《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，激光技术都发的应用挥着不可替代的作用什么是激光定向性单色性激光束发散角极小，几乎是平行光束激光只包含一种波长的光，因此颜色，可传播很远距离非常纯净，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高单色性高亮度激光束的光线传播方向高度一致，几乎不激光束的光线频率高度一致，即颜色非常激光束的光线能量高度集中，单位面积上发生发散纯净的能量非常大激光光源的三要素工作物质激励源12产生激光的物质，例如氦氖混为工作物质提供能量，例如闪合气体、红宝石晶体或半导体光灯、气体放电或注入电流等材料等谐振腔3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单色性普通光源发出的光线向各个方向普通光源发出的光线包含多种波传播，而激光则沿一个方向传播长的光，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受激发射相位一致12当处于激发态的原子受到与激受激发射产生的光子与入射光发光子能量相同的光子照射时子具有相同的频率、相位和传，会跃迁到基态，同时释放出播方向一个与入射光子完全相同的光子光放大3受激发射可导致光子数量的增加，实现光放大光放大原理受激发射1光子激发处于高能级的原子光子增殖2产生与入射光子相同方向和频率的光子光放大3入射光被放大，强度增强共振腔的作用增强激光强度提高激光方向性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，使增强激光强度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，并镜子会反射激光频率的光，但无法反非全部都是激光的频率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光子激发1高能级原子受到光子激发能量跃迁2原子从高能级跃迁到低能级发射光子3发射与入射光子相同性质的光子电子跃迁过程吸收能量1电子吸收能量，例如光子或热能，跃迁到更高的能级不稳定态2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发射光子3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居群反转在正常状态下，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抑制自发辐射原子处于激发态时，会自发地跃在激光器中，为了提高受激发射迁到低能级，并释放光子，这种的效率，需要抑制自发辐射常现象称为自发辐射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光学增益1激光介质必须能够放大光，即光学增益大于光学损耗谐振腔2谐振腔用于选择性地放大特定波长的光，并形成稳定的光束居群反转3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12阈值条件能量积累只有当光学增益大于光学损耗时，激达到阈值后，光子数量迅速增加，产光才能产生生激光输出34光学损耗光学增益包括反射损耗、吸收损耗、散射损耗由受激发射过程决定，与泵浦功率有等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1mW10W低功率中功率条形码扫描仪激光切割机1kW100kW高功率超高功率激光焊接激光武器单模激光与多模激光单模激光多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、有多个横向模式，输出光束包含多个频率，相干性较差，光束发方向性和相干性散角更大连续激光与脉冲激光连续激光脉冲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工作温度控制温度会影响能级之间功率来控制激发态粒子数，从而影响的能级差和粒子寿命，进而影响光学光学增益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腔镜反射率介质吸收12腔镜反射率的优化可以最大程激光工作物质和腔体元件的吸度地减少光束在腔体内传输过收会导致光束能量损失程中的能量损失散射损失3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激光器激光器氩离子激光器He-Ne CO2He-Ne激光器是一种常见的连续波气体激CO2激光器是一种高功率激光器，通常用氩离子激光器发射蓝绿光，用于光谱学、光器，它发射红光于工业切割、焊接和雕刻医学和材料加工总结与展望激光技术在科学、工业、医疗等各个领域都有着广泛的应用随着技术的不断发展，激光器的性能将不断提高，应用领域也将不断扩展。