论述co2激光器及其他激光器在大学物理实验中的应用

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1、论述co2激光器及其他激光器在大学物 理实验中的应用激光器子1960年问世以来，在各行各业中得到了巨大的应用。由于其特点亮度大，单 色性好，亮度高，是普通的光源无法与之相比的。例如 he-ne激光器的光束发散角达到 10e-4rad。高功率的调q激光器亮度比太阳高出几百万倍，各种学科和技术领域纷纷应用激 光器并形成了包括信息光电子技术在内的一些类交叉学科和应用技术领域。同样的是，在大学实验科研当中，激光器也有了广泛的应用。在学生的教与学的过程当 中，尤其是大学物理实验，在近现代实验领域，激光器是实验当中必不可少的利器之一，本 文就是着重论述一下关于大学物理实验当中co2激光器的应用。1Co激光

2、器的应用近年来，分子激光器发展较为迅速，受到了人们的广泛重视1，其主要原因是它们的 振一转能级非常接近基态，利用这些振一转能级作为激光能级的能量转换，效率就会提高， 其中CO2激光器是首先尝试的分子，目前，工业使用的CO2激光器最高功率可达25 kW， 红外光波波长为10.6 m，它发展较早，被广泛应用于环境测量、机械切割、焊接、军事武器 等各个领域。在激光的发展和应用方面，从事工业加工、医疗、科学研究等应用。80年代 末CO2激光器就被广泛引进并主要应用在金属材料加工领域。激光具有很多不同于普通光 的特性，通称激光4性即单色性，相干性，方向性以及高光强性。这些特性使得激光加工方 法相对于传统

3、的加工方法具有一系列的特点：能加工难熔性的材料，属于无接触的加工，不 会使工件出现过大的应力，具有很好的重复性、聚焦性，可用于精密co CO2激光器作为目前连续输出功率较高的一种激光，其中经历了翻天覆地的变化，而且激 光加工是未来材料加工应用发展的趋势之一，而CO2激光加工一直占激光材料加工中最主 要的位置，世界激光市场也以CO2激光器为主力，约占全部的70%，每年以10%的速度增 长。近几年来，随着国际和国内整体产业环境的改变，在产业水准提升、专业人员缺乏、自 动化需求增加、产品附加值和加工质量有待提高的压力下，激光加工应用已逐渐被国内产业 界接受并采用。由于激光器起步较晚，短期内可维持较高

4、的市场增长率，加工应用的市场潜 力也很大。但产业界和工业CO2激光器的使用者，仍然有许多问题需要去解决，尤其在相 关技术人员的养成训练和新的加工应用领域开拓这两方面，更需下大力气。激光使用的前景 是广阔的，激光加工手段的不断进步必将带来材料加工领域的一次革命。CO2激光器具有 输出光束的光学质量高、线宽窄、工作稳定、相干性好等优点。因此它在国民经济和国防上 应用广泛，如应用于焊接、打孔、切割、通讯、雷达、化学分析、激光诱发化学反应等诸多 方面。将CO2激光器应用到高校的教学实践中是一个新的领域，这将会为高素质人才的培 养和社会发展带来新的契机。2 CO2激光器原理以及在大学物理实验中的投入按照

5、玻尔理 论，原子只能处于一系列具有分立能量的状态，称为定态。这些定态与电子绕核运动的一系 列分立轨道相对应，分立轨道的半径为：R=0.52X 10-10 n2 m (n=1，2，3)，(1)当n=1 时，对应能量处于最低状态，其轨道半径最小，当R=0.529X 10-10 m时，此时的定态称为 基态，其余定态则称为激发态。处于基态的原子通常需要外加能量方可跃迁到高能级，原子 体系在两个定态之间发生跃迁时，必须满足频率条件：hv=En-Ek，(2)式中：h普朗克常数；En原子处于两个定态的能量；Ek原子处于两个定态的能量。设某一原子或分子的能级在E1和E2时的能级。或分子密度(以下统称为粒子数)

6、为n1和n2， 在热平衡状态下温度T0，E1n2的状态，也就是能级高的粒子数 少于能级低的粒子数。但如果用某些方法从外部给原子或分子提供能量，则它们就能从E1 能级被抽运到E2能级，即处于激发态，粒子数变成n1n2。因T0，是负温度状态，能级图3激光功率与烧穿孔直径的关系图4样品厚度与烧穿时间的关系意图。放电室光璧泵或风机I|激光输出|图2 CO,激光器的原理示意图与粒子数的关系与热平衡状态时相反，故称为粒子数反转分布状态。要产生激光振荡必须达 到反转分布，原子或分子的状态由高能级向低能级转移，即产生受激跃迁，此时发出固有频 率的光。一般来说，利用电子碰撞能进行抽用，产生气体激光。由于CO2是

7、三原子分子， 这种分子当放电产生的电子碰撞而得到能量时，就会由于激发而振动。本实验使用的CO2 激光器在CO2中添加7N2和He，大大增加了其激光功率。在抽用过程中，由于跃迁辐射 是随机的，产生谱线的频率、相位、偏振状态以及传播方向仍是不相关的，只有从中取出一 定频率和一定方向的光，使其享有最优越的条件进行放大，同时抑制其他方向和频率的光信 号，从而获得方向性、单色性很好的强光束。为了达到这个目的，本实验用的装置还设计了 一个光学谐振腔。图1和图2分别是大功率CO2激光器的结构示意图和CO2激光器原理 示意图。在具体实验操作中，选用了厚度均匀的纸片作为测试样品，用秒表记录时间（测量 时间均在误

8、差范围内），首先打开“电源开关”，使得循环水泵开始工作，待水充满激光器的 水冷层后，再进行下一步操作，将事先准备好的样品（厚度为0.1 mm）放入激光箱体前端 大约6 mm宽的缝隙演示空间，打开“高压开”，顺时针调节“功率旋纽”调节功率旋纽， 直到激光器烧穿样品为止（每次烧穿时间固定不变），记下此时对应的功率，烧穿后的小孔 近似为圆形，并用游标卡尺测出每个孔径的大小，然后固定输出功率（1.00 W），增加样品 的厚度（均匀增加纸片的层数），测定烧穿不同厚度样品所需的时间。图3和图4是一次示11 电源开关；2 高压开；3 高压断；4 功 率调节旋钮；5激光功率指示；6进出水像胶管； 7 激光箱体

9、；8 演示空间；9 箱体前盖图1 CO?激光器的结构示意图从实验结果看出，当烧穿时间一定时，所选用样品烧穿后孔径的大小随着功率的增加而增加， 但二者并不成线形关系；当CO2激光器输出功率一定时，均匀增加样品的厚度，烧穿时间 也在不断地增加，二者也不成线形关系。2其他激光器的应用近现代物理实验中在晶体电光效应中所使用的激光器为半导体激光器。本次试验中， 实验目的为研究铌酸锂晶体的横向电光效应，电光调制器的原理和实验方法以及利用电光调 制器模拟音频光通讯的一种实验方法。实验原理是介质中的的介电常数在不同的介质中，不 同的方向都有不同，造成光在晶体中传播，个方向的的偏振光折射率不同。在个方向同性的

10、介质中，介电常数相同，所以光的各个偏振光的折射率相同，当家一个电场时，会引起晶体 的电光效应，产生了晶体各向异性，在本次实验中要用到的实验仪器有，两块偏振片，一个四分之一波片，半导体机关器，示波器。经过实验，所得的试验结果:040871201622042442843223624030.0060.0210.0570.1070.1670.2170.250.2730.2910.3040.3114404845225676020.3150.3150.310.2370.283其中横轴为光功率，纵轴为电压。可见程清晰的线性关系其他激光器，例如钠激光器，普通物理实验中，在测量那黄光线的实验中，派上了用 场。要

11、求找出钠黄光线589.3nm和589.6nm的夹角。还有在精确测量固体性变系数中，利 用激光器和迈克尔逊干涉仪测量不同温度下的固体形变，数出干涉仪上得干涉条纹变化数 目，就可以精确测量固体的性变系数。总结教学与实验二者之间是相互依存、相互促进的关系。一方面，科研工作促进教学内容 的不断更新，通过科研能够发现物理实验里面更加前沿的东西，了解得多了，研究得深了， 接触面宽了，颗粒中，利用物理沉积或者化学键合的手段，使聚乙烯亚胺附着在无机颗粒的 表面，从而制备出性能优越的重金属离子吸收剂，但由于物理沉积和化学键合不是处理手段 困难，就是聚乙烯亚胺附着量少且不牢固，在实际应用中也存在种种缺点；另一方面

12、，教师 在教学过程中适时体现科研成果，将为学生走上工作岗位后从事相关的科学研究工作奠定基 础。教与学的师生互动将进一步激发师生的灵感，既加深学生对理论知识的理解，又激发学 生学习物理知识的兴趣，也有助于教师今后的研究工作。高等院校搞科研，不但能够得到技 术领先的成果，而且还能培养锻炼出高级专业人才，对实验教师也具有促进水平提高的作用。 教学中实验是对课堂所学知识的直观认识和自然规律的直接体现，在科学研究、科学探索中 是理论验证和基本数据的来源，实验在教学和科研中具有不可替代的重要地位。科研对学校 跟上时代潮流、领先技术成果的取得、学校学术水平的提高具有非常重要的作用，科研的对 象是客观规律，科研是高级的实践活动。要把高等院校逐步办成既是教育中心又是科研中心， 离开实验教学是万万不能的。科研和实验教学是相互促进的而不是矛盾的，两方面均不可偏 废。因此，该实验方法很值得研究和深入探索。作为一名物理系的学生，在日后的学习实验过程中，应注意各种不同的激光器的原理， 机制，特征等的区别，真正做到学以致用。由于21世纪中是以光通讯为代表的新时代，学 好习，做好实验，紧紧把握时代的脉搏，紧跟时代步伐，成为新世纪的建设者。