第二章+激光原理与设备1-3h.ppt

1、第二章 激光原理与设备,激光产生的原理 工业激光加工设备,激光的本质,本质上是一种电磁波，具有波粒二象性,是电磁波，又是光子流 1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。激光在传播时表现出波动性(横波)，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。 1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论，1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。激光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、吸收、色散、散射 能量：E=h 动量:P=h/,激光的波长范围,激光的波长范围在红外线与射线之间 工业应用激光一般在近红外波段,常见的激光波

2、长,2.1 相关的基本概念,原子能级 定义：原子系统所具有的一系列不连续的能量状态 原子系统能量电子动能电子与原子核之间的势能 基态：原子处于最低能级时的状态 激发态：处于其他任何高于基态能级时的状态,1,2,3,8,0ev,10.15ev,12.11ev,13.53ev,定义：原子从一种能级状态改变到另一种能级状态 辐射跃迁：吸收或辐射光子而产生的能级改变，满足普朗克公式: E=h 无辐射跃迁：改变能级并不吸收或辐射光子，粒子系统与能量交换以其他的方式进行，如粒子运动的动能、振动能等。 分子、离子同样存在一系列不连续的能级，也能产生幅射跃迁,跃迁,激发态的平均寿命 粒子在不同激发态上停留时间

3、的平均寿命称为该激发态的平均寿命 亚稳态 平均寿命相对较长的激发态称之为亚稳态 例如： 红宝石中的Cr3+ E3 10-9s E2 10-3s,自发辐射,处于高能级的粒子自发的跃迁到低能级上来，并且在跃迁过程中发出一个光子 特点： 纯自发过程 辐射出的光子频率满足普朗克公式 不同粒子跃迁时各自独立，光子互不相关 自发辐射几率A21： 只与原子本身性质相关 与外界辐射无关,受激吸收,处于低能级E1的粒子吸收能量为hv=E2-E1的外来光子而跃迁到E2上去。 特点： 与原子系统本身和外部辐射场(外来光子)密切有关 吸收的光子频率满足普朗克公式 受激吸收几率W12：,受激辐射,处于高能级E2的粒子受

4、到频率v=(E2-E1)/h的外来光子的激励，从E2跃迁到E1上去,并发出一个和外来光子完全想同的光子。 特点(与自发辐射比较)： 外来光子激励，自发产生 产生的光子和外来光子完全一样，方向、频率、相位和偏振等 光的放大效果 受激辐射几率W21：,自发辐射、受激吸收和受激辐射示意图,2.2 光的受激辐射的产生和放大,玻耳兹曼分布 物质在热平衡状态下，各能级上的粒子数目服从玻耳兹曼分布,在热平衡状态下，下能级上受激吸收的粒子数多于上能级上受激辐射的粒子数,热平衡状态的系统不能产生激光,实现光发大的条件,粒子集居数反转 设有两个能级E2和E1的粒子系统，由于外部能源的激励而呈非平衡状态，使得处于低

5、能级的粒子经种种途径被激发到高能级E2上，从而造成E2上的粒子数多于E1上的粒子数，即：,工作物质(激活介质)的特点: 处于外界能源激励的非平衡状态下 能级系统的上能级中必须有亚稳态存在,以便实现粒子数反转 必须是增益介质 激励方法 光泵浦气体放电电子束激励化学反应核泵浦等 最常用：光电,工作物质(激活介质),激光输出的阈值条件：增益损耗,增益 增益系数：通过单位距离介质光强增加的百分比 G=dI/(Idz) G与激活介质特性，外界激励能源和入射波长有关，与入射光强度无关 入射光强为I0 I=I0exp(Gz),损耗 衍射损失 散射损失 镜片反射损失,激光的产生过程,工作物质被激励到非平衡态(

6、亚稳态、粒子数反转) 少量自发辐射产生（亚稳态E2-E1） 自发辐射光子引发受激吸收和受激辐射，但受激辐射出的光子多于受激吸收的光子，光得到放大 受激辐射的光子引发新的受激辐射，雪崩放大 谐振腔的选择和抑制 达到一定程度后，形成稳定的输出,2.3 谐振腔与激光的模式,光学谐振腔作用 提供光学正反馈作用 限制激光束的方向 限制激光束的频率纵模 根据波动理论，发生相长干涉的条件：入射光和反射光同相 2（2L0）q 2 L=q 0/2 决定激光的空间分布规律横模,无谐振腔时,有谐振腔时,光学谐振腔的结构与分类,构成：两个腔镜 一个全反射，提供最大反馈 一个部分反射，提供部分反馈和输出 结构特点：侧边

7、没有边界，轴向尺寸(腔长)远大于波长和横向尺寸 三个参数：R1、R2、L 平平共轴球面固体介质波导腔和气体介质波导腔（半封闭）,平行平面镜腔 双凹球面镜腔 平面凹面镜腔 特殊腔： 双凸腔 平凸腔 凹凸腔等,谐振腔常见的结构形式,傍轴光线能否在腔内往返无限多次而不从横向逸出，表示腔的损耗大小，“低损耗腔”，“高损耗腔” 稳定性判据：,稳区图,谐振腔的稳定性（几何稳定性）,稳定腔：0g1g21,特点：不逸出、损耗小 应用：固体和中小功率CO2,几种稳定腔,非稳定腔：g1g21,特点：与光轴重合的光线不逸出，其他方向全部逸出、损耗大 应用：大功率CO2,非稳定腔,临界腔：g1g2=0或g1g2=1,

8、特点：介于稳定腔和非稳腔之间 应用：研究和使用方面均有价值,临界腔,激光的模式（谐振腔的模式）,经典电磁场理论:在一特定空间的限制下,电磁场只能以一系列分立的本征态存在,通常将腔内可能存在的电磁场本征态称为腔的模式 从光子的观点来看:腔的模式也就是腔内可区分的光子状态,同一模式的光子具有完全相同的状态 激光是一种电磁波,在谐振腔中也只能以一系列的本征态出现,腔中每一个激光分立的本征态就是一个模式 模式包括横模和纵模,纵模: 描述频率特性及光束场强在纵向(光轴方向)的分布,腔内真正能形成振荡的阈值条件: G=/l,平行平面腔,描述激光场强在横向(光轴横截面)上的分布特征TEMmn (Transv

9、erse Electromagnetic Wave)m、n：两个垂直方向出现暗线的次数,横模对激光热加工有重要意义,反映了能量在光束横截面上的集中程度 横模通常简称模式,横模,TEM00:基模,能量密度最集中的模式,(z) 光斑半径， 0 高斯光束的束腰,低阶模,几种低阶模光斑能量分布实测图,几种高阶模,两种典型高阶模能量分布,TEM03,TEM22,2.4 高斯光束及其传播,高斯光束及其传播,共焦腔的高斯光束(基模) 非均匀的，曲率半径不断改变的球面波 在光轴横截面光强呈高斯分布 实心圆光斑 光斑半径：光强降为中心强度的1e2时的半径,其他稳定腔,等效为一共焦腔,高阶模的光束半径:光强下降到

10、最外面一个 极大值的1/e2时的半径,高斯光束在自由空间的传播,高斯光束在自由空间的传播 已知束腰半径w0，可求出任一点z处的光斑直径及其横截面上的光强分布,高斯光束的反射与聚焦,反射：只改变传播方向，不改变光束半径的大小和光强分布 聚焦：高斯光束经薄透镜聚焦后，仍为高斯光束 获得更小的光斑和更高的功率密度,高斯光束的聚焦,Z=F,有最大值 ZF，随Z增加而减小,3)激光束聚焦后的最小光斑,ZF的情况下，基模，D3w(Z)时，可以收集99的能量， D=3w(Z) 工艺原因：F/D=1,各类激光器简介,气体激光器,气体为工作物质 气体可以是纯气体、混合气体、分子气体、离子气体以及金属蒸汽等 多数

11、采用高压放电方式泵浦 He-Ne激光器是最早出现的气体激光器 氩离子激光器 二氧化碳激光器、 氦-镉激光器 铜蒸气激光器,准分子激光器,工作物质由惰性气体（Ne,Kr,Ar等）和卤族元素（F,Cl,Br等）组成，激发后形成两种元素的化合物而发出激光。 这类激光器于70年代中期问世 主要用于材料加工、医疗、照相印刷等，这类激光器在军事领域有良好的应用前景，曾被定为美国“星球大战计划”的候选高能激光武器,化学激光器,特殊的气体激光器,分子跃迁方式工作 其泵浦源为化学反应所释放的能量。 脉冲化学激光器于1965年问世，连续器件于四年后问世。 典型波长:近红外到中红外谱区。 最主要的有氟化氢（HF）和

12、氟化氘（DF）两种装置。前者在2.63.3微米之间输出15条以上的谱线,后者约有25条谱线处于3.54.2微米之间。 可以获得非常高的连续功率输出-数兆瓦，其潜在的军事应用很快引起人们的的兴趣。,液体激光器,最常用的液体激光器是以有机溶液为工作物质的染料激光器。 1966年，IBM公司的科学家Peter Solokin 和John Lankard发现了有机燃料溶液产生激光的关键机制 最主要特点是工作波长可以调谐，应用于要求窄带可调谐或超快光脉冲的场合，如同位素分离光谱学、半导体以及其他固体材料激发动态力学特性的研究，还可用于医学领域的恶性肿瘤治疗。,固体激光器,固态基质中掺入少量激活元素为工作

13、物质 红宝石激光器是最早发明的激光器 YAG激光器是目前应用的最广泛的固体激光器之一 光纤激光器是近年来发展十分迅猛的一种激光器 主要用于各种材料的加工，在医学和军事上也有较好的应用,固体可调谐激光器,特殊的固体激光器，输出波长在一定范围内可调 最早的固体可调谐激光器由贝尔实验室的Johnson及其合作者与1963年发明，所用的工作物质为掺镍氟化镁。 1979年Walling发明的翠绿宝石激光器是一种早期有较高实用价值的装置，主要用于肿瘤去除 1982年Moulton发明的掺钛蓝宝石激光器在军事应用领域有较好应用前景。,半导体激光器,半导体激光器以材料的p-n节特性为基础，外观与晶体二极管类似 最早的半导体激光器由通用电气公司的哈尔（Hall）研制成功，当时只能在低温下工作，过了8年贝尔实验室研制成功可在室温下工作的连续器件。 这类激光器在光纤通讯、激光唱机等领域应用前景