激光原理与技术--第五章 激光的特性ppt课件

1、一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮度高8个数量级(几千万倍延续发光激光器功率：几毫瓦，几百瓦，几瓦，十几瓦目前可达几千瓦，几万瓦脉冲激光器：毫焦耳，焦耳，几十焦耳，目前可达几千焦耳，几万焦耳时间，空间都得到紧缩的激光，其功率密度比会聚的太阳光高几十亿倍！激光的高强度和高亮度光束发散角=2 sr3 单色性强-激光的颜色极纯延续光谱-太阳光谱线状光谱-霓虹灯单一颜色谱线-激光单色性： / 或氪灯10-6普通氦氖激光10-12 单色光单色光具有单一频率的光波称为单色光。任何光源所发出的光波都有一定的频率或波长范围，在此范围内，各种频率或波长所对应的强度是不同的。 2 2 20I0I波长所对

2、应的波长范围越窄，光的单色性越好谱线宽度：通常用强度下降到谱线宽度：通常用强度下降到20I的两点之间的波长范围 ： 谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量4 激光的相关性强激光的相关性强相关长度：单色性越好，相关长度越长普通光源几厘米激光可达105千米激光构成表示图激光构成表示图脉冲脉冲Nd：YAG激光器正在运转激光器正在运转激光器的种类激光器的种类 如今人们曾经按照实践运用的需求，造出了各种各如今人们曾经按照实践运用的需求，造出了各种各样的激光器。通常可以按任务物质、鼓励方式、运转样的激光器。通常可以按任务物质、鼓励方式、运转方式、输出波长范围等几方面来进展分类。方式、输出波长范围等几方面来进

3、展分类。 一按任务物质分类一按任务物质分类 1. 固体激光器固体激光器 任务物质有红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石任务物质有红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石YAG等是均匀地掺入少量离子称为激活离子等是均匀地掺入少量离子称为激活离子的晶体或玻璃资料。产生激光发射作用的是掺入的离的晶体或玻璃资料。产生激光发射作用的是掺入的离子。可作为激活离子的有过渡族金属离子如铬离子子。可作为激活离子的有过渡族金属离子如铬离子(Cr3+)、稀土金属离子如钕离子、稀土金属离子如钕离子(Nd3+)、锕系离子等。、锕系离子等。 普通来说固体激光器具有器件体积小，巩固，运普通来说固体激光器具有器件体积小，巩固，运用方便，输出功率大的

4、特点。用方便，输出功率大的特点。 2. 气体激光器气体激光器 任务物质是气体或金属蒸气。气体激光的特点是任务物质是气体或金属蒸气。气体激光的特点是激光输出波长范围较宽。常用的氦激光输出波长范围较宽。常用的氦-氖激光器，是经过氖激光器，是经过气体放电使气体放电使Ne原子产生粒子数反转，输出激光的波长原子产生粒子数反转，输出激光的波长为为632.8nm红光。红光。 气体激光器具有构造简单、造价低、操作方便、光气体激光器具有构造简单、造价低、操作方便、光束质量好以及能长时间较稳定延续任务的特点，是目束质量好以及能长时间较稳定延续任务的特点，是目前种类最多运用最广泛的激光器。前种类最多运用最广泛的激光

5、器。 3. 半导体激光器半导体激光器 以半导体为任务物质，产生激光的方法有以半导体为任务物质，产生激光的方法有p-n结注结注入式、电子束激发、光激发、雪崩式击穿等。入式、电子束激发、光激发、雪崩式击穿等。 它体积小分量轻，寿命长，构造简单而巩固，特别它体积小分量轻，寿命长，构造简单而巩固，特别适于飞机、车辆、宇宙飞船之用。如今的光驱、适于飞机、车辆、宇宙飞船之用。如今的光驱、VCD、DVD的激光头都是一个小型半导体激光发射器。的激光头都是一个小型半导体激光发射器。 4. 液体激光器液体激光器 常用有机染料作任务物质，大多数情况是把有机染常用有机染料作任务物质，大多数情况是把有机染料溶于乙醇、丙

6、酮、水等，也有以蒸汽状任务的。液体料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽状任务的。液体激光器的任务原理比较复杂，但输出的波长延续可调，激光器的任务原理比较复杂，但输出的波长延续可调，且覆盖面宽。且覆盖面宽。 5. 自在电子激光器自在电子激光器 以自在电子为任务物质。把凡是利用自在电子与以自在电子为任务物质。把凡是利用自在电子与电磁波相互作用所产生的从微波到电磁波相互作用所产生的从微波到X射线的受激辐射射线的受激辐射均称为自在电子激光。均称为自在电子激光。 这是一种特殊类型的新型激光器，被电子加速器这是一种特殊类型的新型激光器，被电子加速器加速的电子流注入周期变化的磁场。只需改动电子束加速的电子流注

7、入周期变化的磁场。只需改动电子束的速度就可产生波长延续变化的相关电磁辐射，原那的速度就可产生波长延续变化的相关电磁辐射，原那么上其相关辐射谱可从么上其相关辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，射线波段过渡到微波区域，其峰值功率和平均功率高且可调，相关性好，可获得其峰值功率和平均功率高且可调，相关性好，可获得偏振输出，因此具有很诱人的前景。偏振输出，因此具有很诱人的前景。 其它还有光纤激光器、化学激光器、单原子激光其它还有光纤激光器、化学激光器、单原子激光器、器、X射线激光器等。射线激光器等。 二按运转方式分类二按运转方式分类 可分为延续激光器、单次脉冲激光器、反复脉冲激可分为延续激光器、单次脉冲

8、激光器、反复脉冲激光器，调光器，调Q激光器、锁模激光器、单模和稳频激光器、激光器、锁模激光器、单模和稳频激光器、可调谐激光器等等。可调谐激光器等等。 三按鼓励方式分类三按鼓励方式分类 可分为光鼓励、电鼓励、热鼓励、化学鼓励和核鼓可分为光鼓励、电鼓励、热鼓励、化学鼓励和核鼓励激光器等。励激光器等。 四按输出激光的波段范围分类四按输出激光的波段范围分类 可分为远红外激光器、中红外激光器、近红外激光可分为远红外激光器、中红外激光器、近红外激光器、可见激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、器、可见激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、X射线激光器等。射线激光器等。普通讲解中，都按照激光任务物质将激光器

9、进展分类。1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器发明第一台激光器固体激光器固体激光器任务物质-各种激光晶体和玻璃输出波长-由任务物质中激活元素决议。输出方式-延续灯泵浦延续光 脉冲灯泵浦脉冲光固体激光器构造表示图固体激光器构造表示图第一台红宝石激光器的装配图第一台红宝石激光器的装配图红宝石中红宝石中Cr3+Cr3+的能级表示图的能级表示图红宝石激光器构造红宝石激光器构造掺钕钇铝石榴石Nd:YAG1064nm1047nm1064nm:激光加工，切割，打孔，焊接等1540nm2940nm:医学和通讯掺钛(Ti)蓝宝石激光器670nm1100nm固体激光器常用于产生强激光，延续输

10、出几千瓦,脉冲输出几万焦耳Nd3:YAG 的能级构造1. 固体激光任务物质是绝缘晶体，普通都采用光泵浦鼓励。目前的泵浦光源多为任务于弧光放电形状的惰性气体放电灯。2. 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因此固体任务物质普通都加工成圆柱棒外形，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到任务物质上，必需采用聚光腔。 3. 椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内外表被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。 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.泵浦灯和任务物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。 泵浦系

11、统泵浦系统在石英或玻璃光纤中掺入稀土离子，用半导体二极管或其他固体激光器作泵辅源也可产生可调谐激光。用掺铒光纤作成的光纤激光器，是光纤通讯中不可短少的部分。掺铒光纤激光器n用气体作为激光器的任务物质。其特用气体作为激光器的任务物质。其特点是能以脉冲和延续两种方式任务。点是能以脉冲和延续两种方式任务。外腔式气体激光器表示图外腔式气体激光器表示图气体激光器气体激光器气体激光器 原子激光器，分子激光器，离子激 光器，准分子激光器。1原子激光器：以氦氖激光器为代表，这种激光器大都是延续任务方式，输出功率在100毫瓦以下，多用于检测和干涉计量。2离子激光器：以氩离子激光器为代表，这种激光器可以发射较强的

12、延续功率激光，功率可达几十瓦，是可见光中的重要激光器件，多用于扫描，医学及全息学等方面。He-Ne激光器的几种构造方式：内腔式、外腔式、半内腔式激光器的几种构造方式：内腔式、外腔式、半内腔式与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图He-NeHe-Ne激光器是典型激光器是典型的四能级系统，其激的四能级系统，其激光谱线主要有三条光谱线主要有三条 : :3S3S2P 0.63282P 0.63282S2S2P 1.152P 1.153S3S3P 3.393P 3.39 3分子激光器：以分子激光器：以CO2激光器为代表，因激光器为代表，因红外波长激光的热效应高，故多用于激红外波长激光的热效应高，故多用于激

13、光刀，医疗，机械加工方面，还用于测光刀，医疗，机械加工方面，还用于测距，通讯。距，通讯。CO2激光器构造图激光器构造图与产生激光有关的CO2分子能级图4 4准分子激光器：特点准分子激光器：特点发光都在紫外波段。发光都在紫外波段。 用途用途多用于微细加工，光刻及医学。多用于微细加工，光刻及医学。 原理原理不是分子固有能级跃迁发光，而不是分子固有能级跃迁发光，而是当是当 两种元素的原子被高能量的电脉冲鼓励时，两种元素的原子被高能量的电脉冲鼓励时， 两种元素的原子在瞬态结合成的准分子的能级间两种元素的原子在瞬态结合成的准分子的能级间跃迁产生的受激发光。发光后，分子很快分解成跃迁产生的受激发光。发光后

14、，分子很快分解成原子。原子。染料，多为粉末状染料溶于有机溶剂中，方可产生激光，它可以用闪光灯泵浦，或激光泵浦。特点：从红外到紫外范围调谐恣意波长(几十到几百纳米的输出光，谱线很窄，单色性好，适于光化学与光谱学方面的运用。n用半导体作为激光器的任务物质。其最大用半导体作为激光器的任务物质。其最大的特点是体积小、种类多、效率高、运用的特点是体积小、种类多、效率高、运用方便。方便。激光束的空间分布表示图激光束的空间分布表示图 任务物质：砷化镓等半导体资料。任务原理：砷化镓等半导体资料只允许电流沿着一个方 向流动。当穿过介质的光遇到一个被激发的 原子时，它将使这个原子以一样的波长和频 率释放能量，光在

15、来回传播的过程中，不断 地被加强，直到从反射镜面上逃逸出去，形 成激光。二极管激光器半导体激光器二极管激光器半导体激光器 半导体激光器又称为半导体半导体激光器又称为半导体激光二激光二极管，或简称激光二极管，英文极管，或简称激光二极管，英文缩写为缩写为LD (Laser Diode)LD (Laser Diode)，是适用中最，是适用中最重要重要的一类激光器的一类激光器 。 优点：体积小、效率高、寿命长，可采用简单的电流注入方式来泵优点：体积小、效率高、寿命长，可采用简单的电流注入方式来泵浦；其任务浦；其任务 电压和电流与集成电路兼容，因此有能够与之单片集成；电压和电流与集成电路兼容，因此有能够

16、与之单片集成；并且还可用高并且还可用高 达达GHZGHZ的频率直接进展电流调制以获得高速调制的激光输出，的频率直接进展电流调制以获得高速调制的激光输出，可实行可实行 温度调调和电流调谐。温度调调和电流调谐。 半导体激光器的运用半导体激光器的运用 信息存储信息存储与处置与处置科学研讨科学研讨军事军事 运用运用光通讯光通讯半导体激光器的运用半导体激光器的运用医学医学 运用运用二极管激光器半导体激光器二极管激光器半导体激光器半导体激光器开展很快，在微型半导体激光器开展很快，在微型化方面进展迅速。整个器件只需化方面进展迅速。整个器件只需50 m x 150 m x 250 m，比，比普通的米粒还小。普

17、通的米粒还小。用于：光通讯，光盘，激光打印，用于：光通讯，光盘，激光打印，光计算机，微量气体探测等方面。光计算机，微量气体探测等方面。原理：自在电子激光器是利用自在电子在真空磁场中的 周期性摆动产生激光。特点：自在电子经过很多对极性彼此相反的磁铁组成的 交变磁场，磁场的周期取决于这些磁铁的大小与 间距。发射激光的波长由交变磁场的周期及入射 电子的能量决议。用途：自在电子激光器可延续任务，输出功率几百瓦。 也可脉冲式任务，平均最高功率几兆瓦。用于材 料科学，医学，外表科学，化学，生物及生命科学等。七、七、X X射线激光器射线激光器 X射线是原子内部壳层的电子跃迁产生的光子，其光子能量非常高目前，最短的X射线波长已到达4.483nm水窗范围由于水是吸收X射线的，只需在4.483nm附近，水分子有个不吸收区， X射线可顺利经过，损耗很小，故称水窗，由于生物细胞活性组织内均含有很多水份，因此这种波长的X射线激光用于生物学，医学，生命科学的研讨。曾经用波长4.483nm X射线激光制成了X射线显微镜，并胜利地得到了老鼠精子内核的图象,用于DNA在精子细胞内陈列的研讨。八、生物微腔激光器八、生物微腔激光器 砷化镓基底半导体反射镜量子阱增益区液体中的细胞介质膜反射镜玻璃基底 一种研讨活体生物细胞的手段和方法，将一含有被测细胞的液体放在半导体激光器的发光外表，上面覆盖镀有反射膜的玻璃