激光器簡史及光纖激光器簡介課件

激光器簡史及光纖激光器簡介激光器簡史及光纖激光器簡介概要激光器歷史概述激光器簡史光纖激光器簡史光纖激光器簡介市場和應(yīng)用光纖激光器技術(shù)簡介激光安全概要激光器歷史概述什么是激光?鐳射？LASER由受激輻射的光放大而產(chǎn)生的光（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）。什么是激光?鐳射？LASER由受激輻射的光放大而產(chǎn)生的激光發(fā)展簡史–50年激光發(fā)展簡史–50年激光發(fā)展簡史–激光與諾貝爾獎(jiǎng)1900年，普朗克提出了能量量子化概念，因此獲得了1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)："inrecognitionoftheservicesherenderedtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquanta".1905年，愛因斯坦提出了光子假說并成功解釋了光電效應(yīng)，并因此獲得了1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)："forhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect".AlbertEinsteinMaxPlanck激光發(fā)展簡史–激光與諾貝爾獎(jiǎng)1900年，普朗克提出了能激光發(fā)展簡史–激光與諾貝爾獎(jiǎng)1913年，波爾借鑒了普朗克的量子理論提出了全新的原子結(jié)構(gòu)模型，因此獲得1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)："forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthem".1917年，愛因斯坦在波爾的原子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了波爾借鑒了普朗克的量子理論提出了受激輻射理論，為激光的出現(xiàn)奠定了理論的基礎(chǔ)該理論預(yù)言：光子和原子相互作用包含三種過程:自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射；提出在物質(zhì)與輻射場的相互作用中，構(gòu)成物質(zhì)的原子或分子可以在光子的激勵(lì)下產(chǎn)生光子的受激發(fā)射或吸收，預(yù)示了有可能利用受激發(fā)射實(shí)現(xiàn)光放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation—LASER）E1E2hv=E2-E1

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hvhvNielsBohr激光發(fā)展簡史–激光與諾貝爾獎(jiǎng)1913年，波爾借鑒了普朗激光發(fā)展簡史–激光與諾貝爾獎(jiǎng)1947年，蘭姆（Lamb）在氫原子光譜中發(fā)現(xiàn)了明顯的受激輻射，這是受激輻射第一次被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因此蘭姆獲得了1955年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)："forhisdiscoveriesconcerningthefinestructureofthehydrogenspectrum".1950年，法國物理學(xué)家Kastler提出了光學(xué)泵浦的方法，兩年后該方法被實(shí)現(xiàn)。他因?yàn)樘岢隽诉@種利用光學(xué)手段研究微波諧振的方法而獲得1966年年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)："forthediscoveryanddevelopmentofopticalmethodsforstudyingHertzianresonancesinatoms".AlfredKastlerWillisEugeneLamb激光發(fā)展簡史–激光與諾貝爾獎(jiǎng)1947年，蘭姆（Lamb激光發(fā)展簡史–激光與諾貝爾獎(jiǎng)1951年，Townes提出受激輻射微波放大，即MASTER的概念。1954年，第一臺(tái)氨分子Master建成，首次實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，其主要作用是放大無線電信號(hào)，以便研究宇宙背景輻射。TOWNES由于在受激輻射放大方面的成就而獲得1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)："forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple".CharlesHardTownes1952年，韋伯（F.Weber）在受激輻射討論會(huì)上得到啟示，產(chǎn)生了利用受激輻射誘發(fā)原子或分子，從而放大電磁波的想法。他提出了微波激射器的原理。激光發(fā)展簡史–激光與諾貝爾獎(jiǎng)1951年，Townes提激光發(fā)展簡史–史上最牛激光器1958年，Schawlow和Townes在Physicsreviewletter上面發(fā)表論文“InfraredandOpticalMaster”,標(biāo)志著激光作為一全新事物登上了歷史舞臺(tái)。1960年，休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼（Maiman）和蘭姆（Lamb）共同研制的紅寶石激光器發(fā)出了694.3nm的紅色激光，標(biāo)志著世上第一臺(tái)激光器的誕生。激光發(fā)展簡史–史上最牛激光器1958年，Schawlo激光器發(fā)展簡史–60’s1960年，BELL實(shí)驗(yàn)室制成了第一臺(tái)氦氖激光器；1961年，第一臺(tái)光纖激光器；1962年，第一臺(tái)GaAs半導(dǎo)體激光器；1963年，液體激光器；1964年，CO2氣體激光器；1964年，離子激光器；1964年，Nd:YAG固體激光器；1965年，HCL化學(xué)激光器；1966年，生物染料激光器。激光器發(fā)展簡史–60’s1960年，BELL實(shí)驗(yàn)室制成了中國第一臺(tái)激光器（1961）中國第一臺(tái)激光器（1961）激光器的第一臺(tái)研制成功時(shí)間研制人He-Ne激光器1963年7月鄧錫銘等摻釹玻璃激光器1963年6月干福熹GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1963年12月王守武CO2分子激光器1965年9月王潤文等國內(nèi)激光技術(shù)發(fā)展簡史激光器的第一臺(tái)研制成功時(shí)間研制人He-Ne激光器激光技術(shù)發(fā)展簡史之二各種激光器的開發(fā)工作物質(zhì)：固體，氣體，染料，化學(xué)，離子，原子，半導(dǎo)體，X射線輸出功率：大功率，低功率工作方式：短脈沖，脈沖，超短脈沖，連續(xù)輸出穩(wěn)定性：穩(wěn)頻率，穩(wěn)功率，穩(wěn)方向激光模式：多波長，單一模式激光技術(shù)發(fā)展簡史之二各種激光器的開發(fā)激光技術(shù)發(fā)展簡史之三激光器在各個(gè)方面的應(yīng)用信息技術(shù)：激光通訊檢測技術(shù)：激光測距激光加工：激光打孔、激光切割、激光焊接醫(yī)學(xué)應(yīng)用：矯正近視、激光整容科學(xué)研究：激光核聚變激光技術(shù)發(fā)展簡史之三激光器在各個(gè)方面的應(yīng)用激光技術(shù)發(fā)展簡史之三1969年：激光用于遙感勘測，激光被射向阿波羅11號(hào)放在月球表面的反射器，測得的地月距離誤差在幾米范圍內(nèi)。1971年:激光進(jìn)入藝術(shù)世界，用于舞臺(tái)光影效果，以及激光全息攝像。英國籍匈牙利裔物理學(xué)家DennisGabor憑借對(duì)全息攝像的研究獲得諾貝爾獎(jiǎng)。1974年:第一個(gè)超市條形碼掃描器出現(xiàn)。1975年:IBM投放第一臺(tái)商用機(jī)光打印機(jī)。1978年:飛利浦制造出第一臺(tái)激光盤(LD)播放機(jī)，不過價(jià)格很高。1982年:第一臺(tái)緊湊碟片(CD)播放機(jī)出現(xiàn)，第一部CD盤是美國歌手BillyJoel在1978年的專輯52ndStreet。1983年:里根總統(tǒng)發(fā)表了“星球大戰(zhàn)”的演講，描繪了基于太空的激光武器。1988年:北美和歐洲間架設(shè)了第一根光纖，用光脈沖來傳輸數(shù)據(jù)。1990年：激光用于制造業(yè)，包括集成電路和汽車制造。1991年:第一次用激光治療近視，海灣戰(zhàn)爭中第一次用激光制導(dǎo)導(dǎo)彈。1996年:東芝推出數(shù)字多用途光盤(DVD)播放器。2008年:法國神經(jīng)外科學(xué)家使用廣導(dǎo)纖維激光和微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)治療了腦瘤。2010年:美國國家核安全管理局(NNSA)表示，通過使用192束激光來束縛核聚變的反應(yīng)原料、氫的同位素氘(質(zhì)量數(shù)2)和氚(質(zhì)量數(shù)3)，解決了核聚變的一個(gè)關(guān)鍵困難。激光技術(shù)發(fā)展簡史之三1969年：激光用于遙感勘測，激光被射向激光技術(shù)發(fā)展簡史之三發(fā)明了近百種不同類型的激光器件，其發(fā)明者都有完全不同的專業(yè)背景各種學(xué)科和技術(shù)應(yīng)用激光并形成了許多重要的交叉學(xué)科：如光電子學(xué)、激光光譜學(xué)、激光化學(xué)、非線性光學(xué)、激光全息術(shù)、激光生物醫(yī)學(xué)、激光計(jì)量、超快光電子學(xué)、激光加工處理......形成了一系列重要技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，光電子產(chǎn)業(yè)方興未艾激光技術(shù)發(fā)展簡史之三發(fā)明了近百種不同類型的激光器件，其發(fā)明者激光器應(yīng)用StentmanufactureMarkingMicro-weldingCuttingWeldingPrint/gravureMicro-bendingSpotwelding激光器應(yīng)用StentmanufactureMarkingM激光器應(yīng)用激光器應(yīng)用激光器應(yīng)用案例–打印機(jī)激光器應(yīng)用案例–打印機(jī)激光器應(yīng)用案例–打印機(jī)激光器應(yīng)用案例–打印機(jī)激光器應(yīng)用案例–視力矯正激光器應(yīng)用案例–視力矯正E1E2hv=E2-E1

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hvhv激光器工作基本原理E1E2hv=E2-E1E1E2hv=E2-E1E1E2激光的特性及分類激光的特性

一般通稱激光的四大特性為：

方向性好

亮度高

相干性好

單色性好激光的特性及分類激光的特性方向性好亮度高相干性好單色激光器的分類激光器的分類:按照工作方式分類連續(xù)光激光器;脈沖激光器(調(diào)Q，鎖模，脈沖調(diào)制)按照波長范圍分類紫外光；紫光；藍(lán)光；綠光；紅光；紅外；中紅外，遠(yuǎn)紅外...193nm,244nm,248nm,355nm,488nm,632nm,1064nm,1310nm,1550nm,2um,10.3um……按照工作物質(zhì)分類氣體激光器；固體激光器；液體激光器；半導(dǎo)體激光器；光纖激光器CO2激光器；Nd:YAG激光器；紅寶石；HeNe激光器；光纖激光器；氬離子激光器按照泵浦工作方式電泵浦；光泵浦；燈泵半導(dǎo)體泵浦（側(cè)泵&端泵）幾類特殊激光器準(zhǔn)分子激光器；激光器的分類激光器的分類:光纖激光器發(fā)展史1960-

E.Snitzer首次通過試驗(yàn)研究了摻稀土元素光纖激光器Snitzer,E.Proposedfibercavitiesforopticallasers.J.Appl.Phys.32:36–39,1961.1962-首次報(bào)道的摻鐿光纖激光器H.W.Etzel,etal.,“Stimulatedemissionofinfraredradiationfromytterbium-activatedsilicateglass,”Appl.Opt.,vol.1,1962.1974-

Stone,J報(bào)道了第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器泵浦光纖激光器Stone,J.,etal.,Neodymiumfiberlasers:room-temperaturecwoperationwithaninjectionlaserpump.Appl.Opt.13:1256(1974).1985-英國南安普頓大學(xué)ORC采用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積（MCVD）的方法成功地研制出單模摻稀土光纖1988-

E.Snitzer提出雙包層光纖概念E.Snitzer,etal.,“Double-clad,offsetcoreNdfiberlaser,”Proc.Conf.OpticalFiberSensors,PostdeadlinepaperPD5,1988.2003-英國南安普頓大學(xué)ORC研制出第一個(gè)超過一千瓦單模輸出的高功率光纖激光器2007-

IPG研發(fā)出超過3千瓦單模輸出的光纖激光器2010-JPT研發(fā)出基于MOPA結(jié)構(gòu)的10W脈沖光纖激光器

光纖激光器發(fā)展史1960-E.Snitzer首次通過試光纖激光器–輸出功率劇增1.4kWsingle-mode(ORC)0.4kWSF,SM,SPYbMOPA30W,Nd10W,Yb,SF110,Yb,SM(SDL)150W,Nd/Yb135W,Yb,SM272W,Yb(ORC)352W,Yb,SM(ORC)485W,Nd/Yb,SM1kW,Nd,MM2kW,Yb,MM10kW,Yb,MM20W,Yb,SF120W,Yb,SF87W,Er/Yb,SFMOPA(ORC)1.2mJ,380fs,Yb7.7mJ,10W,Yb(ORC)2.8mJ,50/100W,Yb8.4mJ,120W,Yb(ORC)1.2kWsingle-mode(ORC)366WJACYb(ORC)280W,JACYbPCF1kW,Yb,MM(ORC)0.8kW,Yb,SM(Dual-endoutput)610W,YbSM(ORC)1.3kW,M2<3(Jena)MMSF/PulsedSMto10kW?1.5kW(Jena)2kWsingle-mode(IPG)0.6kW,SM,polarized(ORC)160WEr/Yb80WTm.2mm150WSF,SM,Er:YbMOPA0.32kW,20ps,

YbMOPA264WSF,SM,SPYbMOPA17kW,Yb,MMThe3rdgeneration光纖激光器–輸出功率劇增1.4kWsingle-mo全球商用激光器銷售額以及比例分配全球商用激光器銷售額以及比例分配2008年全球非半導(dǎo)體激光器銷售量2008年全球非半導(dǎo)體激光器銷售量IPGPhotonics光纖激光器IPGPhotonics光纖激光器IPG銷售－按應(yīng)用細(xì)分IPG銷售－按應(yīng)用細(xì)分IPG銷售－按市場區(qū)域細(xì)分IPG銷售－按市場區(qū)域細(xì)分激光器–基本構(gòu)成關(guān)鍵構(gòu)成要素：

增益介質(zhì)

泵浦能量注入

激光腔激光器–基本構(gòu)成關(guān)鍵構(gòu)成要素：光纖激光器和普通激光器的比較項(xiàng)目光纖激光器普通激光器注釋熱性能優(yōu)良差光纖激光器可消除熱透鏡效應(yīng)光束質(zhì)量優(yōu)良一般纖細(xì)的光纖芯徑?jīng)Q定了其優(yōu)良的光斑特性健壯性可靠性好差全光纖結(jié)構(gòu)保證了其健壯性和可靠性價(jià)格潛力較高一般光纖激光器結(jié)構(gòu)簡單、用料少非線性差好非線性是光纖激光器中最大的一個(gè)限制因素反射鏡反射鏡激光增益介質(zhì)激光束輸出光纖光柵激光束輸出PumpLD有源光纖光纖激光器和普通激光器的比較項(xiàng)目光纖激光器普通激光器注釋熱性各類激光器中的光束質(zhì)量對(duì)比各類激光器中的光束質(zhì)量對(duì)比摻稀土光纖激光器激射波長比較波長范圍(nm)摻雜粒子能級(jí)躍遷躍遷類型*~550Er3+4S3/2→4I15/23L~850Er3+4S3/2→4I13/24L980~1000Er3+4I11/2→4I15/23L1500~1600Er3+4I13/2→4I15/23L1660Er3+2H11/2→4I9/24L1720Er3+4S3/2→4I9/24L900~950Nd3+4F3/2→4I9/23L1020~1150Nd3+4F3/2→4I11/24L1320~1400Nd3+4F3/2→4I13/24L970~1150Yb3+5F5/2→5F7/23L*:3L:三能級(jí);4L:四能級(jí)摻稀土光纖激光器激射波長比較波長范圍(nm)摻雜粒子能級(jí)躍Yb有源光纖能級(jí)結(jié)構(gòu)和吸收激射特性YtterbiumElectronicstructure:4f145d06s22F5/2g11630f11000e10260cm-1d1490c1060b600a02F7/2CrossSectiondatafromNufern()ABDCYb有源光纖能級(jí)結(jié)構(gòu)和吸收激射特性YtterbiumEle光纖激光器和光纖放大器有源光纖泵浦源耦合器高反FBG低反FBG隔離器輸出尾纖有源光纖泵浦源耦合器隔離器輸出尾纖半導(dǎo)體激光器做種子源光纖激光器和光纖放大器有源光纖泵浦源耦合器高反FBG低反環(huán)形腔光纖激光器1480nmPumpdiodeEDFApodizedFBGCirculator90%10%1480/1550nmWDM321OutputExperimentalSetupOpticalspectrawithdifferentscanningspan5minutesinterval2hoursstabilityStabilityover2hours環(huán)形腔光纖激光器1480nmPumpdiodeEDFAp有源雙包層光纖技術(shù)折射率涂覆層外包層內(nèi)包層有源纖芯泵浦光輸入雙包層有源光纖激光輸出偏心內(nèi)包層D型內(nèi)包層矩形內(nèi)包層八邊形內(nèi)包層Claddingradius:400um有源雙包層光纖技術(shù)折射率涂覆層外包層內(nèi)包層有源纖芯泵浦光輸入雙包層光纖激光器-模式轉(zhuǎn)換雙包層光纖激光器-模式轉(zhuǎn)換小NA大模場面積光纖設(shè)計(jì)小NA大模場面積光纖設(shè)計(jì)小NA大模場面積光纖設(shè)計(jì)增加光纖中能量存儲(chǔ)能力;降低非線性效應(yīng);提高輸出功率利用低數(shù)值孔徑(NA)結(jié)構(gòu)減少光纖中模式數(shù)目;有源摻雜區(qū)集中在纖芯中間,對(duì)低階高斯模具有較大增益–限制高階模式獲得增益;折射率外環(huán)設(shè)計(jì)降低彎曲損耗。H.L.Offerhaus,N.G.Broderick,andD.J.Richardson,“Highenergysingle-transverse-modeQ-switchedfiberlaserbasedonamultimodelarge-mode-areaerbium-dopedfiber,”O(jiān)pticsLetters,Vol.23,No.21,1998.小NA大模場面積光纖設(shè)計(jì)增加光纖中能量存儲(chǔ)能力;降低非線性效一種窄線寬單頻光纖激光器1480nmPumpdiodeEDFApodizedFBGCirculatorHighfinesseFBGFP90%10%1480/1550nmWDM321OutputExperimentalSetupOpticalSpectraoftheFBGsusedinthefiberringlaserOpt