第八篇 激光原理.ppt

1、激光原理、激光原理、激光是诞生于1960年的新光源。 激光因其具有能量集中、方向性强、单色性好、相干性好的一系列优点而被广泛应用于科学技术领域。 激光的产生和应用可以说为光学的发展开辟了新纪元。 激光是激发发射的光放大的简称，其英文完整名称为“lightamplificationbystimulatedemissionofradiation”激光是最初的字母缩略词“Laser”。 即，激光是基于激励光的放大原理而产生的相干光的辐射。 目前常用的激光按增益介质的种类分为气体激光、固体激光器、激光半导体、液体激光4种。 根据激光的工作方式可以分为连续激光和脉冲激光。 在光与物质相互作用时，原子的能

2、级变化：原子可以从高能级迁移到低能级，原子可以吸收光子从低能级迁移到高能级的激发放射和激发吸收，在实际的粒子系统中，这些个的三个过程存在于云同步中，相互关联自发放射和激发放射、h、外来光也被吸收，原子在E1E2.每单位体积的单位时间内吸收外来光而E1E2的原子数：W12个原子在单位时间内引起吸收过程的概率，1、激发吸收是在N1、N2的单位体积中处于E1、E2能级的原子数， 单位体积单位时间内从E2 E1自发放射的原子数：h、处于高能级E2的原子自发地迁移到低能级E1而放出光子21自发发射系数，各原子自发放射的光是独立、无关的非相干光. 处于高能量水平E2的粒子在外来放射的作用下，向低能量、水平

3、E1迁移，向云同步放射与外来放射相同频率的光子，外来光频率满足：的频率为放射能量体密、度(外来光子数密度)、3、感应放射，式中，B21表示感应发射系数， W21个原子在单位时间内引起感应放射的概率，感应放射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向相同，A21、B21、B12被称为爱因斯坦系数，1917年爱因斯坦理论上得到：爱因斯坦的感应放射理论在六十年代初B21=B12，热平衡时，E2E1和粒子数为来自E1E2的粒子数，即3360或：爱因斯坦关系、4、爱因斯坦关系、处于热平衡下的粒子满足玻耳兹曼分布，若为E2E1则为二能级，kt 1.3811 、E 2-E 11eV； 二、激光的形成、1、粒

4、子数的反转、E2 E1自发发射的光可引起感应发射过程，也可引起吸收过程。 需要N2 N1(粒子数反转)。 因为B21=B12，W21=W12，所以产生激光，需要(2)外部能量的激发(称为泵或泵大头针)，破坏热平衡，选择性地激发处于基态的原子，在高能量水平下，两个能量水平E2和E1的粒子数光激发(光泵)、2、实现粒子数反转的条件、3、实现粒子数反转的能级系、能级稳定能级：几乎所有物质原子的激发状态都不稳定，原子停留在激发状态的时间短，能级寿命短(10 )。 亚稳态能级的寿命从ms达到s级。如果粒子被激发，则可以创造长时间滞留在准稳定能级、粒子数反转的分布条件。 具有准稳定能级的物质可以是激光工作

5、物质。 激光工作物质通过激发能量实现和维持粒子数的反转分布状态，通常被称为活化介质。 激光工作物质参与激光产生的能级有3个或4个，分别称为三能级体系和四能级体系。 三能级系E3和E1构成一个宽的吸收带，E3上的原子不辐射地转变为E2，E2和E1粒子数反转，三能级系的效率不高。 四能级系E3 E1寿命短，E2为亚稳态，因此可以容易地实现E2和E1能级的粒子数反转，四能级系效率高，激光通常由工作物质、光学谐振腔、激发能三部分构成。 工作物质的特点：光学性质均匀，透明性好，稳定性好，有亚稳定能级，量子效率高。 自发辐射光子处于非干扰作用状态。为了以激发辐射为主，W21=B21() A21，即相干辐射

6、的单色辐射能量密度需要大于某最小值，使介质的长度变长，强化光的放大的两个反射镜实际的媒体不会长于一盏茶，只需采用光学谐振腔，就可以实现这一点。您可以选择在可能存在多个转变的情况下，可以利用光的干扰作用条件，使谐振器的长度和波长满足：满足该频率的光将不被增强而淘汰，阈值保持振荡的条件，谐振器中的粒子数反转密度越大， (3)激励能量、向工作物质供给能量、使粒子数反转的装置称为泵，通常的泵是化学泵、瓦斯气体、放电泵、络离子、束泵，方向性好(发散角110 )。 利用激光平行光管可将长度2.5km的隧道掘进偏差控制在16nm以下。 三、激光特性，2亮度高脉冲瞬时功率大(达到10 14 )亮度极高，激光颜

7、色非常简单，而且只在单向式发光，亮度极高，激光在画面上形成的小光斑具有极高的照度。普通激光的输出亮度，是太阳表面亮度的11 激光是当今世界上高亮度的光源。 激光的能量在空间、时间上高度集中，光能不仅在空间上高度集中，而且在时间上也高度集中，因此能瞬间产生巨大的光热。 在工业上，用激光打孔、切割或焊接。 医学上视网膜凝结进行外科手术。 在映射，从地球到月亮的距离的测量和卫星大地的测量是可能的。 在军事领域，能够制造破坏敌机和导弹的激光武器，3单色性好，单色性最好的氪灯Kr86=4.710-3 nm，稳频HeNe激光器，激光器单色性比寻常光高一倍，4相干性好，空间相干性好时间相干性好(10 - 8

8、埃)，相干长度可达数十公里。激光技术的应用涉及光、机械、电、材料及检测等多学科，主要分为激光焊接：汽车车身的厚板、汽车零部件、锂电池、起搏点、密封继电器等密封老虎钳及各种不可焊接污染和变形的去老虎钳。 现在使用的激光是YAG (钇铝榴石)激光、CO2激光和半导体泵激光。 激光切割：汽车行业、电脑、电器外壳、木刀模具业、各种五金制品和特殊材料的切割、圆盘锯刃、冲压力、弹簧瓦斯气体套、2mm以下的电子设备用铜板、一些金网板、钢管、镀锡铁元素板、亚金属铅镀钢板、磷青铜、电路板使用激光使用YAG 四、激光应用、激光刻印：各种材料和大多数行业广泛应用，目前使用的激光有YAG激光、CO2激光和半导体泵浦激

9、光。 激光热处理：在汽车工业应用广泛，如缸膛、曲轴、活塞环、齿轮等零配件热处理已被云同步、航空航天、工作母机行业和其他机械行业广泛应用。 激光化学：激光高度集中具有均匀的能量，可以准确照射分子的结合，如利用不同波长的紫外激光器，照射硫化氢等分子，改变两个激光束的相位差，控制了该分子的断裂过程。 也可以利用改变激光脉冲波形的方法，准确有效地向一盏茶分子照射能量，诱发某种预期的反应。 四、激光的应用、激光医疗：激光在医学上的应用可分为两大类：激光诊断和激光治疗，前者以激光为信息载体，后者以激光为能量载体。 激光武器：激光测距仪是激光军事应用的起点，并将其应用于火炮系统，大大提高了火炮的射击精度。 激光雷达与无线雷达相