《激光产生的原理》课件

激光产生的原理激光是一种非常特殊的电磁波，它具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等特点。引言激光技术是现代科技的重要组成部分，它在各个领域都有着广泛的应用。从医疗手术到工业加工，从通信技术到国防科技，激光技术都发挥着不可替代的作用。什么是激光定向性激光束发散角极小，几乎是平行光束，可传播很远距离。单色性激光只包含一种波长的光，因此颜色非常纯净，并具有独特的频谱特性。相干性激光光束中所有光波的频率、振动方向和相位都一致，具有高度的相干性。激光的基本特性高度方向性激光束的光线传播方向高度一致，几乎不发生发散。高单色性激光束的光线频率高度一致，即颜色非常纯净。高亮度激光束的光线能量高度集中，单位面积上的能量非常大。激光光源的三要素1工作物质产生激光的物质，例如氦氖混合气体、红宝石晶体或半导体材料等。2激励源为工作物质提供能量，例如闪光灯、气体放电或注入电流等。3谐振腔用来选择特定波长并增强激光输出的装置，通常由两个平行反射镜构成。量子论基础量子论是解释物质世界微观结构和运动规律的理论体系，是现代物理学的基础理论之一。量子论认为，能量、动量、角动量等物理量都是量子化的，只能取一些不连续的特定值。量子力学是量子论的数学描述，它通过波函数描述粒子的状态，并用算符来表示物理量。量子力学可以解释原子光谱、光电效应、热辐射等现象，并预言了新的粒子——反物质。能量跃迁原理电子能级原子中的电子只能处于特定的能量状态，称为能级。跃迁电子在不同能级之间跃迁，吸收或释放能量。吸收光子电子从低能级跃迁到高能级，吸收能量，能量等于两个能级的差值。释放光子电子从高能级跃迁到低能级，释放能量，能量等于两个能级的差值。普通光源与激光的区别方向性普通光源发出的光线向各个方向传播，而激光则沿一个方向传播。单色性普通光源发出的光线包含多种波长的光，而激光则只包含一种波长的光。相干性普通光源发出的光线是随机的，而激光发出的光线是相干的。激光可受激发射1受激发射当处于激发态的原子受到与激发光子能量相同的光子照射时，会跃迁到基态，同时释放出一个与入射光子完全相同的光子。2相位一致受激发射产生的光子与入射光子具有相同的频率、相位和传播方向。3光放大受激发射可导致光子数量的增加，实现光放大。光放大原理1受激发射光子激发处于高能级的原子2光子增殖产生与入射光子相同方向和频率的光子3光放大入射光被放大，强度增强共振腔的作用增强激光强度共振腔可使光在腔内多次反射，增加光子受激发射的概率，从而增强激光强度。提高激光方向性共振腔只允许特定方向上的光传播，从而提高激光的方向性，使其成为高度集中的光束。共振腔结构共振腔由两个平行放置的反射镜组成，一个为全反射镜，另一个为部分反射镜，用来反射光线并形成谐振。部分反射镜用于将部分激光束输出，形成激光束。共振腔的长度必须是激光波长的整数倍，这样才能保证激光在腔内来回反射后形成稳定的驻波，从而实现激光放大。洗掉反相干光激光腔中包含许多不同频率的光，并非全部都是激光的频率镜子会反射激光频率的光，但无法反射其他频率的光通过这种方法，我们可以得到更加纯净的激光受激发射过程1光子激发高能级原子受到光子激发2能量跃迁原子从高能级跃迁到低能级3发射光子发射与入射光子相同性质的光子电子跃迁过程1吸收能量电子吸收能量，例如光子或热能，跃迁到更高的能级。2不稳定态处于较高能级的电子处于不稳定状态，并倾向于回到低能级。3发射光子电子跃迁回低能级时，会释放出光子，光的能量等于两个能级之间的能量差。能级分布原子能级电子轨道基态最低能量状态激发态高于基态的能量状态居群反转正常状态在正常状态下，低能级上的粒子数量比高能级上的粒子数量多。居群反转居群反转是指通过外部能量的输入，使高能级上的粒子数量超过低能级上的粒子数量。抑制自发辐射自发辐射原子处于激发态时，会自发地跃迁到低能级，并释放光子，这种现象称为自发辐射。抑制自发辐射在激光器中，为了提高受激发射的效率，需要抑制自发辐射。常用的方法是通过高能级寿命短、低能级寿命长，来抑制自发辐射。光学增益光学增益是指激光介质中受激辐射过程占主导，导致光强增大的现象。激光振荡条件1光学增益激光介质必须能够放大光，即光学增益大于光学损耗。2谐振腔谐振腔用于选择性地放大特定波长的光，并形成稳定的光束。3居群反转激光介质中上能级粒子数必须大于下能级粒子数，才能实现受激辐射。激光阈值1阈值条件只有当光学增益大于光学损耗时，激光才能产生。2能量积累达到阈值后，光子数量迅速增加，产生激光输出。3光学损耗包括反射损耗、吸收损耗、散射损耗等。4光学增益由受激发射过程决定，与泵浦功率有关。激光波长波长特点紫外光能量高，易于破坏材料可见光对人眼可见，应用广泛红外光能量低，穿透性强激光输出功率1mW低功率条形码扫描仪10W中功率激光切割机1kW高功率激光焊接100kW超高功率激光武器单模激光与多模激光单模激光只有一个横向模式，输出光束为单一频率，具有极佳的单色性、方向性和相干性。多模激光有多个横向模式，输出光束包含多个频率，相干性较差，光束发散角更大。连续激光与脉冲激光连续激光连续激光是指输出光束持续不断，输出功率基本稳定。脉冲激光脉冲激光是指输出光束以脉冲形式出现，输出功率随时间变化。激光器中光学增益的调控泵浦源功率调节：通过改变泵浦源的功率来控制激发态粒子数，从而影响光学增益。工作温度控制：温度会影响能级之间的能级差和粒子寿命，进而影响光学增益。谐振腔长度调节：改变谐振腔长度可以改变共振频率，进而影响光学增益。激光器中光学损耗的控制1腔镜反射率腔镜反射率的优化可以最大程度地减少光束在腔体内传输过程中的能量损失。2介质吸收激光工作物质和腔体元件的吸收会导致光束能量损失。3散射损失腔体内元件表面的粗糙度会导致散射损失，从而影响激光输出功率。半导体激光器半导体激光器是一种利用半导体材料的能带结构，通过注入电流实现光放大和激光输出的器件。半导体激光器具有体积小、效率高、寿命长等特点，在光通信、光存储、激光打印、激光扫描等领域应用广泛。固体激光器固体激光器是激光器的一种，其工作物质为固体材料，例如：红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)等。固体激光器具有输出功率高、效率高、结构紧凑等优点，广泛应用于科学研究、医疗、工业加工、军事等领域。红宝石激光器：世界上第一台激光器就是用红宝石作为工作物质的。钕玻璃激光器：输出能量高，适合用于高功率激光系统。掺钕钇铝石榴石激光器：结构紧凑，效率高，应用广泛。气体激光器He-Ne激光器He-Ne激光器是一种常见的连续波气体