专题一激光技术

1、专题一激光技术第1页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日1. 激光的基本原理2. 激光技术应用简介3. 激光技术的基本内容4. 激光技术的前景第2页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日背景介绍一、激光的发展简史 1916年，爱因斯坦提出了“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。 1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。 第3页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日 这两次发明开创了传统的固体激器和气体激光器的时代，自此，激光走上了高速发展的道路。此后，半导体激光器、染料激光器、自由电子激光器

2、都在相应学科的支持下出现。特别是八十年代，随着光电子学和半导体技术的发展，光纤激光器和孤子激光器相继出现，将激光引入以光电子和微电子为主的信息时代。 1962年，HeNe气体激光器在美国贝尔实验室研制成功。 1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。 Maiman第4页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日 1. 激光的基本原理 按量子力学，原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中，原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行,称之为跃迁。光子与原子相互作用中，存在三种跃迁。即：受激吸收、自发辐射和受激辐射。E1E3E

3、2第5页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日处于基态E1的原子，没有外来影响时状态不变。如有一个外来光子，能量为hv，与该原子发生相互作用。且 ，E2为原子的某一较高的能量状态激发态。则原子就有可能吸收这一光子，而被激发到高能态去。这一过程被称之为原子吸收。 注意:只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时，光子才能被吸收。受激吸收 E1E3E2图1-1 原子吸收示意图hvE1E3E2第6页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日 处于高能态的原子是不稳定,它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为10-8s），会自发地返回基态去，同时放出一个光子。这

4、种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。 原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。hv图1-2 自发辐射示意图E1E3E2自发辐射第7页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日自发辐射的特点是：与外界作用无关，各原子的辐射都是独立进行的。因而所发光子的频率、位相、传播方向等都不同。发出的光的波列是不相干的。例：霓虹灯，充惰性气体，管两端加高电压激发气体原子，当它们从激发态跃迁回基态时，便放出五颜六色的光。其频率复杂，发光各向都有，位相不同普通光源的自发辐射。第8页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日 受激辐射 处于激发态的原子，

5、在自发辐射前，若受到一外来光子的作用，而且其能量恰好满足 ，原子就有可能从E2跃迁至E1，同时放出一个与外来光子状态完全相同的光子。受激辐射。Light or laser无辐射跃迁E1E2hvE1E2hvhv图1-3 受激辐射示意图第9页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日 是在外界光子的刺激下发生的，而且辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相同的传播方向等。即状态完全相同。受激辐射过程中，输入一个光子，可输出两个完全相同光子。这两个光子可再作用于其他原子上，产生受激辐射，从而获得大量完全相同的光子受激辐射光放大。受激辐射的特点是：hvhvhvhvhvhvh

6、v输入输出图1-4 光放大示意图E2E1N2N1全同光子h第10页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日产生激光的基本条件 原子在各能级上的分布服从玻尔兹曼分布，即低能级上的原子数多，能级越高原子数越少！光通过物质时，受激吸收占优势。 通常，物质中原子的三种跃迁同时存在，哪种跃迁占优势取决于高低能级的原子数。 第11页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日 A 必须从外界输入能量，使粒子跃迁到高能级上去。这一过程称为：“激励”或“泵浦”（Pump）。B 工作物质内必须存在亚稳态能级。10-8秒几毫秒能级基态激发态亚稳态 不是所有物质都有亚稳态能级 不是一切物

7、质都可以作为激光器的工作物质。（1）粒子数反转 要使受激辐射占优势，必须使处在高能级的原子数多于低能级的原子数粒子数反转如何实现粒子数反转？第12页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日实现粒子数反转的两种系统(a) 三能级系统红宝石激光器光激励光抽运无辐射跃迁第13页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日 (b)四能级系统抽运激励无辐射跃迁第14页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日（2）光学谐振腔光学谐振腔光学谐振腔，是在激光器两端，面对面地装上两块反射率很高的平面镜，一块镜对光全反射，另一块对光大部分反射，少部分透射出去，以使激光可

8、透过这块镜子而射出。反射镜 激励源 工作物质激光谐振腔第15页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日反射镜可使光沿工作物质轴线在反射镜间来回反射，每经过一次工作物质光放大一次，被反射的光，继续诱发新的受激辐射，光在谐振腔内来回振荡，获得雪崩式地放大，从部分反射镜面输出，得到激光。激励能源全反射镜部分反射镜激光受激辐射源于自发辐射，自发辐射包含较大范围的波长，它们被放大后，导致了非单一波长的光输出。在反射镜上镀一层膜，只对某个波长的光才能来回反射，其它的光经过一次反射镜时就逸出腔外。第16页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日光学谐振腔的作用： 1.使激光具

9、有极好的方向性（沿轴线）； 2.增强光放大作用（延长了工作物质）； 3.使激光具有极好的单色性选频第17页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日（3）阈值条件 在谐振腔内，除了有光的增益，还存在工作物质对光的吸收、散射以及反射镜的吸收和透射等造成的各种损耗，只有当光在谐振腔内来回一次所得的增益大于损耗时，才能形成激光。增益大于损耗的条件称为阈值条件。 在设计谐振腔时，可以使特定波长的光满足阈值条件，形成激光输出。第18页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日激光器的组成组成：工作物质、泵浦源、光学谐振腔激光工作物质激励能源谐振腔激光器结构示意图第19页，共5

10、2页，2022年，5月20日，17点47分，星期日按输出方式分：脉冲输出连续输出半导体激光器按工作物质 ：气体激光器固体激光器液体激光器自由电子激光器激光器的分类把金属离子掺入晶体或玻璃基质中原子气体、分子气体和离子气体有机染料溶液和无机化合物溶液半导体材料第20页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日红宝石激光器氦氖激光器氩离子激光器染料激光器第21页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日激光的特性 1.单向性极好：普通光源向四面八方传播，能量分散。而激光沿一直线传播，能量集中。定位、测距、导航例如，若将激光束射向几千米以外，光束直径仅扩展为几个厘米，而普

11、通光束直径则已经扩展为几十米。.相干性好：光的干涉、衍射实验、全息照相、激光光谱 第22页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日.单色性极强： 从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到的单色光的谱线宽度约为10-2纳米，而氦氖激光器发射的激光的谱线宽度只有10-9纳米。可作为计量工作的基准光源。例如，用单色、稳频激光器作为光频计时基准，它在一年内的计时误差不超过1微秒，大大超过原子钟的计时精度。第23页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日.高亮度： 光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿单位立体角所发射的能量。普通光源的亮度相当低，太阳表面的亮度比蜡烛大

12、30万倍，比白炽灯大几百倍。而一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。激光的能量高度集中在直径极小的区域内（10-3mm）产生几百万度的高温。1kw的CO2激光器发出的激光聚焦后，几秒钟内就可以将5cm厚的钢板烧穿。金属钻孔、焊接、切割、表面热处理、表面氧化第24页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日 1993年五月，德国不来梅射线技术研究所所长泽玻特教授来华讲学带来一幅漫画，漫画的意思是： 一个小偷潜入一家银行，利用一台小型便携式激光器，从容地打开保险柜锁，将里面的财务洗劫一空，然后再将锁焊上而没有留下任何痕迹。1. 方向性好、亮度高能量集中，功率密度高。

13、2. 工具与工件无机械接触，可加工传统方法无法加工的特殊 材料。3. 激光加工精度高，速度快，切割、焊接、表面处理激光加工原理：不透光的介质吸收光能，光能转换成热能而对材料进行加工。第25页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日激光工作物质全反射镜半反射镜激光工作原理：out光放大原理第26页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日激光测距原理：主要构造：激光发射器；电源和显示装置。激光接收器；记时器电源放大器光电转换 器距离显示器Laser激光发射器；激光接收器；射向目标来自目标参考光第27页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日死弹-19

14、枚卫星跟踪测距仪激光测距第28页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日空间激光通信Laser第29页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日激光光纤通信50 m100 m皮心子（石英）光导纤维光缆光放大器光缆郑州传导原理：全反射第30页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日“魟鱼”激光致盲武器第31页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日第32页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日第33页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日第34页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期

15、日第35页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日 2. 激光技术应用简介 (录象片) 一激光分成两部分：直接照射到底片上的叫参考光；另一部分经物体表面散射的光也照射到照相底片，称为物光。参考光和物光在底片上各处相遇时将发生干涉，底片记录的即是各干涉条纹叠加后的图像。全息照相的拍摄原理全息照相第36页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日3. 激光技术的基本内容3.1 激光调Q技术3.2 超短脉冲技术3.3 激光放大技术3.4 模式选择技术第37页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日调的基本原理 通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦

16、使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很大的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率不能提高的原因。 既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。3.1 调Q技术第38页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累在上能级的大量粒子便雪

17、崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来。由于此时的粒子反转数 阈值时粒子反转数，因此受激辐射增强非常迅速，产生一功率很高的窄脉冲。改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。 Q值称为品质因数，它定义为: Q=20 (腔内存储的能量 / 每秒损耗的能量）Q值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过改变谐振腔的Q值(或损耗)来实现调Q技术第39页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日超短脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁摸、加成脉冲锁模、耦合腔锁模、自锁模阶段。. 超短脉冲技术模：在腔内获得振荡的几种波长稍微不同的波型

18、。第40页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日 纵模（轴模） 在两反射镜间沿轴进行的光束，由于腔长L与光波波长的比是一个很大的数目，所以必然有数不清不同波长的光波，能符合加强反射的条件， 2nL= k例如：L=800nm, n=1, 则k=1时, 对应1=1600nm; k=2, 2=800nm; k=3, 3=533nm 1=1.8751014 , 2=3.751014 , 3=5.6251014 第41页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日横模除了严格平行光轴的光束(基模）以外，总有一些偏离光轴的光束，虽然经多次反射也未偏出腔外，并符合加强反射的条件

19、；因而，在某一方向存在着加强干涉的波长。垂直腔轴的截面所产生的不同横模的光场强度第42页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日先看三个不同频率光波的叠加：若相位未锁定，则此三个不同频率的光波的初位相 1 、 2 、 3 彼此无关，如左图，由于破坏性的干涉叠加，所形成的光波并没有一个地方有很突出的加强。输出的光强只在平均光强基础上有一个小的起伏扰动。3 E02 /2锁模的基本原理第43页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日若设法使 1 = 2 = 3 =0，就会出现一系列周期性的脉冲，当各光波振幅同时达到最大值处时，就周期性地出现了极大值。第44页，共52页

20、，2022年，5月20日，17点47分，星期日1.主动锁模： 在激光腔内插入一个调制器，调制器的调制频率应精确地等于纵模间隔，这样可以得到重复频率为fc/2L的锁模脉冲序列。锁模的方法2.被动锁模：在谐振腔中插入可饱和吸收染料来调节腔内的损耗满足锁模条件时，就可获一系列锁模脉冲。第45页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日4. 同步泵浦锁模如果要通过周期性地调制谐振腔的增益来实现锁模，则可以采用一台主动锁模激光器的脉冲序列泵浦另一台激光器来获得。这种方式就是同步泵浦锁模。3.自锁模：当激活介质本身的非线性效应能够保持各个振荡纵模频率的等间隔分布，并有确定的初相位关系，不需要

21、在谐振腔内插入任何调制元件，就可以实现纵模锁定的方法。第46页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日一、 概 述 利用己介绍的调Q或锁模技术，可以获得极高的峰值功率(1091012w)。其峰值功率之所以大得惊人，是由于把能量压缩在极短暂的时间内释放出来的缘故。但是这种高峰值功率激光器实际上所输出的能量往往不一定很大。因此，为了获得性能优良的高能量激光，应用激光放大技术则是一种最佳方法。 3.4 激光放大技术第47页，共52页，2022年，5月20日，17点47分，星期日 激光放大器与激光器基于同一物理过程(受激辐射的光放大)，其主要区别是激光放大器没有谐振腔。 激光放大器要求工作物质具有足够的反转粒子数，以保证光脉冲信号通过它时得到的增益大于介质内部各种损耗。 另外，为了得到共振放大，要求放大介质有与输入信