激光原理及应用陈家璧第二版

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1、1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录光波是一种电磁波，是E和B的振动和传播。如图（1-1）所示。习惯上常把电矢量叫做光矢量图（1-1）电磁波的传播1、线偏振光线偏振光Ex(1)线偏振光线偏振光ExyEy(2)自然光自然光z传播方向1.1.1 光波光波1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录2、光速、频率和波

2、长三者的关系光速、频率和波长三者的关系(1)波长波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。(2)光速光速(3)频率和周期频率和周期：光矢量每秒钟振动的次数(4)三者的关系三者的关系在真空中 各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同 1.1.1 光波光波1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录3、单色平面波单色平面波(1)平面波平面波(2)单色平面波：具有单一频率的平面波单色平面波：具有

3、单一频率的平面波波阵面或同相面：光波位相相同的空间各点所连成的面平面波：波阵面是平面准单色波:实际上不存在完全单色的光波，总有一定的频率宽度，如称为准单色波。理想的单色平面波（简谐波）两式统一写为：其中，U为场矢量大小，代表或的大小，U0为场矢量的振幅。设真空中电磁波的电矢量在坐标原点沿x方向作简谐振动，磁矢量在y方向作简谐振动，频率均为，且t=0时两者的初位相均为零。则、的振动方程分别为:1.1.1 光波光波1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录(

4、2)单色平面波：具有单一频率的平面波单色平面波：具有单一频率的平面波波场中z轴上任一点P的振动方程，设光波以速度c向z方向传播图（1-1）电磁波的传播分析：(a)z一定时，则U代表场矢量在该点作时间上的周期振动(c)z、t同时变化时，则U代表一个行波方程，代表两个不同时刻空间各点的振动状态。从下式可看出，光波具有时间周期性和空间周期性。时间周期为T，空间周期为；时间频率为1/T，空间频率为1/(b)t一定时，则U代表场矢量随位置的不同作空间的周期变化简谐波是具有单一频率的单色波，但通常原子发光的时间约为108s，形成的波列长度约等于3m，因此它的波列长度有限即必然有一定的频率宽度。1.1.1

5、光波光波1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录(3)平面波的复数表示法平面波的复数表示法 光强光强线偏振的单色平面波的复数表示：光强：光强与光矢量大小的平方成正比，即 或 复振幅 :模量 代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在空间的分布(4)球面波及其复数表示法球面波及其复数表示法球面简谐波方程：球面波的复数表示法：1.1.1 光波光波1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上

6、一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录在真空中一个光子的能量为，动量为，则它们与光波频率，波长之间的关系为：式中h是普朗克常数，h=6.6310-34JS。1.1.2 光子光子1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录1.2.1 原子能级、简并度原子能级、简并度1. 原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：主量子数n，n1，2，3，代表电子运动区域的大小和它的总能量的主要部分辅

7、量子数 , 代表轨道的形状和轨道角动量，这也同电子的能量有关。对 等的电子顺次用s, p, d, f字母表示磁量子数（即轨道方向量子数）m=0，1，2， 代表轨道在空间的可能取向，即轨道角动量在某一特殊方向的分量自旋量子数（即自旋方向量子数）ms= 1/2，代表电子自旋方向的取向，也代表电子自旋角动量在某一特殊方向的分量sssPPd例：计算每一个壳层（ ）和次壳层（2(2l+1)个）可以容纳的最多电子数1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录2. 电子

8、具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态电子的能级，依次用E0，E1，E2， En表示基态：原子处于最低的能级状态激发态：能量高于基态的其它能级状态简并能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目3. 图图(1-3)为原子能级示意图为原子能级示意图E0基态E1E2En激发态例：计算1s和2p态的简并度1.2.1 原子能级、简并度原子能级、简并度1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一

9、章第一章回目录回目录1.3.1 黑体热辐射黑体热辐射1. 绝对黑体又称黑体：绝对黑体又称黑体：某一物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射某一物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射。自自然界中绝对黑体是不存在的然界中绝对黑体是不存在的 2. 空腔辐射体是一个比较理想的绝对黑体空腔辐射体是一个比较理想的绝对黑体 3. 平衡的黑体热辐射：辐射过程中始终保持温度平衡的黑体热辐射：辐射过程中始终保持温度T不变不变1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录在量子假设的基础上

10、，由处理大量光子的量子统计理论得到真空中 与温度T及频率 的关系，即为普朗克黑体辐射的单色辐射能量密度公式式中k为波尔兹曼常数。4. 辐射能量密度公式辐射能量密度公式单色辐射能量密度 ：辐射场中单位体积内，频率在 附近的单位频率间隔中的辐射能量1.3.1 黑体热辐射黑体热辐射总辐射能量密度 :1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射受激辐射受激跃迁1. 自发辐射自发辐射自发辐射: 高能级的原子自发地从高能

11、级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为 的光子。自发辐射的特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。图（1-6）表示自发辐射的过程。对于大量原子统计平均来说，从E2经自发辐射跃迁到E1具有一定的跃迁速率。式中“”表示E2能级的粒子数密度减少；n2为某时刻高能级E2上的原子数密度（即单位体积中的原子数）；dn2表示在dt时间间隔内由E2自发跃迁到E1的原子数。A21称为爱因斯坦自发辐射系数，简称自发辐射系数。1.3.2 光和物质的作用光和物质的作用图（1-6）自发辐射1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页

12、 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录上式可改写为：A21的物理意义为：单位时间内，发生自发辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的百分比。即每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生的自发跃迁几率。上方程的解为： , 式中n20为t=0时处于能级E2的原子数密度。自发辐射的平均寿命 ：原子数密度由起始值降至它的1/e的时间设高能级En跃迁到Em的跃迁几率为Anm，则激发态En的自发辐射平均寿命为：已知A21，可求得单位体积内发出的光功率。若一个光子的能量为 ，某时刻激发态的原子数密度为n2(t)，则该时刻自发辐射的光功率密度（W/m3）为：1.3.2 光和物质的

13、作用光和物质的作用1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录2. 受激辐射受激辐射(1) 受激辐射：高能级E2上的原子当受到外来能量 的光照射时向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子，如图（1-8）所示。(2)受激辐射的特点：只有 当时，才能发生受激辐射 受激辐射的光子与外来光子的特性一样， 如频率、位相、偏振和传播方向式中的参数意义同自发辐射。B21称为爱因斯坦受激辐射系数，简称受激辐射系数。(3) 同理从E2经受激辐射跃迁到E1具有一

14、定的跃迁速率，在此假设外来光的光场单色能量密度为 ，则有：图（1-8）光的受激辐射过程1.3.2 光和物质的作用光和物质的作用1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录(4) 令 ，则有：(5) 注意：自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色能量密度的乘积。则W21(即受激辐射的跃迁几率)的物理意义为：单位时间内，在外来单色能量密度为 的光照下，E2能级上发生受激辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的

15、百分比。1.3.2 光和物质的作用光和物质的作用1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录式中B12称为爱因斯坦受激吸收系数(2) 同理从E1经受激吸收跃迁到E2具有一定的跃迁速率，在此假设外来光的光场单色能量密度为 ，且低能级E1的粒子数密度为n1，则有：3. 受激吸收受激吸收(1) 处于低能级E1的原子受到外来光子（能量 ）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。如图（1-9）所示。(3) 同理令 ，则有：则W12(即受激吸收几率)的

16、物理意义为：单位时间内，在外来单色能量密度 的光照下，由E1能级跃迁到E2能级的粒子数密度占E1能级上总粒子数密度的百分比。图（1-9）光的受激吸收过程1.3.2 光和物质的作用光和物质的作用1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录1.3.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系1. 在光和原子相互作用达到动平衡的条件下，有如下关系：由波尔兹曼分布定律可知：自发辐射光子数受激辐射光子数受激吸收光子数将代入得：由此

17、可算得热平衡空腔的单色辐射能量密度 为：1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录将上式与第三节中由普朗克理论所得的黑体单色辐射能量密度公式比较可得：式和式就是爱因斯坦系数间的基本关系，虽然是借助空腔热平衡这一过程得出的，但它们普遍适用。2. 如果 ，则有在折射率为 的介质中， 式应改写为：1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章

18、第一章回目录回目录1.3.4 自发辐射光功率与受激辐射光功率自发辐射光功率与受激辐射光功率1. 某时刻自发辐射的光功率体密度同理，受激辐射的光功率体密度受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度之比为：对于平衡热辐射光源 ，则有：2. 以温度T=3000K的热辐射光源，发射的波长为500nm例：1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录 1.4.1 1.4.1 光谱线，线型和光谱线宽光谱线，线型和光谱线宽度度1. 用分辨率极高的摄谱仪拍摄出的每一条原子发

19、光谱线都具有有限宽度。原子发射的不是正好频率 （满足 ）的光，而是发射频率在 附近的某个范围内的光。2. 就每一条光谱线而言，在有限宽度的频率范围内，光强的相对强度也不一样。设某一条光谱线的总光强为I0，频率 附近单位频率间隔的光强为 ，则频率 附近单位频率间隔的相对光强 为：3. 曲线如图(1-10a)， 表示某一谱线在单位频率间隔的相对光强分布，它叫做光谱线的线型函数。图(1-10b)为理想情况的单色光的相对光强分布图(1-10) 光谱的线型函数1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页

20、 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5. 频率为 到 的频率间隔范围内的光强为 ，则上式即为图(1-10)中曲线下阴影部分的面积，也是频率在 范围的光强占总光强的百分比。 1.4.1 1.4.1 光谱线，线型和光谱线宽光谱线，线型和光谱线宽度度6. 很显然：即相对光强之和为1。此公式为线型函数的归一化条件。7. 光谱线宽度 ：相对光强为最大值的一半处的频率间隔，即： 则1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录所以单位时间内，总的自发辐射原子数密度总的

21、受激辐射原子数密度总的受激吸收原子数密度(1) 考虑光谱线线型的影响后，在单位时间内，对应于频率在 间隔，自发辐射、受激辐射、受激吸收的原子跃迁数密度公式分别为：8. 光谱线型对光与物质的作用的影响自发辐射 受激辐射受激吸收 1.4.1 1.4.1 光谱线，线型和光谱线宽光谱线，线型和光谱线宽度度1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录此时受激辐射的跃迁几率为:同理，受激吸收跃迁几率为：其中 为外来光总辐射能量密度。这种情况表明总能量密度为 的外来光只

22、能使频率为 附近原子造成受激辐射。当入射光的中心频率为 ，线宽为 ，但 比原子发光谱线宽度 小很多，如图(1-11a)，则单位时间内总的受激辐射原子数密度n等于：(2) 由于总的受激辐射(吸收)原子数密度与外来光的单色能量密度有关，分两种情况讨论：图(1-11) 外来光作用下的受激原子数密度 1.4.1 1.4.1 光谱线，线型和光谱线宽光谱线，线型和光谱线宽度度1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录此时受激辐射的跃迁几率为:同理，受激吸收跃迁几率为

23、：如入射光的谱线宽度为 ，单色辐射能量密度为 ；原子谱线的线型函数为 ，线宽为 ，中心频率为 。如果有 ，如图(1-11b)所示，则在单位时间内，总的受激辐射原子数密度n等于：因此，在入射光线宽度远大于原子光谱线宽的情况下，受激跃迁与原子谱线中心频率处的外来光单色能量密度有关。 1.4.1 1.4.1 光谱线，线型和光谱线宽光谱线，线型和光谱线宽度度图(1-11) 外来光作用下的受激原子数密度1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录1.4.2 1.4.

24、2 自然增宽自然增宽1. 经典理论经典理论(1) 经典理论将一个原子看作是由一个负电中心和一个正电中心组成的电偶极子。当正负电中心距离r作频率为 的简谐振动时，该原子辐射频率为 的电磁波，电磁波在空间某点的场矢量为：由光强假设I0为t =0时的光强，则 时的光强I=I0/e，即振子的衰减寿命为 ，可以证明 。由于原子在振动的过程中不断地辐射能量，则上式应写为：此式表示场矢量随时间衰减的振动规律，如图(1-12)所示。图(1-12) 电偶极子辐射场的衰减振动1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页

25、下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录(2) 衰减振动不是简谐振动，因此原子辐射的波不是单色的，谱线具有有限宽度。由傅立叶分析可知：考虑到t 0，f=R/202) 对于凸透镜，R0，f=R/2a1，但 t1过大又使增益系数的阈值G阈升高，而如果介质的双程增益系数2LG0不够大将会导致腔内光强减小，使输出功率降低。严重时使腔内不能形成激光。t1过小，虽然使G阈降低光强增强，但镜面损耗a1I-(2L)也将增大。解此方程得： 为了使激光器有最大的输出功率，必须使部分反射镜的透射率取最佳值：此时，激光器得输出功率为： 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与

26、激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率1. 稳定出光时激光器内诸参数的表达式 (1) 腔内最大光强(2) 输出光强 (3) 镜面损耗(4) 最小光强：光波在腔内传播情况如图3-12所示 图3-12非均匀增宽激光器腔内的光强(5) 非均匀增宽型介质的增益系数随频率 而变光波的频率 不在非均匀增宽介质的中心频率处，光波在腔内传播时将有两部分粒子 和 粒子对它的放大作出贡献。1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一

27、页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率1. 稳定出光时激光器内诸参数的表达式 (5) 非均匀增宽型介质的增益系数随频率 而变光波的频率 不在非均匀增宽介质的中心频率处，光波在腔内传播时将有两部分粒子 和 粒子对它的放大作出贡献。即频率为 的光波， 和 两束光在增益系数的曲线上 的两侧对称的“烧”了两个孔。如图3-13所示。图3-13非均匀增宽激光器的“烧孔效应”腔内不同地点的光强不同，取I作为平均光强，当增益不太大时I=I+=I-，则介质对 光波的平均增益系数为：这就是非均匀增宽型介质对非中心频率光波的增益系数的表达式；

28、1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率1. 稳定出光时激光器内诸参数的表达式 (5) 非均匀增宽型介质的增益系数随频率 而变光波的频率为线型函数的中心频率 ，它只能使介质中速度为 的这部分粒子数密度反转分布值饱和。此时腔内的光强为I+I-，故介质对 的增益系数为：若用平均光强2I来代替 ，则光波在腔中的平均增益系数可表示为：若腔内各频率的光强都等于Is，则 以及 附近的 光波所获得的增益系数分别为：若增益系

29、数的阈值都相等，则 和 附近频率为 光波的平均光强分别为下值，且前者比后者要弱：1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率2. 激光器的输出功率 若腔内只允许一个谐振频率，且 ，激光器在理想的情况下，仍有：此时腔内的平均光强为：激光器的输出光强为：若 光束的截面为A，则激光器的输出功率为：(1) 单频激光器的输出功率 激光器输出光强为：若腔内单纵模的频率为 ，激光器腔内平均光强为：若 光束的截面为A，激光器的输

30、出功率为：1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率如果我们使单纵模输出的激光器的谐振频率由小到大变化，逐渐接近 时，输出功率也逐渐变大，但当频率 变到此范围时，该光波在增益系数的曲线上对称“烧”的两个孔发生了重叠，直到 增益曲线上的两个孔完全重叠，输出功率下降至一个最小值。图(3-14)曲线与“兰姆凹陷”图(3-14)为 曲线；图(3-15)为兰姆凹陷与气压的关系曲线图(3-15)“兰姆凹陷”与管中气压的关系

31、1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率若腔内允许多个谐振频率，且相邻两个纵模的频率间隔大于烧孔的宽度以及各频率的烧孔都是彼此独立的，则平均光强为：(2) 多频激光器的输出功率 输出功率为：多频激光器的输出功率为：1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录3.5.2 非

32、均匀增宽型介质激光器的输出功率若腔内多纵模的频率 对称的分布在 的两侧，也即有一个纵模率 ，必有另一个纵模频率 ，则在理想情况下纵模 的增益系数为：(2) 多频激光器的输出功率 纵模 在腔内的平均光强为：纵模 的输出功率为：该多模激光器的输出功率为：1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录1. 1. 造成线宽的原因造成线宽的原因(1) 能级的有限寿命造成了谱线的自然宽度(2)发光粒子之间的碰撞造成了谱线的碰撞宽度(或压力宽度)。(3)发光粒子的热运动造

33、成了谱线的多普勒宽度。实际的谱线线型是以上三者共同作用的结果，我们把这样的谱线叫做发光物质的荧光谱线，其线宽叫做荧光线宽。2. 2. 激光器的线宽激光器的线宽对一个激光器来说，当它在稳定工作时，其增益正好等于总损耗。这时的理想情况是：损耗的能量在腔内的受激过程中得到了补充，而且在受激过程中产生的光波与原来光波有相同的位相，所以新产生的光波与原来的光波相干叠加，使腔内光波的振幅始终保持恒定，相应的就有无限长的波列，故线宽应为“0”。如果激光器是单模输出的话，那么它输出的谱线应该是落在荧光线宽 范围内的一条“线” (见图(3-16)。图(3-16) 荧光谱线与理想的单色激光谱线1.1 光的波粒二象

34、性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录3. 3. 造成激光器线宽的原因造成激光器线宽的原因另一方面，腔内自发辐射又产生一列一列前后位相无关的波列，这些波列和相干的波列的光强相叠加，使腔内的光强保持稳定。而这样一些一段一段的互相独立的自发辐射的波列也要造成一定的线宽。首先是内部的原因：在理想的激光器中完全忽略了激活介质的自发辐射，而一个实际的激光器尽管它的自发辐射相对于受激辐射来说是极其微弱的，但它毕竟还是不可避免地存在着，而且在激光器的输出功率中也贡献它极其微小的一个份

35、额。这样，激光器的增益就应该包括受激过程和自发过程两部分的贡献。在振荡达到平衡时，激光器内的能量平衡，应该是介质的受激辐射增益与自发辐射增益之和等于腔的总损耗，因而受激辐射的增益应略小于总损耗。这样，对于受激辐射的相干光来说，每一个波列都存在一定的衰减率，正是这种衰减造成了一定的线宽，这是问题的一面。以上两方面的因素就造成了由于存在自发辐射而引起的激光线宽。如图(3-17)所示，曲线1是衰减的相干光的谱线，曲线2是自发辐射本身的谱线，曲线3是总的谱线。图(3-17) 激光的极限线宽1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上

36、一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4. 4. 激光线宽与激光器输出功率成反比激光线宽与激光器输出功率成反比增加激光器的输出功率可以减小由于自发辐射引起的激光线宽。理论计算表明此激光线宽是和激光器输出功率成反比的。理论计算还指出，单纯由于腔内自发辐射而引起的激光谱线宽度远小于l Hz。而实验测得的激光线宽却远远大于这个数值。这说明造成激光线宽还有其他的较自发辐射影响更大的因素。尽管如此，对于自发辐射造成激光线宽的分析还是十分有意义的。因为自发辐射是在任何激光器中都存在的，所以这种因素造成的激光线宽是无法排除的。也就是说这种线宽是消除了其他各种使激光线宽增加的因

37、素后，最终可以达到的最小线宽，所以叫做线宽极限。1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 1. 1. 均匀增宽型谱线的纵模竞争均匀增宽型谱线的纵模竞争(1) 当强度很大的光通过均匀增益型介质时粒子数反转分布值下降，增益系数相应下降，但光谱的线型并不改变。(2) 多纵模的情况下，如图4-1所示，设有q-1，q，q+1三个纵模满足振荡条件。随着腔内光强逐步增强，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的光

38、强继续增长，最后变为曲线3的情形。图4-1均匀增宽型谱线纵模竞争(3)若此时的光强为Iq，则有 ，于是振荡达到稳定，使激光器的内部只剩下q纵模的振荡。这种现象叫做“纵模的竞争”，竞争的结果总是最靠近谱线中心频率的那个纵模被保持下来。(4)在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较强时，也可能有比较弱的其他纵模出现，如何解释？这种现象称为模的“空间竞争”。1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 2.

39、2. 非非均匀增宽型谱线的多纵模振荡均匀增宽型谱线的多纵模振荡(1) 非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。 3. 3. 单纵模的选取单纵模的选取(1) 短腔法： 两相邻纵模间的频率差 ，要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使 的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度缺点 (2) 法布里-珀罗标准具法： 如图4-2所示，在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法布里珀罗标准具 图(4-2)法布里-珀罗标准具法示意图由于多光束干涉的结果，对于满足下列条件的光具有极高的透射率能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概

40、概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 3. 3. 单纵模的选取单纵模的选取(3) 三反射镜法： 如图4-3所示，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当透射率的部分透射部分反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合图4-3三反射镜法两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3)1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页

41、 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.1.2 4.1.2 激光单横模的选取激光单横模的选取 1. 1. 衍射损耗和菲涅耳数衍射损耗和菲涅耳数(1) 由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。 (2)如图4-4所示的球面共焦腔，镜面上的基横模高斯光束光强分布可以表示为 (3)单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率 与射向镜面的总光功率 之比(4)分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓“菲涅尔数”的参量，它定义为 图4-4腔的衍射损耗1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首

42、页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.1.2 4.1.2 激光单横模的选取激光单横模的选取 2. 2. 衍射损耗曲线衍射损耗曲线(1) 图4-5给出了圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的衍射损耗菲涅尔数曲线。 图4-5不同腔的衍射损耗曲线3.3.光阑法选取单横模光阑法选取单横模 (1) 基本做法是在谐振腔内插入一个适当大小的小孔光阑。 4.4.聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模 (1)聚焦光阑法：如图4-6所示，在腔内插入一组透镜组，使光束在腔内传播时尽量经历较大的空间，以提高输出功率。 (2)腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如图4-7所示。 图4

43、-6聚焦光阑法图4-7腔内望远镜法1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.2.1 4.2.1 影响频率稳定的因素影响频率稳定的因素1. 腔长变化的影响腔长变化的影响对共焦腔的TEM00模来说，谐振频率的公式可以简化为：当L的变化为L，的变化为时，引起的频率相对变化为：(1) 温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔的的支架(2) 机械振动：采取减震措施稳定度是指激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比 复现性是激光器在不同地点、时间

44、、环境下使用时频率的相对变化量 2. 折射率变化的影响折射率变化的影响(1)内腔激光器: 温度T、气压P、湿度h的变化很小，可以忽略(2)外腔和半内腔激光器: 腔的一部分处于大气之中，温度T、气压P、湿度h的变化较放电管内显著。应尽量减小暴露于大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小T 、 P、 h的脉动。1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.2.2 4.2.2 稳频方法概述稳频方法概述1. 被动式稳频被动式稳频利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器

45、；或用膨胀系数为负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。2.主动式稳频主动式稳频(1) 把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定到跃迁的中心频率上，如兰姆凹陷法。(2) 把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例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。如饱和吸收法。1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一

46、章第一章回目录回目录4.2.3 4.2.3 兰姆凹陷法稳频兰姆凹陷法稳频1. 兰姆凹陷的中心频率即为谱线的中心频率 ，在其附近频率的微小变化将会引起输出功率的显著变化。这种稳频激光器的基本结构如图4-8所示 图4-8兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构2.腔长自动补偿系统的方框图如图4-9所示 图4-9兰姆凹陷法稳频方框图压电陶瓷加一直流电压：使初始频率为压电陶瓷上还需加一频率为f(约为lkHz)、幅度很小(只有零点几伏)的交流讯号，此讯号称为“搜索讯号”1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页

47、 回末页回末页第一章第一章回目录回目录图4-10稳频原理4.2.3 4.2.3 兰姆凹陷法稳频兰姆凹陷法稳频3.图4-10为稳频原理示意图。 假如由于某种原因(例如温度升高)使L伸长，引起激光频率由 偏至 ， 与 的位相正好相反 假如由于某种原因(例如温度降低)使L缩短，引起激光频率由 偏至 ， 与 的位相正好相同 在中心频率附近0 ，不论是小于0还是大于0 ，其结果都是使输出功率P增加，而且此时P将以频率2f变化图(4-11)不同同位素对兰姆凹陷的影响4. 注意事项第一、激光器的激励电源是稳压和稳流的。第二、氖的不同同位素的原子谱线中心有一定频差。第三、频率的稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率大

48、小有关。1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.2.4 4.2.4 饱和吸收法稳频饱和吸收法稳频1.饱和吸收法稳频的示意装置如图4-12所示。 2.与激光输出功率曲线的兰姆凹陷相似，在吸收介质的吸收曲线上也有一个吸收凹陷，如图4-13所示 图4-12饱和吸收法稳频的装置示意图图4-13吸收介质的吸收曲线3.由于吸收管内的压强很低，碰撞增宽很小，所以吸收线中心形成的凹陷比激光管中兰姆凹陷的宽度要窄得多。1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章

49、 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.2.4 4.2.4 饱和吸收法稳频饱和吸收法稳频4.激光通过激光管和吸收管时所得到的单程净增益应该是激光管中的单程增益 和吸收管中的单程吸收 的差，即 如图4-14(a)，只有频率调到 附近激光才能振荡。 如图4-14(b)，频率在整个线宽范围内调谐均能振荡。 图(4-14)反转兰姆凹陷1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章

50、回目录回目录4.3.1 4.3.1 高斯光束通过薄透镜时的变换高斯光束通过薄透镜时的变换1. 透镜的成像公式： ，注意参数的正负。从波动光学的角度讲，薄透镜的作用是改变光波波阵面的曲率半径。 2. 从光波的角度看，规定发散球面波的曲率半径为正，会聚球面波的曲率半径为负，则如图4-15所示，成像公式可改写为：图4-15球面波通过薄透镜的变换实际问题中，通常 和 是已知的，此时 ，则入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径分别为：3. 将透镜的变换应用到高斯光束上。如图4-16所示，有以下关系：图4-16高斯光束通过薄透镜的变换1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概

51、概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4. 由和式可求得出射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径。这样我们可以通过入射光束的 、 来确定出射光束的 、 了。图4-16高斯光束通过薄透镜的变换1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录(1) 短焦距：即4.3.2 4.3.2 高斯光束的聚焦高斯光束的聚焦1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形

52、(2) 短焦距时(4) 由前面的结论可得：(3) 在满足条件 和 的情况下，出射的光束聚焦于透镜的焦点附近。如图4-17所示，这与几何光学中的平行光通过透镜聚焦在焦点上的情况类似。图4-17短焦距透镜的聚焦1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录(5) 即缩短 和加大 都可以缩小聚焦点光斑尺寸的目的。4.3.2 4.3.2 高斯光束的聚焦高斯光束的聚焦1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形前一种方法就是要采用焦距小

53、的透镜后一种方法又有两种途径：一种是通过加大s来加大 ；另一种办法就是加大入射光的发散角从而加大 ，加大入射光的发散角又可以有两种做法，如图4-18和图4-19图4-18用凹透镜增大后获得微小的0图4-19用两个凸透镜聚焦1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录(6)4.3.2 4.3.2 高斯光束的聚焦高斯光束的聚焦1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形这与几何光学中物、象的尺寸比例关系是一致的。通过以上的讨论我

54、们看到，不论是聚焦点的位置，还是求会聚光斑的大小，都可以在一定的条件下把高斯光束按照几何光学的规律来处理1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.3.2 4.3.2 高斯光束的聚焦高斯光束的聚焦2.入射高斯光束的腰到透镜的距离入射高斯光束的腰到透镜的距离s等于透镜焦距等于透镜焦距f的情形的情形(1)(2)同理有：(3)根据高斯光束的渐变性可以设想，只要 和 相差不大，高斯光束的聚焦特性会与几何光学的规律迥然不同。1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第

55、第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.3.3 4.3.3 高斯光束的准直高斯光束的准直1.高斯光束的准直：改善光束的方向性，压缩光束的发散角。2. 可以看出，增大出射光束的腰粗就可以缩小光束的发散角。3.选用两个透镜，短焦距的凸透镜和焦距较长的凸透镜可以达到准直的目的。图(4-20)倒装望远镜系统压缩光束发散角M是高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比。M是倒置望远镜对普通光线的倾角压缩倍数。由于f2f1，所以M1。 又由于 0，因此有M M 11.1 光的波粒二象性光的波粒二象性

56、第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.4.1 4.4.1 激光调制的基本概念激光调制的基本概念1. 激光调制就是把激光作为载波携带低频信号。2.激光调制可分为内调制和外调制两类。这里讲的主要是外调制。 3. 激光的瞬时光场的表达式 瞬时光的强度为 若调制信号是正弦信号 则：激光幅度调制的表达式为 激光强度调制的表达式为 激光频率调制的表达式为 激光相位调制的表达式为 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一

57、页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.4.2 4.4.2 电光强度调制电光强度调制1.图(421)(a)是一个典型的电光强度调制的装置示意图。它由两块交叉偏振片及其间放置的一块单轴电光晶体组成。偏振片的通振动方向分别与x、y轴平行。 图(4-21)电光调制装置示意图2.设某时刻加在电光晶体上的电压为V，入射到晶体的在x方向上的线偏振激光电矢量振幅为E，则： 通过晶体后沿快轴 和慢轴 的电矢量振幅都变为 沿 和 方向振动的二线偏振光之间的位相差 通过通振动方向与 y 轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅(见图421(b)分别为 ， ，则有 ，其相互之间的位相差为 。

58、则有： 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.4.2 4.4.2 电光强度调制电光强度调制3.图(422)画出了 曲线的一部分以及光强调制的情形。为使工作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直流偏压 来完成。 图(4-22)I/I0-V曲线4.如外加信号电压为正弦电压(电压幅值较小)， ，则输出光强近似为正弦形。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页

59、 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.4.3 4.4.3 电光相位调制电光相位调制1.图(423)相位调制装置示意图。加电场后，振动方向与晶体的轴相平行的光通过长度为 的晶体，其位相增加为 图(4-23)相位调制装置示意图2.晶体上所加的是正弦调制电场 ，光在晶体的输入面(z=0)处的场矢量大小是 则在晶体输出面(z=l)处的场矢量大小可写成 式中， 为相位调制度 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.5.1 4.5.1 机械偏

60、转机械偏转1.机械偏转是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扫描。 4.5.2 4.5.2 电光偏转电光偏转1. 利用泡克耳斯效应，在电光晶体上施加电场改变晶体的折射率使光束偏转。实际的电光晶体偏转器是由两个晶体棱镜(如KDP棱镜)所组成，如图4-24所示。 图4-24实际的电光晶体偏转器2.如果激光垂直一个直角面射到图4-24所示的下面的直角棱镜上，由折射定律可得出射光的偏转角为 在电光晶体上施加电场后晶体的折射率的改变量为 ，则出射光的偏转角的相应改变量为 3.施加电压后，上、下层棱镜中传播时光的折射率为 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概

61、概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.5.3 4.5.3 声光偏转声光偏转1.图(425)所示为一块均匀的透明介质如熔融石英，其一端为超声发生器(作正弦振动)。当在透明介质的另一端为声波的反射介质时，满足一定的几何要求就会在介质内产生驻波。驻波按照正弦规律变化，所以介质的折射率以空间周期在空间呈正弦变化。 图(4-25)超声波在透明介质中的传播2.如图(426)所示，当光线在满足布拉格条件的衍射角 入射到光栅上时，衍射光也与衍射体光栅的等折射率面成 出射 图(4-26)布拉格条件下的衍射1.1 光的波粒二象性光的

62、波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.6.1 4.6.1 激光谐振腔的品质因数激光谐振腔的品质因数Q 1. 4. 体积为V的腔内存储的能量为： 5. 每振荡周期损耗的能量为： 6. 品质因子与谐振腔的单程总损耗的关系为 2. 光强I I0 0在谐振腔传播z z距离后会减弱为 3. 上式可以改写为光子数密度的形式 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第

63、一章第一章回目录回目录4.6.2 4.6.2 调调Q原理原理1.电光调Q装置如图4-27，激光腔中插入起偏振片及作为Q开关的KD*P晶体。2. 原理图4-27电光调Q装置示意图4.6.3 4.6.3 电光电光调调Q4.6.4 4.6.4 声光声光调调Q图4-28声光调Q装置示意图1.图4-28是一个声光调Q的YAG激光器的示意图。腔内插入的声光调Q器件由声光互作用介质(如熔融石英)和键合于其上的换能器所构成的。 2. 原理1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回

64、目录回目录4.6.5 4.6.5 染料调染料调Q 1. 图4-29就是染料调Q激光器的示意图。它是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的。 2. 染料盒内装有可饱和染料，这种染料对该激光器发出的光有强烈吸收作用，而且随入射光的增强吸收系数减小。其吸收系数可以由下式表示： 图(4-29)染料调Q装置示意图3.选择染料要顾及几个方面 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.7.1 4.7.1 锁模原理锁模原理1. 非均匀增宽激光器中某一纵模电矢量大

65、小可写成 2. 锁模技术让谐振腔中可能存在的纵模同步振荡，让各模的频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。则总的输出为 ，各纵模为非相干叠加。3.设腔内有q-N，-(N-1)，0，(N-1)，N共(2N+1)个模式，又设相邻模式的圆频率之差 ，则4. 如各模式的振幅相等，Eq=E0，初位相相同且为q=0，则 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.7.1 4.7.1 锁模原理锁模原理5.图4-30是

66、2N+19个纵模经锁模后得到的有规则的脉冲示意图。 当 时，m=0，1，2光强最大 图4-30锁模光强脉冲相邻脉冲峰值间的时间间隔 脉冲宽度，即脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.7.2 4.7.2 主动主动锁模锁模1. 损耗内调制锁模 图(4-31)锁模调制示意图图(4-32)中心频率及两边频如图(4-31)所示，在谐振腔中插入一个电光或声光损耗调制器。设调制周期为 ，调制频率 (恰为纵模频率间隔)

67、 只有通过调制器时损耗为零的光，才能不断地被放大而增长起来，如此得到周期为T的窄脉冲输出，如图(430)所示。 从模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理。假设中心频率 处的模首先振荡，其调制后的电矢量为：即在激光器中，一旦形成 的振荡，将同时激起两个相邻模式的振荡，如图（432） 。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.7.2 4.7.2 主动主动锁模锁模2. 相位内调制锁模 如果在谐振腔中插入一个电光位相调制器，也可达到锁模的目的。设光振幅不

68、变，位相以频率 变化，即 位相调制后也能激起带宽内的所有边频光同步振荡，实现锁模。4.7.34.7.3主动主动锁模锁模被动锁模装置很简单，只需在腔内插入一个装有饱和吸收染料的“盒”即可 染料必须具备以下几个条件：第一，染料的吸收线应和激光波长很接近；第二，吸收线的线宽要大于或等于激光线宽；第三，其驰豫时间应短于脉冲在腔内往返一次的时间，否则就成为被动调Q激光器了。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构与工

69、作物质固体激光器的基本结构与工作物质1.固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。图5-1是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。 2.红宝石激光器图5-1固体激光器的基本结构示意图红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3)，如图5-2所示。它属于三能级系统，相应于图5-3的简化能级模型 红宝石激光器的优点和主要缺点 。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页

70、 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质2.红宝石激光器图(5-2)红宝石中铬离子的吸收光谱图(5-3)红宝石中铬离子的能级结构1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质3.掺钕钇铝石榴石(Nd3：YAG) 工作物质:将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成的

71、，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3)，其吸收光谱如图(5-4)所示图(5-4)Nd3:YAG晶体的吸收光谱图(5-5)Nd3:YAG的能级结构YAG中Nd3与激光产生有关的能级结构如图(5-5)所示。它属于四能级系统。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.1.2 5.1.2 固体激光器的泵浦系统固体激光器的泵浦系统1. 固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。目前的泵浦光源多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。泵浦光源应当满足

72、两个基本条件。2. 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。 3.图(5-6)所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。 图(5-6)椭圆柱聚光腔4. 固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。 5.泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首

73、页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.1.3 5.1.3 固体激光器的输出特性固体激光器的输出特性1. 固体激光器的激光脉冲特性 2. 转换效率 总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器(用功率描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为：一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲(或称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.11)m，各短脉冲之间的间隔约为(510) s。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上

74、一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.1.4 5.1.4 新型固体激光器新型固体激光器1. 半导体激光器泵浦的固体激光器 图(5-7)半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图2. 可调谐固体激光器 半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比有其主要优点 半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7)(a)所示的端泵浦方式和图(5-7)(b)所示的侧泵浦方式。 可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激

75、光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.1.4 5.1.4 新型固体激光器新型固体激光器3. 高功率固体激光器 高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。 从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提出的一种结构方案，其结构如图(5-8)所示。 图(5-8)板条形固体激光器结构示意图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与

76、与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.2.1 5.2.1 氦氦- -氖氖( (He-NeHe-Ne) )激光器激光器1. He-Ne激光器的结构和激发机理 图(5-9)He-Ne激光器的基本结构形式 He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9)所示。 图(5-10 )是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，Ne原子的激光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页

77、回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录图(5-10)与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图1. He-Ne激光器的结构和激发机理 He-Ne激光器是典型的四能级系统，其激光谱线主要有三条 :3S2P 0.63282S2P 1.153S3P 3.39 5.2.1 5.2.1 氦氦- -氖氖( (He-NeHe-Ne) )激光器激光器1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录2. He-Ne激光器的输出特性 (1) 谱线竞争: He-Ne激

78、光器三条强的激光谱线(0.6328m，1.15m，3.39m)中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。见图(5-10) (2) 输出功率特性 : He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。图(5-11)是实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线 图(5-11)输出功率与放电电流的关系曲线在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流 He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。 若放电毛细管的直径为d，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最佳pd值。在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。 5.2.1 5.2.1 氦氦

79、- -氖氖( (He-NeHe-Ne) )激光器激光器1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录1. CO2激光器的结构和激发过程 图(5-12)封离式CO2激光器结构示意图5.2.2 5.2.2 二氧化碳激光器二氧化碳激光器图(5-12)是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产

80、产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录1. CO2激光器的结构和激发过程 5.2.2 5.2.2 二氧化碳激光器二氧化碳激光器CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图(5-13)所示。 图(5-13)与产生激光有关的CO2分子能级图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录1. CO2激光器的输出特性 5.2.2 5.2.2 二氧化碳激光器二氧化碳激光器相应于CO2激光器的输出功率，其放

81、电电流有一个最佳值。CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。 (1) 放电特性放电特性 CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40，这就是说，将有60以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。 (2) 温度效应温度效应 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上

82、一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.2.3 5.2.3 ArAr+ +离子激光器离子激光器1. Ar激光器的结构 2. Ar激光器的激发机理 Ar激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。如图(5-14)所示为石墨放电管的分段结构 。 图(5-14)分段石墨结构Ar+激光器示意图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.2.3 5.2.3 ArAr+ +离子激光器离子激光器2. Ar激光器的激发机

83、理 Ar激光器与激光辐射有关的能级结构如图(5-15)所示 图(5-15)与产生激光有关的Ar+的能级结构1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.2.3 5.2.3 ArAr+ +离子激光器离子激光器2. Ar激光器的工作持性 Ar激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个阈值电流 (1)多谱线工作多谱线工作 (2)输出功率与放电电流的关系输出功率与放电电流的关系 由于Ar激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不

84、同，图(5-16)示出了其间的关系曲线。 图(5-16)Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.3.1 5.3.1 染料激光器的激发机理染料激光器的激发机理1. 染料分子能级 染料分子能级图是如图(5-17)所示的准连续态能级结构。 图(5-17)染料分子能级图2. 染料分子的光辐射过程 如图(5-18)所示染料的吸收-荧光光谱图图(5-18)染料的吸收-荧光光谱图3. 染料分子的三重态“陷阱” 1.1 光的波

85、粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.3.2 5.3.2 染料激光器的泵浦染料激光器的泵浦1.闪光灯脉冲泵浦 泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。 2.激光脉冲泵浦 能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器(0.337m)，红宝石激光器(0.6943m)，钕玻璃激光器(1.06m)，铜蒸气激光器(0.5106m、0.5782m)，准分子激光器(主要在紫外区) 以及这些激光的二次、三次谐波等。 图(5-19)是目前经常采用的三镜腔式染料激

86、光器结构示意图。 图(5-19)三镜腔式染料激光器1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.3.3 5.3.3 染料激光器的调谐染料激光器的调谐1. 光栅调谐 图(5-20)是一种光栅-反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G具有扩束和色散作用。 2. 棱镜调谐 图(5-21)是一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，腔内放置的棱镜是一种色散元件。 图(5-20)光栅-反射镜调谐腔图(5-21)棱镜调谐腔1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理

87、理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.3.3 5.3.3 染料激光器的调谐染料激光器的调谐3. 双折射滤光片调谐 利用双折射滤光片调谐，是目前染料激光器广泛采用的调谐方法，国内外的Ar激光、YAG倍频激光泵浦的染料激光器，都使用这种方法调谐。图(522)给出的典型染料激光器就是利用双折射滤光片进行调谐的。 图(5-22)典型染料激光器原理示意图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一

88、章第一章回目录回目录5.4.1 5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件半导体的能带和产生受激辐射的条件1.在一个具有N个粒子相互作用的晶体中，每一个能级会分裂成为N个能级，因此这彼此十分接近的N个能级好象形成一个连续的带，称之为能带，见图(5-23)。 图(5-23)固体的能带2. 纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图(5-24)。 图(5-24)本征半导体的能带3.热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能级E被电子占据的几率为 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一

89、一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.4.1 5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件半导体的能带和产生受激辐射的条件1.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问题，图(5-25)给出了温度极低时的情况。 2.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带，并且入射光的频率满足 图(5-25)费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回

90、首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.4.2 PN5.4.2 PN结和粒子数反转结和粒子数反转1. P-N结的双简并能带结构 把P型和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？ 未加电场时，P区和N区的费米能级必然达到同一水平，如图(5-26)。 图(5-26)PN能带在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级 和 ，称为准费米能级，如图(5-27)。 图(5-27)正向电压V时形成的双简并能带结构1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页

91、 回末页回末页第一章第一章回目录回目录2. 粒子数反转 5.4.2 PN5.4.2 PN结和粒子数反转结和粒子数反转产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。 激光器在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率为价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 价带顶电子占据几率则为 在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录1. 半导体激光器的基本结构和工作原理 图(5-28)G

92、aAs激光器的结构5.4.3 5.4.3 半导体激光器的工作原理和阈值条件半导体激光器的工作原理和阈值条件 图(5-28)示出了GaAs激光器的结构。 2. 半导体激光器工作的阈值条件 激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件 增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录3.半导体激光器的阈值电流 5.4.3 5.4.3 半导体激光器的工作原理和阈值条件半导体激光器的工作原理和阈值条

93、件 在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.4.4 5.4.4 同质结和异质结半导体激光器同质结和异质结半导体激光器 1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 图(5-29)GaAs激光器的伏安特性伏安特性: 与二极管相同，也具有单向导电性，如图(529)所示。 阈值电流密度: 影响阈值的因素很多 方向性: 图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。

94、 图(5-30)激光束的空间分布示意图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.4.4 5.4.4 同质结和异质结半导体激光器同质结和异质结半导体激光器 1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 光谱特性:图(5-31)是GaAs激光器的发射光谱。其中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽达几十埃。 图(5-31)GaAs激光器的发射光谱1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章

95、辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.4.4 5.4.4 同质结和异质结半导体激光器同质结和异质结半导体激光器 1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 外微分量子效率: 功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比 2. 异质结半导体激光器 单异质结半导体激光器:单异质结器件结构如图(5-32)(b)所示 双异质结半导体激光器:双异质结半导体激光器结构如图(532)(c)所示。 图(5-32)同质结、异质结结构示意图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论

96、论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.5.1 5.5.1 准分子激光器准分子激光器1.准分子激光器的特点 图(5-33)准分子的能级结构能级结构有明显的特点。如图(5-33)所示，A表示较高激发态，B表示激光上能级，C表示基态。 由于基态寿命很短，即使是超短脉冲情况下，基态也可认为是空的，因此准分子体系对产生巨脉冲特别有利。 激光下能级是基态，基本上没有无辐射损耗。因此量子效率很高，这是准分子激光器可能达到高效率的主要原因。 由于激光下能级的离子迅速离解，因而拉长脉宽和高重复率工作都没有困难。 由于准分子的荧

97、光光谱为一连续带，故可做成频率可调谐器件。 2.准分子激光器的泵浦方式 电子束泵浦:横向泵浦 纵向泵浦 同轴电子束泵浦 快速放电泵浦: 快速放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱(Blumlein)电路 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录5.5.2 5.5.2 自由电子激光器自由电子激光器1.自由电子激光器的工作物质是自由电子束，它和普通激光器的根本区别在于：辐射不是基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁。 2.自由电子激光的特点 将化学能直接转换成

98、激光。 3.目前，自由电子激光器仍处于试验阶段，离实际应用尚有相当一段距离。 5.5.3 5.5.3 化学激光器化学激光器1.化学激光器是指基于化学反应来建立粒子数反转而产生受激辐射的一类激光器。化学激光器的工作物质可以是气体或液体，但目前大多数是用气体。 2.化学激光器具有如下三方面的特点 输出的激光波长丰富。 高功率、高能量激光输出。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.1.1 6.1.1 干涉测长的基本原理干涉测长的基本原理1. 激光干涉

99、测长的基本光路是一个迈克尔逊干涉仪,如图6-1示,用干涉条纹来反映被测量的信息。两束光的光程差可以表示为 2.被测长度与干涉条纹变化的次数和干涉仪所用光源波长之间的关系是 图6-1激光干涉测长仪的原理图3.从测量方程出发可以对激光干涉测长系统进行基本误差分析 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.1.2 6.1.2 激光干涉测长系统的组成激光干涉测长系统的组成1. 除了迈克尔逊干涉仪以外，激光干涉测长系统还包括激光光源，可移动平台，光电显微镜，光

100、电计数器和显示记录装置。 2.迈克尔逊干涉仪是激光干涉测长系统的核心部分，其分光器件、反射器件和总体布局有若干可能的选择。 3.干涉仪的分光器件原理可以分为分波阵面法、分振幅法和分偏振法。 分振幅平行平板分光器和立方棱镜分光器 偏振分光器(参见图6-6中的B2)以及由晶轴正交的偏光棱镜组成如沃拉斯顿棱镜。 4.干涉仪中常用的反射器件:平面反射器、角锥棱镜反射器（图6-2a）、直角棱镜反射器（图6-2b）、猫眼反射器（图6-2c） 图6-2反射器1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末

101、页回末页第一章第一章回目录回目录6.1.2 6.1.2 激光干涉测长系统的组成激光干涉测长系统的组成5.激光干涉仪的典型光路布局有使用角锥棱镜反射器的光路布局，如图6-3示。 图6-3典型光路布局6. 移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。常用的移相方法有机械移相（图6-4），翼形板移相，金属膜移相和偏振法移相。 图6-4机械法移相原理图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.1.2 6.1.2 激光干涉测长系统的组成激光干涉测长系统的组成7.干

102、涉条纹计数时，通过移相获得两路相差/2的干涉条纹的光强信号，该信号经放大，整形，倒向及微分等处理,可以获得四个相位依次相差/2的脉冲信号（图6-5）。 图6-5判向计数原理框图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.1.3 6.1.3 激光外差干涉测长技术激光外差干涉测长技术1.外差干涉仪：在干涉仪的信号中引入一定频率的载波，使被测信号通过这一载波来传递，干涉仪能够采用交流放大，隔绝外界环境干扰造成的直流电平漂移。2.产生干涉仪载波信号的方法有两种

103、3.双频激光干涉仪的光路如图6-6所示，其中氦氖激光器上沿轴向施加以磁场，由于塞曼效应激光被分裂成有一定频率差的左旋偏振光f f1 1和右旋偏振光f f2 2 图6-6双频激光干涉仪光路图4.测量反射镜运动产生的多普勒频移可以表示为 5.测量镜的位移量可由下式计算 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.1.4 6.1.4 激光干涉测长应用举例激光干涉测长应用举例1.激光测角的原理与小角度干涉仪类似,都是采用三角正弦原理。如图6-7所示。被测的转角

104、为： 图6-7激光测角原理示意图1:偏振分光棱镜组；2:角锥棱镜组；3,3:检偏器；4,4:光电接收器；5,5:放大器；6:倍频和计数卡；7:计算机1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.1.4 6.1.4 激光干涉测长应用举例激光干涉测长应用举例2.激光测折射率也利用双频激光干涉技术，其光路如图6-8。 图6-8双频激光干涉仪测量空气折射率1:偏振分光棱镜；2:分光器；3:波片；4:真空室；5:抽气口；6:角锥棱镜；7:检偏器；8:光电接收器；9

105、:补偿环1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.2.1 6.2.1 激光衍射测量原理激光衍射测量原理1.光的衍射现象，按衍射物和观察衍射条纹的屏幕(即衍射场)之间的位置关系一般分为两种类型：菲涅耳衍射和夫琅和费衍射 2.单缝衍射测量 单缝衍射测量的原理：激光单缝衍射测量的基本原理是单缝夫琅和费衍射，图6-9为其原理图。条纹的光强可表示为： 图6-9衍射测量原理图单缝衍射测量的基本公式: ,当被测物体尺寸改变时，相当于狭缝尺寸改变，衍射条纹的位置也随

106、之改变,可得 单缝衍射测量的分辨力、精度和量程: 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.2.1 6.2.1 激光衍射测量原理激光衍射测量原理3. 圆孔衍射测量 图（6-10）表示了圆孔的夫琅和费衍射原理，接收屏上衍射条纹的光强分布为 图6-10圆孔的夫琅禾费衍射原理示意图设中心亮斑(即第一暗环)的直径为d 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下

107、一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.2.2 6.2.2 激光衍射测量的方法激光衍射测量的方法1. 间隙测量法 其基于单缝衍射的原理。作尺寸的比较测量,如图6-11(a)。作工件形状的轮廓测量，如图6-11(b)。作为应变传感器使用，如图6-11(c)。 图6-11间隙测量法的应用用间隙测量法测量位移,即测量狭缝宽度b的改变量=b-b,可采用绝对法,求出变化前后的两个缝宽b和b，然后相减。也可以用增量法。后者所用公式为 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第

108、一章回目录回目录6.2.2 6.2.2 激光衍射测量的方法激光衍射测量的方法2. 反射衍射测量法 反射衍射是利用被测物的边缘和反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的，图6-12所示为其原理。 图6-12反射衍射法原理图在P点处出现第级暗条纹的光程差应满足 ,在该图的几何关系下缝宽可以表示为 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.2.2 6.2.2 激光衍射测量的方法激光衍射测量的方法3. 分离间隙法 利用参考物与被测物不在同一平面内情况下所形成的衍射条

109、纹进行精密测量的方法称为分离间隙法。分离间隙法的测量原理如图6-13所示。图6-13分离间隙法原理图测量出正负不同级次k1和k2上的暗条纹的位置 和 即可由下式计算出狭缝宽度和间隔 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.2.2 6.2.2 激光衍射测量的方法激光衍射测量的方法4. 互补测量法 激光互补衍射测量法的原理是巴俾涅定理。图6-14所示为两个互补衍射屏。 图6-14巴比涅互补衍射屏1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射

110、理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.2.2 6.2.2 激光衍射测量的方法激光衍射测量的方法5. 爱里斑测量法 基于圆孔夫朗和费衍射的测量方法称作爱里斑测量法。通常用爱里斑中归一化光强的大小的测量来确定被测孔的直径。图6-15是用爱里斑测量人造纤维或玻璃纤维加工中的喷丝头孔径的原理图。 图6-15喷丝头孔径的爱里斑测量原理示意图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目

111、录回目录6.2.3 6.2.3 激光衍射测量的应用激光衍射测量的应用1. 薄膜材料表面涂层厚度测量 薄膜材料表面涂层厚度测量是使用分离间隙法，图6-16所示为其原理。 图6-16薄膜材料表面涂层厚度测量1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.2.3 6.2.3 激光衍射测量的应用激光衍射测量的应用2. 薄带宽度测量 钟表工业中的游丝以及电子工业中的各种金属薄带(一般宽度在1毫米)以下，均可利用激光衍射互补测量法进行测量。在测量时要求薄带相对激光束的

112、光轴有准确的定位，否则将引起测量误差。图6-17是薄带宽度测量原理图。 图6-17薄带宽度测量原理图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.3.1 激光脉冲测距1.激光脉冲测距原理原理:通过发射激光脉冲控制计时器开门，接收返回的激光脉冲控制计时器关门，测量出激光光束在待测距离上往返传播的时间完成测距的。其计算公式为：2.激光脉冲测距仪的结构 测距仪的简化结构如图(6-18)所示。 图6-18激光脉冲测距仪的简化结构3. 激光脉冲测距仪对光脉冲的要求

113、 光脉冲应具有足够的强度。 光脉冲的方向性要好。 光脉冲的单色性要好。 光脉冲的宽度要窄。 4. 激光巨脉冲的产生 图6-19脉冲计数原理方框图5. 距离显示 脉冲测距中脉冲在测程上往返时间极短，所以通常是用记录高频振荡的晶体的振动次数来进行计时。图（6-19）就是这种设备的方框图。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.3.2 激光相位测距1. 激光相位测距原理 原理:测定连续的调制激光在待测距离d上往返的相位差q来间接测量传播时间的。图（6-

114、20）所示激光相位测距仪的光路。图6-20激光测距仪原理方框图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.3.2 激光相位测距1. 激光相位测距原理 光波每传播波长的一段距离，位相就变化2。所以距离d、光波往返位相差和光波波长之间的关系为：当距离d大于测尺长Ls时，仅用一把光波测尺是无法测定距离的。但是，当d小于Ls时，2. 分散的直接测尺频率和集中的间接测尺频率 一定的测尺长度Ls，相应于一定的测尺频率s，它们之间的关系是:分散的直接测尺频率方式选定

115、的测尺频率s是直接和测尺长度Ls是相对应的。例如选用两把测尺Lsb10m、Lsl1000m，则相应选用的测尺频率为1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.3.2 激光相位测距2. 分散的直接测尺频率和集中的间接测尺频率 集中的间接测尺频率方式是采用一组数值接近的调制频率，间接获得各个测尺的一种方法。假定我们用两个频率为s1和s2的光波分别测量同一距离d，则有：由上面两式可得：令：则有：上式中Ls可以认定一个新的测尺长度，其相应的测尺频率为:上式中的

116、正是用s1和s2的差额ss1s2的光波测量距离d时所得到的位相尾数，由上式知正好等于用频率为s1和s2的光波测量d时得到的位相尾数之差12。1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.3.2 激光相位测距3. 相位差的测量 差频测相原理如图（6-20）所示中的电路部分。设主控振荡电信号（图中的“主振”）为该信号发射到外光路经过一定距离的传播后相位变化了 ，该信号被光电接收放大后变为设本地振荡信号（图中的“本振”）为输送到参考混频器与 和 混频，在混频器

117、的输出端分别得到差频参考信号和测距信号分别为：经过差频后的低频信号输入相位差计进行比较就可以检测出相位差。1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.4.1 6.4.1 激光准直仪激光准直仪1. 激光准直仪的原理和结构 激光束横截面上的光强分布是“高斯分布”，光束的能量大部分集中在有效半径 为 的截面内。由于中心光强最大，所以光束分布中心连线可以构成一条理想的准直基准线。 TEM00光束远场发散角2的公式为： 为了便于控制和提高对准精度，一般的激光准直

118、仪都采用光电探测器来对准，因此准直仪的基本组成有如下几个部分（图6-21） 图6-21激光准直仪的基本组成方框图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.4.1 6.4.1 激光准直仪激光准直仪2. 发射光学系统 激光准值仪的发射光学系统是一个倒置的望远镜，其结构如图（6-22）所示 如果 ， 分别为高斯光束入射和出射该望远系统的光束发散角的话，令该望远系统对高斯光束的发散角压缩比为 ，则有 图6-22激光准直仪光学系统结构示意图根据圆孔的夫琅和费衍

119、射理论可知,一个直径为D的圆孔所造成的衍射角(即光束发散角的一半)为 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.4.1 6.4.1 激光准直仪激光准直仪3. 光电目标靶 激光准直仪的光电目标靶通常用的是四象限光探测器，如图6-23所示 图6-24是激光准直仪测量机床导轨不直度的示意图。 图6-23四象限光电探测器原理图4. 激光准直测量的应用举例：不直度的测量 图6-24机床导轨不直度的激光准直测量原理示意图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一

120、一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.4.2 6.4.2 激光衍射准直仪激光衍射准直仪1.利用激光的单色性，让激光束通过一定图案的波带片，产生便于对准的衍射图像，从而提高精度。这种利用衍射原理的激光准直仪叫激光衍射准直仪。它的原理结构如图6-25所示。 图6-25激光衍射准直仪的原理结构图2.波带片是一块具有一定遮光图案的平玻璃片（图6-26）图6-26波带片示意图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首

121、页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.4.3 6.4.3 激光多自由度测量激光多自由度测量1.四自由度测量系统 2. 五自由度和六自由度测量系统 中心孔式:图6-27(a)所示； 分光式:图6-27(b)所示；反射式:图6-27(c)所示 图6-27四自由度测量系统的典型结构五自由度和六自由度的测量，目前主要有两种方式 美国密西根大学研究了一种光学测量系统，可同时测量机床五维几何误差。如图6-28所示 图6-28波带片示意图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页

122、 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.4.3 6.4.3 激光多自由度测量激光多自由度测量2. 五自由度和六自由度测量系统 日本Nihon大学和Sophia大学研究了一种用于同时测量机床工作台六自由度误差的光学测量系统。如图6-29所示 图6-29同时测量机床六自由度偏差的原理图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.5.1 6.5.1 运动微粒散射光的频率运动微粒散射光的频率1. 运动微粒上接收到的光源入射光的频率 2. 静止接收器上接收到的

123、运动微粒散射光的频率 如图6-30所示，静止光源O发出一束频率为的单色光，该单色光入射到与被测流体一起运动(速度为 )的微粒Q上，微粒Q接收到的光的频率是图6-30频率为的单色光入射到速度为的微粒Q如图6-31所示，因此在S处接收到的散射光的频率应为图6-31S处接收到的微粒Q散射光的频率1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.5.2 6.5.2 差频法测速差频法测速1.参考光束型多普勒测速 图6-32所示为参考光束型测速方法的光路的原理图。图6-

124、32参考光束型多普勒测速光学系统设 和 分别表示参考光和散射光的电矢量的瞬时值 则 合成光强I应正比于合成电矢量的模平方，由四项组成 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.5.2 6.5.2 差频法测速差频法测速1.参考光束型多普勒测速 光电倍增管实际感受到的合成光强可表示为 光电倍增管输出的光电流正比于它接收到的光强，用复指数函数的实部表达它的规律为 多普勒频移为 如图6-32可得若入射光在真空中的波长为i，则有1.1 光的波粒二象性光的波粒二

125、象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.5.2 6.5.2 差频法测速差频法测速2. 双散射光束型多普勒测速 双散射光束型测速方法是通过检测在同一测量点上的两束散射光的多普勒频差来确定被测点处流体的流速的。如图6-33所示为干涉条纹型。 图6-33双散射光束型多普勒测速光学系统1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.5.3 6.5.3

126、 激光多普勒测速技术的应用激光多普勒测速技术的应用1. 血液流速的测量 图6-34是激光多普勒显微镜光路图 图6-34激光多普勒显微镜的光路图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.5.3 6.5.3 激光多普勒测速技术的应用激光多普勒测速技术的应用2. 管道内水流的测量 图6-36是测量圆管或矩形管内水流速度分布的多普勒测量系统原理图，采用的是最典型的双散射型测量光路。 图6-36测量管道内水流速度分布的激光多普勒测速系统原理图图6-35是光纤多

127、普勒测速仪原理图 图6-35用于血液流速测量的光纤激光多普勒测速仪原理图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.6.1 6.6.1 环形激光精密测角环形激光精密测角1. Sagnac效应和角速度测量 环形干涉仪的sagnac效应如图6-37所示,干涉仪不动时，顺时针和反时针传播一周所需时间相同，即图6-37环形干涉仪的Sagnac效应当干涉仪转动时（转速 ），对于随着干涉仪转动的观察者来说，两束光（顺时针和反时针）传播的时间分别为二者之差为 1.1

128、 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.6.1 6.6.1 环形激光精密测角环形激光精密测角2. 环形激光器 激光共振腔的共振频率为在环行腔的情况下传播一圈的光程为L，即 图6-38环形干涉仪激光器系统示意图由于逆向传播的两束激光的光程不同，具有不同的振荡频率，应该满足 图6-38为环形激光器的示意图3. 环形激光精密测角 基于上述拍频公式，如果从t1时刻到t2时刻，环形激光器转过角，在这一段时间间隔内累计的拍频条纹数可以用转角来表示 1.1 光的波粒二

129、象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录6.6.2 6.6.2 光纤陀螺光纤陀螺1.光纤陀螺也是基于Sagnac效应。以长度为的光纤绕成直径为的由个圆圈组成的光纤圈，其直径和圆面积可以分别表示为： 图6-39光纤陀螺仪示意图光程差则可以表示为 6.7 6.7 激光环境测量激光环境测量1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.1

130、 7.1 激光热加工原理激光热加工原理1.无论是哪一种激光加工的方法，都要将一定功率激光束聚焦于被加工物体上，使激光与物质相互作用。在不同激光参数下的各种加工的应用范围如图7-1示图7-1各种参数条件下激光加工的可能应用和影响1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.1 7.1 激光热加工原理激光热加工原理1.对激光与材料的相互作用过程的物理描述可以分为以下四个方面：(1) 材料对激光的吸收激光热加工时首先发生的是材料对激光能量的吸收。透入材料内部的

131、光能主要对材料起加热作用。不同材料对不同波长激光吸收率不同。假设材料表面反射率为R，则吸收率为 当激光由空气垂直入射到平板材料上时，根据菲涅尔公式，反射率为 (2) 材料的加热设入射激光束的光功率密度为qi，材料表面吸收的光功率密度为q0 ，则有 激光从表面入射到材料内部深度为处的光强 一般将激光在材料内的穿透深度定义为光强降至I0/e时的深度，因而穿透深度为1/a 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.1 7.1 激光热加工原理激光热加工原理(

132、2) 材料的加热为了得到加热阶段的温度分布，必须求解热传导微分方程。对于各向同性的均匀材料，激光加热的热传导偏微分方程的一般形式为 如果光功率的损耗全部变成热量，则有 从理论上讲，根据加工时的各工艺参数以及初始条件，可以解出加工过程中激光照射区的温度场分布。但实际加工时，各方面的因素使热传导方程的求解十分困难 简化：如果半无限大（即物体厚度无限大）物体表面受到均匀的激光垂直照射加热，被材料表面吸收的光功率密度不随时间改变，而且光照时间足够长，以至被吸收的能量、所产生的温度、导热和热辐射之间达到动平衡，此时圆形激光光斑中心的温度可以由下式确定 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐

133、辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.1 7.1 激光热加工原理激光热加工原理(2) 材料的加热如果光照时间为有限长(s)，考察点离开表面的距离(cm)也不为零，此时圆形激光光斑中心轴线上考察点的温度为 进一步假设照射激光是高斯光束，且入射到表面上的光束有效半径为，则激光光斑的功率密度可用离开中心的距离表示为 持续加热得到的光斑中心的温度最大值为 (2) 材料的熔化与汽化激光功率密度过高，材料在表面汽化，不在深层熔化；激光功率密度过低，则能量会扩散到较大的体积内，使焦点处熔化的深度很小1.1 光的

134、波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.1 7.1 激光热加工原理激光热加工原理(4) 激光等离子体屏蔽现象如图7-2所示，为等离子云变化的过程激光作用于靶表面，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激光能量，使温度升高，最后在靶表面产生高温高密度的等离子体。等离子体迅速向外膨胀，在此过程中继续吸收入射激光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。图7-2等离子云变化的过程1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条

135、条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录1.激光淬火技术，又称激光相变硬化，它利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升到相变点以上。当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。 7.2.1 7.2.1 激光淬火技术的原理与应用激光淬火技术的原理与应用2.图7-3 为一台柔性激光加工系统的示意图。它通过五维运动的工作头把激光照射到被加工的表面，在计算机控制下直接扫描被加工表面完成激光淬火图7-3柔性激光加工系统示意图3. 激光淬火可以使工件表层0.1到1.0mm范围内的组织结构和性能发

136、生明显变化。图7-4所示为45钢表面激光淬火区横截面金相组织图图7-4钢表面激光淬火区横截面金相组织图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录4.图7-5所示为该淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲线7.2.1 7.2.1 激光淬火技术的原理与应用激光淬火技术的原理与应用图7-5该淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲线图5.依据激光器的特点不同，激光淬火可分为CO2激光淬火和因素YAG激光淬火。但两者中影响淬硬性能的主要基本相同1)材料成分：是通过材料的淬硬性

137、和淬透性来影响激光淬硬层深度与硬度的。一般说来，随着钢中含碳量的增加，淬火后马氏体的含量也增加，激光淬硬层的显微硬度也就越高，如图7-6所示。图7-6基材含碳量与激光淬火层显微硬度的关系1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.2.1 7.2.1 激光淬火技术的原理与应用激光淬火技术的原理与应用5.依据激光器的特点不同，激光淬火可分为CO2激光淬火和因素YAG激光淬火。但两者中影响淬硬性能的主要基本相同2)激光工艺参数：激光淬火层的宽度主要决定于光斑

138、直径；淬硬层深度由激光功率、光斑直径和扫描速度共同决定；描述激光淬火的另一个重要工艺参数为功率密度，即单位面积注入工件表面的激光功率。为了使材料表面不熔化，激光淬火的功率密度通常低于104Wcm2，一般为1000-6000Wcm2。3)表面预处理状态：一是表面组织淮备，即通过调质处理等手段使钢铁材料表面具有较细的表面组织，以便保证激光淬火时组织与性能的均匀、稳定。如图7-7为原始组织及扫描速度对激光淬硬层深度的影响；二是表面“黑化”处理，以便提高钢铁表面对激光束的吸收率。图7-7原始组织及扫描速度对激光淬硬层深度的影响1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与

139、与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.2.2 7.2.2 激光表面熔凝技术激光表面熔凝技术1.用激光束将表面熔化而不加任何合金元素，以达到表面组织改善的目的。与激光淬火工艺相比，激光熔凝处理的关键是使材料表面经历了一个快速熔化一凝固过程，所获得的熔凝层为铸态组织。工件横截面沿深度方向的组织依次为：熔凝层、相变硬化层、热影响区和基材，如图7-9所示。 图7-9激光熔凝处理后横截面组织示意图2.图7-10给出了激光熔凝处理后，T10钢表面显微硬度沿深度方向的分布。 图7-10T10钢激光熔凝层显微硬度沿淬硬层深度的分布1.1

140、 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.2.3 7.2.3 激光熔覆技术激光熔覆技术1.激光熔覆(Laser Cladding)技术亦称激光包覆、激光涂覆、激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之与基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，以改善其表面性能的工艺。 2.激光熔覆技术具有如下优点图7-11同步送料法激光熔覆示意图3.激光熔覆工艺依据材料的添加方式不同，分为预置涂层法和

141、同步送料法。 4.同步送料法指在激光束照射基材的同时，将待熔覆的材料送入激光熔池，经熔融、冷凝后形成熔覆层的工艺过程。激光熔覆材料包括金属、陶瓷或者金属陶瓷，材料的形式可以是粉末、丝材或者板材，工艺过程如图7-11所示。 。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.2.3 7.2.3 激光熔覆技术激光熔覆技术5.评价激光熔覆层质量的主要指标为：熔覆层厚度、宽度、形状系数(宽度厚度)、稀释率、硬度及其沿深度分布、基板的热影响区深度及变形程度等。典型熔

142、覆层的截面示意图见图7-12 图7-12熔覆层的截面示意图6.激光熔覆层的宽度主要决定于光斑直径；而激光熔覆层的厚度与送粉量、扫描速度、功率密度等参数密切相关。 7.常用激光熔覆材料包括镍基、铁基、钻基、铜基自熔合金、以及上述合金与碳化物(WC、TiC、SiC等)，颗粒组成的金属陶瓷复合粉末以及Al203、ZrO2等陶瓷材料。常用的基材包括钢铁、铝合金、铜合金、镍合金和钛合金等。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录1.激光打孔原理：激光打孔机的基

143、本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘（图7-13）。加工头将激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，适当选择各加工参数，激光器发出光脉冲就可以加工出需要的孔。 7.3.1 7.3.1 激光打孔激光打孔图7-13激光打孔机的基本结构示意图2.激光打孔时材料的去除主要与激光作用区内物质的破坏及破坏产物的运动有关。严格分析激光打孔的成因需要解决激光打孔时产生的蒸气和粘性液体沿孔壁流动的动力学问题，这里只根据一些实验关系，建立一个唯象的描述对激光打孔的激光束几何参数和总能量与孔的深度和孔径之间的关系进行估算 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激

144、光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.3.1 7.3.1 激光打孔激光打孔图7-14激光打孔几何原理简图2. 激光打孔的激光束几何参数和总能量与孔的深度和孔径之间的关系进行估算。如图7-14的激光打孔原理简图 如果在t时刻孔的底面半径为r(t)，孔深为h(t)，则有 考虑材料从孔底蒸发，而熔化的液体从孔壁流走，t时刻的能量守衡方程为 当 时，可以近似解出用激光加工的总能量表示的孔深度和孔径为 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下

145、一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.3.1 7.3.1 激光打孔激光打孔图7-14离焦量对打孔质量的影响3. 激光打孔工艺参数的影响 脉冲宽度对打孔的影响 ：脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄脉冲能够得到较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔的表面粗糙度变大，尺寸精度下降。 激光打孔中离焦量对打孔的影响当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大降低，以至打成盲孔（图7-15）。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要

146、要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.3.1 7.3.1 激光打孔激光打孔3. 激光打孔工艺参数的影响 被加工材料对打孔的影响 脉冲激光的重复频率对打孔的影响用调Q方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。4.应用实例：用激光加工系统打薄板筛孔 图7-15薄板打孔效果图1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一

147、章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.3.2 7.3.2 激光切割激光切割1. 激光切割的原理与特点 切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于0.1mm）使焦点处达到很高功率密度（可超过106W/cm2）。如图7-17所示为激光切割头的结构，除了透镜以外它还有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴。 2. 激光切割的特点图7-15激光切割头的结构示意图3. 激光切割分类及其机理 汽化切割:工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所

148、需激光功率密度一般为108/cm2左右，是无熔化材料的切割方式 熔化切割: 激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为107/cm2左右 氧助熔化切割: 金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.3.2 7.3.2 激光切割激光切割

149、4. 激光切割的工艺参数及其规律激光切割的工艺参数及其规律 激光功率: 激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。 切割速度: 在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表面粗糙度也有较大影响。 喷嘴：喷嘴是影响激光切割质量和效率的个重要部件。激光切割一般采用同轴(气流与光轴同心)喷嘴，喷嘴出口直径大小应依据板厚加以选择。另外，喷嘴到工件表面的距离对切割质量也有较大影响，为了保证切割过程稳定，这个距离必须保持不变。 气体的压力：在功率和切割材料板厚一定时，有一最佳切割气体流量，这时切割速度最快。随着激光功率的增加，切割气体的最佳流量是增大的。 光束在质量、透镜焦距和

150、离焦量：激光器输出光束的模式为基横模时对激光切割最为有利。光斑大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦距的透镜虽然可以得到较小光斑，但焦深很小。离焦量对切割速度和切割深度影响较大，切割过程中必须保持不变，一般离焦量选用负值，即焦点位置置于切割板面下面某一点。 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.3.2 7.3.2 激光切割激光切割5.工业材料的激光切割工业材料的激光切割 金属材料的激光切割:二氧化碳激光器成功的用于许多金属的切割实践；利用氧助熔化切割方

151、法切割碳钢板的切缝可控制在满意的宽度范围内 ；大多数合金结构钢和合金工具钢都能够用激光切割方法得到良好的切边质量 ；铝及铝合金不能用氧助熔化切割而要熔化切割机制 ；飞机制造业常用的钛及钛合金采用空气作为辅助气体比较稳妥，可以确保切割质量；大多数镍基合金也可实施氧助熔化切割；铜及铜合金反射率太高，基本上不能用10.6的二氧化碳激光进行切割。 非金属材料的激光切割：塑料、橡胶、木材、纸制品、皮革、天然织物及其它有机材料都可以用激光进行切割，但是木材的厚度需有所限制。无机材料中石英和陶瓷可以用激光进行切割，后者宜用控制断裂切割且不可使用高功率。玻璃和石头一般不宜用激光切割。 1.1 光的波粒二象性光

152、的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录1. 激光焊接是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。它和传统的焊接技术一样，通过将材料连接区的部分熔化而将两个零件或部件连接起来。 图7-19阴极芯的激光焊接设备原理图1:光束分束器；2:聚焦透镜；3：阴极芯2.激光焊接相对于传统方式的优点： 1）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料实施焊接。2）在激光焊接过程中无机械接触,易保证焊接部位不因热压缩而发生变形3）激光束易于控制的特点使得焊接工作

153、能够更方便的实现自动化和智能化。3. 图7-19所示为一种显象管阴极芯的激光焊接设备原理 4. 激光焊接主要有热导焊和深熔焊两种。热导焊采用的激光功率为105w/cm2 左右，是靠热传导进行焊接的，焊缝深度小于2.5mm，焊缝的深宽比最大为3：1。深熔焊采用的功率密度在106107w/cm2 之间，焊缝的深宽比最大可达12：1 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.4.1 7.4.1 激光热导焊激光热导焊1. 激光热导焊热导焊时，激光辐射能量作用

154、于材料表面，激光辐射能在表面转化为热量。表面热量通过热传导向内部扩散，使材料熔化，在两材料连接区的部分形成溶池。溶池随着激光束一道向前运动，溶池中的熔融金属并不会向前运动。在激光束向前运动后，溶池中的熔融金属随之凝固，形成连接两块材料的焊缝。 2. 激光热导焊的工艺及部分参数 激光热导焊的连接形式：片状工件的焊接形式有对焊、端焊、中心穿透熔化焊等 激光功率密度：如激光功率密度低则熔深浅、焊接速度慢。图720是热导焊接不锈钢时熔化深度、扫描速度与激光功率密度的关系 图7-20激光热导焊焊接不锈钢时功率与焊接速度、熔化深度的关系1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概

155、要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.4.1 7.4.1 激光热导焊激光热导焊2. 激光热导焊的工艺及部分参数脉冲激光热导焊的脉冲宽度：脉冲宽度影响到焊接熔深，热影响区的宽度等焊接的质量要求。脉宽时间长，焊接熔深热影响区都大，反之则小。因此，要根据激光功率的大小，要求的焊接熔深和热影响区的宽度大小来适当选择脉冲宽度。 离焦量对焊接质量的影响：因为焦点处激光光斑中心的光功率密度过高，激光热导焊通常需要一定的离焦量，使得光功率分布相对均匀。离焦方式有两种，焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。在实际应用中，要求熔深

156、较大时采用负离焦，焊接薄材料时宜用正离焦。此外离焦量还直接影响到焊逢的宽度。 脉冲激光热导焊的脉冲波形：激光热导焊也可以用脉冲激光来完成，其脉冲波形对于焊接质量也有很大的影响。焊接铜、铝、金、银等高反射率的材料，为了突破高反射率的屏障，使金属瞬间熔化把反射率降低下来，实现后续的热导焊过程，需要脉冲带有一个前置的尖峰。而对于铁、镍、钼钛等黑色金属，表面反射率较低，应采用较为平坦或平顶的波形。1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页第一章第一章回目录回目录7.4.2 7.4.2

157、激光深熔焊激光深熔焊1. 激光深熔焊的原理当激光功率密度达到106107Wcm2时，功率输入远大于热传导、对流及辐射散热的速率，材料表面发生汽化而形成匙孔，孔内金属蒸汽压力与四周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。 2. 激光深熔焊工艺参数 临界功率密度：深熔焊时，功率密度必须大于某一数值，才能引起小孔效应。这一数值，称为临界功率密度。不同材料具有不同的临界功率密度的大小。因此决定了各种材料进行激光深熔焊的难易程度。 激光深熔焊的熔深 ：激光深熔焊熔深与激光输出功率密度密切相关，也是功率和光斑直径的函数。在一定的激光功率下，提高焊接速度，热输入下降，焊接熔深减少。对于

158、给定的激光功率等条件，存在一维持深熔焊接的最小焊接速度。 3. 激光焊接过程中的几种效应 (1) 深熔焊焊接过程中的等离子体（2） 壁聚焦效应（3）净化效应4. 激光焊的优点 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1. 快速成型技术的基本工作原理是离散、堆积。 图7-22立体光造型技术的原理示意图7.5.1 7.5.1 激光快速成型技术的原理及主要优点激光快速成型技术的原理及主要优点2.由于快速成型技术(包括激光快速成型技术)仅在需要增加材料的地方加上材料，所以从设计到制造自动化，从知识

159、获取到计算机处理，从计划到接口、通讯等方面来看，非常适合于CIM、CAD及CAM，同传统的制造方法相比较，显示出诸多优点。 快速性、适合成型复杂零件、高度柔性、高度集成化7.5.2 7.5.2 激光快速成型技术激光快速成型技术1立体光造型技术 立体光造型技术的原理如图7-22所示，是典型的逐层制造法。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术图7-23选择性激光烧结技术基本原理示意图7.5.2 7.5.2 激光快速成型技术激光快速成型技术2选择性激光烧结技术选择性激光烧结技术选择性激光烧结

160、技术与立体光造型技术很相似，也是用激光束来扫描各原材料，但用粉末物质代替了液态光聚合物。选择性激光烧结技术的基本原理见图7-23所示。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术图7-24激光熔覆成型技术原理示意图7.5.2 7.5.2 激光快速成型技术激光快速成型技术3激光熔覆成型技术激光熔覆成型技术 激光熔覆成型技术原理图如图7-24所示，目前用此法制造出复杂截面变换器的零件外形的误差在0.5mm以内（图7-25）。 图7-25激光熔覆的复杂截面变换器4激光近型制造技术激光近型制造技术

161、激光近形制造技术(Laser Engineering Net Shaping，简称LENS)技术，将快速成型技术中的选择性激光烧结技术和激光熔覆成型技术结合了起来。激光近形制造技术的基本原理如图7-26所示。该系统主要由4部分组成：计算机、高功率激光器、多坐标数控工作台和送粉装置。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术图7-26激光近形制造技术的基本原理示意图7.5.2 7.5.2 激光快速成型技术激光快速成型技术4激光近型制造技术激光近型制造技术 （1） 计算机 用于建立待制作零件的

162、CAD模型，将零件的CAD模型转换成STL文件，对零件的CAD模型进行切片处理，生成一系列具有一定厚度的薄层，并形成每一层薄层的扫描轨迹，以便控制多坐标数控工作台运动。 （2）高功率激光器 使用的是高达几千瓦到十几千瓦功率的CO2激光器，而不像选择性激光烧结技术中所用的CO2激光器只有50瓦。 （3）多坐标数控工作台 采用多坐标数控工作台的运动实现扫描：在工作台上的零件除能够沿着X,Y轴方向运动外，还可以绕X,Y轴转动。 （4）送粉装置 送粉装置是激光近形成型制造系统中非常重要并具有特点的一个部分。送粉装置性能的好坏决定了零件的制作质量。对送粉装置的基本要求是能够提供均匀稳定的粉末流。送粉装置

163、有两种形式：侧向送粉装置和同轴送粉装置。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术7.5.2 7.5.2 激光快速成型技术激光快速成型技术5薄片叠层制造技术薄片叠层制造技术 薄片叠层制造技术是一种常用来制作模具的新型快速成型技术。其工作原理就是，首先用大功率激光束切割金属薄片。然后将多层薄片叠加，并使其形状逐渐发生变化，最终获得所需原型(模具)的立体几何形状（图7-27）。 图7-27薄片叠层制造技术原理示意图上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章

164、 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术7.5.3 7.5.3 激光快速成型技术的重要应用激光快速成型技术的重要应用 1用于制造复杂形状的零件用于制造复杂形状的零件 特别适合于在航天航空工业中制作大型带加强筋的整体薄壁结构零件。 2快速制造原型快速制造原型 可以在极短的时间内设计制造出零件的原型，进行外观、功能和运动上的考核，发现错误及时纠正，避免由于设计错误而带来的工装、模具等浪费。 3用于制造多种材料或非均质材料的零件用于制造多种材料或非均质材料的零件 4用于制造活性金属的零件用于制造活性金属的零件 由于激光快速成型制造能够提供良好的工作气氛环境，材料浪费少，所以

165、可以用于加工活性金属(如钛、钨、镍等)及其他的特殊金属。 5用于小批量生产塑料制件用于小批量生产塑料制件 6用于制造各种模具或模型用于制造各种模具或模型 选择性激光烧结技术在航空工业中最有发展前途的应用，就是快速制造精密铸造中的陶瓷模壳和型芯。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1.激光洁洗技术是指采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、颗粒、锈斑或者涂层等附着物发生瞬间蒸发或者剥离、从而达到洁净化的工艺过程。 7.6.1 7.6.1 激光清洗技术激光清洗技术2.与普通的化学清洗法

166、和机械清洗法相比激光清洗具有如下特征： （1）它是一种完全的“干式”清洗过程，不需要使用清洁液或者其它化学溶液，是一种“绿色”消洗工艺，并且清洁度远远高于化学清洗工艺； （2）清洗的对利象范围很广。 （3）激光清洗适用于几平所有固体基材。 （4）激光清洗可以方便地实现自动化操作，还可利用光纤将激光引入污染区，操作人员只需远距离遥控操作、非常安全方便，这对于一些特殊的应用场合，如核反应堆冷凝管的除锈等，具有重要的意义。 7.6.2 7.6.2 激光弯曲激光弯曲1. 激光弯曲是一种柔性成形新技术，它利用激光加热产生不均匀的温度场诱发热应力代替外力实现金属板料的成形。 上一页上一页 回首页回首页 下

167、一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1.假设生物体中入射的单色平行光强度为I0。若生物体是均匀的吸收物质（ a0为吸收系数，见图8-1 ），入射深度为x处的光强度I为8.1.1 8.1.1 生物体的光学特性生物体的光学特性在不能忽略散射的条件下，上式可用衰减系数at和散射系数as改写为 图8-1生物体中的光衰减特性上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术2.如图8-2（a）所示，单一微粒所引起的光散射在所有方向

168、上都存在。但是如图8.2（b）所示的多重散射时（反复多次散射），光在生物体内扩散，变得近似于各向同性散射。 8.1.1 8.1.1 生物体的光学特性生物体的光学特性图8-2生物体中散射光的特性上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术3.如图8-3所示为生物体与光的各种相互作用的示意图8.1.1 8.1.1 生物体的光学特性生物体的光学特性图8-3生物体与光的各种相互作用的示意图4. 由图8-4可知，在7001500nm范围的红外光谱带上吸收比较少，因此该光谱带称为生物体光谱学之窗。 图8-

169、4软组织上各种物质的吸收系数与波长的关系上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术5.图8-5所示的是软组织中各种激光波长的光渗透长度的大致数量。光渗透长度在近红外附近较大，在3m以上的红外域或300nm以下的紫外域中较小。组织的种类不同，光渗透长度对波长的依赖性也变化。 8.1.1 8.1.1 生物体的光学特性生物体的光学特性图8-5软组织中各种激光的穿透深度上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成

170、成型型技技术术1.激光对生物体的作用是医学应用的物理基础。激光对于受照射的组织有四方面的作用即热力作用(thermal action)、机电作用(electro-mechanical action)、激光消融作用(photoablative action)和光化学作用(photochemical action)。 8.1.2 8.1.2 激光对生物体的作用激光对生物体的作用2.各种不同波长的低功率密度的激光照射生物体时，对生物体的刺激作用和提高非特异性免疫功能，可使局部血管扩张，血液循环改变，改善组织的缺氧状态并减轻慢性炎症反应促使炎症吸收好转。 8.1.3 8.1.3 激光对生物体的作用激光

171、对生物体的作用对生物体应用激光的优点有以下四个方面：首先，人们日常工作生活在表现为光的电磁场中，除特殊情况外光对生物体的害处是很少的。其次，在医学上利用激光在大气中直线传播的特性，可以非接触地对生物体应用，又可以利用光导纤维将激光导入到生物体的深部；第三，利用激光的高度的方向性，将其会聚成极小的点，使微观的、精细的治疗和高空间分辨率的测定成为可能。最后，光与生物体进行着极其多种多样的相互作用，至今被利用的还只是很少的一部分，还需要今后开发更加多种多样的新的应用。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成

172、成型型技技术术1.临床上激光的用途不外乎切割、分离；汽化、融解；烧灼、止血；凝固、封闭；压电碎石；局部照射等，这些治疗种类就是利用激光对生物体的光热作用、压电作用和光化学作用。 8.2.1 8.2.1 激光临床治疗的种类与现状激光临床治疗的种类与现状2. 激光在焦平面上的光点最小，激光能量最集中。激光束经聚焦后形成极小的光点，由于能量或功率的高度集中，人们把它当作手术刀用来切割组织。激光的高温还起了杀菌的作用。 3.高功率输出的二氧化碳激光，光点具有200摄氏度以上的高温和一定的压强，不但能熔融而且具有极强的穿透破坏作用。激光的光点聚焦后异常细小的组织可以极精确地消除。 4.激光经过聚焦后会产

173、生极大的功率密度，是一种很好的烧灼工具。 5.激光止血效果也很令人满意，激光止血方法比目前所应用的电烙法快60倍，失血量大大减少。 6.激光是非常可靠的黏着工具，眼科利用激光凝结视网膜剥离症和眼内封闭止血已经有几十年的历史。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1.激光治疗是适当地调整照射条件,在不损坏正常组织的情况下,有选择地破坏病变组织的治疗方法。痔的种类和部位（深度）不同时，激光照射条件也大不一样，因此治疗前准确地进行诊断是很重要的问题。图8-6所示为皮肤组织。 8.2.2 8.

174、2.2 激光在皮肤科及整形外科领域中的应用激光在皮肤科及整形外科领域中的应用图8-6皮肤的断面构造示意图上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1. 眼底治疗 8.2.3 8.2.3 激光在眼科中的应用激光在眼科中的应用图8-7眼的构造图8-7所示的是眼构造，图8-8中所示的是眼睛对光的聚光特性。 图8-8眼睛中光的聚光特性示意图上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术2. 近视治疗中

175、的应用 8.2.3 8.2.3 激光在眼科中的应用激光在眼科中的应用图8-9激光角膜手术的示意图治疗近视是利用烧蚀对角膜表面进行精密加工，控制折光率（矫正）的过程。图8-9所示为采用激光角膜手术的示意图。 目前近视矫正有对角膜表面进行二维切削手术使其曲率半径增大（作成平坦的）的PRK（photorefractive keratectomy）方法和将角膜表面放射状切开的RK(radial keratotomy)方法两种。但目前以副作用小的PRK方法为主流。光源一般采用能得到高质量烧蚀表面的193nmArF准分子激光器。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七

176、章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1. 1986年首先报道了激光前列腺切除术，但真正广泛的应用是在1990年后角度光导纤维的发明后。自此，各种光导纤维和激光设备都被尝试用来进行此项手术。最常用的激光是Nd：YAG激光，当然其他激光如KTP:YAG激光、半导体二极管激光和最近的Ho：YAG激光都可用来治疗BPH。 8.2.4 8.2.4 激光在泌尿外科中的应用激光在泌尿外科中的应用2.有以下三种技术用来切除前列腺 （1）经尿道激光尿道激光诱导的前列腺切除的前列腺切除术（Transurethral laser-induced Transurethral lase

177、r-induced prostatectomyprostatectomy,TULIP,TULIP） （2）直直视下激光前列腺消融下激光前列腺消融术（Visual laser ablation of the Visual laser ablation of the prostate,VLAPprostate,VLAP） （3）间质内凝固（内凝固（Interstitial coagulation ,ILCInterstitial coagulation ,ILC） 该方法使用特殊的光导纤维，能够反复、直接地刺入前列腺，照射后能够产生大范围的凝固性的坏死及其后的萎缩，而且组织不会发生腐烂现象 使用侧

178、面发射光导纤维，以造成有效的凝固性坏死和组织汽化。Nd：YAG激光通过几种不同的光导纤维传送均有报道。UrolaseTM是目前使用和评价最多的非接触性纤维，它能够在预先设定的点上通过照射造成组织的凝固。 该系统包括经尿道进入的激光探针(偏屈的光束可以达到90)，一个7.5MHz适时超声换能器以及一个Nd：YAG激光发生器。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1.目前，激光在耳鼻喉科领域的研究，主要包括两个方面：内耳耳蜗方面的显微外科和气管激光手术。 8.2.5 8.2.5 激光在耳鼻

179、喉科中的应用激光在耳鼻喉科中的应用1.在影像学设施的导引下，通过经皮穿刺针将置于其内的光导纤维送到实质性器官的病损中心，并通过此设备传导激光。本治疗方法成功的关键在于将光导纤维放置到正确的部位，恰到好处地将治疗的部位和所使用激光造成坏死的程度进行严格匹配，并确认正常和不正常的区域都能够安全地愈合。所以整个过程取决于显像。 8.2.6 8.2.6 最新的技术间质激光光凝术最新的技术间质激光光凝术2.乳房癌是一种潜在的应用领域。最吸引人的是，对于小的乳房癌使用间质激光光凝技术可以取代肿块切除术，这样不会留下疤痕或者外观畸形，同时因为方法简单，可以作为门诊手术在局麻下进行。 3.间质激光光凝术主要应

180、用于任何实质性器官的明确定性的病损，而且该技术可以被良好地定位，对于周围正常组织也没有任何不良损害。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1.某些光敏感性物质具有肿瘤亲和性，因此给癌症患者静脉注射这种光敏感性物质，经一定时间后，在病变部位照射激光。可以有选择地破坏癌症细胞，这种方法称为光动力治疗（PDT:photodynamic therapy）或光化学治疗。 8.2.7 8.2.7 光动力学治疗光动力学治疗2.使用的光敏感性物质有血卟啉衍生物（HpD），如图8-11所示，它在紫外域上

181、具有称为Soret带的强的吸收带，又在可见域中具有称为Q带的弱的吸收带。 图8-11光敏感物质(血卟啉衍生物（HpD）的吸收光谱上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术3.图8-12中所示的是光动力治疗的反应机制的示意图。 8.2.7 8.2.7 光动力学治疗光动力学治疗图8-12光动力治疗的反应机制的示意图上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1. 利用近红外光谱的代谢功能测量 8

182、.3.1 8.3.1 利用激光的生物体光谱测量及诊断利用激光的生物体光谱测量及诊断如图8-13所示，血红蛋白被氧化的状态(oxy-Hb)与脱氧化的状态(deoxy-Hb)的吸收光谱具有微妙差别。在600800nm范围氧化血红蛋白的吸收小而呈鲜红色，而在800nm以上脱氧化血红蛋白的吸收小，从测量它们各自吸收率的不同可以知道组织的氧化程度。 图8-13血红蛋白的吸收光谱上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术2. 利用荧光光谱确定病变部位 8.3.1 8.3.1 利用激光的生物体光谱测量及诊

183、断利用激光的生物体光谱测量及诊断在生物体组织上照射激光时病变部位显示特有的荧光，根据此荧光就能确定病变部位。采用NPe6做光敏感性物质。如图8-14所示，利用符合它的吸收带范围的光来激励，则发出在662nm处出现峰值的荧光（磷酸溶液中）。 图8-14光敏感性物质NPe6（mono-L-aspartyl chlorine 6）的吸收光谱与荧光光谱 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1. 光学计算机断层术即光学CT（optical computed tomography） 8.3.2 8

184、.3.2 激光断层摄影激光断层摄影（1）X射线CT围绕人体旋转小型X射线源，由检测器阵列测定X射线透射量后进行数字化，再对这些数据以特定的算法（CT算法）利用计算机求解后构成断层像（tomography）。如图8-15所示，光从A点入射到生物体内，在点B上观察透射光，此时透射光中包含着三种不同的光线，一种是受到散射后向任意方向散射的成分；第二种是具有较小的散射角且向前传播的成分；第三种是向前透射直线传播的成分。为了实现光学CT必须检测出第三种直线传播的透射成分的光。 图8-15透过生物体（散射介质）中的光示意图 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章

185、激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1. 光学计算机断层术即光学CT（optical computed tomography） 8.3.2 8.3.2 激光断层摄影激光断层摄影（2）直线传播光的透射光强非常小，因此问题在于如何将这样的信号选择出来进行高灵敏的检测。目前最有效的方法是光外差探测方法。 图8-16利用外差法的光学CT检测的实验装置 （3）所谓的外差探测法，一般是对两个不同频率的光波（信号波与参考波）进行混合后检测拍频信号的方法。将激光束分为参考光与入射到生物体试样的信号光。给予参考光一定的频移后与信号光混合（参见图8.15），多次散射得到的光与参考光偏振

186、方向不一致，不会产生拍频信号，因此检测出的拍频信号是直线传播光与参考光干涉的结果。利用外差法的光学CT检测的实验装置如图8-16 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术2. 光学相干层析术即光学OCT（optical coherence tomography） 8.3.2 8.3.2 激光断层摄影激光断层摄影（1）光学相干层析术的原理如图8-17所示，其基本结构为迈克耳孙干涉仪。OCT把光分成两束信号光与参考光，其中信号光聚焦后照射到组织内得到向后散射光，参考光在压电陶瓷等器件调制的反射

187、镜上反射回来得到光程调制。两束光进行干涉后用外差探测法检测。 图8-17 光学相干层析术OCT原理图上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术2. 光学相干层析术即光学OCT（optical coherence tomography） 8.3.2 8.3.2 激光断层摄影激光断层摄影（2）利用如图8-18所示的石英光纤传光的干涉仪，还有可能用导管等得到生物体内部组织的断层图像。 图8-18利用光纤干涉仪的OCT（optical coherence tomography）的装置示意图上一页上一

188、页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1. 激光共焦显微镜 8.3.3 8.3.3 激光显微镜激光显微镜（1）图8-19所示为激光共焦显微镜（laser confocal microscope）的原理图。从点光源（激光）发出的光经过透镜聚光后照射到试样内的观察点上，此时在试样内形成照射光的斑点，利用物镜通过空间滤波器使这些斑点在检测器上成像。 图8-19激光共焦显微镜的原理图 （2）以上用透射型模型说明了其原理，但实际上采用如图8-20所示的反射型结构。 图8-20反射型激光共焦显微镜的原理图 上

189、一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术2. 近场光学显微镜 8.3.3 8.3.3 激光显微镜激光显微镜（1）图8-21所示的是近场光学显微镜与通常的显微镜的示意图。两者基本结构相似，但近场光学显微镜在离试样表面很近处存在探头，该探头起着实现超分辨率的关键作用。 图8-21近场光学显微镜（a）与通常光学显微镜（b）的示意图 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1.固体激光器 8.4

190、.1 8.4.1 医用激光光源医用激光光源固体激光器所使用的是晶体和非晶体类型的工作物质，大体上可分为氟化物、盐类和氧化物三大类。临床上常用的是红宝石激光器和掺钕钇铝石榴石激光器（Nd：YAG），可用作手术刀和照射治疗等方面。2.气体激光器 (1)惰性原子气体激光器 (2)分子气体激光器 （3）离子气体激光器 3.半导体激光器 半导体激光器的工作物质是半导体，作为半导体激光的材料有几十种，医学上常用的是砷化镓、铝砷化镓等。 4.液体激光器 液体激光器主要是指有机液体激光器，常用的是染料激光，输出波长连续可调（通过变换工作物质的成分、浓度等方法）、工作物质多（已有一百多种染料中得到受激发射），而

191、且可以得到连续或者高重复频率的振荡，所以用途相当广泛。上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1.光纤（实心光纤） 8.4.2 8.4.2 医用激光传播用光纤医用激光传播用光纤（1）医用激光的光束直径通常是数十至数百微米，因此一般采用多模光纤。激光以很小的光束直径聚光时，功率密度过高会引起光纤材料的损伤。由于这种限制，常常不能使用细光纤。 （2）实用上，目前最广泛使用的是石英玻璃光纤，如图8-22所示1m附近损失最低，适合用于Nd：YAG激光器等的近红外激光的传播。 图8-22石英玻璃光纤

192、的损失光谱 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1.空心光纤 8.4.2 8.4.2 医用激光传播用光纤医用激光传播用光纤（1）空心光纤是用空气（或气体）作为芯的细管状的纤维，激光在这种管内壁上边反射边传播。这种空心光纤除了光纤端部没有反射损失，因而能得到很高的传播效率。 （2）空心光纤的典型结构如图8-23表示。图8-23（a）为金属矩形空心波导，它的研究历史最长。目前作为高功率激光传播光路，有望的是图8-23（b）及图8-23（c）的形状。图8-23（b）为单晶Al2O3空心波导。

193、图7-23（c）为金属内壁上涂覆透明电介质的空心光纤，光纤的支撑管可采用金属或玻璃。 图8-23空心光纤的结构 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1.光纤通信对半导体激光器光源的要求 9.1.1 9.1.1 半导体激光器半导体激光器半导体激光器是激光器中的一个大家族。它与固体激光器、气体激光器以及其它类型的激光器相比，具有体积小、重量轻、电光转换效率高、可以直接调制、使用方便等优点，因此它非常适用于光纤通信之中。图9-1给出了光发射端机的工作原理。 2. 作为通信光源的半导体激光器

194、半导体激光器是光纤通信用的主要光源，由于光纤通信系统具有不同的应用层次和结构，因而需要不同类型的半导体激光器。 图9-1光发射端机组成方框图 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.1.1 9.1.1 半导体激光器半导体激光器2. 作为通信光源的半导体激光器 (1) 法布里珀罗激光器 法布里珀罗激光器（FP-LD）是最常见、最普通的半导体激光器，它的谐振腔由半导体材料的两个解理面构成。目前光纤通信上采用的FP-LD的制作技术已经相当成熟。FP-LD的结构和制作工艺最简单，成本最低，适用

195、于调制速度小于622Mbit/s的光纤通信系统。(2)分布反馈半导体激光器 #实现动态单纵模工作的最有效的方法之一就是在半导体内部建立一个布拉格光栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选择。分布反馈布拉格半导体激光器（DFB-LD）的特点在于光栅分布在整个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增益，因此其单色性优于一般的FP-LD。 图9-2DFB-LD结构示意图 #在DFB-LD制作技术的发展过程中，人们发现直接在有源层刻蚀光栅会引入污染和损伤，于是又提出了图9-2所示的DFB-LD结构上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光

196、光快快速速成成型型技技术术9.1.1 9.1.1 半导体激光器半导体激光器2. 作为通信光源的半导体激光器 (3)分布布拉格反射半导体激光器 考虑到布拉格光栅反射性好的特点，将光栅置于激光器谐振腔的两侧或一侧，增益区没有光栅，光栅只相当于一个反射率随波长变化的反射镜，这样就构成了DBR-LD。其中，三电极DBR-LD是最典型的基于DBR-LD的单模波长可调谐半导体激光器，其原理性结构如图9-3。 图9-3三电极DBR-LD结构示意图 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.1.1 9.

197、1.1 半导体激光器半导体激光器2. 作为通信光源的半导体激光器 (4)垂直腔面发射激光器 光数据传输和交换的多通道往往需要能够二维集成的器件，而垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一个很好的选择。它与边发射激光器最大的不同点是：出射光垂直于器件的外延表面，即平行于外延生长的方向。图9-4为其典型结构图，其上下分别为分布布拉格反射（DBR）介质反射镜，中间（InGaAsN）为量子阱有源区，氧化层有助于形成良好的电流及光场限制结构，电流由P、N电极注入，光由箭头方向发出。 图9-4VCSEL的典型结构示意图上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加

198、加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.1.2 9.1.2 光纤激光器光纤激光器1. 光纤激光器的基本原理及其特点 (1)基本原理 光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光子跃迁的泵浦源三部分组成。 图9-5光纤激光器原理示意图以纵向泵浦的光纤激光器（如图9-5）为例说明光纤激光器的基本原理 (2)特点 耦合效率高基于激光介质本身就是导波介质；光纤纤芯很细，纤内易形成高功率密度，可方便地与光纤传输系统高效连接。由于光纤具有很高的“表面积/体积”比，散热效果好，因此光纤激光器具有很高的转换效率，很低的激光阈

199、值，能在不加强制冷却的情况下连续工作。又由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可以设计得相当小巧灵活，利于光纤通信系统的应用，同时可借助光纤方向耦合器构成各种柔性谐振腔，使激光器的结构更加紧凑、稳定。光纤还具有相当多的可调谐参数和选择性，能获得相当宽的调谐范围和相当好的色散性和稳定性。上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.1.2 9.1.2 光纤激光器光纤激光器2.光纤激光器的分类及应用 (1)稀土类掺杂光纤激光器 光纤激光器种类很多，如按光纤结构可分为：单包层光纤激光器和双包层光纤激光器

200、；按掺杂元素可分为：掺铒、钕、镨、铥、镱、钬等15种； 图9-6受激拉曼散射光纤激光器示意图 稀土元素包括15种元素，在元素周期表中位于第五行。目前在比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有：铒（Er3+）、钕(Nd3+)、镨(Pr3+)、铥(Tm3+)、镱(Yd3+)。 (2)光纤受激拉曼散射激光器 这类激光器与掺杂光纤激光器相比具有更高的饱和功率，且没有泵浦源限制，在光纤传感、波分复用（WDM）及相干光通信系统中有着重要应用。一种简单的全光纤受激拉曼散射激光器见图9-6所示，这是一种单向环形行波腔，耦合器的光强耦合系数为K。一般典型的受激拉曼分子主要有GeO2、SiO2、P2O5。 上一页上一

201、页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.1.2 9.1.2 光纤激光器光纤激光器2.光纤激光器的分类及应用 (3)光纤光栅激光器 图9-7DBR光纤光栅激光器基本结构示意图DBR光纤激光器基本结构如图9-7所示，利用一段稀土掺杂光纤和一对相同谐振波长的光纤光栅构成谐振腔，它能实现单纵模工作。 DFB光纤光栅激光器基本结构如图9-8所示，在稀土掺杂光纤上直接写入的光栅构成谐振腔，其有源区和反馈区同为一体。 图9-8DFB光纤光栅激光器基本结构示意图 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页

202、回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.1.3 9.1.3 光放大器光放大器1.光放大器是放大光信号的器件，它在光纤通信领域中的主要功能有图9-9光放大器在干线光纤通信系统中的应用示意图2.图9-9为光放大器在干线光纤系统中的应用示意图。图中（a）为无中继系统，图（b）中采用光放大器作功率放大器和接收机前置放大器图（c）为线内多中继系统。图（d）中用光放大器作为在线中继放大器或1R（仅有整形功能）中继器 （1）光功率提升放大。将光放大器置于光发射机前端，以提高入纤的光功率。（2）在线中继放大。在光纤通信系统中取代现有的中继器。 （3

203、）前置放大。在接收端的光电检测器之前先将微弱的光信号进行预放，以提高接收的灵敏度。上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.1.3 9.1.3 光放大器光放大器3.光纤通信中主要的光放大器有以下几类：1、半导体激光放大器（SLA）；2、掺稀土光纤放大器，如掺铒光纤放大器(EDFA)等；3、非线性光纤放大器，如光纤喇曼放大器等 图9-10TWSLA的基本结构示意图（1）半导体光放大器 图9-10为行波型光放大器的基本结构示意图，行波光放大器的带宽比法布里珀罗型放大器大三个数量级，其3dB带

204、宽可达10THz，因此可放大多种频率的光信号，所以是很有前途的一种光放大器。 行波半导体光放大器其性能:增益带宽、小信号增益、光信号增益对其偏振的灵敏度、饱和输出功率、放大器的噪声性能上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.1.3 9.1.3 光放大器光放大器图9-11掺杂光纤放大器的结构示意图 （2） 掺铒光纤放大器 掺杂（如Er3）光纤放大器的结构如图9-11所示。它由三部分组成：一是长度为几米到几十米的掺杂光纤；二是激光泵浦源；三是耦合器 一个EDFA的完整结构应包括如下几部分：

205、铒石英光纤作为有源介质；高功率泵浦光源； 光纤耦合器，用于信号光与泵浦光的合路；偏振不灵敏光隔离器，用于消除反射抑制振荡；窄带光滤波器，用以降低自发辐射噪声。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.1.3 9.1.3 光放大器光放大器图9-12EDFA的结构示意图 （2） 掺铒光纤放大器 铒光纤及泵浦源是EDFA的关键和研究重点。根据泵浦光和信号光传播方向的相对关系，EDFA的结构又可分为同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。它们的具体结构图分别如图9-12（a）（b）（c）所示。 上一页上

206、一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.1.3 9.1.3 光放大器光放大器图9-13光纤拉曼放大器示意图 （2） 非线性光纤放大器 普通石英光纤在合适波长的强泵浦光作用下会产生强烈的非线性效应，如受激喇曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS），当信号光沿着光纤与泵浦光一起传输时就能把信号光放大（图9-13），从而构成光纤喇曼放大器（FRA）和布里渊放大器（FBA），它们都是分布式光纤放大器。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工

207、技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.2.1 9.2.1 全息术的历史回顾全息术的历史回顾 全息术不断发展，至今已经历三个阶段。从盖伯最早提出全息术的思想之后的十多年，这个时期是全息术的萌芽阶段。这一阶段的全息术主要是理论研究和少量的实验。全息术发展的第二阶段是在1960年激光出现以后。20世纪80年代以后延续至今是全息发展的第三阶段。 （1）全息术不仅记录物体的散射光强，还记录了散射光的相位，能再现原物的立体图像。以下结合图9-14简要地说明全息照相的拍摄和再现原理。全息图的拍摄光路如图9-14(a)所示；图9-14(b)所示的光路为再现光路 图9-14 全息照相的拍摄和再现原

208、理示意图9.2.2 9.2.2 激光全息术的基本原理和分类激光全息术的基本原理和分类 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术（2）全息图的分类有以下六种情况 9.2.2 9.2.2 激光全息术的基本原理和分类激光全息术的基本原理和分类 按照记录介质的膜厚分类，有平面全息图和体积全息图两类；按照投射率函数的特点分类，有振幅型和位相型两类，而位相型又可分为表面浮雕型和折射率型两类；按照记录的物光波特点，可分为菲涅耳全息图、夫琅和费全息图和傅里叶变换全息图三类；按照再现时对照明光的要求，可分为

209、激光再现和白光再现两类。我们在后文将重点介绍这两类；按照再现时观察者和光源的相对位置，可分为透射型和反射型两类；按照显示的再现像特征，有像面全息、彩虹全息、3600全息、真彩色全息等等。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1.白光反射全息图 9.2.3 9.2.3 白光再现的全息三维显示白光再现的全息三维显示白光反射全息图是较为简单的一种白光再现全息图，其记录和再现光路如图9-15所示 。 图9-15 白光反射全息示意图上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回

210、目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术2.像面全息图 9.2.3 9.2.3 白光再现的全息三维显示白光再现的全息三维显示像面全息图需要利用透镜，记录的是物体的几何像。全息图的记录如图9-16a。白光再现如图9-16b。 图9-16 像面全息图的记录与重现上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术3.彩虹全息图 9.2.3 9.2.3 白光再现的全息三维显示白光再现的全息三维显示彩虹全息图因再现像存在彩虹般的色彩而得名，其基本方法是二步彩虹全息图。

211、二步彩虹全息的基本原理如图9-17 图9-17 二步彩虹全息的基本原理上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术4.真彩色全息 9.2.3 9.2.3 白光再现的全息三维显示白光再现的全息三维显示为了能反映物体的本来面貌（也包括颜色信息），真彩色全息术的研究课题引起了人们的重视。目前已有多种真彩色全息图的制作方法，如白光反射型真彩色全息、夹层真彩色全息、假彩色编码的真彩色全息等，但是这些方法均还处于研究阶段，应用推广还有一定的困难。 5.合成全息 3600全息可以显示出物体3600一周的像，

212、其三维立体感更强。 其记录分两步，第一步是将被拍摄的物体置于可绕中心轴旋转的平台上，用普通白光照明，当平台转动时，用电影摄影机对物体连续摄影（图9-18a），第二步是合成过程，利用彩虹全息光路，且在光路中插入一狭缝(图9-18b)，用全息软片记录。再现时，观察者能见到一个连续动作的立体像（图9-18c），像的颜色和彩虹全息的像相同，像的垂直方向视差也与彩虹全息再现像一样受到限制。 6.模压全息 目前所见的模压全息图大多数采用彩虹全息光路制作模压母版。根据模压工艺的要求，模压母版需要制成浮雕型，通常采用光刻胶版材料制作全息母版，然后对全息母版进行处理，以电镀、电化学方法制作金属模压版，最后以这个

213、金属模压版去压印涤纶薄膜，得到大量的与原全息母版一样的高衍射效率的模压全息图。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.2.3 9.2.3 白光再现的全息三维显示白光再现的全息三维显示图9-18 3600合成彩虹全息术的基本原理上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1.计算全息图的制作和再现过程主要分为以下几个步骤 9.2.4 9.2.4 计算全息图计算全息图抽样，对物体或其波面

214、抽样，得到在离散样点上的值；计算，计算物光波和参考光波叠加后在全息平面上形成的光场分布；编码，把全息平面上的光波复振幅分布编码成全息图的透过率分布；成图，在计算机控制下，将全息图的透过率变化在成图设备上成图，再经光学缩版得到实用的全息图；再现，需用光学方法再现出物光波 2.计算全息的主要应用范围 3.计算全息的优点 可以记录物理上不存在的虚拟实物，只要知道物体的数学表达式就可用计算全息记录下这个物体的光波，并再现该物体的像。 二维和三维物体像的显示；在光学信息处理中用计算全息制作各种空间滤波器；产生特定波面的光波用于全息干涉计量；激光扫描器；数据存贮。 9.2.5 9.2.5 计算全息三维显示

215、的优点计算全息三维显示的优点上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1激光全息三维显示用于科学研究 9.2.6 9.2.6 激光全息三维显示的应用激光全息三维显示的应用（1）在显微领域的应用 激光全息三维显示技术却可以在较大的视野内获得水下物体的清晰像 2.激光全息三维显示应用于工业产品检测中 全息显示和干涉测量技术结合形成了全息干涉测量技术，也叫三维干涉测量技术，它特别适用于各种材料的无损检测。 全息显微镜具有高分辨率、高成像质量的优势，它已用于透明或不透明的生物细胞、分子和医学器官等的

216、三维放大、显示。 （2）在海洋科学中的应用 3激光全息三维显示应用于商业领域 激光计算全息图将激光全息技术和计算机技术结合起来，形成了新的数字化、自动化象素全息三维显示技术。全息图颜色鲜艳逼真，水平和垂直动态视场分别可达100度，全息图尺寸可以任意大 4. 激光计算全息三维显示应用于虚拟物品设计方面 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术5.激光全息三维显示用于文教艺术方面 9.2.6 9.2.6 激光全息三维显示的应用激光全息三维显示的应用各种全息图本身就是一种文艺品，可以制作成惟妙惟

217、肖的三维立体图片去美化人们的生活。全息与艺术的结合已经开辟了广阔的领域，种类繁多的全息艺术制品早已走进市场，走入寻常百姓的生活中。全息图在科教中可作为三维立体模型、三维挂图、杂志和教科书的立体插图等等。 6.激光全息三维显示用于多媒体领域 正如全息照片不同于普通的立体照片一样，全息电影与用偏光镜观看的立体电影也截然不同，它的突出特点是三维立体性。 7.激光全息三维显示应用于地理地形、地质勘测和气象观察等领域 利用全息技术，可将不同高度和角度的地形地貌拍摄成多幅全息图，则再现时，得到三维立体图像，从而可取得更直观的观测效果。 8.激光全息三维显示应用于军事、医学和财经等领域 利用真彩色显示在军事

218、上可进行军事模拟训练和模拟演习，三维的立体场景将显著增强现场的真实感和实战气息。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术（1）防伪新技术中的激光全息显示。 9.2.7 9.2.7 激光全息三维显示技术的展望激光全息三维显示技术的展望（2）大面积显示全息图和全息显示一体化产品的研制。 目前的产品存在两个问题：一是面积太小，作为高档次艺术挂图必需制作大面积全息图，这对全息记录材料和图像制作技术提出了挑战；二是全息图的显示必须在室内装有白炽灯或激光器并以特定的角度照明，才能显示出三维立体像的最

219、佳观赏效果。 （3）干涉计量用激光全息彩虹相机的研究。 激光全息干涉计量在无损探伤、应力与应变、以及光测力学等度量研究中有着广泛的应用前景。 （4）激光全息立体显示屏幕的研究 数字全息图的研究，将促进“全息”电视或真正意义上的全息电影的问世。 （5）计算全息三维显示技术及其应用的研究。 计算全息首次将计算机引入光学处理领域，具有独特的优势和极大的灵活性，尤其是能够将复杂或虚拟的物体三维、完整地显示出来，这开拓了全息技术在信息时代广泛应用的新途径。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9

220、.3.1 9.3.1 激光存储的基本原理、分类及特点激光存储的基本原理、分类及特点1.激光存储是利用材料的某种性质对光敏感。带有信息的光照射材料时，该性质发生改变，且能够在材料中记录这种改变，这就实现了光信息的存储。 2.光存储的分类有很多种，如按数据存取方式可分为光打点式存储和页面并行存储；按存储介质的厚度可分为二维存储和三维存储；按鉴别存储数据的方式可分为位置选择存储和频率选择存储等等。3.特点：（1）数据存储密度高、容量大。 （2）寿命长。（3）非接触式读/写和擦。 （4）信息位价格低。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技

221、技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.3.2 9.3.2 激光光盘存储激光光盘存储1. 激光光盘存储的基本原理 图9-21 基本的激光光盘系统示意图（1）光盘存储包括信息“写入”和“读出”两个过程。图9-21为一基本的光盘系统图。 （2）光盘是在衬盘上淀积了记录介质及其保护膜的盘片，在记录介质表面沿螺旋形轨道，以信息斑的形式写入大量的信息(参见图9-22)，其记录轨道的密度达1000道mm左右。 图9-22 激光光盘记录斑示意图上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.3.2

222、 9.3.2 激光光盘存储激光光盘存储2.激光光盘的类型 (1)只读存储(Read only memory)光盘 只读式存储光盘的记录介质主要是光刻胶，记录方式是先将信息刻录在介质上制成母盘，然后进行模压复制大量子盘。 (2)一次写入光盘WORM 一次写人光盘利用聚焦激光在介质的光照微区产生不可逆的物理或化学变化写入信息。 (3)可擦重写光盘 这类光盘顾名思义可多次写入、读取信息，但写入前需先将已有的信息擦去，然后再写入新的信息，即写、擦信息是分开的两个过程。 (4)直接重写光盘(overwrite) 可擦重写光盘需要擦、写两次动作完成信息的更换，这使光盘数据传输速率受到限制。 上一页上一页

223、回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.3.2 9.3.2 激光光盘存储激光光盘存储3.激光光盘存储器 (1)激光光盘存储器由光存储盘片及其驱动器组成。驱动器提供高质量读出光束、引导精密光学头、读出信息、给出检测光盘聚焦误差信号并实现光束高精度伺服跟踪等功能。 (2)光盘存储器的光学系统大致可分为单光束光学系统和双光束光学系统两类。单光束光学系统适合于只读光盘和一次写入光盘，具备信息的写读功能，而双光束光学系统用于可擦重写光盘。下面以双光束光学系统(图9-23)为例简单介绍。 图9-23 光盘存储器

224、的双光束光学系统示意图上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.3.3 9.3.3 激光体全息光存储激光体全息光存储与磁存储技术和光盘存储技术相比，全息存储有以下特点和优点： (1)高冗余度(2)存储容量大(3)数据并行传输(4)寻址速度快 (5)关联寻址功能 体全息图光路示意图如图9-24所示，图9-24b是其再现示意图。 图9-24 体全息图光路示意图1.体全息存储的原理 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5

225、 激激光光快快速速成成型型技技术术9.3.3 9.3.3 激光体全息光存储激光体全息光存储(1)数字数据的存储 图9-25 紧凑型集成化的角度复用全息存储模块2.全息存储的应用 1997年，一个集成化的角度复用全息存储模块（如图9-25所示）由Drolet等人设计出来。 (2)超大容量全息存储器 图9-26给出基于全息存储技术的分块盘式全息存储示意图，图中沿盘面上的同心圆轨道上划分为互不重叠的空间位置(全息块)，每个位置上复用存储大量全息图。 图9-26 分块式全息存储盘的示意图上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激

226、激光光快快速速成成型型技技术术9.3.4 9.3.4 激光存储技术的新进展激光存储技术的新进展电子俘获存储方式可具有这些特点，它是通过低能量激光去俘获光盘特定斑点处的电子来实现存储的，它是一种高度局域化的光电子过程。 1.电子俘获存储技术 2.光学双光子双稳态三维数字存储 基于高速响应、锁模脉冲激光器的双光子吸收产生了光学双光子双稳态三维数字记录方法，其基本原理是根据两种光子同时作用于原子时，能使介质的原子中某一特定能级上的电子激发至另一稳态，并使其光学性能发生变化，所以若使两个光束从两个方向聚焦至材料的同一空间点时，便可实现三维空间的寻址写入。 3.持续光谱烧孔技术 持续光谱烧孔(PSHB：

227、 Persistent Spectral HoleBurning)技术利用对不同频率的光吸收率不同来识别不同分子，它有可能使光存储的记录密度提高34个数量级，它属于四维光存储。图（9-27）为光谱烧孔的原理示意图 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.3.4 9.3.4 激光存储技术的新进展激光存储技术的新进展3.持续光谱烧孔技术 图9-27 光谱烧孔的原理示意图4.光存储技术的发展趋势 从整个学科发展的角度预测，高密度激光存储技术的主要发展将着重于：(1)最基本、有效的数字式记录方

228、式。(2)进一步缩小记录单元。(3)从目前的二维存储向多维存储发展。(4)并行读写逐步代替串行读写，以提高数据的读取传输率。(5)改善和发展存储系统的寻址方法，努力实现无机械寻址的实用化(6)光学信息存储同光学信息处理相结合。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.4.1 9.4.1 激光扫描激光扫描1. 激光扫描器 (1)低惯量扫描器 低惯量扫描器器是指采用反射镜偏转光束并具有低转动惯量转子的扫描器，它具有灵活、体积小等优点。低惯量扫描器又可以分为检流计扫描器和谐振镜扫描器。采用活

229、动铁芯结构的、典型检流计型扫描器如图9-28所示，主要由电磁驱动(包括带滚球轴承的转子)和位置传感器两个主要部分组成。 图9-28 检流计型动铁低惯量扫描仪的结构常用的感应驱动线圈谐振镜扫描器典型结构如图9-29所示，包括平衡的扭力杆和电感转矩驱动部分。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.4.1 9.4.1 激光扫描激光扫描1. 激光扫描器 (1)低惯量扫描器 图9-29 感应驱动线圈谐振镜扫描器结构常用的感应驱动线圈谐振镜扫描器典型结构如图9-29所示，包括平衡的扭力杆和电感转

230、矩驱动部分。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.4.1 9.4.1 激光扫描激光扫描1. 激光扫描器 (1)低惯量扫描器 图9-30 简单双镜系统光路图低惯量扫描器常用于二维平面场扫描，其结构主要有简单的双镜系统、中继透镜系统和桨形双镜系统等。简单双镜系统的光路图如图9-30所示 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.4.1 9.4.1 激光扫描激光扫描1. 激光扫描器

231、 (1)低惯量扫描器 图9-31 中继透镜系统光路图中继透镜系统的光路图如图9-31所示。上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.4.1 9.4.1 激光扫描激光扫描1. 激光扫描器 (1)低惯量扫描器 图9-32 浆形双镜系统光路图桨形双镜系统的光路图如图9-32所示，两根扫描轴正交、共面，形成一个X-Y平面。以X轴旋转的反射镜（X镜）转轴在反射镜的一边，以Y轴旋转的反射镜（Y轴）转轴在反射镜的中间，两个镜面在与X-Y平面相交都为45。当入射光束以平行Y轴的方向入射，且在X镜转角很小

232、的一级近似的情况下，由X镜反射的光束在Y镜上的位置基本保持不变，它只改变了出射光束的方向。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.4.1 9.4.1 激光扫描激光扫描1. 激光扫描器 (2)全息扫描器 图9-33 全息扫描原理示意图全息扫描器是激光全息扫描系统的关键元件，它主要应用了全息技术的波前变换，以复杂波前的记录和再现实现光束的控制。全息扫描的基本原理如图933所示，用发散的细光束作为再现光，照明全息透镜的一个小区域。 全息扫描器具有一些突出的优点 上一页上一页 回首页回首页

233、下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.4.1 9.4.1 激光扫描激光扫描2激光扫描器的应用实例 (1)激光照排机 图934给出了一激光照排机的原理 图9-34 激光照排机的原理方框图上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.4.1 9.4.1 激光扫描激光扫描2激光扫描器的应用实例 (2)激光缩微机 激光缩微机是用激光扫描器把计算存储的信息直接制作到缩微胶片上的机器。图9-35给出了激光缩微机的原理，图

234、中有两个扫描器，沿X方向扫描的叫行扫描器，沿Y方向扫描的称为页扫描器。 图9-35 激光缩微机的原理示意图上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.4.1 9.4.1 激光扫描激光扫描2激光扫描器的应用实例 (3)条形码扫描器 从激光源发出的激光束需通过扫描系统形成扫描线或扫描图案。条码扫描器的扫描系统一般采用旋转棱镜扫描和全息扫描两种方案。全息扫描系统具有结构紧凑、可靠性高和造价低廉等显著优点，自从IBM公司在3687型扫描器(其光学系统如图9-36所示)上首先应用以来得到了广泛的应用

235、，且不断推陈出新。 图9-36 3687型条形码扫描器光学系统上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.4.2 9.4.2 激光打印机激光打印机1. 激光打印机原理及组成 激光打印机的基本组成如图9-37所示，这里激光器用于产生激光。 图9-37激光打印机的基本组成方框图2. 激光打印机的基本工作过程及控制系统简介 (1) 激光扫描系统工作过程 激光扫描系统由光调制器、扫描器、光偏转器、同步器和高频驱动电路等组成 (2) 电子成像工作过程 电子成像是将感光鼓上的二维电子潜像经炭粉投影方式

236、显影，然后转印到打印纸上，再经加热加压定影，使粉末状的墨粉微粒熔化渗入纸纤维中，成为永久性的打印输出。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术9.4.2 9.4.2 激光打印机激光打印机2. 激光打印机的基本工作过程及控制系统简介 (3) 机械系统工作过程 机械系统最主要的工作是负责打印纸在激光打印机中的传送，此外图像生成也需要机械系统的配合。 (4)控制系统简介 激光打印机的整体控制系统包括激光扫描系统的控制、电子成像系统的控制、与计算机接口的控制、缓存及脱机自检等控制。 3. 激光打

237、印机的国内外发展状况简介 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术10.1.1 10.1.1 受控核聚变受控核聚变1.发展聚变能应用是替代化石类燃料与裂变能，推动人类文明发展的理想途径。 2.聚变时，参加反应的原子核都带正电，彼此之间互相排斥。粒子必须具有极高的动能，才能克服这种排斥作用，彼此接近到足以发生反应的程度。 10.1.2 10.1.2 磁力约束和惯性约束控制方法磁力约束和惯性约束控制方法1.利用核聚变提取能量有两个条件：一是保证充分的反应时间；二是约束高温等离子体。 2.目前比

238、较实用的能达到劳森条件的装置有两大类。一是利用一定的强磁场将高温等离子体进行约束和压缩，使之达到劳森判据，即所谓的“磁力约束方法”（magnetic confinement fusion, MCF）。二是惯性约束(inertial confinement fusion, ICF)法，利用高功率的激光束或粒子束均匀照射用聚变材料制成的微型靶丸，在极短的时间内迅速加热压缩聚变材料使之达到极高的温度和密度，在其分散远离以前达到聚变反应条件，引起核聚变反应条件。 3.自20世纪60年代初梅曼成功地研制出激光器后不久，在美国及前苏联就开始了激光核聚变惯性核聚变的研究。 上一页上一页 回首页回首页 下一页

239、下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术10.1.3 10.1.3 激光压缩点燃核聚变的原理激光压缩点燃核聚变的原理1.压缩点燃的方式有两种：一种是直接照射方式多束激光以球对称方式直接照射在靶丸表面；一种是间接照射方式将靶丸放入由金等重金属制成的空腔中，通过激光照射空腔内表面产生的X射线再照射靶丸。 2.图10-2表示了从压缩点燃到核聚变点火、燃烧的全过程。 图10-2 压缩点燃到核聚变点火燃烧的过程上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快

240、快速速成成型型技技术术温度也就降低了。由于这种减速实现时必须考虑入射光子对运动原子的多普勒效应，所以这种减速就叫多普勒冷却。 1. 20世纪80年代，借助于激光技术获得了中性气体分子的极低温（如，1010K）状态，实现了单个原子的操纵。这种获得低温的方法就叫激光冷却。 2.激光冷却的基本思想是：运动着的原子在共振吸收迎面射来的光子（图10-3）后，从基态过渡到激发态，其动量就减小，速度也就减小了。速度减小的值为 10.2 10.2 激光冷却激光冷却3.由于原子速度可正可负，就用两束方向相反的共振激光束照射原子（图10-4）。这时原子将优先吸收迎面射来的光子而达到多普勒冷却的结果。 图10-3

241、原子吸收光子动量减小图10-4 方向相反的两束激光照射原子上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术4.实际上，原子的运动是三维的。1985年贝尔实验室的朱棣文小组就用三对方向相反的激光束分别沿x，y，z三个方向照射钠原子（图10-5），在6束激光交汇处的钠原子团就被冷却下来，温度达到了240K。 10.2 10.2 激光冷却激光冷却5.朱棣文的三维激光冷却实验装置中，在三束激光交汇处，由于原子不断吸收和随机发射光子，这样发射的光子又可能被邻近的其他原子吸收。一种捕获原子使之集聚的方法是利用

242、“原子阱”，这是利用电磁场形成的一种“势能坑”，原子可以被收集在坑内存起来。一种原子阱叫“磁阱”，它利用两个平行的电流方向相反的线圈构成（图10-6）。 图10-5 三维激光冷却示意图图10-6 磁阱上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术此力就成为作用在微粒上的力。如图10-7所示，仅考虑由折射引起的力。 1.光捕获法是利用光的力学作用，对微米以下的微小物体，用激光束夹住并使其移动的技术 2.光子具有一定的动量，当光入射到微粒上时，光动量将随着与微粒的相互作用中所产生的反射、折射、吸收等

243、过程而变化。而力又由动量的变化所产生，如果在t时间内动量的变化量为P，那么其产生的力F可由下式表示： 10.3.1 10.3.1 光捕获光捕获图10-7 由折射引起的光的动量变化及微粒球收到作用力的几何光学解释上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术5.上述的讨论中，光所产生的只是使微粒球平移的力，而不产生旋转运动，要给微粒一个旋转力矩时可利用光所具有的角动量的方法。 3.由上面的分析可知，光所产生的力总是使微粒球向着光束焦点处趋近的。实际上在满足一定的条件下，不仅这两条光线，在光束中的其

244、它光线对也有同样的能力，而且在同时考虑折射光和反射光的情况下也可以得到同样的结论。 4.微粒球所受到的俘获力还与微粒半径、光束的空间分布、光波长等因素有关。 10.3.1 10.3.1 光捕获光捕获上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术1.单一有机微粒的制作光压不单提供微粒操纵手段，从化学观点看它还能形成聚合结构。激光的聚光斑点直径是波长级的，因此10nm级的超微粒被吸引到焦点上形成单一微粒。图10-8模式方法表现其状态。 10.3.2 10.3.2 微粒操纵微粒操纵图10-8用光镊子聚

245、合高分子形成单一微粒过程上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术2.细胞操纵与细胞融合图10-9为一种光摄与微分干涉显微镜的原理图。 10.3.2 10.3.2 微粒操纵微粒操纵图10-9原理图一种装有微分干涉显微镜观察系统的光摄上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术激光化学过程中最重要的反应是切断分子（分子键断开）。如图10-10所示，蒸发之前用激光照射ABC结合起来的分子,分子键

246、断裂，生成AB和C两个碎片，这两个碎片分别被蒸发到基片上再结合成薄膜，整个过程ABC分子在 AB和C之间的分子键断裂就是激光诱导发生的化学过程。图10-10激光化学过程举例上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术10.4.1 10.4.1 激光波长和离解能的关系激光波长和离解能的关系 图10-11激光波长和离解能示意图如果每一个分子的离解是由一个光子照射引起的，每1mol的分子所需要的离解能就等于1mol光子的能量，因而1mol分子的离解能可用下式来表示激光波长和离解能的关系示意图如图10

247、-11所示。上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术10.4.2 10.4.2 激光切断分子激光切断分子 图10-12激光波长和离解能示意图1.直接离解图10-12(a)表示了分子AB直接解离成A+B的情况。 2.前期离解图10-12(b)所示的是SiH2的生成实例。 3.热分子机理离解 与前期分离类似。像甲苯、C60等具有很高分子量的不饱和碳化物的光解离就属于这种情况。如图10-12(c)所示 4.红外多光子离解 利用红外光依次提高振动能级，可以使振动能量最终超过解离能。如图10-12(

248、d)所示 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术10.4.3 10.4.3 液体、固体的光化学反应液体、固体的光化学反应 图10-13回笼效应光子的能量一部分用于光解离，一部分转变为热。而一旦产生解离周围的溶质争相返回形成再复合，称为“回笼”效应，这也是溶液等物质的量子吸收量变小的另一个原因。如图10-13所示。 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术10.5.1 10.5.1 拉

249、曼光谱拉曼光谱 1.拉曼光谱的基本原理 拉曼光谱的基本原理基于拉曼效应，即光通过介质后发生散射并发生频率漂移。 拉曼效应的量子解释：当能量为的光子作用于物体的分子时，可以产生两类碰撞，一类为“弹性碰撞”，能量不变，散射频率与入射频率相同，这属于瑞利散射；另一类为“非弹性碰撞”，在这种碰撞过程中，入射光子可能把一部分能量转移给分子。此时，散射后的光子的频率变小，即：即所谓谱线斯托克斯位移；另外，也有可能从分子获得一部分能量。此时，散射后的频率变大，即： 此式表征谱线反斯托克位移。式中E代表分子内部二个量子化能级之差，所以通过测定拉曼散射光谱则可以得知分子能级结构，从而识别分子的种类。 上一页上一

250、页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术10.5.1 10.5.1 拉曼光谱拉曼光谱 2.各种类型的拉曼效应 （1）共振拉曼效应 （2）几种非线性拉曼效应 反拉曼效应：也叫拉曼吸收。它的过程是当一分子体系被频率为的单色激光及一连续光束(包括的反斯托克线的频段)照射时，在十 (0)处，连续光束被分子体系所吸收，在连续谱带上出现清晰的吸收锐线。 受激拉曼效应：当入射到分子体系的激光束的光强或功率密度超过一定水平(阈值)时，散射光的强度突然大幅度地骤增(可达到与入射激光束光强相比的程度)；同时，散射光束的

251、空间发射角明显变小，散射光谱的宽度明显变窄，具有激光发射的一切特点。 超拉曼效应：又称高次拉曼效应。它的产生过程及特点是，当入射光足够强而还不足以出现受激拉曼效应时，观察到2o、甚至3o(为拉曼频移)的散射，散射光很弱。 （3）相干拉曼光谱3.激光拉曼光谱的应用 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术10.5.2 10.5.2 空间高分辨率的激光显微光谱空间高分辨率的激光显微光谱1.激光显微光谱分析实验装置主要由激光器、显微光学系统、电子控制系统、摄谱仪或光量计四部分组成。如图10-14

252、所示 图10-14激光显微光谱分析实验装置上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术10.5.2 10.5.2 空间高分辨率的激光显微光谱空间高分辨率的激光显微光谱2.采用钕玻璃激光器作光源，其1.06m，有效直径一般为6mm，则2104弧度。但是，实际上有偏离轴向的振荡模式，因而观察到的值比计算值大，一般为103弧度。这种激光束被焦距为f的显微物镜聚焦于样品表面，其光斑直径(见图10-15)为 图10-15激光在样品表面的光斑上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回

253、目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术10.5.3 10.5.3 频率高分辨的双光子光谱频率高分辨的双光子光谱1.由于原子（分子或离子）的无规则热运动，造成了谱线频率的位移(相对于静止的粒子)： 如果所有原子都处于静止状态，那么谱线的多普勒增宽就可以消除，所有能级的精细结构和超精细结构都可以分辨。 2.运用相反光束的双光子吸收法，可以消去多普勒增宽。若从正向光束吸收光子的频率为 从反向光束中吸收的光子的频率则为：同时吸收这二个光子而产生的量子跃迁的频率为： 它与原子的热运动速度无关，所以没有多普勒增宽发生 上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回

254、末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术10.5.4 10.5.4 时间高分辨率的激光闪光光谱时间高分辨率的激光闪光光谱图10-16为用来测量有机分子或生物分子荧光光谱及寿命的实验装置。锁模钕玻璃激光器发出微微秒的脉冲激光，由分束器把光分成两路。一路经ADP晶体倍频后，由透镜聚焦射入样品室以使样品分子受到激励。另一路首先经透镜在水池内打一个火花，造成连续光谱。火花造成的连续光谱的光输出，经过光梯把光分成若干个时间间隔为1微微秒的若干束光。这样，当样品被倍频光束激发后，光谱仪可以记录在不同延迟条件下样品荧光信号，从而决定样品的荧光寿命。 图10-15激光在样品表面的光斑上一页上一页 回首页回首页 下一页下一页 回末页回末页 回目录回目录第第七七章章 激激光光加加工工技技术术7.5 激激光光快快速速成成型型技技术术10.5.5 10.5.5 各种特殊效能的激光光谱技术各种特殊效能的激光光谱技术1.原子吸收激光光谱技术 2.激光共振荧光光谱技术 3.共振电离光谱法 4.激光雷达光谱技术 5.外差光谱技术