方向性好。激光与普通光源不同，没有向四面八方传播，而是几乎呈直线传播。我们称激光的准直性好。激光在谐振腔内前后反射，因此，如果光线偏离轴，反射多次，然后最终离开空腔，所以部分透明反射镜发出的激光方向很好。好的方向性是激光射得最远的光，应用于测距、通信、定位方面。2 .

10、亮度高，常规光源亮度在大角度范围内发射。例如，如果灯泡不受约束，则向四面八方发射。激光的辐射范围为110-3rad(0.06)左右，因此即使普通光源和激光光源的辐射功率相同，激光亮度也是普通光源的数百万倍。1962年，人类首次从地球上发射激光射线，向月球发射，激光的方向性好，亮度高，颜色鲜红色，可以看到月球上有红色耀斑。激光的高亮度在激光切割、手术、军事上有重要的应用，目前正在研究高亮度的激光引起热核反应。3 .单色性好。光的颜色取决于光的波长。将两个波长之间的宽度(通常是最大亮度的一半)定义为此光谱吴宣仪宽度。光谱宽度越小，光的单色性越好。可见光部分的颜色为7色，每种颜色的光谱宽度为40-5

11、0nm，激光的单色性为氦-氖激光器输出的红色光谱线宽仅为10-8nm。激光具有良好的单色性，使激光在测量中占了优势。4 .相关性好。激光束分成两束，重叠时产生的干涉条纹很清晰。9-5激光应用，激光，新型光登上舞台，带来了光学应用技术的革命，已经应用于生产、生活、国防的各个方面，成为几乎所有现代技术依赖的手段。这里不能详述，只简要介绍几种一般应用。激光在自然科学研究中的应用1。在非线性光学效果、熟悉的反射、折射、吸收等光学现象中，反射、折射光的强度与入射光的强度成正比。这种现象称为线性光学现象。强度不仅与入射光的强度成正比，而且与入射光的强度成二次、三次、以上的平方，这是非线性光学效果。这些效果

12、只有在入射光的强度足够大时才会出现。高功率激光问世时，人们在激光和物质相互作用的同时观察了非线性光学现象，如频率转换、拉曼频率移动、自聚焦、布里渊散射等。2 .用激光固定原子，气体原子，分子在不断的运动(接近340m/s的速度)中，与其他原子，分子不断碰撞，很难“捕获”操纵。1997年，华裔科学家、美国斯坦福大学主容门等首次使用激光束冷却到极低的温度，比平时的热运动速度降低，达到了“捕捉”操作的目的。1997年，订单亭、科恩和菲利普斯3人获得了诺贝尔物理学奖。该技术在光谱学、原子钟、量子效应研究方面有广泛的应用前景。，具体方法是使用6次2 2对正交激光束，在3个徐璐垂直方向上始终朝同一个点推进

13、原子到这个点，形成了约106个原子的小区，其温度在240K以下。(阿尔伯特爱因斯坦，原子，原子，原子，原子，原子，原子，原子，原子，原子，原子)这将原子的速度降低到10米/秒的水平。后来，他制造了抵抗重力的光-磁陷阱，原子在约1s内从控制区坠落后被捕获。2 .利用激光测距激光雷达激光准直、激光高亮度和良好的方向性制作激光测距仪、激光雷达、激光准直器。激光测距的原理类似于声波测距。因为光通量C只需测量从激光中接收物体反射的激光的时间间隔。骑手瞄准移动的目标或相对运动的目标。带有四个十字型激光接收器(四象限探测器)的激光刘涛导弹。如果有四个接收器接收到的激光那么多，那么它将按照原始方向飞行，如果一

14、个接收器接收到的激光较少，那么它将自动调整方向。另一种激光束照射要打击的目标，通过目标反射的激光被导弹的接收器接收，引导导弹命中目标。3 .激光用于加工领域，基于激光器良好的单色性和相关性。激光全息术可以作为无损检测。也就是说，可以在不损坏零件的情况下检测零件内部的缺陷。利用激光的亮度和方向性，在加工领域取得了巨大的成就。如果可以在零件上打孔，则不能打异形孔和大小为微米级的小孔。利用激光切割具有速度快，切面光滑，不发生变形的特点。激光焊接是不能用普通焊接法焊接的难以熔化的金属。也可以利用激光亮度、能量集中、理论计算控制的特点改造金属工件表面。4 .激光信息处理，激光技术可以大大提高信息处理能力

15、，特别是激光引进后。全息是1948年英国科学家盖博提出的新成像原理，“全息”一词被引用为希腊语，意思是“完全”。但是当时没有好的一致光源，所以得不到好的一致照片。激光的出现使全息术迅速发展到新的领域，盖伯获得了1971年诺贝尔物理学奖。一般摄影奖是通过从物体表面发出的光通过镜头在感光胶片上记录物体的亮度分布，然后复制到相纸上，显示物体的平面图像。、普通照片只记录物体表面的亮度分布，没有立体感，没有记录物体各部分到观察者的距离和角度，即物体发射光的相位分布。全息图通过互换性照射物体，从物体反射或扩散的光直接照射在全息胶片上，而不是透镜图像上，作为干涉现象记录其光的亮度分布和相位。胶卷没有被拍摄的

16、物体的图像。显微镜能看到的是长度不同，间距不同，徐璐向其他复杂的干涉条纹前进，称为全息图。要看到图案，用干光以一定的方式照射全息图，在特定的方向看到物体的图像，称为再现。它看起来像立体，因为它再现了从物体反射或分布的光束本身。光刻集成电路、光盘等光刻技术。光盘的外形类似于唱片，用于阅读的原理也类似于机械唱片。只是用激光束代替时针。由于激光相关性好，聚光灯系统可以将激光集中在比针头更小的射线上，因此用于向媒体写入信息的空间大小可能很小(小于1nm)。因此，信息存储密度很高。CD唱片是用声音制作的激光束雕刻CD，在读和写CD的时候没有与CD的机械接触，因此没有摩擦带来的噪音，也没有磨损，所以CD音质好，使用寿命长。5 .激光通信、激光通信也是激光束单色性好、方向性好的特点。增加信息传输容量的比较有效的方法是提高载波的频率。例如，如果使用波长10厘米的无线电波代替波长100米的无线电波，通信容量可能会提高1000倍，因此短波通信从19世纪开始继续发展。最初使用波长数公里的无线电通信(长波通信)，后来发展成波长数百米的中波通信，20世纪50年代又发展了厘米级微波通信、波长，光波的频率在1014HZ-1015HZ之间，厘米波的频率在1010HZ左右，因此光波通信的