激光原理與技術(shù)--第五章 激光的特性ppt課件

1、一臺普通的紅寶石激光器發(fā)出激光亮度，比太陽亮度高8個數(shù)量級(幾千萬倍延續(xù)發(fā)光激光器功率：幾毫瓦，幾百瓦，幾瓦，十幾瓦目前可達幾千瓦，幾萬瓦脈沖激光器：毫焦耳，焦耳，幾十焦耳，目前可達幾千焦耳，幾萬焦耳時間，空間都得到緊縮的激光，其功率密度比會聚的太陽光高幾十億倍！激光的高強度和高亮度光束發(fā)散角=2 sr3 單色性強-激光的顏色極純延續(xù)光譜-太陽光譜線狀光譜-霓虹燈單一顏色譜線-激光單色性： / 或氪燈10-6普通氦氖激光10-12 單色光單色光具有單一頻率的光波稱為單色光。任何光源所發(fā)出的光波都有一定的頻率或波長范圍，在此范圍內(nèi)，各種頻率或波長所對應(yīng)的強度是不同的。 2 2 20I0I波長所對

2、應(yīng)的波長范圍越窄，光的單色性越好譜線寬度：通常用強度下降到譜線寬度：通常用強度下降到20I的兩點之間的波長范圍 ： 譜線寬度是標志譜線單色性好壞的物理量4 激光的相關(guān)性強激光的相關(guān)性強相關(guān)長度：單色性越好，相關(guān)長度越長普通光源幾厘米激光可達105千米激光構(gòu)成表示圖激光構(gòu)成表示圖脈沖脈沖Nd：YAG激光器正在運轉(zhuǎn)激光器正在運轉(zhuǎn)激光器的種類激光器的種類 如今人們曾經(jīng)按照實踐運用的需求，造出了各種各如今人們曾經(jīng)按照實踐運用的需求，造出了各種各樣的激光器。通?？梢园慈蝿?wù)物質(zhì)、鼓勵方式、運轉(zhuǎn)樣的激光器。通?？梢园慈蝿?wù)物質(zhì)、鼓勵方式、運轉(zhuǎn)方式、輸出波長范圍等幾方面來進展分類。方式、輸出波長范圍等幾方面來進

3、展分類。 一按任務(wù)物質(zhì)分類一按任務(wù)物質(zhì)分類 1. 固體激光器固體激光器 任務(wù)物質(zhì)有紅寶石、釹玻璃、釔鋁石榴石任務(wù)物質(zhì)有紅寶石、釹玻璃、釔鋁石榴石YAG等是均勻地摻入少量離子稱為激活離子等是均勻地摻入少量離子稱為激活離子的晶體或玻璃資料。產(chǎn)生激光發(fā)射作用的是摻入的離的晶體或玻璃資料。產(chǎn)生激光發(fā)射作用的是摻入的離子。可作為激活離子的有過渡族金屬離子如鉻離子子?？勺鳛榧せ铍x子的有過渡族金屬離子如鉻離子(Cr3+)、稀土金屬離子如釹離子、稀土金屬離子如釹離子(Nd3+)、錒系離子等。、錒系離子等。 普通來說固體激光器具有器件體積小，鞏固，運普通來說固體激光器具有器件體積小，鞏固，運用方便，輸出功率大的

4、特點。用方便，輸出功率大的特點。 2. 氣體激光器氣體激光器 任務(wù)物質(zhì)是氣體或金屬蒸氣。氣體激光的特點是任務(wù)物質(zhì)是氣體或金屬蒸氣。氣體激光的特點是激光輸出波長范圍較寬。常用的氦激光輸出波長范圍較寬。常用的氦-氖激光器，是經(jīng)過氖激光器，是經(jīng)過氣體放電使氣體放電使Ne原子產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，輸出激光的波長原子產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，輸出激光的波長為為632.8nm紅光。紅光。 氣體激光器具有構(gòu)造簡單、造價低、操作方便、光氣體激光器具有構(gòu)造簡單、造價低、操作方便、光束質(zhì)量好以及能長時間較穩(wěn)定延續(xù)任務(wù)的特點，是目束質(zhì)量好以及能長時間較穩(wěn)定延續(xù)任務(wù)的特點，是目前種類最多運用最廣泛的激光器。前種類最多運用最廣泛的激光

5、器。 3. 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 以半導(dǎo)體為任務(wù)物質(zhì)，產(chǎn)生激光的方法有以半導(dǎo)體為任務(wù)物質(zhì)，產(chǎn)生激光的方法有p-n結(jié)注結(jié)注入式、電子束激發(fā)、光激發(fā)、雪崩式擊穿等。入式、電子束激發(fā)、光激發(fā)、雪崩式擊穿等。 它體積小分量輕，壽命長，構(gòu)造簡單而鞏固，特別它體積小分量輕，壽命長，構(gòu)造簡單而鞏固，特別適于飛機、車輛、宇宙飛船之用。如今的光驅(qū)、適于飛機、車輛、宇宙飛船之用。如今的光驅(qū)、VCD、DVD的激光頭都是一個小型半導(dǎo)體激光發(fā)射器。的激光頭都是一個小型半導(dǎo)體激光發(fā)射器。 4. 液體激光器液體激光器 常用有機染料作任務(wù)物質(zhì)，大多數(shù)情況是把有機染常用有機染料作任務(wù)物質(zhì)，大多數(shù)情況是把有機染料溶于乙醇、丙

6、酮、水等，也有以蒸汽狀任務(wù)的。液體料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽狀任務(wù)的。液體激光器的任務(wù)原理比較復(fù)雜，但輸出的波長延續(xù)可調(diào)，激光器的任務(wù)原理比較復(fù)雜，但輸出的波長延續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬。且覆蓋面寬。 5. 自在電子激光器自在電子激光器 以自在電子為任務(wù)物質(zhì)。把凡是利用自在電子與以自在電子為任務(wù)物質(zhì)。把凡是利用自在電子與電磁波相互作用所產(chǎn)生的從微波到電磁波相互作用所產(chǎn)生的從微波到X射線的受激輻射射線的受激輻射均稱為自在電子激光。均稱為自在電子激光。 這是一種特殊類型的新型激光器，被電子加速器這是一種特殊類型的新型激光器，被電子加速器加速的電子流注入周期變化的磁場。只需改動電子束加速的電子流注

7、入周期變化的磁場。只需改動電子束的速度就可產(chǎn)生波長延續(xù)變化的相關(guān)電磁輻射，原那的速度就可產(chǎn)生波長延續(xù)變化的相關(guān)電磁輻射，原那么上其相關(guān)輻射譜可從么上其相關(guān)輻射譜可從X射線波段過渡到微波區(qū)域，射線波段過渡到微波區(qū)域，其峰值功率和平均功率高且可調(diào)，相關(guān)性好，可獲得其峰值功率和平均功率高且可調(diào)，相關(guān)性好，可獲得偏振輸出，因此具有很誘人的前景。偏振輸出，因此具有很誘人的前景。 其它還有光纖激光器、化學(xué)激光器、單原子激光其它還有光纖激光器、化學(xué)激光器、單原子激光器、器、X射線激光器等。射線激光器等。 二按運轉(zhuǎn)方式分類二按運轉(zhuǎn)方式分類 可分為延續(xù)激光器、單次脈沖激光器、反復(fù)脈沖激可分為延續(xù)激光器、單次脈沖

8、激光器、反復(fù)脈沖激光器，調(diào)光器，調(diào)Q激光器、鎖模激光器、單模和穩(wěn)頻激光器、激光器、鎖模激光器、單模和穩(wěn)頻激光器、可調(diào)諧激光器等等?？烧{(diào)諧激光器等等。 三按鼓勵方式分類三按鼓勵方式分類 可分為光鼓勵、電鼓勵、熱鼓勵、化學(xué)鼓勵和核鼓可分為光鼓勵、電鼓勵、熱鼓勵、化學(xué)鼓勵和核鼓勵激光器等。勵激光器等。 四按輸出激光的波段范圍分類四按輸出激光的波段范圍分類 可分為遠紅外激光器、中紅外激光器、近紅外激光可分為遠紅外激光器、中紅外激光器、近紅外激光器、可見激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、器、可見激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、X射線激光器等。射線激光器等。普通講解中，都按照激光任務(wù)物質(zhì)將激光器

9、進展分類。1960-5-17，Ted Maiman 發(fā)明第一臺激光器發(fā)明第一臺激光器固體激光器固體激光器任務(wù)物質(zhì)-各種激光晶體和玻璃輸出波長-由任務(wù)物質(zhì)中激活元素決議。輸出方式-延續(xù)燈泵浦延續(xù)光 脈沖燈泵浦脈沖光固體激光器構(gòu)造表示圖固體激光器構(gòu)造表示圖第一臺紅寶石激光器的裝配圖第一臺紅寶石激光器的裝配圖紅寶石中紅寶石中Cr3+Cr3+的能級表示圖的能級表示圖紅寶石激光器構(gòu)造紅寶石激光器構(gòu)造摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG1064nm1047nm1064nm:激光加工，切割，打孔，焊接等1540nm2940nm:醫(yī)學(xué)和通訊摻鈦(Ti)藍寶石激光器670nm1100nm固體激光器常用于產(chǎn)生強激光，延續(xù)輸

10、出幾千瓦,脈沖輸出幾萬焦耳Nd3:YAG 的能級構(gòu)造1. 固體激光任務(wù)物質(zhì)是絕緣晶體，普通都采用光泵浦鼓勵。目前的泵浦光源多為任務(wù)于弧光放電形狀的惰性氣體放電燈。2. 常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，因此固體任務(wù)物質(zhì)普通都加工成圓柱棒外形，所以為了將泵浦燈發(fā)出的光能完全聚到任務(wù)物質(zhì)上，必需采用聚光腔。 3. 橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常采用的聚光腔，它的內(nèi)外表被拋光成鏡面，其橫截面是一個橢圓。 橢圓柱聚光腔4. 固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍 5.泵浦燈和任務(wù)物質(zhì)之間插入濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜。 泵浦系

11、統(tǒng)泵浦系統(tǒng)在石英或玻璃光纖中摻入稀土離子，用半導(dǎo)體二極管或其他固體激光器作泵輔源也可產(chǎn)生可調(diào)諧激光。用摻鉺光纖作成的光纖激光器，是光纖通訊中不可短少的部分。摻鉺光纖激光器n用氣體作為激光器的任務(wù)物質(zhì)。其特用氣體作為激光器的任務(wù)物質(zhì)。其特點是能以脈沖和延續(xù)兩種方式任務(wù)。點是能以脈沖和延續(xù)兩種方式任務(wù)。外腔式氣體激光器表示圖外腔式氣體激光器表示圖氣體激光器氣體激光器氣體激光器 原子激光器，分子激光器，離子激 光器，準分子激光器。1原子激光器：以氦氖激光器為代表，這種激光器大都是延續(xù)任務(wù)方式，輸出功率在100毫瓦以下，多用于檢測和干涉計量。2離子激光器：以氬離子激光器為代表，這種激光器可以發(fā)射較強的

12、延續(xù)功率激光，功率可達幾十瓦，是可見光中的重要激光器件，多用于掃描，醫(yī)學(xué)及全息學(xué)等方面。He-Ne激光器的幾種構(gòu)造方式：內(nèi)腔式、外腔式、半內(nèi)腔式激光器的幾種構(gòu)造方式：內(nèi)腔式、外腔式、半內(nèi)腔式與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級圖He-NeHe-Ne激光器是典型激光器是典型的四能級系統(tǒng)，其激的四能級系統(tǒng)，其激光譜線主要有三條光譜線主要有三條 : :3S3S2P 0.63282P 0.63282S2S2P 1.152P 1.153S3S3P 3.393P 3.39 3分子激光器：以分子激光器：以CO2激光器為代表，因激光器為代表，因紅外波長激光的熱效應(yīng)高，故多用于激紅外波長激光的熱效應(yīng)高，故多用于激

13、光刀，醫(yī)療，機械加工方面，還用于測光刀，醫(yī)療，機械加工方面，還用于測距，通訊。距，通訊。CO2激光器構(gòu)造圖激光器構(gòu)造圖與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級圖4 4準分子激光器：特點準分子激光器：特點發(fā)光都在紫外波段。發(fā)光都在紫外波段。 用途用途多用于微細加工，光刻及醫(yī)學(xué)。多用于微細加工，光刻及醫(yī)學(xué)。 原理原理不是分子固有能級躍遷發(fā)光，而不是分子固有能級躍遷發(fā)光，而是當(dāng)是當(dāng) 兩種元素的原子被高能量的電脈沖鼓勵時，兩種元素的原子被高能量的電脈沖鼓勵時， 兩種元素的原子在瞬態(tài)結(jié)合成的準分子的能級間兩種元素的原子在瞬態(tài)結(jié)合成的準分子的能級間躍遷產(chǎn)生的受激發(fā)光。發(fā)光后，分子很快分解成躍遷產(chǎn)生的受激發(fā)光。發(fā)光后

14、，分子很快分解成原子。原子。染料，多為粉末狀染料溶于有機溶劑中，方可產(chǎn)生激光，它可以用閃光燈泵浦，或激光泵浦。特點：從紅外到紫外范圍調(diào)諧恣意波長(幾十到幾百納米的輸出光，譜線很窄，單色性好，適于光化學(xué)與光譜學(xué)方面的運用。n用半導(dǎo)體作為激光器的任務(wù)物質(zhì)。其最大用半導(dǎo)體作為激光器的任務(wù)物質(zhì)。其最大的特點是體積小、種類多、效率高、運用的特點是體積小、種類多、效率高、運用方便。方便。激光束的空間分布表示圖激光束的空間分布表示圖 任務(wù)物質(zhì)：砷化鎵等半導(dǎo)體資料。任務(wù)原理：砷化鎵等半導(dǎo)體資料只允許電流沿著一個方 向流動。當(dāng)穿過介質(zhì)的光遇到一個被激發(fā)的 原子時，它將使這個原子以一樣的波長和頻 率釋放能量，光在

15、來回傳播的過程中，不斷 地被加強，直到從反射鏡面上逃逸出去，形 成激光。二極管激光器半導(dǎo)體激光器二極管激光器半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二激光二極管，或簡稱激光二極管，英文極管，或簡稱激光二極管，英文縮寫為縮寫為LD (Laser Diode)LD (Laser Diode)，是適用中最，是適用中最重要重要的一類激光器的一類激光器 。 優(yōu)點：體積小、效率高、壽命長，可采用簡單的電流注入方式來泵優(yōu)點：體積小、效率高、壽命長，可采用簡單的電流注入方式來泵浦；其任務(wù)浦；其任務(wù) 電壓和電流與集成電路兼容，因此有能夠與之單片集成；電壓和電流與集成電路兼容，因此有能夠

16、與之單片集成；并且還可用高并且還可用高 達達GHZGHZ的頻率直接進展電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出，的頻率直接進展電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出，可實行可實行 溫度調(diào)調(diào)和電流調(diào)諧。溫度調(diào)調(diào)和電流調(diào)諧。 半導(dǎo)體激光器的運用半導(dǎo)體激光器的運用 信息存儲信息存儲與處置與處置科學(xué)研討科學(xué)研討軍事軍事 運用運用光通訊光通訊半導(dǎo)體激光器的運用半導(dǎo)體激光器的運用醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué) 運用運用二極管激光器半導(dǎo)體激光器二極管激光器半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器開展很快，在微型半導(dǎo)體激光器開展很快，在微型化方面進展迅速。整個器件只需化方面進展迅速。整個器件只需50 m x 150 m x 250 m，比，比普通的米粒還小。普

17、通的米粒還小。用于：光通訊，光盤，激光打印，用于：光通訊，光盤，激光打印，光計算機，微量氣體探測等方面。光計算機，微量氣體探測等方面。原理：自在電子激光器是利用自在電子在真空磁場中的 周期性擺動產(chǎn)生激光。特點：自在電子經(jīng)過很多對極性彼此相反的磁鐵組成的 交變磁場，磁場的周期取決于這些磁鐵的大小與 間距。發(fā)射激光的波長由交變磁場的周期及入射 電子的能量決議。用途：自在電子激光器可延續(xù)任務(wù)，輸出功率幾百瓦。 也可脈沖式任務(wù)，平均最高功率幾兆瓦。用于材 料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，外表科學(xué)，化學(xué)，生物及生命科學(xué)等。七、七、X X射線激光器射線激光器 X射線是原子內(nèi)部殼層的電子躍遷產(chǎn)生的光子，其光子能量非常高目前，最短的X射線波長已到達4.483nm水窗范圍由于水是吸收X射線的，只需在4.483nm附近，水分子有個不吸收區(qū)， X射線可順利經(jīng)過，損耗很小，故稱水窗，由于生物細胞活性組織內(nèi)均含有很多水份，因此這種波長的X射線激光用于生物學(xué)，醫(yī)學(xué)，生命科學(xué)的研討。曾經(jīng)用波長4.483nm X射線激光制成了X射線顯微鏡，并勝利地得到了老鼠精子內(nèi)核的圖象,用于DNA在精子細胞內(nèi)陳列的研討。八、生物微腔激光器八、生物微腔激光器 砷化鎵基底半導(dǎo)體反射鏡量子阱增益區(qū)液體中的細胞介質(zhì)膜反射鏡玻璃基底 一種研討活體生物細胞的手段和方法，將一含有被測細胞的液體放在半導(dǎo)體激光器的發(fā)光外表，上面覆蓋鍍有反射膜的玻璃