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1、激光原理与技术课程报告【摘要】本文对在选修课上学到的知识进行回顾与梳理，内容包括激光的特性、产生原理、选模技术、调制技术、调 Q 技术、应用等等。【关键词】激光 原理 技术【正文】一、 激光概念：来自受激辐射的放大、增强的光。 （英文全称为 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写为 Laser ）二、 激光特性：三、 激光产生机理：1. 自发跃迁和自发辐射E2E1受激前hvE2E1发光后光子频率 =1-2普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不
2、一定相同为非相干光。 特点 作用 应用实例相干光 可进行调制、传递信息 光纤通信传播很远距离能保持一定强度，可精确测距测速 激光雷达平行度非常好可会聚于很小的一点，记录信息密度高DVD、CD、VCD 机，计算机光驱可在很小空间短时间内集中很大能量 激光切割、焊接、打孔 医疗手术亮度高产生高压引起核聚变 人工控制聚变反应2. 受激跃迁和受激发光，光放大当外来光子的频率满足 hv=E 2-E1时，使原子中处于高能及的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁，同时发射一个与外来光子相同的光子。 受激辐射产生的光与外来光子的频率、振动方向、相位完全相同。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子，这意味
3、着原来的光信号被放大，这种在受激过程中产生并放大的光，就是激光。3. 受激吸收指处于低能级的粒子当吸收一定频率的外来光能后会跃迁到高能级上。4. 粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，哪一个占主导地位，取决于粒子在两个能级上的分布。所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。激光器发出的激光就是利用受激辐射而实现的，由此可见，为使光源发射激光，关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态） 。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件
4、。四、 激光器的三要素：1. 激工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，非常广泛。2. 泵浦为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化的称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断的“泵浦”以
5、维持处于上能级的粒子数比下能级多。3. 谐振腔有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜子。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。五、 激光器分类按工作物质气体激光器固体激光器液体激光器半导体激光器按光输出方式连续输出激光器脉冲输出激光器1. 固体激光
6、器一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，除了前面介绍用红宝石和玻璃外，常用的还有钇铝石榴石（YAG）晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射1060nm 的近红外激光。固体激光器一般连续功率可达 100W 以上，脉冲峰值功率可达109W。2. 气体激光器气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及能长时间较稳定地连续工作的特点。这也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场达60左右。其中，氦氖激光器是最常用的一种。3. 半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为工作介
7、质的。目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm 的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。在 70 年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。4. 液体激光器常用的是染料激光器，采用有机染料作为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围） 。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且覆盖面宽
8、是它的优点，使它也得到广泛应用。 六、 激光选模技术目的：减少激光模式数，改善激光的方向性，提高单色性。1. 纵模沿腔轴线方向电磁场的本征态。纵模数表示激光振荡频率数，纵模数多，单色性差。单一纵模单色性最好。1) 短腔法 原理:利用减少腔长的办法增加纵模频率间隔当v qv g时，实现单模振荡。 特点： a) 结构简单，无插入损耗，只需缩短腔长即可实现单模。b) 输出功率减小，L 小，工作物质尺寸小，模体积小，输出功率小。c) 只适用于增益介质线宽v g窄的气体激光器中。2) 法布里珀罗标准具法 原理：当把标准具放在腔内时，除了处于标准具最大透过率频率的光之外，其他频率的光由于反射损耗大，不能振
9、荡，激光的振荡频率受到限制。 特点： a) 输出功率比较大b) 通过改变标准具参数的方法适用于各类激光器选模c) 存在插入损耗d) 腔内激光能量不能太高，否则损害标准具2. 横模在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态。不同的横模，光场分布不同，光束的发散角不同。基横模光强是高斯形，光场分布均匀，发散角最小。随着横模序数的增加，光场的范围加大，分布不均匀，发散角越来越大。一般激光器中有很多模式振荡，实际的光场分布是复合模。为了改善激光的方向性，必须选出基横模。1) 小孔光阑法2) 聚焦光阑法3) 腔内望远镜法七、 稳频技术稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点变化，稳频是实际的要求。影响激光频率
10、稳定的因素：频率的稳定性主要取决于 n，L 的稳定 1) 引起 n，L 变化的外界因素： a) 温度变化的影响b) 大气变化的影响c) 机械振动的影响d) 磁场的影响2) 引起频率变化的内部因素：a) 激光管内充气压比例不同，气压、放电电流变化引起频率变化 b) 由于原子自发辐射造成的无规则噪声影响到频率 稳频的实质：保持 n、L 不变。1. 兰姆凹陷法把激光器中原子跃迁的中心频率作为参考频率，把激光频率所得到跃迁的中心频率上2. 饱和吸收法把振荡频率锁定到外界的参考频率上，如用分子或原子的吸收线作为参考频率；选取的吸收物质的吸收频率必须与激光频率相重合八、 调 Q(Q 开关)技术Q 值定义为
11、在激光谐振腔内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的能量之比。Q 值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标（品质因数） 。调节 Q 值的途径：一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的 Q 值。目的：压缩脉冲宽度，提高峰值功率。1. 电光调 Q2. 声光调 Q3. 染料调 Q4. 色心晶体调 Q5. 转镜调 Q九、 激光调制技术1. 内调制：在激光生成的振荡过程中加载调制信号，通过改变激光的输出特性实现的调制。2. 外调制：在激光形成后，再用信号对激光进行调制。该方法不改变激光器的参数，而改变已经输出的激光束的参数。十、 激光偏转技术1. 机械偏转：利用反射镜或多面反射棱镜的旋转或反射镜的振动实现光束
12、扫描。2. 电光偏转：利用泡科尔斯效应，在电光晶体上施加电场改变晶体的折射率。3. 声光偏转：声波在介质中传播，改变介质的折射率，介质起到衍射光栅的作用。十一、 激光技术的应用1. 工业：激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修复电路、激光布线技术、激光清洗等等。2. 军事：a) 激光测距b) 激光制导：激光制导武器精度高、结构比较简单、不易受电磁干扰，在精确制导武器中占有重要地位。c) 激光模拟训练：用激光模拟器材进行军事训练和作战演习，不消耗弹药，训练安全，效果逼真。现已研制生产了多种激光模拟训练系
13、统，在各种武器的射击训练和作战演习中广泛应用。d) 高能激光武器：用高功率激光器制成的战术激光武器，可使人眼致盲和使光电探测器失效。利用高能激光束可能摧毁飞机、导弹、卫星等军事目标。用于致盲、防空等的战术激光武器，已接近实用阶段。用于反卫星、反洲际弹道导弹的战略激光武器。e) 激光雷达3. 信息通讯：激光通信具有信息容量大、传送线路多，保密性强、可传送距离较远，设备轻便、费用经济等优点。原来的电磁通讯技术容量小，保密性差，越来越不能满足社会发展的要求。电话之父贝尔早在 1880 年就有过光电话的设想，但由于普通光受云、雨、雾所阻碍，实验失败了。激光发明后，结合另一发明光导纤维，光通讯重获新生并得到迅速应用。4. 医学应用5. 科研应用6. 【参考文献】1. 王成，激光原理与激光束的传输 ppt，上海交通大学2. 王卫宁，激光的基本技术 ppt，首都师范大学3. http:/，国家光电信息中心4. http:/ 天津大学光电子技术课程 ppt
