激光器的原理与应用(电科111董雪)

1、激光的原理与应用班级：电科111 姓名：董雪 学号：4 内容简介：本文从激光的原理、激光器的原理、典型激光器介绍、激光的应用四个方面进行了阐述，对激光的原理及应用有了一个构架式的说明。 1. 激光的原理光的辐射既是一种电磁波又是一种粒子流，激光是在人们认识到光有这两种互相对立而又互相联系的性质后才发明的。激光与普通光源相比有三个主要特点，即方向性好，相干性好和亮度高，其原因在于激光主要是光受激辐射，而普通光源主要是光的自发辐射。要使受激辐射起主要作用而产生激光，必须具备三个条件：（1） 有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；（2

2、） 有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数的反转；（3） 有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。2激光器的原理一个典型的激光器由三部分组成，即激光工作物质、抽运系统和光学谐振腔。工作物质可以是气体、固体、半导体等，并将相应的激光器依次称为气体激光器、固体激光器、半导体激光器等。抽运系统提供能源，使激光器工作物质中产生激光的两能级（分别称为激光上、下能级）上粒子数密度按照与平衡态相反的方式分布。（1） 光学谐振腔结构与稳定性激光是在光学谐振腔中产生的。光学谐振腔对激光的形成和激光束的特性起重要的作用，它的

3、主要功能之一是使光在腔内来回反射多次以增长激活介质作用的工作长度，提高腔内的光能密度。两块平面镜就可以使与平面垂直的光线在腔内来回反射任意多次，而不会投射到平面镜的通光口径之外。显而易见的是，不垂直于反射镜表面的傍轴光线经过任意多次往返传播而不溢出腔外的谐振腔能够使激光器稳定的发出激光，这种谐振腔叫做稳定腔，反之称为不稳定腔。（2） 速率方程组与粒子反转数有了光学谐振腔，在其中充以激光工作物质，并在外界激励源作用下，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转，激光就可以工作。（3） 均匀增宽介质的增益系数增益系数对激光器的工作特性起着十分重要的作用。实验发现，不同的介质，其增

4、益系数可以有很大的差别同一种介质的增益系数也随工作条件的变化而改变。介质的增益系数随频率的变化规律和介质的线性函数也随频率的变化规律相似。当测量增益系数所用的入射光强度很小尚未发出激光时，测得的增益系数是一个常数，可以视为上一节中定义的小信号的增益系数。当测量所用的光强度增大到一定程度后，增益系数的值将随光强的增加而下降，产生增益饱和现象。（4） 非均匀增宽介质的增益饱和一般低压气体激光器介质的发光特性是:对确定的上、下能级E¹、E²，介质中单个粒子发光的谱线线型函数仍然是均匀增宽型的，但是由于气体粒子处在剧烈、混乱的热运动之中，由大量粒子组成的气体介质发光时，接收到的光谱

5、谱线的线型变成非均匀增宽型的。（5） 激光器的损耗与阈值条件激光器产生激光的前提条件是介质必须实现能级间的粒子数密度反转分布，即n>0,或者说增益系数G>0。但是，由于光波在实现了粒子数密度反转分布的介质中传播时还有各种损耗，只有当因增益放大而增加的光能量，除了能够补偿因损耗而失去的部分外，还能有剩余时，光波才能被放大。所以要求增益系数要大于一个下限值，此下限值即为激光器的阈值。它的数值由各种损耗的大小所决定。3.典型的激光器介绍（1）固体激光器固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器。在激光发展史上，固体激光器是最早实现激光工作的。目前已经实现激光震荡的固体工作

6、物质有百余种，激光谱线有数千条，但是最常采用的固体工作物质仍然是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石三种。（2）气体激光器气体激光器是以气体或蒸汽作为工作物质的激光器。由于气体激光器是利用气体原子、分子或离子的分能级进行工作的，所以它的跃迁谱线及相应的激光波长范围较宽，目前已观测到的激光谱线不下万余条，遍及从紫外线到远红外整个光谱区。与其他种类的激光器相比较，在工农业生产、国防和科学研究中都有广泛应用。（3）染料激光器1966年，人们第一次利用巨脉冲红宝石激光器泵浦氯化铝酞化菁类染料，获得了受激辐射。此后，燃料激光器得到了迅速的发展。染料激光器受到人们重视的原因是：输出激光波长可调谐，某些染料激光波

7、长的可调宽度达上百纳米；激光脉冲宽度可以很窄，目前，由染料激光器产生的超短脉冲宽度可压缩至飞秒量级；染料激光器的输出功率大，可与固体激光器比拟，并且价格便宜；染料激光器工作物质具有均匀性好等优良的光学质量。因此，它在光化学、光生物学、光谱学，化学动力学、同位素分离、全息照相和光通信中，正获得日益广泛的重要应用。（4）半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的激光器。它具有超小型、高效率、结构简单、价格便宜，以及可以高速工作等一系列优点。自1942年问世，特别是20世纪80年代以来，发展极为迅速，是目前光通信系统的最重要的光源，并且在CD、VCD、DVD播放机、计算机光盘驱动器、激

8、光打印机、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多方面都获得了重要应用。（5）其他激光器以上介绍了固体、气体、半导体及染料激光器，他们都是一些发展得较早和较为成熟的激光器。除此之外，还有准分子激光器、自由电子激光器、化学激光器、光纤激光器等一些新发展起来的且有较好应用前景的激光器。4.激光的应用激光优异的单色性、方向性和高亮度，使它在多方面得到应用。例如，激光在加工工业中被用来完成打孔、焊接、切割、快速成型，在医学中制造了激光手术刀、激光近视眼治疗仪、激光辐照仪，在IT产业中大量用作光通信、光存储、光信息处理的光源，在近代的科学研究中用于受控核聚变、光谱分析、操纵原子、诱导化学反应，乃至探索宇宙的

9、起源。（1）激光在精密测量中的应用激光最早期的应用还是在计算领域。它可以与自然基准 光的波长直接相联系，实现高精度测量，特别是在长度测量领域得到了大量的应用。 激光的高度相干性使它一经发明就成为替代氪86作为绝对光波干涉仪的首选光源，经过近40年的发展，激光干涉计量已经走出实验室，成为可以在生产车间使用的测量检定标准，激光的衍射测量也成为许多在线控制系统的长度传感器。激光的良好方向性和极高的亮度不仅为人们提供了一条可见的基准直线，而且为长距离的光电测距提供了可能。激光同时具有高亮度和高相干性，使得光的多普勒效应能够在测速方面得到应用。激光雷达则综合应用了激光各方面的有点，成为环境监测的有力武器

10、。（2）激光加工技术激光的高亮度、方向性好的特点使光能（功率）可以集中在很小的区域内，因此，自第一台激光器诞生以后，人们就开始探索激光在加工领域中的应用。20世纪70年代初期，Nd:YAG激光开始用于工业生产。随着大功率激光器与各种激光技术的发展，激光与材料相互作用研究的深入，激光加工已经成为加工领域中的一种常用技术。激光加工作为一种非接触、无污染、低噪声、节省材料的绿色加工技术还具有信息时代的特点，便于实现智能控制，实现加工技术的高度柔性化和模块化，实现各种先进加工技术的集成。因此，激光加工已经成为21世纪先进制造技术中不可缺少的一部分。（3）激光在医学中的应用激光医学是激光技术和医学相结合

11、的一门新兴的边缘学科。1960年，Maiman发明第一台红宝石激光器。1961年，Campbell首先将红宝石激光用于眼科的治疗，从此开始了激光在医学临床的应用。1963年，Goldman将其应用与皮肤科学。同时，值得关注的是二氧化碳激光器作为光学手术刀的出现，逐渐在医学临床的各学科确立了自己的地位。1970年，Nath发明了光导纤维，到1973年通过内镜技术成功地将激光导入公务的胃肠道，自此实现了无创导入技术的飞速发展。1976年，Hofstetter首先将激光用于泌尿外科。Diamond在1972年首先将这种物质用于光动力学治疗。在医学领域中，激光的应用范围非常广泛，不仅在临床上激光作为一种技术手段，被各临床学科用于疾病的诊断和治疗，而且在基础医学中的细胞水平的操作和生物学领域中激光技术也占有重要地位。另外，还可以利用激光显微加工技术制造一用微型仪器。再者，利用全息的生物体信息的记录及医疗信息光通信等与信息工程有关的领域，从广义上来讲，也属于激光在医学中的应用。（4）激光在信息技术中的应用众所周知，现今是信息时代。从技术角度看，信息涉及到的领域十分广阔，它包括信息的产生、发送、传输、探测、存储、显示等许多方面。激光在信息领域的应用，包括以激光为信息载