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1、提 纲,1.概论及激光发展史,2.激光特性及激光原理,4.固体激光器,5. 气体激光器,6. 激光技术,3.衡量光束质量的参数,激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。激光诞生的背景：具有理论基础和生产实践迫切需要。激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致一门新兴产业出现。激光使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。,1.概论及激光发展史,激光的发展简史,“受激辐射”理论的发展,1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1950年，中学教师阿尔弗雷德卡斯特勒同让布罗塞尔发明
2、了“光泵激励”技术。1951年，美国哥伦比亚大学的教授查尔斯汤斯（Townes）对微波的放大进行了三年的研究，完善“受激辐射的微波放大”的理论，成功地制造出了世界上第一个“微波激射器” 。1958年贝尔实验室的汤斯教授和他的学生阿瑟肖洛（Schawlow，诺贝尔物理奖的获得者）把微波放大的技术应用于光波，奠定了激光发展的基础。,激光器件的发展,1960年，梅曼（T. Maiman）在量子电子学发展的成果基础上发明了第一台红宝石激光器。1961年，德若凡发明了第一台气体激光器氦氖激光器。1962年，半导体激光器诞生。1964年，帕特尔（C. Patel）发明了第一台CO2激光器。,1965年，第
3、一台大功率二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台射线激光器研制成功。1997年，美国麻省理工学院的研究人员研制出 第一台原子激光器。,以后的几十年，各国都投入到激光器的研究之中，充足的资金和人力资源迅速推动着激光技术飞速进展。各种不同介质、不同形状、不同功率、不同波长的激光器不断出现。我国第一台激光器（红宝石）于1961年出世。激光应用遍及各个领域：工业、农业、医学、生物、环境、军事、日常生活等等。,激光，像电力一样成为这个时代最重要的技术因素，对人们的生活方式产生重大影响：激光通信使我们在地球的每一个角落里都能准确迅速地进行信息交流；激光唱机使我们聆听世界名曲的现场演奏；从科研到产业，从海洋
4、到太空，工业到农业，从民用到军事；激光的科学研究和技术应用实现着令人难以置信的奇迹。,激光“解决问题的工具”,固体激光器、全固态激光器气体激光器半导体激光器染料激光器（液体激光器）化学激光器X射线激光器自由电子激光器等,激光器的种类,光纤激光器,半导体激光器,He-Ne激光器,薄片激光器,倍频Nd:YAG激光器,气体激光器 体积较大、寿命较长、高功率、价廉 化学激光器 高功率、大体积 灯泵固体激光器 光束好、高功率、寿命短、大体积 半导体激光器 体积小、寿命长、光束差、功率低 全固态激光器 体积小、寿命长、光束好、高功率,各种激光器的特点,激光运转的波长范围遍布红外、可见、紫外、X射线的所有区
5、域,激光波长,LASER Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation “受激发射的辐射光放大”最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”1964年我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。,2.激光特性及激光原理,2.1 激光特性,1. 单色性激光是受激辐射，频率宽度很窄,当两列振动方向相同、频率相同、相位固定的单色波叠加后，光的强度在叠加区域不是均匀分布的，而是一些地方具有极大值，一些地方具有极小值，从而产生光的干涉现象，即这两列波具有相干性。在普通的光源中，光是自发辐射，彼此相互独立，没有恒定的相位关系。而激光是
6、受激辐射，具有恒定的相位关系，因而激光具有良好的相干性,2. 相干性,激光在谐振腔中经反射镜多次反射振荡，超过一定的阈值后输出，只有沿谐振腔轴线的光才能得到放大，因而具有良好的方向性。,3. 方向性好,激光具有很高的能量。由于激光的空间相干性和方向性，经光学系统聚焦，可以产生极高功率密度，例如1051013 W/cm2的功率密度。在工业生产中，利用激光高能量特点进行打孔、切割和焊接。在医学上、利用激光的高能量可进行外科手术。在军事领域，激光武器可以摧毁敌机和导弹,4. 高能量（高功率密度）,2.2 激光原理,基本概念：不同的原子具有不同的能级结构。一个原子中最低的能级称为基态，其余的称为高能态
7、，或激发态。原子从高能态E2跃迁到低能态E1时，会向外发射某个频率为v 的光辐射，满足普朗克公式： h = E1 - E2 = AE 式中h为普朗克常数。反之，该原子吸收频率为 的辐射时，就会从低能态E1跃迁到高能态E2。,产生激光的5个条件,1.受激辐射：首要条件，也是必要条件，但还不是充分条件。,(上能级E2),(下能级E1),受激辐射,吸收跃迁,基态,E = E2 E1 = h,泵浦,高能态,自发辐射,如果让这些受激光子一个一个地发射出来，是不能形成强大的能量的。（自发辐射）一般的，电子被激发到高能级后，在高能级上停留的时间是短暂的。而有些物质的电子处于第二能级E2的时间较长，仅次于基态
8、能级E1。这个能级就叫做亚稳态能级。,2.工作物质必须具有亚稳态能级,基态(下能级E1),受激辐射,吸收跃迁,E = E2 E1 = h,泵浦,高能态(上能级E2),亚稳态,外来的光子能激发出光子，产生受激辐射，但也可能被低能级所吸收。在激光工作介质中，受激辐射和受激吸收这两个过程都同时存在。在常温下，吸收多于发射。选择适当的物质，使其在高（亚）能级上的电子比低能级上的电子还多，即形成粒子数反转，使受激发射多于吸收。,3.粒子数反转,激光器中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向杂乱无章。要使频率单纯，方向集中，就必须有一个谐振腔,4. 谐振腔,1,激光,激光工作物质和谐振腔都会使光子产
9、生损耗。只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多得多时，才能有放大作用。,5.增益大于损耗,高能态(上能级E2),基态(下能级E1),受激辐射(激光),吸收跃迁,E = E2 E1 = h,激发,形成激光的五个条件1、受激辐射2、亚稳态能级3、粒子数翻转4、谐振腔5、增益大于损耗,3.衡量光束质量的参数,3.1 激光束模式,激光的模式用TEMmnq表示m,n 为横模的序数，q为纵模的序数,基模(横向单模)：m=n=0,其它的横模称为高阶横模,方形镜和圆形镜的横模图形,对于方形镜，m表示X方向的节线数，即 X方向的暗纹数，n表示Y方向的节线数，即 Y方向的暗纹数；,如何判断横模,对于
10、圆形镜， m 表示径向节线数，即暗环数，n表示角向节线数，即暗直径数,(c) TEM02,(d) TEM03,(a) TEM00,(b) TEM10,3.2 远场发散角,基模高斯光束的发散角可由下式表示,则基模高斯光束的远场发散角为,理想情况下，均匀平面波聚焦后爱里(Airy)斑的宽度为：=1.22f/D;其中f聚焦光学系统焦距，D衍射孔径,3.3 聚焦光斑尺寸,束宽和发散角都可以通过使用聚焦光学系统来改变，但对于确定光束，其束腰宽度和远场发散角的乘积是不变的，称为光束参数乘积BPBP=0 对于基模高斯光束BP0=0= 0/ 0= / 对于实际光束BP / BP越大，光束质量越差,3.4 光束
11、参数乘积,M2因子称为衍射极限倍数因子，其定义为：M2的倒数称为K因子；对于实际光束， M21(K1)，M2越小，光束质量越高,3.5 M2因子和K因子,4.固体激光器,1960年世界第一台激光器固体红宝石激光器问世。中国科学院长春光机所1960年研制出中国第一台激光器红宝石激光器。40余年来，固体激光器件及技术迅速发展，约百种工作介质可以产生激光。单脉冲激光能量高达上万焦耳，平均输出功率超过1000W，峰值功率达几十太瓦(TW， 1012W)。,4.1 引 言,固体激光器的主要特点,固体激光的输出波段多在可见光区域或近红外光区域，容易使用晶体倍频，获得可见光甚至紫外光波段；固体激光器输出易于
12、用普通光学元件传输，便于光纤传输；固体激光器结构紧凑、牢固耐用、使用维护方便，制作成本低；广泛的用途。,4.2 固体激光器的结构,1,3,3,固体激光器结构图1、激光工作介质；2、全反射镜 3、泵浦光源；4、输出耦合镜；,2,4,激光输出,4.3 常用的激光工作介质,固体激光工作介质由激活离子和基质材料两部分组成。已实现激光跃迁的主要激活离子有：Ce3+、Pr3+、Nd3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、Sm2+、Dy2+、Tm2+、Co2+、Ni2+、V2+、Cr3+、U3+等。常用的基质材料主要有：Y3Al5O12晶体(钇铝石榴石YAG);
13、YVO4晶体;LiYF4晶体(氟化钇铝LYF); Gd3Ga5O12晶体 (钆镓石榴石GGG);Al2O3晶体；磷酸盐玻璃；硅酸盐玻璃,Nd3+:YAG晶体,Nd3+:YVO4晶体,红宝石Cr3+:-Al2O3,Nd3+:LiYF4晶体,惰性气体放电灯：脉冲灯氙灯；连续灯氪灯激光二极管（Laser Diode）,4.4 常用的泵浦光源,激光二极管,氙灯,气体激光器以气体或蒸气为工作物质，包括原子、分子、离子、准分子、或金属原子蒸气等激光器。气体激光器跃迁谱线和相应的激光输出波长范围较宽，从真空紫外直至红外区。,5 气体激光器,原子气体激光器：以惰性气体（氦、氖、氩、氪、氙）、卤素气体或蒸气（氯
14、、碘、溴）等为工作介质。分子气体激光器：以气体分子和准分子为工作介质,5.1 气体激光器的种类,原子气体激光器,氦氖激光器 3.39、1.15、0.6328m氙激光器 3.507、2.026、3.507m氧碘原子激光器 1.315m氩离子激光器 0.4880、0.5145m氪离子激光器 0.4762、0.5208、0.5682、0.6471m氦镉激光器 0.4416、0.3250、0.5337、0.5378、0.6355、0.6360m,He-Ne激光器,氩离子激光器,双原子分子：CO激光器：5.45.7m、 N2分子激光器： 0.3371m、 HF激光器：2.63.5m DF激光器：3.65
15、.0 m多原子分子：CO2激光器：P支10.6m； R支9.4m,分子气体激光器,5.2 CO2激光器,扩散冷却式,对流式,横流式,快速轴流式,按冷却方式分类,扩散冷却式CO2激光器,1:输出耦合镜；2：阳极；3：进水口；4：回气管；5：放电管；6：储气管；7：水冷管；8：阴极；9：全反镜；10出水口,横流式CO2激光器,气流方向4与激光谐振腔轴 以及放电方向相互垂直,1：密封壳体；2：输出耦合镜；3：高速风机；4：气流方向5：热交换器；6：阳极；7：折迭镜； 8：全反镜；9：阴极,快速轴流式CO2激光器,1：全反镜；2：高压放电区；3：输出耦合镜；4：放电管；5：高速风机；6：热交换器；,工
16、作气体沿放电管轴向高速流动，即气流方向、电场方向及激光谐振腔三者方向一致,6 激光技术,6.1 品质因数Q的基本概念,吸收损耗,损耗系数,反射损耗,散射损耗,衍射损耗,6.2 激光调Q 技术,反射损耗,吸收损耗,散射损耗,衍射损耗,染料调Q,声光调Q,电光调Q,染料调Q技术,液体染料或固体染料片具有吸收饱和作用，当光通过时，开始吸收很强，所以激光器处于低Q值，随着时间增长，吸收系数减小，最后饱和，不吸收，激光器Q值增高，形成振荡。,电光调Q 技术,声光调Q 技术,6.3 非线性光学技术,Nd:YAG激光基波1064nm,倍频,532nm绿光,3倍频,355nm紫外光,266nm紫外光,4倍频,1,3,图4-2、倍频固体激光器结构图1、激光工作介质；2、全反射镜；3、泵浦光源；4、输出耦合镜；5、倍频晶体,2,4,倍频激光输出,5,激光输出,3,
