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1、 激光器的工作原理 纳米实验室 NPNS 激光器的发展 激光是20世纪人类的重大科技发明之一 它对人类的社会生活产生了广泛而深刻影响 作为高技术的研究成果 它不仅广泛应用于科学技术研究的各个前沿领域 而且已经在人类生产和生活的许多方面得到了大量的应用 与激光有关的产业已在全球形成了超过千亿美元的年产值 激光的发展史应该追溯到1917年 爱因斯坦提出光的受激辐射的概念 预见到受激辐射光放大器诞生 也就是激光产生的可能性 20世纪50年代美国科学家汤斯及前苏联科学家普罗科霍罗夫等人分别独立发明了一种低噪声微波放大器 即一种在微波波段的受激辐射放大器Maser Microwaveamplificat
2、ionbystimulatedemissionofradiation 1958年美国科学家汤斯和肖洛提出在一定条件下 可将这种微波受激辐射放大器的原理推广到光波波段 制成受激辐射光放大器Laser Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation 1960年7月美国的梅曼宣布制成了第一台红宝石激光器 1961年我国科学家邓锡铭 王之江制成我国第一台红宝石激光器 称其为 光学量子放大器 随后我国科学家钱学森建议统一翻译成 激光 或 激光器 梅曼的第一台红宝石激光器 我国第一台红宝石激光器 我国激光器研究情况 激光器的基本结构 激光工作物质 能够实
3、现粒子数反转 产生受激光放大激励能源 能降低能级的粒子不断抽运到高能级 补充受激辐射减少的高能级上粒子数光学谐振腔 提高光能密度 保证受激辐射大于受激吸收与普通光源不同 激光是靠介质内的受激辐射向外发出大量的光子而形成的 受激辐射产生的光子与外来光子性质完全相同 使入射光得到放大 用这种原理制成的光源称为受激辐射的光放大器 简称激光器 其输出光称为激光 产生激光的基本条件是受激辐射大于吸收 激光的发光原理 激光的发光原理是光的受激辐射 使处在激发态的原子收到外来的光机理作用而跃迁到低能级 同时发出一个与外来激励光子完全相同的光子 从而实现光的放大 但是在普通热辐射光源的情况下 受激辐射只占很小
4、的比例 绝大部分的辐射是自发辐射 因此在宏观上兵不能够产生光受激放大 欲使受辐射成为主要的发光过程 需要使发光物质处于激发态的高能上的粒子多于低能级上的粒子 同时还要使这样的介质中受激辐射占绝对优势 20世纪上半叶的科学技术发展提供了这样的可能 电子技术的发展提供了激励能源 精密加工技术制造出谐振腔 材料科学的研究提供了各种激光工作介质 在近代高科技的发展支持下 各种激光器陆续诞生 增益介质 当光波经过增益介质时 引起的受激辐射就会大于吸收 且粒子数密度的差值越大 也就是上下能级粒子数的分布差异越大 相对于吸收来说 受激辐射越强 光经过增益介质时增长得也越快 这就形成了受激辐射在介质中占主导地
5、位的状态 粒子数反转 激光器内形成光强的过程 激光谐振腔内光强由弱变强直至最后达到稳定的过程可以用图 2 15 来描写 M2是反射率的全反射镜 置于在处 M1是反射率的部分反射镜 置于坐标处 稳定光强在腔中传播过程由闭合曲线所表示 谐振腔内光强的放大过程 1 由于自发辐射 在z 0处有一束强度为I1的入射光沿腔轴传播 此时由于腔内光强很弱 此时介质的增益系数就是小讯号增益系数 有 图中曲线表示了这个过程 又经增益介质进行放大 再传到M1处时 光强已增至 如图中曲线所示 3 光强在M1上一部分反射回腔内继续放大 这部分为 一部分作为激光器的输出由M1镜透射出去 其大小为 其余部分都作为镜面损耗而
6、损失掉了 这部分为 4 图中纵轴上代表总镜面损耗 即 5 此时腔内光的放大倍数为 激光器的类型和应用 固体激光器 用固体激光材料作为工作物质的激光器 见激光 1960年 T H 梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器 也是世界上第一台激光器 固体激光器一般由激光工作物质 激励源 聚光腔 谐振腔反射镜和电源等部分构成 这类激光器所采用的固体工作物质 是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的 在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类 过渡固体激光器金属离子 如Cr3 大多数镧系金属离子 如Nd3 Sm2 Dy2 等 锕系金属离子 如U3 这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是
7、具有比较宽的有效吸收光谱带 比较高的荧光效率 比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线 因而易于产生粒子数反转和受激发射 固体激光器在军事 加工 医疗和科学研究领域有广泛固体激光器的用途 它常用于测距 跟踪 制导 打孔 切割和焊接 半导体材料退火 电子器件微加工 大气检测 光谱研究 外科和眼科手术 等离子体诊断 脉冲全息照相以及激光核聚变等方面 固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源 固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化 包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作物质 提高激光器的转换效率 增大输出功率 改善光束质量 压缩脉冲宽度 提高可靠性和延长工作寿命等 固体激光器应用 美军研发高能固体激光器
8、 合成高能固体激光器JHPSSL是美军继氧碘化学激光武器之后的研发重点 固体激光器能采用功率合成的方法达到远超过化学激光器的的功率 通过增减模块数量可以满足从拦截战术炮弹到拦截战略导弹的多层次需求 Nd YAG Nd YVO4 气体激光器 气体激光器利用气体或蒸气作为工作物质产生激光的器件 它由放电管内的激活气体 一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成 主要激励方式有电激励 气动激励 光激励和化学激励等 其中电激励方式最常用 在适当放电条件下 利用电子碰撞激发和能量转移激发等 气体粒子有选择性地被激发到某高能级上 从而形成与某低能级间的粒子数反转 产生受激发射跃迁 这是一类以气体为工
9、作物质的激光器 此处所说的气体可以是纯气体 也可以是混合气体 可以是原气体激光器子气体 也可以是分子气体 还可以是离子气体 金属蒸气等 多数采用高压放电方式泵浦 最常见的有氦 氖激光器 氩离子激光器 二氧化碳激光器 氦 镉激光器和铜蒸气激光器等 CO2激光器是远红外光频段波长为10 6 m的气体激光器 采用CO2气体充入放电管作为产生激光的介质 当在电极上加高电压 放电管中产生辉光放电 稀薄气体中的自激导电现象 就可使气体分子释放出激光 将激光能量放大后就形成对材料加工的激光束 二氧化碳激光器优势 工作物质是中性分子气体 如氮 一氧化碳 二氧化碳 水蒸汽等 波长范围很广 从真空紫外 可见光到远
10、红外 其中以二氧化碳激光器最为重要 其特点是效率高 大约在10 25 范围内 可以获得很高激光功率 连续输出功率高达万瓦 脉冲器件输出可达万焦耳每脉冲级 这种激光器工作在以9 4微米和10 4微米为中心的多条分子振转光谱线上 二氧化碳激光器分为普通低气压封离型激光器 横向和纵向气体循环流动型激光器 横向大气压和高气压连续调谐激光器 气动激光器和波导激光器等 这些激光器可用于加工和处理 如焊接 切割和热处理 光通信 测距 同位素分离和高温等离子体研究等方面 其中波导二氧化碳激光器是一种结构紧凑 增益高和可调谐的激光器 特别适用于激光通信和高分辨光谱学 CO2激光器 光纤激光器 染料激光器 工作物
11、质是有机染料 其能级由单重态 S 和三重态 T 组成 S和T又分裂成许多振动 转动能态 在溶液中这些能态还要明显加宽 因此能发出很宽的荧光 一般染料激光器的结构简单 价廉 输出功率和转换效率都比较高 环形染料激光器的结构比较复杂 但性能优越 可以输出稳定的单纵模激光 染料激光的调谐范围为0 3 1 2微米 是应用最多的一种可调谐激光器 激光应用技术 信息技术方面的应用 光通讯 光存储 光放大 光计算 光隔离器检测技术方面的应用 测长 测距 测速 测角 测三维形状激光加工 焊接 打孔 切割 热处理 快速成型医学应用 外科手术 激光幅照 皮肤科 妇产科 眼科手术 激光血照仪 视光学测量科学研究方面的应用 激光核聚变 重力场测量 激光光谱 激光对生物组织的作用 激光制冷 激光诱导化学过程等等 28 激光全息防伪人民币 建国50周年纪念币 29 激光控制核聚变 30 天文台 激光导航星 来自纳层的反射光 高度约100km 最大高度约35km 来自空气分子的Rayleigh光 31 激光测距与激光雷达 32 激光切割 33 长度测量 34 生物和医学应用 35 激光技术涉及的学科 物理 光学 精密加工 光学谐振腔的制作 光学加工 光学镀膜 光学装调 电子技术 激光电源 控制电路 应用技术基础 数学方法 误差理论 谢谢大家
