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1、二、什么是激光二、什么是激光? ?Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation-受激辐射光放大受激辐射光放大 （Laser）1目录 退出继续光本性学说的波动性表现光本性学说的波动性表现光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射光的粒子性光的粒子性光电效应光电效应光的波粒二象性光的波粒二象性同步练习同步练习光的偏振光的偏振2红宝石激光器19601960年，年，Theodore MaimanTheodore Maiman成功地应用人工合成的成功地应用人工合成的淡红色宝石晶体制造出世界上第一台激光器，输出淡红色宝石晶体制造出世界上第一台激光器
2、，输出波长波长694.3nm694.3nm，脉能，脉能400mJ400mJ的相干光的相干光梅梅曼曼和和第第一一只只激激光光器器319611961年年, ,中国研制成功红宝石激光器。中国研制成功红宝石激光器。19611961年年, ,Java等研制成功了波长等研制成功了波长11501150nm近红外氦近红外氦氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器; ;Johnson发明掺铷钇铝石榴石发明掺铷钇铝石榴石(Nd:YAG)(Nd:YAG)激光器激光器19621962年年, ,Bennett研制成功了波长为研制成功了波长为488nm488nm的氩的氩(Argon)激光器激光器19641964年，年
3、， Pate发明二氧化碳发明二氧化碳(CO(CO2 2) )激光器激光器19671967年，第一台射线激光器研制成功。年，第一台射线激光器研制成功。高能量高能量CO2激光器激光器4固体激光器固体激光器n固体激光器在激光器家族中具有最长的历史。在其发展进程中,我国的科学工作者曾做出过重要的贡献。n 我国研制的第一台激光器叫做“小球照明红宝石激光小球照明红宝石激光器”,1961年8月诞生于中国科学院长春光机所。激光器的设计师是王之江教授。王之江教授王之江教授。王之江教授因此被中国光学界尊称为“中国激光之父中国激光之父”。“小球照明红宝石激光器”在结构上比梅曼那台激光器又前进了一大步,主要表现在泵浦
4、氙灯采用直泵浦氙灯采用直管式管式,而非螺旋形而非螺旋形;红宝石棒与氙灯并排放在球形聚光器的球红宝石棒与氙灯并排放在球形聚光器的球心附近。心附近。这种结构可以获得更高的泵浦效率得更高的泵浦效率。直至今天,闪光灯泵浦的固体激光器还大都采用这种方式。n 本节中,将重点介绍固体工作物质、光泵浦系统、工作物质的热效应及其散热几方面的内容。5 双包层掺杂光纤由双包层掺杂光纤由纤芯、内包层、外包层纤芯、内包层、外包层和保护层四个层次和保护层四个层次组成。组成。内包层的作用：一是包绕纤芯，将激光辐射限制在纤芯内；二是将泵浦光耦合到内包层，使之在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯被其吸收。 半导体激光
5、的泵浦方式为电流注入激励电流注入激励6横模选择方法可分为两类：一类是改变谐振腔的结构和改变谐振腔的结构和参数参数以获得各模衍射损耗的较大差别，提高谐振腔的选模性能；另一类是在一定的谐振腔内插入附加的选模元腔内插入附加的选模元件件来提高选模性能。气体激光器采用前类方法，固体激光器采用后类方法。图3.18 采用小孔光阑作为选模元件7激光的特性激光的特性l: : 高相干性高相干性 高单色性高单色性 高方向性高方向性 - -高亮度高亮度激光具有特殊性质激光具有特殊性质 8 光具有波粒二象性，即既可把光看作光具有波粒二象性，即既可把光看作是一种频率很高的电磁波，也可把光看成是一种频率很高的电磁波，也可把
6、光看成是一个粒子，即是一个粒子，即光量子光量子，简称光子。，简称光子。光速取代了保存在巴黎国际计量局的光速取代了保存在巴黎国际计量局的铂制米原器被选作定义铂制米原器被选作定义“米米”的标准，并的标准，并且约定光速严格等于且约定光速严格等于299,792,458299,792,458米米/ /秒，秒，此数值与当时的米的定义和秒的定义一致。此数值与当时的米的定义和秒的定义一致。后来，随着实验精度的不断提高，光速的后来，随着实验精度的不断提高，光速的数值有所改变，米被定义为数值有所改变，米被定义为1/299,792,4581/299,792,458秒内光通过的路程秒内光通过的路程, ,光速用光速用“
7、c c”来表示。来表示。9 自身发光的物体称为光源，自身发光的物体称为光源，光源光源分冷光源和热光源。如图分冷光源和热光源。如图为人造光源。为人造光源。 有实验证明光就是电磁辐射，人眼可见的电磁波波长范围约在有实验证明光就是电磁辐射，人眼可见的电磁波波长范围约在390-760nm390-760nm之间。波长在之间。波长在0.770.77微米以上到微米以上到10001000微米左右的电磁波微米左右的电磁波称为称为“红外线红外线”。在。在0.390.39微米以下到微米以下到0.040.04微米左右的称微米左右的称“紫外紫外线线”。红外线和紫外线不能引起。红外线和紫外线不能引起视觉视觉，但可以用光学
8、仪器或摄，但可以用光学仪器或摄影方法去量度和探测这种发光物体的存在。所以在光学中光的影方法去量度和探测这种发光物体的存在。所以在光学中光的概念也可以延伸到红外线和紫外线领域，甚至概念也可以延伸到红外线和紫外线领域，甚至X X射线均被认为是射线均被认为是光光 10第一节第一节 概述概述n分子激光器中分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子,激光跃迁发生在气体分子不同的振-转能级之间。采用的气体主要有分子气体。 分子激光器的典型代表是分子激光器的典型代表是CO2 激光器激光器n固体激光器多采用光泵浦,泵浦光源主要有闪光泵浦光源主要有闪光灯和半导体激光两类。灯和半导体激光两类。泵浦方式主要分泵浦
9、方式主要分端面泵浦端面泵浦 和和侧面泵浦侧面泵浦 。一、一、 激光器的基本结构激光器的基本结构 激光器的基本结构由工作物质、泵浦源和光学谐振腔工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分构成。11第一节第一节 概述概述二、按照激光器工作方式划分二、按照激光器工作方式划分n激光器可分为连续输出和脉冲输出两种方式 激光容易实现干涉，是因为激光光束中光子的频率、初激光光束中光子的频率、初相、偏振方向几乎相同相、偏振方向几乎相同 紫外线是原子的外层电子受到激发后产生紫外线是原子的外层电子受到激发后产生 把激光用作基因修复，是利用激光的方向性好激光的方向性好. 高能量高能量 激光全息照相技术主要是利用激光的相干性
10、好相干性好 122. He-Ne2. He-Ne激光器的输出特性激光器的输出特性 (1) 谱线竞争谱线竞争: He-Ne激光器三条强的激光谱线(0.63280.6328 m m，1.151.15 m m，3.393.39 m m)中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。普通光和激光的特点前者是相干光，后者是非相干光前者是相干光，后者是非相干光 普通光源是大量原子自发辐射自发辐射发光,而激光器发光是受激受激辐射辐射,它具有一系列不同于普通光源的性质.13第三节第三节 固体激光器固体激光器n侧面泵浦侧面泵浦:工作物质形状为棒状或矩形片,泵浦光源为直管灯(螺旋灯)或激光二极管阵列。灯
11、与棒平行放置或棒位于螺旋灯轴线上。泵浦光直接或经聚光腔反射后投射到棒侧面进入。n端面泵浦端面泵浦:泵浦光由棒端面进入(对棒端面加工要求高)。后面将要介绍的半导体激光二极管泵浦固体激光器多采用此种方式,分为直接端面泵浦和光纤耦合端面泵浦。140为激光 的中心频率。用W表示腔内存储的能量,表示光在腔内传播单次能量的损耗率, 那么光在一个单程中的能量损耗为W。设L为谐振腔腔长，n为介质折射率，c为光速，则光在腔内走一单程所需的时间为nL/c。由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为：nLcWcnLW/式中，0为真空中激光中心波长。可见，当0和L一定时，Q值与值与谐振腔的损耗成反比谐振腔的损耗成反比，要改变激
12、光器的阈值，可以通过突变谐振要改变激光器的阈值，可以通过突变谐振腔的腔的Q值值(或损耗或损耗)来实现来实现。 这样，Q值可表示为（2.1-3)002/2nLnLcWWQ 调调Q技术就是通过某种方法使腔的技术就是通过某种方法使腔的Q值值(损耗损耗)随时间按一定程随时间按一定程序变化的技术序变化的技术。15 COCO2 2 激光器是一种气体分子激光器激光器是一种气体分子激光器, ,CO2 CO2 为工作物质为工作物质,N2 、He、CO、Xe、H2 O、H2 与O2 等为辅助气体,其作用是提高激光器的输出功率和效率。 CO2激光器的工作方式分为连续和脉冲工作方式分为连续和脉冲两种,也可以在稳频、调
13、谐(选支)等状态下运转 CO2CO2激光器的输出特性有两个显著的特点激光器的输出特性有两个显著的特点: :一：输出功率或能量相当大一：输出功率或能量相当大, ,能量转换效率高。能量转换效率高。CO2 激光器连续输出功率可达数十万瓦,是所有激光器中连续输出功率最高的器件;脉冲输出能量可达数万焦。二：输出波长分布在二：输出波长分布在9 918m18m波段波段, ,已观察到的激光谱线二百多条已观察到的激光谱线二百多条。911m红外波段中最重要的输出波长10.6m处于大气传输的窗口,有利于激光测距、激光制导、大气通信等方面的应用,且该波长对人眼安全。CO2 CO2 激光器于激光器于19641964年问
14、世。年问世。16二、光纤激光器基本结构及主要特点 光纤谐振腔腔镜可为反射镜、光纤光栅或光纤环反射镜、光纤光栅或光纤环 谐振腔耦合光学系统工作物质(增益光纤)准直光学系统LD泵浦源 光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基本光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基本相同，如下图所示：相同，如下图所示：17双包层光纤激光器双包层光纤激光器 双包层掺杂光纤的构形如下图所示 光纤芯光纤芯外包层外包层保护层保护层激光输出激光输出泵浦光泵浦光18半导体激光制造技术进展半导体激光制造技术进展半导体激光除具备一般激光器的单色性好、相干性半导体激光除具备一般激光器的单色性好、相干性好、方向性好和高强度特点之外，
15、它还具有如下优点：好、方向性好和高强度特点之外，它还具有如下优点：1 1）体积小体积小，小于，小于1 1c cm m3 3。2 2）重量轻重量轻，小于，小于1010g g。3 3）效率高效率高，达，达4040% %。4 4）寿命长寿命长，1 11010万小时。万小时。5 5）可单片集成可单片集成，100100个激光器。个激光器。半导体激光器优点半导体激光器优点1920 1. 激光的基本原理激光的基本原理 按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能按量子力学原理，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）量不连续的定态中，原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只
16、能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。光子与物质原子相互作用过程的变化过程称之为跃迁。光子与物质原子相互作用过程中，存在三种类型的跃迁。即：中，存在三种类型的跃迁。即：吸收、自发辐射和受激吸收、自发辐射和受激辐射。辐射。E1E3E221如图如图1-11-1所示，有一个原子开始时处于基态所示，有一个原子开始时处于基态E E1 1，若不存，若不存在任何外来影响，它将保持状态不变。如果有一个外在任何外来影响，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为来光子，能量为hvhv，与该原子发生相互作用。，与该原子发生相互作用。且且 ，其中：，其中：E E2 2为原子的某一较高的为原子的某一较高的能量状态能量状态激发态。则原子就有可能吸收这一光子，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。而被激发到高能态去。这一过程被称之为原子吸收。值得注意的是，只有外来光子的能量值得注意的是，只有外来光子的能量hvhv恰好等于原子恰好等于原子的某两能级之差时，光子才能被吸收的某两能级之差时，光子才能
