激光原理与技术课件

激光原理与技术本课程介绍激光的基本原理、特性和应用从激光的产生原理出发，探讨激光的光学特性，以及激光在不同领域的应用内容大纲激光原理激光器件12光的本质、原子能级、受激发激光器件构造、常见激光器类射原理、增益与反馈型、输出特性、束特性激光应用安全与前景34激光加工、激光测量、激光医激光安全防护、激光技术发展疗、激光通信、激光显示趋势、未来应用前景光与电磁辐射电磁波谱可见光谱光波的特性光的波动性电磁波谱涵盖从低频无线电波人眼能感知的电磁辐射称为可光是一种横波，具有波长、频光具有波动性，表现为干涉、到高频伽马射线的所有电磁辐见光，它只占电磁波谱的极小率和能量等特性光波的传播衍射等现象射光只是电磁波谱中很小的部分不需要介质，可以在真空中传一部分播光子与量子论光子量子论光子是光和所有其他形式的电磁辐射的量子它们是能量的离散量子论描述了微观世界中能量、动量和角动量等物理量的量子化包，没有静止质量，以光速传播特性，以及光和物质的波粒二象性光子的能量与其频率成正比它们的行为既像粒子又像波，这种量子论在理解原子和分子的结构和性质方面起着至关重要的作用特性被称为波粒二象性，并为激光技术提供了理论基础原子能级结构能级电子状态跃迁基态最低能量状态吸收能量后跃迁到更高能级激发态高于基态的能量状态自发辐射或受激辐射跃迁回低能级受激发射原理受激吸收原子吸收光子后跃迁到高能级自发发射原子从高能级自发跃迁到低能级，并释放光子受激发射高能级原子受到特定频率光子的刺激，被迫跃迁到低能级，并释放与激发光子完全相同的另一个光子，这就是受激发射增益与反馈增益介质受激发射增益介质是指能够放大光信号的受激发射是指原子或分子在外界物质，例如激光工作物质光场作用下，从激发态跃迁到低能级并发射出与入射光相同频率、方向和相位的光子光学谐振腔正反馈光学谐振腔由两个反射镜构成，谐振腔提供的正反馈可以放大光它们可以反射光并形成光束信号，并使光信号在谐振腔内持续循环放大激光器件构造激光器件由多个核心部件构成，共同协作实现激光产生和输出核心部件包括增益介质、激励源、谐振腔和输出耦合器增益介质是实现激光放大的物质，激励源为增益介质提供能量，谐振腔用于选择特定波长的光，输出耦合器将激光束输出到外界常见激光器类型气体激光器固体激光器使用气体作为增益介质，例如激光器、使用固体材料作为增益介质，例如激He-Ne Nd:YAGCO2激光器光器、钛宝石激光器染料激光器半导体激光器使用有机染料作为增益介质，可产生可调谐的使用半导体材料作为增益介质，例如激光二极激光输出管激光器的输出特性激光束特性激光束是一种非常特殊的电磁辐射它具有以下几个主要特性方向性强激光束的扩散角非常小，几乎平行传播，使其能够•集中能量并进行远距离传输单色性好激光束的光波频率非常集中，几乎只包含单一频率•的光波，使其具有很高的能量密度和纯度相干性高激光束的光波是相干的，即各光波的频率、相位和•传播方向一致，使其具有很高的时空相干性亮度高激光束的亮度远远超过普通光源，使其具有极高的能•量密度激光束的产生与调制激光束的产生，通过光学谐振腔，将光放大并形成定向的激光束调制1改变激光束的参数，如强度、频率、偏振等整形2改变激光束形状，例如改变光斑形状扫描3控制激光束的移动方向，例如对材料进行加工或测量调制方法4包括电光调制、声光调制、磁光调制等激光束的调制，可以控制激光束的特性，使其适应不同的应用场景激光束的传输光纤传输自由空间传输光纤传输是利用光纤将激光束传在自由空间中传输激光束需要使输到远距离，具有低损耗、抗干用透镜或反射镜等光学元件，可扰性强的特点以实现长距离传输大气传输大气传输会受到大气湍流的影响，导致激光束发生散射和畸变，需要使用自适应光学技术进行补偿激光束的聚焦与成像聚焦原理成像技术应用场景通过透镜或凹面镜将激光束聚焦到更小的区激光聚焦成像技术应用广泛，如激光显微镜激光聚焦成像广泛应用于医疗、工业、科研域，提高能量密度，实现更精确的加工或测、激光扫描成像、激光投影等等领域，为精细操作、精准测量、高分辨率量成像提供了有力工具激光加工原理能量传递1激光束聚焦，高能量密度材料吸收2材料吸收激光能量，升温相变发生3熔化、汽化、蒸发等相变物质去除4材料被切割、焊接、雕刻等激光加工利用激光束的高能量密度和良好的方向性，将激光能量集中到材料表面，通过材料的吸收、传热和相变，实现对材料的切割、焊接、表面处理等加工过程激光切割技术高精度切割切割速度快12激光切割可实现高精度、复杂激光切割速度快，效率高，可形状的切割，应用于各种材料大幅提高生产效率，节约成本，如金属、非金属、复合材料热影响区小应用广泛34激光切割热影响区小，切割边激光切割技术应用于航空航天缘光滑，无需二次加工、汽车制造、电子制造、医疗器械等众多领域激光焊接技术原理优势应用设备激光束的能量使材料熔化，形高精度、高效率、热影响区小广泛应用于航空航天、汽车制常见的激光焊接设备包括激光成熔池，通过控制激光束的运，适合精细焊接、深熔焊接、造、电子制造、医疗器械、珠器、光束传输系统、焊接头等动轨迹来控制熔池的形状和位异种材料焊接等宝首饰等领域，根据应用场景选择不同的设置备激光表面处理激光表面处理过程包括以下几个步骤•材料表面清洁•激光束扫描材料表面•激光束与材料表面相互作用•材料表面特性改变激光表面处理是一种利用激光束的能量改变材料表面特性、性质、结构以及性能的技术它可以改变材料的表面硬度、耐磨性、抗腐蚀性、润滑性、耐热性等激光测量技术非接触式测量高精度测量激光测量技术利用激光束的直线传播特性，可进行非接触式测量激光测量技术的精度远高于传统测量方法，可进行微米级甚至纳，适用于各种复杂形状的物体米级的测量，满足高精度要求激光成像技术激光扫描显微镜激光全息术利用激光束扫描样品表面，获取利用激光干涉原理，记录并重建反射或散射的光信号，形成图像物体波前的技术，可以获得物体的三维信息具有高分辨率、高灵敏度、三维应用于三维显示、全息防伪等领成像等优势，广泛应用于生物医域学、材料科学等领域激光诱导荧光成像利用激光激发样品中的荧光物质，通过检测荧光信号，实现生物组织或材料的成像具有高灵敏度、高特异性等特点，在生物医学诊断、药物筛选等方面具有重要应用价值激光通信技术高带宽安全性激光通信可实现高数据速率，适用于激光束具有方向性强、不易被干扰的大容量数据传输特点，提高了通信安全性远距离传输应用广泛激光可实现卫星间、地面与卫星间、激光通信在军事、航空、航天、科研深空探测等远距离通信等领域具有广泛应用激光雷达技术自动驾驶测绘与地理信息系统考古与文物保护激光雷达在自动驾驶领域应用广泛，用于环激光雷达用于地形测绘、地质勘探和环境监激光雷达可用于考古遗址发掘，帮助考古学境感知，包括物体识别、距离测量和路径规测，能够高精度地采集三维空间信息家识别和重建古代建筑和文物划激光医疗应用外科手术眼科治疗12激光可用于精确切割和烧灼组织，减少出血和创伤激光在眼科手术中应用广泛，例如近视矫正和青光眼治疗皮肤美容牙科治疗34激光可用于去除纹身、去除毛发和改善皮肤状况激光可用于牙科手术，例如牙周病治疗和牙齿美白激光光谱分析原理应用

1.

2.12利用激光作为光源，通过物质广泛用于环境监测、生物医学对激光吸收、发射或散射的特、材料科学、化学分析等领域性，进行物质成分和结构分析类型特点

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4.34包括激光吸收光谱、激光发射高灵敏度、高分辨率、高选择光谱、激光拉曼光谱、激光诱性、快速、非破坏性导击穿光谱等激光冷却与俘获激光冷却磁光阱玻色爱因斯坦凝聚-利用激光与原子相互作用，降低原子热运动利用磁场和激光束来捕获和冷却原子，使原通过激光冷却和磁光阱技术，将原子冷却至的速度，从而实现低温制冷子聚集在特定区域接近绝对零度的状态，形成玻色-爱因斯坦凝聚激光精密加工激光雕刻激光切割利用激光束对材料表面进行微细加工，形成各通过激光束的高能量，切割各种材料，如金属种图案和文字、塑料和陶瓷激光打标激光微钻在材料表面标记各种信息，如产品型号、生产通过激光束的高能量，在材料上打出微小的孔日期和序列号洞，用于各种微型器件的制作激光显示技术激光显示技术利用激光作为光源，具有高亮度、高色彩饱和度、高对比度和高分辨率等优点激光显示技术广泛应用于投影仪、电视机、显示屏等领域，为用户带来更优质的视觉体验激光材料加工激光切割激光焊接利用激光束的热量和能量，精准通过激光束的热量和能量，将不切割各种材料，实现复杂形状的同材料熔合，形成牢固的接缝加工激光表面处理激光打标利用激光束进行表面熔化、热处使用激光束在材料表面刻蚀，实理等工艺，提升材料的表面硬度现永久性标记，用于产品标识、、耐磨性、抗腐蚀性等性能防伪等激光安全防护眼睛防护皮肤防护激光束对眼睛有极高的伤害性，即使是低功率激光也可能导致视长时间暴露在激光束下会导致皮肤灼伤，严重者甚至会引起皮肤力损伤因此，在使用激光时必须佩戴合适的激光防护眼镜癌因此，在使用激光时应避免皮肤直接接触激光束，并采取相应的防护措施，例如穿戴防护服激光应用前景制造业医疗激光技术可用于精密加工、切割、焊接、表面激光在医疗领域应用广泛，例如手术、治疗、处理等，提高生产效率，提升产品质量诊断等，为患者提供更精准、安全、有效的治疗方案科技能源激光技术在光通信、信息存储、量子计算等领激光技术可用于太阳能电池生产、核聚变研究域具有重要应用，推动科技进步等，促进清洁能源发展本课程总结本课程系统地介绍了激光原理与技术，涵盖了激光产生、激光束特性、激光加工、激光应用等方面的内容通过本课程的学习，您将掌握激光的基本原理，了解各种激光器的特性和应用，并具备运用激光技术解决实际问题的能力。