激光原理及应用（第4版）PPT完整全套教学课件

辐射理论概要与激光产生的条件激光原理及应用(第4版)第一章ch01辐射理论概要与激光产生的条件.pptxch02激光器的工作原理.pptxch03激光器的输出特性.pptxch04激光的基本技术.pptxch05固体激光器.pptxch06激光在精密测量中的应用.pptxch07激光加工技术.pptxch08激光在医学中的应用.pptxch09激光在信息技术中的应用.pptxch10激光在科学技术前沿问题中的应用.pptx01光的波粒二象性光的一个基本性质就是具有波粒二象性。人类对光的认识经历了牛顿的微粒说，惠更斯菲涅耳的波动说，到爱因斯坦的光子说的发展，最后才认识到波动性和粒子性是光的客观属性，波动性和粒子性总是同时存在的。一方面光是电磁波，具有波动的性质，有一定的频率和波长。另一方面光是光子流，光子是具有一定能量和动量的物质粒子。在一定条件下，可能某一方面的属性比较明显，而当条件改变后，另一方面的属性变得更为明显。光的波粒二象性例如，光在传播过程中所表现出来的干涉、衍射等现象中其波动性较为明显，这时往往可以把光看作是由一列一列的光波组成的；而当光和实物互相作用时（例如光的吸收、发射、光电效应等），其粒子性较为明显，这时往往又把光看作是由一个一个光子组成的光子流。光的波粒二象性光波是一种电磁波，即变化的电场和变化的磁场相互激发，形成变化的电磁场在空间的传播。光波既是电矢量E的振动和传播，同时又是磁矢量B的振动和传播。在均匀介质中，电矢量君的振动方向与磁矢量歹的振动方向互相垂直，且E、B均垂直于光的传播方向正。实验证明，光对人的眼睛或感光仪器(如照相底板、热电偶)等起作用的主要是电矢量正，因此，以后着重讨论电矢量正的振动及传播。习惯上常把电矢量叫作光矢量。光的波粒二象性线偏振光设光波沿z轴方向传播，则光矢量的振动方向必在与z轴垂直xOy平面内。光速，频率和波长三者的关系电磁波的波长范围非常宽，按其波长长短顺序，大体可分为无线电波、红外光、可见光、紫外光、X射线及γ射线。单色平面波（1）平面波；（2）单色平面波；（3）平面波的复数表示法、光强；（4）球面波及其复数表示法。“”光的波粒二象性在光波场中，光波相位相同的空间各点构成的面叫作波面，也叫作波阵面或等相位面。平面波具有单一频率的平面波叫作单色平面波。单色平面波为了运算方便，常把平面波公式写成复数形式。平面波的复数表示法、光强光的波粒二象性前面已经指出，当光和物质作用时，如果产生原子对光的发射和吸收的话，那么光的粒子性就表现得较为明显。这时往往把光当作一个一个以光速c运动的粒子流看待。光的量子学说（光子说）认为，光子和其他基本粒子一样，具有能量。和动量P，它们与光波的频率以真空中波长λ。光子光的波粒二象性02原子的能级和辐射跃迁物质是由原子、分子或离子组成的，而原子由带正电的原子核及绕核运动的电子组成。核外电子的负电量与原子核所带正电量相等。电子一方面绕核做轨道运动，一方面本身做自旋运动。由原子物理学知道，原子中电子的状态应该由下列四个量子数来确定：①主量子数；②辅量子数；③磁量子数；④自旋磁量子数。原子的能级和辐射跃迁原子能级和简并度原子处于最低的能级状态称为基态。能量高于基态的其他能级状态叫作激发态。一般来说，处于一定电子态的原子对应某个确定的能级。反过来，某一能级并不一定只对应一个电子态，往往有若干个不同的电子运动状态具有同一能级。也就是说，两个或两个以上的不同运动状态的电子可以具有相同的能级，这样的能级叫作简并能级。同一能级所对应的不同电子运动状态的数目，叫作简并度，用字母g表示。原子的能级和辐射跃迁原子的电子组态符号由原子物理中的泡利不相容原理知道，多电子原子中，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的量子数；另外，电子充填原子壳层时，遵守最小能量原理，即在正常情况下（无外界激发），电子从最低的能级开始充填，再依次充填能量较高的能级。原子状态的标记原子的能级和辐射跃迁原子态的标记对于具有多个价电子的原子，考虑到原子中电子的轨道角动量与自旋角动量之间的相互作用，原子的同一电子组态往往有不同的原子状态，也即有不同的能量。原子的能级和辐射跃迁辐射跃迁选择定则：（1）跃迁必须改变奇偶态。（2）△J=0，±1（J=0→J=0除外）。（3）△L=0，±1（L=0→L=0除外）。（4）△S=0，即跃迁时S不能发生改变。原子的能级和辐射跃迁玻尔兹曼分布处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。后面讨论的激光器中会存在相反的情况。即当Em>En时，有nm/gm>nn/gn。通常把这种情况叫作粒子数反转。此时，处在高能态的粒子数大于处在低能态的粒子数。这是在非热平衡的情况下才可能得到的结果。原子的能级和辐射跃迁辐射跃迁和非辐射跃迁对于气体激光器中放电的气体来说，非辐射跃迁的主要机制是通过原子和其他原子或自由电子的碰撞或原子与毛细管壁的碰撞来实现的。固体激光器中，非辐射跃迁的主要机制是激活离子与基质点阵的相互作用，结果使激活离子将自己的激发能量传给晶体点阵，引起点阵的热振动，或者相反。总之，这时能量间的跃迁并不伴随光子的发射和吸收。原子的能级和辐射跃迁03光的受激辐射处于某一温度T的物体能够发出和吸收电磁辐射。如果某一物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射，则称此物体为绝对黑体，简称黑体。在自然界中绝对黑体是不存在的，没有一种物体能够在任何温度下，把投射来的各种波长的辐射都能完全吸收掉。例如，虽然煤烟可以吸收90%以上的可见光，但对红外线的吸收却较小。黑体热辐射光的受激辐射光和物质的作用原子、分子或离子辐射光和吸收光的过程是与原子的能级之间的跃迁联系在一起的。光与物质（原子、分子等）的相互作用有三种不同的基本过程，即自发辐射、受激辐射及受激吸收。对一个包含大量原子的系统，这三种过程总是同时存在并紧密联系的。在不同情况下，各个过程所占比例不同，普通光源中自发辐射起主要作用，激光器工作过程中受激辐射起主要作用。光的受激辐射在通常情况下，处在高能级E2的原子是不稳定的。自发辐射如果原子系统的两个能级E2和E1满足辐射跃迁选择定则。受激辐射光的受激吸收是与受激辐射相反的过程。受激吸收光的受激辐射自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系事实上，在光和大量原子系统的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收三种过程是同时发生的，它们之间密切相关。求出自发辐射系数A21，与受激辐射系数B21，受激吸收系数B12之间的具体关系，特别是A21与B21，比值的具体关系，就可以说明激光光源和普通光源的差别。光的受激辐射在不同条件下，自发辐射与受激辐射光功率的大小差别悬殊，了解这种差别对分析实际问题是有帮助的。由前面讨论知，在单位时间内单位体积中自发辐射的光子数为n，Aη，它与单色辐射能量密度无关。所以某时刻自发辐射的光功率体密度qg（t）应为单位时间内自发辐射的光子数密度与每一光子能量hv的乘积。自发辐射光功率与受激辐射光功率光的受激辐射04光谱线增宽光谱线、线型和光谱线宽度在1.1节中已经提到，原子发光是有限波列的单频光，因而仍然有一定的频带宽度。实际上使用分辨率很高的摄谱仪来拍摄原子的发光光谱，所得的每一条光谱线正是这样具有有限宽度的。光谱线增宽经典理论经典电磁理论认为所有电磁波的辐射都是由原子（离子或分子）的电荷振动而产生的。经典理论把一个原子看作是由一个负电中心和一个正电中心所组成的电偶极子，当正、负电荷之间的距离作频率为v。的简谐振动时，该原子就辐射频率为v。的电磁波。该电磁波在空间某点的场矢量在传输的过程中方向不变。自然增宽光谱线增宽量子解释根据量子力学理论可知，原子的能级不能简单地用一个确定的数值来表示，而是具有一定宽度的。这个宽度称为能级自然宽度。在微观领域中时间和能量是不能同时精确测定的。光谱线增宽碰撞增宽碰撞增宽是由于发光原子间的相互作用造成的。对于气体而言，大量原子作无规则热运动时将不断地发生碰撞（或原子与器壁碰撞），这种碰撞会使原子发光中断或光波相位发生突变，其效果均可看作使发光波列缩短。采用与分析自然增宽相同的方法，由傅里叶变换给出的因碰撞增宽而引起的谱线线型函数仍为洛伦兹线型。光谱线增宽多普勒增宽多普勒增宽是由于发光原子相对于观察者（接收器）运动所引起的谱线增宽。当光源和接收器之间存在相对运动时，接收器接收到的光波频率不等于光源与接收器相对静止时的频率，这叫光的多普勒效应。光谱线增宽在上面讨论的三种谱线增宽形式中，按照谱线增宽的特点可分为均匀增宽和非均匀增宽两类。自然增宽和碰撞增宽分别产生于辐射自然衰减和碰撞引起的波列中断（或相位突变），二者均使波列偏离简谐波，使原子发光不可能具有单一频率，而具有有限的谱线增宽。在这类增宽中，每一发光原子所发的光，对谱线宽度内任一频率都有贡献，而且这个贡献对每个原子都是相同的。这种增宽叫作均匀增宽。显然，当碰撞增宽远大于自然增宽时，可以略去自然增宽而只计算碰撞增宽。均匀增宽和非均匀增宽线型光谱线增宽以上讨论给出了三种谱线增宽的原因。在实际的光谱线中，这三种因素同时存在。所以实际的光谱线型是均匀增宽线型与非均匀增宽线型的叠加，所得到的是一个综合增宽的线型。一般说，综合线型比较复杂，本书不准备详细讨论，只给出它大致的物理图像。综合增宽光谱线增宽05激光形成的条件激光形成的条件图1-19所示为光在介质中得到受激放大的物理图像。光学谐振腔和阈值条件满足了上述两个条件后，还不一定能形成激光。因为处在高能级上的粒子可以通过受激辐射而发出光子，也可以通过自发辐射而发出光子。如果自发辐射占主导地位，那么高能级上的粒子必然主要用于自发辐射，就是一个普通光源。要形成激光，必须使受激辐射成为增益介质中的主要发光过程。这需要一个光学谐振腔。激光形成的条件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；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反转；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（最后一点在第3章中还要详细讨论）。激光形成的条件谢谢观看激光原理及应用(第4版)激光器的工作原理激光原理及应用(第4版)第二章01光学谐振腔结构与稳定性激光是在光学谐振腔中产生的。上一章已经指出谐振腔对激光的形成和激光束的特性起重要的作用，它的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。光学谐振腔结构与稳定性显而易见的是，不垂直于反射镜表面的傍轴光线经过有限次的反射，就会投射到平面镜的通光口径之外，使得激活介质作用的工作长度只得到很有限的增长。所以，光线能够在谐振腔中反射的次数与其结构密切相关。腔中任一束傍轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的谐振腔能够使激光器稳定地发出激光，这种谐振腔叫作稳定腔，反之称为不稳定腔。本节讨论光学谐振腔的结构与稳定性的关系。光学谐振腔结构与稳定性光学谐振腔都是由相隔一定距离的两块反射镜组成的。无论是平面镜还是球面镜，也无论是凸面镜还是凹面镜，都可以用“共轴球面”模型来表示。因为只要把两个反射镜的球心连线作为光轴，整个系统总是轴对称的，两个反射面可以看成是“共轴球面”。平面镜是半径为无穷大的球面镜。如果其中一块是平面镜，可以用通过另一块球面镜球心与平面镜垂直的直线作为光轴。平行平面腔的光轴可以是与平面镜垂直的任一直线。当然两个平面镜不平行不能产生谐振，不在讨论之列。共轴球面谐振腔的稳定性条件光学谐振腔结构与稳定性共轴球面腔的稳定图及其分类为了直观起见，常用稳定图来表示共轴球面腔的稳定条件。光学谐振腔结构与稳定性稳定腔（1）双凹稳定腔;（2）平凹稳定腔;（3）凹凸稳定腔;（4）共焦腔;（5）半共焦腔。临界腔（1）平行平面腔;（2）共心腔;（3）半共心腔。非稳腔非稳腔，因其对光的几何损耗大，不宜用于中小功率的激光器。但对于增益系数G大的固体激光器，也可用非稳腔产生激光，其优点是可以连续地改变输出光的功率，在某些特殊情况下能使光的准直性均匀性比较好。“”光学谐振腔结构与稳定性制作一个腔长为L的对称稳定腔，确定反射镜曲率半径的取值范围。给定稳定腔的一块反射镜，要选配另一块反射镜的曲率半径，确定其取值范围。已有两块反射镜，曲率半径分别为R1、R2用它们组成稳定腔，确定腔长范围。光学谐振腔结构与稳定性02速率方程组与粒子数反转有了光学谐振腔，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，激光器就可以工作。1.5节对这一工作过程作了定性的分析，本节将建立一种定量的分析方法。首先讨论激活介质中抽运、自发辐射、受激辐射与受激吸收同时发生的物理模型，建立描述这个物理过程的速率方程组；然后再根据速率方程组讨论介质中形成粒子数密度反转的条件，以及在粒子数密度反转状态下各参量之间的关系。速率方程组与粒子数反转三能级系统和四能级系统通过泵浦实现能级间的粒子数反转所采用的能级结构可以归结为两种，即所谓的三能级系统和四能级系统。速率方程组考虑到大多数激光工作物质是四能级系统，以四能级系统为例来建立速率方程组，三能级系统可以用同样的方法处理。速率方程组与粒子数反转稳态工作时的粒子数密度反转分布可以看出，首先，在选择激光上、下能级时应该满足这样的要求：E2能级的寿命要长，使该能级上的粒子不能轻易地通过非受激辐射而离开；E1能级的寿命要短，使E1能级上的粒子能很快地衰减。这就是说，满足条件r2>r1的能级，有利于实现能级间的粒子数反转分布。其次，应该选择合适的激励能源，使它对介质的E2，能级的抽运速率R2愈大愈好，对E1能级的抽运速率R1愈小愈好。速率方程组与粒子数反转粒子数密度反转分布表达式中包含有激光工作物质的光谱线型函数，这就意味着激光工作物质的光谱线型函数对激光器的工作有很大影响。均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布速率方程组与粒子数反转均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应粒子数密度反转分布值不能由实验直接测定。式（1-90）给出了增益系数和粒子数密度反转分布值之间的关系，而增益系数G是可以由实验测定的，因此，粒子数密度反转分布值△n表示式的正确性，可以通过测定G而间接地得到验证。需要说明的是，虽然式（2-10）是经过较多简化后导出的，但是实验证明，在激光器工作的过程中，它能够反映增益介质与各个参量之间关系的主要特性。速率方程组与粒子数反转03均匀增宽介质的增益系数和增益饱和增益系数对激光器的工作特性起着十分重要的作用，本节将对增益系数进行深入的讨论。实验发现，不同的介质，其增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变化的规律和介质的线型函数随频率变化的规律相似。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。当测量所用的光强增大到一定程度后，增益系数的值将随光强的增大而下降，产生增益饱和现象。均匀增宽介质的增益系数和增益饱和均匀增宽介质的增益系数均匀增宽介质小信号增益系数如图2-7所示。均匀增宽介质的增益系数和增益饱和均匀增宽介质的增益饱和在测定增益系数的实验中发现，在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱时，增益系数是一个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随光强的增大而减小，这种现象称为增益饱和。增益系数随光强的增强而减小是因为光的受激辐射对介质的粒子数密度反转分布有着强烈的影响造成的。均匀增宽介质的增益系数和增益饱和介质对频率为v0、光强为I的光波的增益系数

。介质对频率为v、强度为I的光波的增益系数。频率为v、强度为I的强光作用下的增益介质对另一小信号光波i（vi）的增益系数。均匀增宽介质的增益系数和增益饱和在光强I的作用下，介质的光谱线型不会改变，线宽不会改变，增益系数随频率的分布也不会改变，光强仅仅使增益系数在整个线宽范围内下降同样的倍数，如图2-9所示。均匀增宽介质的增益系数和增益饱和04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E2、E1，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，接收到的光谱谱线的线型变成非均匀增宽型的。非均匀增宽介质的增益饱和介质在小信号时的粒子数密度反转分布值在非均匀增宽型介质中，在E2，E1能级间跃迁的轴向速度为零的粒子，辐射的光波也是中心频率为v0的自然增宽型函数。但是当粒子具有热运动速度v1时，由于光的多普勒效应，在正对着粒子运动方向上接收到的光波的线型函数变为中心频率为v1的自然增宽型函数。非均匀增宽介质的增益饱和非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数非均匀增宽型介质的小信号增益系数G0D（v）是由具有不同速度的粒子数密度反转分布值△n0（v1）dv1提供的，频率为v1的粒子数密度反转分布对小信号增益系数的贡献，就像均匀增宽型介质的△n0对G0（v）的贡献那样。非均匀增宽介质的增益饱和非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布图2-12描绘了频率为v的光波对频率为v的粒子数密度反转分布的饱和作用，以及起作用的频率范围。非均匀增宽介质的增益饱和非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布通常称上述现象为粒子数密度反转分布值的“烧孔”效应。一般来说，烧孔面积的大小与受激辐射功率成正比。非均匀增宽介质的增益饱和对多普勒增宽型气体激光器，由于谐振腔的存在，腔内光束是由传播方向相反的两列行波组成的。如果光波频率恰好是多普勒增宽型线型函数的中心频率v，则该光波只在增益曲线上烧一个孔。即中心频率的光波只能使那些沿腔轴方向运动的速度为零（与腔轴垂直方向运动速度并不为零）的激发态粒子作受激辐射。非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和非均匀增宽介质的增益饱和05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。激光器的损耗与阈值条件激光器的损耗激光器的损耗指的是在激光谐振腔内的光损耗，这种损耗可以分为两类，第一类是谐振腔内增益介质内部的损耗，它与增益介质的长度有关，叫作内部损耗；第二类损耗是可以折合到谐振腔镜面上的损耗，叫作镜面损耗。激光器的损耗与阈值条件激光谐振腔内形成稳定光强的过程激光谐振腔内光强由弱变强直至最后达到稳定的过程可以用图2-15来描绘。激光器的损耗与阈值条件谐振腔内光强的放大过程激光器开始工作时，由于自发辐射，腔内沿z轴方向有很微弱的光强传播着。谐振腔稳定出光过程以均匀增宽型介质为例，当腔内光强和介质的饱和光强可以比拟时，增益系数不再可以用小信号增益系数来近似。激光器的损耗与阈值条件上面的讨论中指出，腔内光强比较弱时，光波往返一次的放大倍数K>1，随着光强不断地增强，放大倍数就不断地下降，直至K=1为止。因此，合并式（2-33）和式（2-34）就可以得到形成激光所要求的双程放大倍数K=r1r2exp[（G-a内）2L］≥1阈值条件激光器的损耗与阈值条件对介质能级选取的讨论在选取激光的能级方面也有一些值得考虑的问题。前面的讨论指出，激光上下能级间粒子数密度反转分布值愈大，增益系数也愈大，而粒子数密度反转分布值直接由激光上下能级的粒子数密度决定。激光器的损耗与阈值条件谢谢观看激光原理及应用(第4版)激光器的输出特性激光原理及应用(第4版)第三章01光学谐振腔的衍射理论1.亥姆霍兹方程。2.格林定理。3.亥姆霍兹和基尔霍夫的积分定理。光学谐振腔的衍射理论菲涅耳基尔霍夫衍射公式现在考虑光在无穷大不透明屏幕的孔径上的衍射。如图3-2所示。光学谐振腔的衍射理论自再现模概念光学谐振腔是一种“开式”的谐振腔。所谓开式是指，谐振腔只靠两端的反射镜来实现光束在腔内的往返传播，对于光波没有任何其他限制。自再现模积分方程对于激光器开腔来说，若给定了某一镜面上的光场分布函数，如何计算当光波渡越到另一镜面处时所形成的新光场分布函数呢？光学谐振腔的衍射理论谐振条件、驻波和激光纵模当腔内存在激活物质时，为了使自再现模在往返传播过程中能形成稳定的振荡，必须满足谐振条件。这是因为当光波在腔镜上反射时，入射波和反射波会发生干涉。纵模频率间隔腔内两个相邻纵模频率之差△v称为纵模的频率间隔。光学谐振腔的衍射理论02对称共焦腔内外的光场分布共焦腔镜面上的场分布1.方形镜面共焦腔自再现模积分方程的解析解2.镜面上自再现模场的特征对称共焦腔内外的光场分布有了式（3-39）和式（3-40）就可以讨论光场分布的这几个方面的问题。（1）振幅分布;（2）相位分布;（3）单程衍射损耗;（4）单程相移与谐振频率。对称共焦腔内外的光场分布基横模行波场是式中最简单的一项，也是激光器输出的最重要的一部分。激光应用中也常常只用它的基横模输出。基横模行波输出在与光束前进方向的垂直平面上的强度呈高斯型分布，通常称为高斯光束。高斯光束体现出激光光束与普通光源发出的光束不同的基本特点，对于激光的应用有极其重要的意义。共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布对称共焦腔内外的光场分布03高斯光束的传播特性图3-7给出了激光器的各种模式输出的光强分布示意图。高斯光束的传播特性高斯光束的振幅和强度分布基模光斑半径w随z按双曲线规律变化，如图3-10所示。高斯光束的传播特性共焦腔反射镜面是共焦场中曲率最大的等相位面。共焦腔中等相位面的分布如图3-11所示。高斯光束的相位分布高斯光束的传播特性高斯光束的远场发散角前面已经证明，共焦腔的基模光束依双曲线规律从腔的中心向外扩展，由此不难求得基模的远场发散角。因此，高斯光束的远场发散角完全取决于其束腰半径。相应的计算表明，包含在全角发散角内的功率占高斯基模光束总功率的86.5%。高斯光束的传播特性高斯光束的高亮度由于激光器发出的高斯光束有良好的方向性，因而它也具有高亮度的特点。亮度B定义为：单位面积的发光面在其法线方向上单位立体角范围内输出的辐射功率。高斯光束的传播特性04稳定球面腔的光束传播特性稳定球面腔的等价对称共焦腔如果在场的任意一个等相位面处放上一块具有相应曲率的反射镜片，则入射在该镜片上的场将准确地沿着原入射方向返回，这样对称共焦腔中产生的场分布将不会改变。只要该反射镜不在对称共焦腔原先的反射镜位置上，其曲率半径就与原反射镜不相同，便得到了一个新的球面腔。稳定球面腔的光束传播特性稳定球面腔的等价对称共焦腔该球面腔与原对称共焦腔等价，产生的行波场与原共焦场完全一致，但是一定不再是共焦的。由于任何一个对称共焦腔场有无穷多个等相位面，因而存在无穷多个“等价”的球面腔。反过来，任意一个满足稳定性条件的球面腔只可唯一地与一个对称共焦腔等价。稳定球面腔的光束传播特性这里只讨论基横模也就是相应高斯光束的传播特性，再对稳定球面腔的谐振频率进行讨论。前者与激光束的应用密切相关，后者涉及到激光器的选频。1.等效对称共焦腔的束腰半径和原球面腔镜面的基横模光束有效截面半径；2.谐振频率。稳定球面腔的光束传播特性稳定球面腔的光束传播特性05其他几种常用的激光光束厄米-高斯光束与高斯光束有着密切关系的是厄米-高斯光束。此光束的波前和发散性质与高斯波束相同，但是强度分布不同。特别是，厄米-高斯光束不只是描述简单的零级高斯光束，它还可用于描述光学谐振腔中更广泛的一系列模式。光学谐振腔的模式是复杂的光束剖面，它们在两面终端反射镜之间来回反射复制其自身，这两面反射镜的形状一般是球面。要一个波是谐振腔的一个模式，它必须在来回往复穿越谐振腔之后复制出它自身，特别是振幅和相位的分布，二者都必须原样复制出来。其他几种常用的激光光束图3-14表示几个低阶的拉盖尔-高斯模式光束的强度分布和相位分布。拉盖尔-高斯光束其他几种常用的激光光束贝塞尔光束贝塞尔光束是完全的亥姆霍兹方程（不做傍轴近似）的精确解，它有一个值得注意的性质：它不随在z方向的传播而发散。要导出贝塞尔光束的形式，从考虑z=0平面上的标量场的理想化的角谱出发，这个角谱是由等强度的傅里叶分量组成的一个圆环，圆环足够薄，可以用傅里叶平面上径向的一个δ函数表示。其他几种常用的激光光束06激光器的输出功率在谐振腔内工作介质为均匀增宽型物质的激光器中，通常只有一个纵模（详见第4章的讨论），这个纵模是满足谐振条件的诸纵模中增益系数最大的那个纵模，也就是谐振频率vq离中心频率v0最近的纵模。由于|v0-vq|很小，因此，vq的增益系数G（vq）可以近似地用v0的增益系数代替。均匀增宽型介质激光器的输出功率激光器的输出功率非均匀增宽型介质激光器的输出功率非均匀增宽型介质中，频率为v的光波只能使速度为±v的粒子数密度反转分布值饱和，对其他速度的粒子数密度反转分布值几乎无影响。所以非均匀增宽型介质对腔内各纵模的增益系数仅受本纵模光强的影响，基本上与其他纵模的光强无关。这是非均匀增宽型介质与均匀增宽型介质的不同之处。因此，由非均匀增宽型介质构成的激光器中，对其各个纵模的讨论可以分别独立地进行。激光器的输出功率07激光器的线宽极限对一个激光器来说，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相位，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，相应地就有无限长的波列，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△v，范围内的一条“线”。激光器的线宽极限首先是内部的原因：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有它极其微小的一个份额。另一方面，腔内自发辐射又产生一列一列前后相位无关的波列，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。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。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。激光器的线宽极限如果激光器的输出功率增大，就说明腔内辐射场的能量密度也变大了，而受激辐射几率是正比于辐射场能量密度的，自发辐射的几率却不变，因此受激辐射所占的比例相应地增大，激光振荡谱线的宽度也相应地变窄。这就是说增大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和激光器输出功率成反比。激光器的线宽极限08激光光束质量的品质因子M²在激光技术及其应用领域，以及激光器的设计和生产过程中，光束质量是衡量激光光束优劣的一项重要指标。因此光束质量的定义和测试是激光研究的重要内容之一。但是，较长时间以来，光束质量一直没有确切的定义，也未建立标准的测量方法，这给科研和应用都带来了不便。激光光束质量的品质因子M²在激光的发展过程中，针对不同的应用目的，曾用多种参数来评价光束质量，例如聚焦光斑尺寸、远场发散角等。但由于激光束经过光学系统后，束腰尺寸和发散角均可以发生改变，减小腰斑半径必然会使发散角增大，因此单独使用发散角或腰斑尺寸来评价光束质量是不科学的。为了克服常用的光束质量评价方法的局限性，近年来国际光学界发展出一种表征激光光束质量的参量——品质因子M²，并已由国际标准化组织（ISO）予以推荐试用。激光光束质量的品质因子M²09模式激光的某些一阶统计性质这里的讨论将限于激光器的“经典”模型，一个给定模式是否会发生振荡，取决于在这个特定的模式上激活介质的增益是否超过各种损耗，若增益正好等于损耗，可以说（不严格地）此模式处于“阈值”上，增大泵运功率可以增大增益，但是当振荡发展起来之后，过程的非线性最终会使增益饱和，阻止增益随着泵运功率的增加而进一步增大。单模激光的一阶统计性质模式激光的某些一阶统计性质1.理想振荡；2.具有随机的瞬时频率的振荡；3.VanderPol振子模型；4.激光器输出强度统计的一个更完备的解。模式激光的某些一阶统计性质多模激光的一阶统计性质虽然许多激光器可以做到单模运作，但是振荡常常在多个模式中同时发生。模式可以为纵向结构或横向结构，或者在有些情形下，两种模式结构都出现。模式激光的某些一阶统计性质谢谢观看激光原理及应用(第4版)激光的基本技术激光原理及应用(第4版)第四章01激光器输出的选模激光单纵模的选取均匀增宽型谱线的纵模竞争前面已经指出，对于均匀增宽型的介质来说，每个发光粒子对形成整个光谱线型都有相同的贡献。当强度很大的光通过均匀增宽型增益介质时，由于受激辐射，使粒子数密度反转分布值下降，于是光增益系数也相应下降，但是光谱的线型并不会改变。其结果是增益曲线按同一比例降低，线宽和频率分布都不发生变化。激光器输出的选模激光单纵模的选取非均匀增宽型谱线的多纵模振荡前面曾经指出，对非均匀增宽型介质来说，某一种纵模的光强增强时，增益的饱和并不引起整个增益曲线下降，而是在该纵模对应的频率处形成一个凹陷（即“烧孔”效应）。如果一个非均匀增宽激光器有多个纵模的小信号增益系数都大于阈值的话，那么这些纵模就都可以建立自己的振荡，所以，非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。激光器输出的选模激光单纵模的选取单纵模的选取要提高光束的单色性和相干长度（如在干涉测长仪中就要求良好的单色性），就需要使激光器工作在单一纵模下（一般是基横模）。但是，许多非均匀增宽的气体激光器往往有几个纵模同时振荡，因此，要设计单纵模激光器，就必须采取选频的方法。激光器输出的选模激光单横模的选取前面已指出，激光振荡的条件是增益系数G必须大于损耗系数ago损耗可分为与横模阶数有关的衍射损耗和与振荡模式无关的其他损耗，如输出损耗、吸收、散射损耗等。基横模选择的实质是使TEM模达到振荡条件，而使高阶横模的振荡受到抑制。因此，只需控制各高阶模式的衍射损耗，即可达到选取横模的目的。一般只要能抑制比基横模高一阶的TEM，模和TEM，模振荡，也就能抑制其他高阶模的振荡。激光器输出的选模02影响频率稳定的因素影响腔长变化的因素很多，如温度的波动、机械振动、声波及重力影响等都会引起腔长的短期和长期的不稳定。受到气压、温度和湿度变化的影响，气体折射率会产生较大的变化，从而对频率稳定性造成影响。除以上所说的外部因素以外，激光器某些内部因素，如放电条件（工作气体的总压强、成分、放电电流等）的变化也对频率有影响，由于这些因素或者可以控制（如放电电流），或者变化不大（如气体总压强）。影响频率稳定的因素被动式稳频利用热膨胀系数低的材料制作谐振腔的间隔器；或将热膨胀系数为负值的材料与热膨胀系数为正值的材料按一定长度配合，以使热膨胀互相抵消，实现稳频。主动式稳频目前采用的主动稳频方法的基本原理大体相同，即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。稳频方法概述影响频率稳定的因素兰姆凹陷法稳频原子间的相互作用、空间电场的斯塔克效应、杂散磁场的塞曼效应及增益介质的色散等诸多因素均会引参考频率以的漂移，因此，兰姆凹陷稳频器的频率的复现度不高，一般只有10²。但是由于这种激光器的结构比较简单，且能够达到约10°的长期稳定度，对于一般精密测量已是足够了。因此，这种稳频方法在工业和科学研究方面仍然有着很广泛的应用。影响频率稳定的因素兰姆凹陷法稳频采用的参考频率是激光器原子谱线本身的中心频率，不可避免地会出现频率漂移，所以频率复现度不高。为了克服这个缺点，在兰姆凹陷稳频的基础上又发展了一种利用外界频率标准进行高精度稳频的方法，这就是“饱和吸收法”。由于反转兰姆凹陷的宽度比兰姆凹陷的宽度窄，所以其中心频率两侧曲线的斜率就比兰姆凹陷曲线的斜率大，这样就可以减小搜索信号的幅度以提高频率的稳定性。影响频率稳定的因素03激光束的变换首先，由于透镜很薄，因此在透镜两边的入射光束和出射光束应该有相同的光强分布，即出射光束的光场分布也是高斯型的，而且出射光束在透镜处的光斑尺寸w'应等于入射光束在透镜处的光斑尺寸w。其次，入射和出射的高斯光束在透镜处的波阵面曲率半径R和R'应满足关系式。高斯光束通过薄透镜时的变换激光束的变换高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦所谓短焦距，是指高斯光束在透镜处波阵面的半径R远远大于透镜焦距f的情形。入射光束的腰到透镜的距离s等于透镜焦距f的聚焦这就是说；当入射高斯光束的腰处于透镜的焦点上时，出射光束正好聚焦在透镜另一侧的焦点上。这种情况和普通点光源处在透镜的焦点上时，其出射光为一束平行光（不会聚）的情况是截然不同的。激光束的变换高斯光束的准直所谓高斯光束的准直，就是要改善光束的方向性，压缩光束的发散角。这就是说，束腰半径越大，远场发散角越小。激光束的变换所谓“扩束”，就是扩大光束的光斑尺寸。一般地说，可以有两种情况。一种是通过扩大发散角来扩大光斑尺寸，这既可以用凹透镜来实现，也可以用凸透镜来实现。这时要求在透镜焦点处产生一个极小的束腰半径，从而得到发散角很大的高斯光束，实现扩束。激光的扩束激光束的变换04激光调制技术激光调制的基本概念激光调制就是把激光作为载波携带低频信号，本质上是无线电波调制向光频段的拓展。尽管激光调制与频率较低的无线电调制所采用的原理和设备不同，但就调制的方法来讲，也有振幅调制、强度调制频率调制、相位调制以及脉冲调制等形式。激光调制可分为内调制和外调制两类。激光调制技术电光强度调制图4-21（a）是一个典型的电光强度调制的装置示意图。激光调制技术电光相位调制除了上述的电光强度调制和电光相位调制以外，激光调制器还有许多种，如横向电光调制器、电光行波调制器、克尔电光调制器声光调制器、磁光调制器，以及机械调制器和干涉调制器等。近来发展很快的还有空间光调制器。总之，作为激光应用所必需的关键技术，光调制器应当得到足够的重视。激光调制技术05激光偏转技术机械偏转机械偏转是利用反射镜或多面反射棱镜的旋转，或者利用反射镜的振动实现光束扫描。这种方法的原理比较简单，入射光束不动，反射镜转动一个角度时，反射光束会转两倍的角度。机械偏转具有偏转角大、分辨率高、光损失小且可适应光谱范围大的优点，这些优点是目前其他偏转方法难以达到的。激光偏转技术电光偏转是利用泡克耳斯效应，通过施加在电光晶体上的电场来改变晶体的折射率，使光束偏转。实际的电光晶体偏转器由两个晶体棱镜（如KDP棱镜）组成。电光偏转激光偏转技术声光偏转1922年布里渊提出的声波对光波的衍射效应，已经为实验所证实。声光效应也提供了一种方便地控制光的强度、频率和传播方向的手段，和电光效应一样得到了广泛的应用。激光偏转技术06激光调Q技术激光谐振腔的品质因数Q激光器的损耗可用式（2-37）定义的单程总损耗描绘，也可用品质因数Q值描绘。这一定义是由电子学中推广来的，它同样适用于LC振荡回路和微波谐振腔，只是在激光谐振腔中传播的光的一个周期要短得多。激光调Q技术调Q原理指的是，采用某种办法使谐振腔在泵浦开始时处于高损耗低Q值状态，这时激光振荡的阈值很高，粒子密度反转数即使积累到很高水平也不会产生振荡；当粒子密度反转数达到其峰值时，突然使腔的Q值增大，将导致激光介质的增益大大超过阈值，极其快速地产生振荡。这时储存在亚稳态上的粒子所具有的能量会很快转换为光子的能量，光子像雪崩一样以极高的速率增长，激光器便可输出一个峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。用调节谐振腔的Q值以获得激光巨脉冲的技术称为激光调Q技术。调Q原理激光调Q技术激光调Q技术电光调Q装置示意图如图4-27所示。声光调Q声光调Q技术利用这样一种原理：在激光谐振腔内放置声光偏转器，当光通过介质中的超声场时，由于衍射造成光的偏折，就会增加损耗而改变腔的Q值。这种方法具有重复频率高和输出稳定等优点，目前，多用于获得中等功率的高重复频率的脉冲激光器中。激光调Q技术不论是转镜、电光或声光调Q技术，Q开关开启的延迟时间都是可控的，因此，习惯上统称这一类技术为主动调Q。还有另一种调Q技术，即染料调Q技术，它是利用某种材料（通常是用有机染料）对光的吸收系数会随光强变化的特性来达到调Q的目的。由于这种方式中Q开关的延迟时间是由材料本身特性决定的，不直接受人控制，所以又称之为被动调Q技术。染料调Q激光调Q技术07激光锁模技术锁模原理一般非均匀增宽激光器，总是产生多纵模（假设均对应某一横模）。由于各个模式的频率和初相位无确定的关系，各个模式互不相干，因此多纵模输出的光强是各纵模的非相干叠加。输出光强随时间无规则起伏。锁模技术使谐振腔中可能存在的各个纵模同步振荡，让各振荡模的频率间隔保持相等并使它们的初相位保持为常数，使激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。激光锁模技术激光锁模技术如图4-31所示，在谐振腔中插入一个电光或声光损耗调制器。被动锁模在激光腔内插入一个有饱和吸收特性的染料盒，也能起到锁模的作用。可饱和染料的吸收系数是随光强的增强而下降的。激光器内，随着光泵对工作物质的激励，各个纵模都会随机地发生，光场就会由于它们的叠加而在强度上略有起伏。当某些纵模偶然地得到相干加强时，出现光场较强的部分，其他部分则较弱。这些较强的部分通过染料，被吸收的少，损耗不大。较弱的部分通过染料，被吸收的多，反而更被减弱。激光锁模技术谢谢观看激光原理及应用(第4版)典型激光器介绍激光原理及应用(第4版)第五章01固体激光器固体激光器的基本结构与工作物质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。固体激光工作物质是固体激光器的核心。影响固体激光器工作特性的关键是固体激光工作物质的物理和光谱性质，这主要是指吸收带、荧光谱线、热导率等。目前研究过的固体工作物质很多，用它们制作了各种各样的固体激光器。固体激光器红宝石是在三氧化二铝（A1203）中掺入少量的氧化铬（Cr203）生长成的晶体。掺钕钇铝石榴石（Nd³：YAG）这种工作物质是将一定比例的Al2O3、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中进行熔化，并结晶而成的，呈淡紫色。固体激光器由于固体激光工作物质是绝缘晶体，所以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。泵浦光源应当满足两个基本条件：①有很高的发光效率；②辐射光的光谱特性应与激光工作物质的吸收光谱相匹配。氪灯在低电流密度放电时的辐射光谱特性，与YAG的主要泵浦吸收带相近。固体激光器的泵浦系统固体激光器脉冲特性脉冲激光器工作在非连续输出的非稳态，其工作过程不能用2.2节中给出的稳态速率方程描述。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。转换效率固体激光器运转时，转换效率低是它的最突出的问题之一。在实际工作中，固体激光器的转换效率常用总体效率η衡量。固体激光器新型固体激光器20世纪80年代以来，固体激光器的发展比较快，出现了几种带有方向性的新型固体激光器，这就是半导体激光器泵浦的固体激光器、可调谐固体激光器和高功率固体激光器。1.半导体激光器泵浦的固体激光器;2.可调谐固体激光器;3.高功率固体激光器。固体激光器02气体激光器He-Ne激光器是在1960年末研制成功的第一种气体激光器。由于它具有结构简单、使用方便、光束质量好、工作可靠和制造容易等优点，至今仍然是应用最广泛的一种气体激光器。氦氖（He-Ne）激光器气体激光器在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。通过受激辐射跃迁到激光下能级的Ne原子借助自发辐射转移到亚稳态1S能级，然后通过与管壁碰撞释放能量的途径返回基态。如果管径d增大，原子与管壁碰撞的机会减小，滞留在1S能级的Ne原子可能吸收自发辐射光子重新返回激光下能级，从而导致反转粒子数的减少。毛细管直径的选择应综合考虑对输出功率和模式的要求，以及增益、衍射损耗对输出功率的影响。气体激光器二氧化碳激光器二氧化碳（CO2）激光器是以CO，气体分子作为工作物质的气体激光器。其激光波长为10.6μm和9.6μm。自1964年第一台CO2激光器研制成功以来，流动型、横向激励型、高气压型、波导型、气动型等各种CO2激光器相继出现，发展迅速。气体激光器二氧化碳激光器CO2激光器受到人们重视的主要原因是它具有很多明显的优点。例如，它既能连续工作，又能脉冲工作，输出功率大，效率高。它的能量转换效率高达20%~25%，连续输出功率可达10瓦量级，脉冲输出能量可达10°焦耳量级，脉冲宽度可压缩到纳秒级。特别是CO2激光波长正好处于大气窗口，并且对人眼的危害比可见光和1.06μm红外光要小得多。气体激光器放电特性相应于CO2激光器的输出功率，其放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。实验指出，随着管径增大，最佳放电电流也增大。温度效应前面已经指出，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。气体激光器Ar*离子激光器离子激光器是以气态离子的不同激发态之间的激发跃迁进行工作的气体激光器。氩离子（Ar*）激光器是最常见的离子激光器。Ar激光器的激光谱线很丰富，主要分布在蓝绿光区，其中，以0.4880μm蓝光和0.5145μm绿光两条谱线最强。Ar激光器既可以连续工作，又可以以脉冲状态运转。连续功率一般为几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦，是目前在可见光区连续输出功率最高的气体激光器。它已广泛应用于全息照相、信息处理、光谱分析及医疗和工业加工等许多领域。气体激光器03染料激光器染料激光器的激发机理染料分子能级染料激光器的工作物质是有机染料溶液。每个染料分子都由许多原子组成，其能级结构十分复杂。由于染料分子的运动包括电子运动组成染料分子的原子间的相对振动和整个染料分子的转动，所以在染料分子的能级中，对应每个电子能级都有一组振动转动能级，并且由于分子碰撞和静电扰动，振动转动能级被展宽。染料激光器染料激光器的泵浦根据上述染料分子光辐射的特殊性，染料激光器应采用光泵浦。按照运转方式区分，有脉冲泵浦和连续泵浦；按照泵浦光源区分，有闪光灯泵浦和激光泵浦。这里只介绍脉冲泵浦。脉冲泵浦以泵浦光的足够高的功率和足够快的上升时间，克服三重态的影响，实现激光器工作。这类器件的特点是输出激光的峰值功率高，器件的转换效率高，以及结构简单、操作方便。染料激光器染料激光器与其他激光器相比，其突出特点是激光波长可调谐。为了实现精确的调谐和获得较窄的线宽，需要有一个带有波长选择装置的谐振腔。经常采用的波长选择装置有光栅、棱镜、F-P标准具、双折射滤光片、分布反馈装置、电控调谐元件等。染料激光器的调谐染料激光器染料激光器图5-20所示为一种光栅反射镜调谐腔。染料激光器图5-21所示为一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图。染料激光器的调谐液体染料工作物质的能带很宽，这就使它成为锁模激光器所要求的良好的激活介质。20世纪70年代，人们利用同步泵浦锁模染料激光器获得了ps量级的光脉冲，后来又利用碰撞锁模染料激光器及腔外脉冲压缩技术，将光脉冲宽度压缩到6fs。影响频率稳定的因素04半导体激光器半导体的能带和产生受激辐射的条件在1.2节中已经讲过，原子的能级对应着原子的不同运动状态。实际上固体中原子之间相距不远，由于原子间的相互作用，能级会分裂。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，其相互间能量差小到10²eV数量级。半导体激光器半导体的能带和产生受激辐射的条件纯净（本征）半导体材料，如单晶硅、锗等，在热力学温度为OK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。二者之间是禁带，那时半导体是一个不导电的绝缘体。随着温度的升高，部分电子由于热运动激发到导带中，成为自由电子。同时价带中少了一个电子，产生一个空穴，相当于一个与电子电量相同的正电荷。半导体激光器PN结和粒子数反转1.PN结的双简并能带结构2.粒子数反转外加电压产生的载流子注入使作用区的导带电子和价带空穴造成复合跃迁，辐射光子。半导体激光器半导体激光器的基本结构和工作原理GaAs激光器的结构。它的核心部分是PN结。PN结的两个端面是按晶体的天然晶面剖切开的，称为解理面，该二表面极为光滑，可以直接用作平行反射镜面，构成谐振腔。上下电极施加正向电压，使结区产生双简并的能带结构及激光工作电流。激光可以从一侧解理面输出，也可由两侧输出。半导体激光器的工作原理和阈值条件半导体激光器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外，还需要满足阈值条件，即谐振腔的双程光放大倍数大于1。半导体激光器的阈值电流半导体激光器作用区的粒子数反转值难以确定，但是可以将它与工作电流I联系起来。半导体激光器的工作原理和阈值条件半导体激光器GaAs激光器的伏安特性与二极管相同，也具有单向导电性。伏安特性在室温下，同质结半导体激光器只能以低重复率（几千赫兹至几十千赫兹）脉冲工作。阈值电流密度由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，特别是在结的垂直平面内。方向性半导体激光器半导体激光的谱宽尽管比荧光窄得多，但比气体和固体激光器要宽得多。随着新器件的出现，谱宽已有所改善，如分布反馈式激光器的线宽，只有0.1nm左右。光谱特性注入式半导体激光器是一种把电功率直接转换为光功率的器件，转换效率极高。转换效率通常用量子效率和功率效率量度。转换效率半导体激光器05其他激光器准分子激光器常态下为原子，在激发态下能够暂时结合成的不稳定分子，叫作受激准分子，简称准分子。准分子激光器的工作物质是准分子气体。自1970年第一台准分子激光器问世以来，人们研制成功了多种准分子激光器，并在同位素分离、光化学泵浦染料激光器等方面做出了贡献。其他激光器在激光武器研制方面，它也是很有发展前途的激光器之一。用准分子激光器治疗近视眼也取得了很好的经济和社会效益。目前，准分子激光器越来越多，激励方式也不断改进，功率和效率不断提高，其脉冲输出能量已达百焦耳量级，脉冲峰值功率达千瓦以上，重复率达200次/秒，光束发散角为0.15mrad。其他激光器自由电子激光器自由电子激光器是一种新型激光器，其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。从本质上看，自由电子激光器是一种把相对论电子束的动能转变成相干辐射能的装置。其他激光器自由电子激光器自由电子激光器具有下述特点：①输出的激光波长可在相当宽的范围内连续调谐，原则上可从厘米波一直调谐到真空紫外，甚至x光的波段，在目前电子加速器可利用的能量范围内，已实现的调谐范围是100nm~1mm；②由于自由电子激光器的工作物质是电子束本身，而不是固体、液体或气体等物质，因而它不会出现自聚焦、自击穿等非线性光学损伤现象，只要电子能量足够大，就可以获得极高的光功率输出；③具有极高的能量转换效率，理论上可高达50%。其他激光器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，其工作物质可以是气体或液体，但目前大多数为气体。由于化学激光器在激励方式等方面的独特性，通常把它们归类为一个单独的激光器分支。化学激光器其他激光器谢谢观看激光原理及应用(第4版)激光在精密测量中的应用激光原理及应用(第4版)第六章01激光干涉测长干涉测长的基本原理干涉条纹是接收面上两路光程差相同的点连成的轨迹。激光器发出的激光束到达半透半反射镜P后被分成两束，当两束光的光程相差激光半波长的偶数倍时，它们相互加强形成亮条纹；当两束光的光程相差半波长的奇数倍时，它们相互抵消形成暗条纹。激光干涉测长除了迈克耳孙干涉仪以外，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、光电计数器和显示记录装置。激光光源一般是采用单模的He-Ne气体激光器，输出的是波长为632.8nm的红光。因为氦氖激光器输出激光的频率和功率稳定性高，它以连续激励的方式运转，在可见光和红外光区域可产生多种波长的激光谱线，所以氦氖激光器特别适合用作相干光源。激光干涉测长系统的组成激光干涉测长激光外差干涉测长技术激光的发明和应用使干涉测长技术提高了精度，扩大了量程并且得到了普及。但是使干涉测长技术走出实验室进入车间，成为生产过程质量控制设备的是激光外差干涉测长技术，具体来讲就是双频激光干涉仪。激光干涉仪产生的干涉条纹变化频率与测量反射镜的运动速度有关，在从静止到运动，再回到静止的过程中，对应着频率从0到最大值，再返回到0的全过程，因此光强转化出的直流电信号的频率变化范围也是从0开始的。这样的信号只能用直流放大器来放大处理。激光干涉测长激光干涉测长应用举例激光干涉测长除了测量长度外，还可以测量各种能够转化为被测长度的物理量，如长度计量中的角度，以及压力、温度、折射率等。本节以角度和折射率测量为例来说明激光干涉测长的应用。激光干涉测长02激光衍射测量激光衍射测量原理光的衍射现象，按照衍射物和观察衍射条纹的屏幕（即衍射场）之间的位置关系，一般将其分为两种类型；菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射。前者是有限距离处的衍射现象，即观察屏到衍射物的距离比较小的情况，也称近场衍射。后者是无限距离处的衍射现象，在观察屏离衍射物可以近似地看作无限远时才能观察到，也称远场衍射。激光衍射测量激光衍射测量的方法在实际应用中，基于单缝衍射的各种测量方法的原理大都基于式（6-10）。而基于圆孔衍射的测量方法则是根据式（6-15），通过计算衍射暗条纹（暗环）间距来确定被测量。具体的测量方法有如下几种。激光衍射测量激光衍射测量的应用激光衍射测量03激光测距激光脉冲测距激光脉冲测距原理因为光速是个常数，而光又沿着直线传播，只要测量出光束在待测距离上往返传播的时间就可以计算出两点之间的直线距离。激光脉冲测距原理就是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。激光测距激光脉冲测距激光脉冲测距仪的结构它的工作过程大致如下：当测距仪对准目标后，激光器就发出一个很强很窄的光脉冲，这个光脉冲经过发射望远镜压缩发散角。以红宝石激光器为例，它的光束发散角一般是几个毫弧度，经过发射望远镜，压缩到零点几个毫弧度。这样的光脉冲射到10km远的地方，只有一个直径为几米的光斑。激光测距激光相位测距激光相位测距原理相位测距是通过测定连续的调制激光在待测距离d上往返的相位差φ来间接测量传播时间的。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对应着一定的激光调制频率，又叫作测尺频率。激光测距相位差的测量中、低频率的相位测量精度总是远远高于高频信号的相位测量精度。04激光准直及多自由度测量激光准直仪激光准直仪一般都采用具有连续输出的氦氖激光器，并且通常使用的是基横模输出。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ω的截面内。激光准直仪的发射光学系统是一个倒置的望远镜。激光准直仪的光电目标靶通常用的是四象限光电探测器。激光准直测量的应用举例不直度的测量。激光准直及多自由度测量述的激光准直仪的对准精度还不够高，主要是因为光斑成圆形，中心不易找得很准。所以除了利用激光的方向性外，还可以利用激光的单色性，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作激光衍射准直仪。激光衍射准直仪激光准直及多自由度测量激光多自由度测量任何一个物体在空间都具有六个自由度，即在x，y，z三个直角坐标轴方向的平动和绕x，y，z三个坐标轴的转动。被加工工件的定位、精密零部件的安装及目标物体在空间的运动位置和姿态，都需要多至六个自由度的测量、调整或控制。由于生产加工技术自动化程度的提高，科学模拟实验过程中的环境控制，误差溯源的科学性及实验过程的高效性等要求，对多自由度的探测提出了越来越高的要求，希望能同时探测工件或目标物体在空间的多个自由度。前述的激光准直仪实际上就是二自由度测量系统。激光准直及多自由度测量05激光多普勒测速运动微粒散射光的频率激光多普勒测速的原理是，用一束单色激光照射到随流体一起运动的微粒（自然存在或人工掺入的）上，测出其散射光相对于入射光的频率偏移，即所谓的多普勒频移屮，进而确定流体的速度。首先要考查由光源入射到运动微粒上的光和接收器接收到的由运动微粒散射出来的光之间的频差，然后再研究测量该频差的方法。激光多普勒测速差频法测速差频测速方法大致可分为两类：一类是检测散射光和入射光之间的频移——多普勒频移，这种方法常称为参考光束型多普勒测速；另一类是检测两束散射光之间的频差—一多普勒频差，这种方法叫作双散射光束型多普勒测速。激光多普勒测速激光多普勒测速仪具有非接触测量，不干扰测量对象，测量装置可远离被测物体等优点，在生物医学、流体力学、空气动力学燃烧学等领域得到了广泛应用。1.血液流速的测量；2.管道内水流的测量。激光多普勒测速技术的应用激光多普勒测速06环形激光测量角度和角加速度Sagnac效应和角速度测量1913年Sagnac提出了一种环形干涉仪，它是一个严格的共路干涉系统。1925年迈克耳孙利用这个原理构造了测量地球转动的干涉仪。环形激光器不难看出，上述无源腔的灵敏度很低。环形激光测量角度和角加速度拍频计数与转角呈线性关系，是环形激光器作为角度和角速度传感器的原理公式。实际上，环形激光器测角还要受到零点漂移闭锁地磁、非线性等影响，需要在理论与工艺等诸多方面作大量的工作予以克服，才能够使误差减小，实现精密测角。环形激光精密测角激光多普勒测速光纤陀螺光纤陀螺也是基于Sagnac效应。为了增加光程差，一种方法是加大直径，一种方法是增加圈数。对于光纤来讲，后一种方法是极易实现的。因此实用的环形激光测角采用光纤陀螺仪。环形激光测量角度和角加速度07激光环境计量激光环境计量中采用了激光雷达‰，叨。激光雷达（laserradar）又称为光雷达（opticalra-dar）。激光雷达对大气中的微粒子的探测灵敏度非常高，利用分光方法，可以测定特定的大气成分的分布，因此成为大气环境计量的最有效手段。如果使用皮秒级的脉冲激光，则其空间分辨率可达到10cm以下。激光环境计量当光传播中遇到折射率不连续处时，将以该处作为新的光波源产生散射现象。按照光子的能量是否发生变化，散射分为非弹性散射和弹性散射两种类型。弹性散射又有瑞利散射和米氏散射之分。相对于激光波长而言，当散射体的尺寸非常小（空气中的分子）时，称为瑞利散射；与激光波长相当（空气中悬浮粒子）的散射，称为米氏散射。激光环境计量瑞利散射强度与照射激光波长的四次方成反比，所以，通过改变波长的测量方式就可以和米氏散射区别开。相应地，非弹性散射也有拉曼散射和布里渊散射两种。正是利用这些散射计量技术，使激光雷达在大气环境观测中的应用非常活跃。激光环境计量08激光散射板干涉仪在精密测量中应用激光还有一个重要的领域，即全息散斑干涉计量，主要用于波面的测量。测量结果也可以转化为引起波面二维变形的其他物理量，因而成为其他物理量，例如折射率分布、温度场变形场（应力应变分布）等的精密测量方法。与激光干涉测长相同的是，全息散斑干涉计量也以激光波长作为长度的基本计量单位。不同的是，其测量结果是一个二维的被测量的场，而不仅仅是一维的长度变化。激光散射板干涉仪基本光路由原理型的激光散射板干涉仪到实际应用的激光散射板干涉仪，有多种光路，它们都可以展开为如图6-41所示的典型光路。激光散射板干涉仪在输出平面上产生的光场有四项分量。其中两次都由散射板直透过时，光场分布是会聚在像面中心的一个光点，对整个干涉场没有贡献。两次通过散射板都散射时，产生的是与另两个散斑场统计无关的散斑场，只会给干涉测量场带来背景光噪声，不影响散斑干涉条纹分布。这两个分量以下不再予以讨论。干涉条纹形成的数理模型激光散射板干涉仪谢谢观看激光原理及应用(第4版)激光加工技术激光原理及应用(第4版)第七章01激光热加工原理本节讨论激光热加工的原理。无论哪一种激光加工方法，都要将一定功率的激光束聚焦于被加工物体上，使激光与物质相互作用。以金属加工为例，在功率密度为104~1011W·cm-²的激光聚焦照射下，物表面将吸收大量激光能量。激光热加工原理随着照射时间的推移，激光束与金属表面之间会产生多种相互作用过程。首先是热吸收过程，使材料局部升温。激光脉冲能量足够高，脉宽足够窄，会产生冲击强化过程。随着热作用的持续，温度升高，导致表面熔化过程。继续照射，熔池会向内部发展，熔池表面发生汽化过程。几乎与此同时，等离子体开始产生，形成的汽化物和等离子体产生屏蔽现象。持续照射，屏蔽作用减弱，称作复合过程。激光热加工原理激光脉宽为10ms左右，聚焦功率密度为10²W/mm²时，作用于金属表面，主要产生温升相变现象，用作激光相变硬化；激光作用时间在10~4ms之间，聚焦功率密度在10²~104W/mm²的范围时，金属材料除了产生温升、熔化现象之外，主要是汽化，同时还存在激波，可用于熔化、焊接、合金化和熔敷。激光热加工原理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。一束激光照射到材料表面时，除一部分被材料表面反射外，其余部分透入材料内部被材料吸收。透入材料内部的光能主要对材料起加热作用。激光热加工原理材料的加热材料的加热是光能转变为热能的过程。尽管不能针对实际的激光热加工过程求解温度场分布以直接指导激光热加工的研究和工艺设计，但是一些简化假设的结果还是有意义的。激光热加工原理02激光表面改性技术激光淬火技术的原理与应用激光淬火技术，又称激光相变硬化，是利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上。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。激光淬火不需要淬火介质，只要把激光束引导到被加工表面，对其进行扫描就可以实现淬火。因此，激光淬火设备更像机床。激光表面改性技术材料成分通过材料的淬硬性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。钢的淬透性越好，相同激光淬火工艺参数条件下淬硬层的深度要比含碳量相同时的碳素钢要深。激光表面改性技术表面预处理状态包括两个方面：一是表面组织准备，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，以保证激光淬火时组织与性能的均匀、稳定。二是表面“黑化”处理，以提高钢铁表面对激光束的吸收率。激光表面改性技术激光表面熔凝技术这种表面处理技术是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。有些铸锭或铸件的粗大树枝状结晶中常有氧化物和硫化物夹杂，以及金属化合物及气孔等缺陷，如果这些缺陷处于表面部位就会影响到疲劳强度、耐腐蚀性和耐磨性。激光表面改性技术激光熔覆（LaserCladding）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，在基材表面形成其合金化的熔覆层，以改善其表面性能。激光熔覆技术激光表面改性技术03激光去除材料技术激光打孔激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的重要应用领域之一。随着现代工业和科学技术的迅速发展，高熔点、高硬度材料的使用越来越多，传统的加工方法已无法满足对这些材料的加工要求。激光去除材料技术激光打孔原理激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作盘，其基本结构示意图如图7-13所示。激光去除材料技术（1）脉冲宽度对打孔的影响；（2）激光打孔中离焦量对打孔的影响；（3）脉冲激光的重复频率对打孔的影响；（4）被加工材料对打孔的影响。激光打孔工艺参数的影响激光去除材料技术激光切割1.激光切割的原理与特点激光切割以连续或重复脉冲方式工作，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）。激光切割分类及其机理激光切割按其机理可分为汽化切割熔化切割、激光氧助熔化切割和控制断裂切割。激光去除材料技术激光切割的工艺参数及其规律激光切割的主要工艺参数有切割用激光功率、切口宽度、切割速度和气体流量。其他因素，如激光光束质量、透镜焦距、离焦量和喷嘴等对于激光切割也有很大影响。激光去除材料技术04激光焊接激光热导焊激光热导焊的原理热导焊时，激光辐射能量作用于材料表面，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熔池。熔池随着激光束一道向前运动，熔池中的熔融金属并不会向前运动。激光焊接激光热导焊的连接形式;激光功率密度;离焦量对焊接质量的影响;脉冲激光热导焊的脉冲波形;脉冲激光热导焊的脉冲宽度。激光焊接激光深熔焊激光深熔焊的原理当激光功率密度达到106-107W/cm²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小孔（见图7-22）。激光焊接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。不同材料的临界功率密度的大小不同，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的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。激光焊接激光焊接从开始的薄小零件或器件的焊接到目前大功率激光焊接，经历了近40年的发展，所涉及的材料涵盖了几乎所有的金属材料，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、国防工业、造船海洋工程、核电设备等领域。激光复合焊激光焊接05激光快速成型技术为了能对市场变化做出敏感响应，国外于20世纪80年代末发展了一种全新的制造技术，即所谓快速成型技术（RapidPrototyping，简称RP）。与传统的制造方法不同，这种高新制造技术采用逐渐增加材料的方法（如凝固、胶接焊接、激光烧结、聚合或其他的化学反应）来形成所需的零件形状，故也称为增材制造法（MaterialInereaseManufacturing，简称MIM）。激光快速成型技术快速成型技术综合了计算机、物理、化学、材料等多学科领域的先进成果，解决了传统加工方法中的许多难题。不同于传统机械加工的材料去除法和变形成型法，它一次成型复杂零件或模具，不需专用装备和相应工装，堪称为制造领域人类思维的一次飞跃。快速成型技术在航天、机械电子及医疗卫生等领域有着广阔的应用前景，受到了广泛的重视并迅速成为制造领域的研究热点，已经成为先进制造技术的重要组成部分。激光快速成型技术激光快速成型技术的原理及主要优点快速成型技术的基本工作原理是离散、堆积。首