激光原理及應(yīng)用（第4版）PPT完整全套教學(xué)課件

輻射理論概要與激光產(chǎn)生的條件激光原理及應(yīng)用(第4版)第一章ch01輻射理論概要與激光產(chǎn)生的條件.pptxch02激光器的工作原理.pptxch03激光器的輸出特性.pptxch04激光的基本技術(shù).pptxch05固體激光器.pptxch06激光在精密測量中的應(yīng)用.pptxch07激光加工技術(shù).pptxch08激光在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用.pptxch09激光在信息技術(shù)中的應(yīng)用.pptxch10激光在科學(xué)技術(shù)前沿問題中的應(yīng)用.pptx01光的波粒二象性光的一個基本性質(zhì)就是具有波粒二象性。人類對光的認(rèn)識經(jīng)歷了牛頓的微粒說，惠更斯菲涅耳的波動說，到愛因斯坦的光子說的發(fā)展，最后才認(rèn)識到波動性和粒子性是光的客觀屬性，波動性和粒子性總是同時存在的。一方面光是電磁波，具有波動的性質(zhì)，有一定的頻率和波長。另一方面光是光子流，光子是具有一定能量和動量的物質(zhì)粒子。在一定條件下，可能某一方面的屬性比較明顯，而當(dāng)條件改變后，另一方面的屬性變得更為明顯。光的波粒二象性例如，光在傳播過程中所表現(xiàn)出來的干涉、衍射等現(xiàn)象中其波動性較為明顯，這時往往可以把光看作是由一列一列的光波組成的；而當(dāng)光和實物互相作用時（例如光的吸收、發(fā)射、光電效應(yīng)等），其粒子性較為明顯，這時往往又把光看作是由一個一個光子組成的光子流。光的波粒二象性光波是一種電磁波，即變化的電場和變化的磁場相互激發(fā)，形成變化的電磁場在空間的傳播。光波既是電矢量E的振動和傳播，同時又是磁矢量B的振動和傳播。在均勻介質(zhì)中，電矢量君的振動方向與磁矢量歹的振動方向互相垂直，且E、B均垂直于光的傳播方向正。實驗證明，光對人的眼睛或感光儀器(如照相底板、熱電偶)等起作用的主要是電矢量正，因此，以后著重討論電矢量正的振動及傳播。習(xí)慣上常把電矢量叫作光矢量。光的波粒二象性線偏振光設(shè)光波沿z軸方向傳播，則光矢量的振動方向必在與z軸垂直xOy平面內(nèi)。光速，頻率和波長三者的關(guān)系電磁波的波長范圍非常寬，按其波長長短順序，大體可分為無線電波、紅外光、可見光、紫外光、X射線及γ射線。單色平面波（1）平面波；（2）單色平面波；（3）平面波的復(fù)數(shù)表示法、光強；（4）球面波及其復(fù)數(shù)表示法?！啊惫獾牟６笮栽诠獠▓鲋?，光波相位相同的空間各點構(gòu)成的面叫作波面，也叫作波陣面或等相位面。平面波具有單一頻率的平面波叫作單色平面波。單色平面波為了運算方便，常把平面波公式寫成復(fù)數(shù)形式。平面波的復(fù)數(shù)表示法、光強光的波粒二象性前面已經(jīng)指出，當(dāng)光和物質(zhì)作用時，如果產(chǎn)生原子對光的發(fā)射和吸收的話，那么光的粒子性就表現(xiàn)得較為明顯。這時往往把光當(dāng)作一個一個以光速c運動的粒子流看待。光的量子學(xué)說（光子說）認(rèn)為，光子和其他基本粒子一樣，具有能量。和動量P，它們與光波的頻率以真空中波長λ。光子光的波粒二象性02原子的能級和輻射躍遷物質(zhì)是由原子、分子或離子組成的，而原子由帶正電的原子核及繞核運動的電子組成。核外電子的負電量與原子核所帶正電量相等。電子一方面繞核做軌道運動，一方面本身做自旋運動。由原子物理學(xué)知道，原子中電子的狀態(tài)應(yīng)該由下列四個量子數(shù)來確定：①主量子數(shù)；②輔量子數(shù)；③磁量子數(shù)；④自旋磁量子數(shù)。原子的能級和輻射躍遷原子能級和簡并度原子處于最低的能級狀態(tài)稱為基態(tài)。能量高于基態(tài)的其他能級狀態(tài)叫作激發(fā)態(tài)。一般來說，處于一定電子態(tài)的原子對應(yīng)某個確定的能級。反過來，某一能級并不一定只對應(yīng)一個電子態(tài)，往往有若干個不同的電子運動狀態(tài)具有同一能級。也就是說，兩個或兩個以上的不同運動狀態(tài)的電子可以具有相同的能級，這樣的能級叫作簡并能級。同一能級所對應(yīng)的不同電子運動狀態(tài)的數(shù)目，叫作簡并度，用字母g表示。原子的能級和輻射躍遷原子的電子組態(tài)符號由原子物理中的泡利不相容原理知道，多電子原子中，不可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的量子數(shù)；另外，電子充填原子殼層時，遵守最小能量原理，即在正常情況下（無外界激發(fā)），電子從最低的能級開始充填，再依次充填能量較高的能級。原子狀態(tài)的標(biāo)記原子的能級和輻射躍遷原子態(tài)的標(biāo)記對于具有多個價電子的原子，考慮到原子中電子的軌道角動量與自旋角動量之間的相互作用，原子的同一電子組態(tài)往往有不同的原子狀態(tài)，也即有不同的能量。原子的能級和輻射躍遷輻射躍遷選擇定則：（1）躍遷必須改變奇偶態(tài)。（2）△J=0，±1（J=0→J=0除外）。（3）△L=0，±1（L=0→L=0除外）。（4）△S=0，即躍遷時S不能發(fā)生改變。原子的能級和輻射躍遷玻爾茲曼分布處于高能態(tài)的粒子數(shù)總是小于處在低能態(tài)的粒子數(shù)，這是熱平衡情況的一般規(guī)律。后面討論的激光器中會存在相反的情況。即當(dāng)Em>En時，有nm/gm>nn/gn。通常把這種情況叫作粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。此時，處在高能態(tài)的粒子數(shù)大于處在低能態(tài)的粒子數(shù)。這是在非熱平衡的情況下才可能得到的結(jié)果。原子的能級和輻射躍遷輻射躍遷和非輻射躍遷對于氣體激光器中放電的氣體來說，非輻射躍遷的主要機制是通過原子和其他原子或自由電子的碰撞或原子與毛細管壁的碰撞來實現(xiàn)的。固體激光器中，非輻射躍遷的主要機制是激活離子與基質(zhì)點陣的相互作用，結(jié)果使激活離子將自己的激發(fā)能量傳給晶體點陣，引起點陣的熱振動，或者相反?？傊?，這時能量間的躍遷并不伴隨光子的發(fā)射和吸收。原子的能級和輻射躍遷03光的受激輻射處于某一溫度T的物體能夠發(fā)出和吸收電磁輻射。如果某一物體能夠完全吸收任何波長的電磁輻射，則稱此物體為絕對黑體，簡稱黑體。在自然界中絕對黑體是不存在的，沒有一種物體能夠在任何溫度下，把投射來的各種波長的輻射都能完全吸收掉。例如，雖然煤煙可以吸收90%以上的可見光，但對紅外線的吸收卻較小。黑體熱輻射光的受激輻射光和物質(zhì)的作用原子、分子或離子輻射光和吸收光的過程是與原子的能級之間的躍遷聯(lián)系在一起的。光與物質(zhì)（原子、分子等）的相互作用有三種不同的基本過程，即自發(fā)輻射、受激輻射及受激吸收。對一個包含大量原子的系統(tǒng)，這三種過程總是同時存在并緊密聯(lián)系的。在不同情況下，各個過程所占比例不同，普通光源中自發(fā)輻射起主要作用，激光器工作過程中受激輻射起主要作用。光的受激輻射在通常情況下，處在高能級E2的原子是不穩(wěn)定的。自發(fā)輻射如果原子系統(tǒng)的兩個能級E2和E1滿足輻射躍遷選擇定則。受激輻射光的受激吸收是與受激輻射相反的過程。受激吸收光的受激輻射自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收之間的關(guān)系事實上，在光和大量原子系統(tǒng)的相互作用中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收三種過程是同時發(fā)生的，它們之間密切相關(guān)。求出自發(fā)輻射系數(shù)A21，與受激輻射系數(shù)B21，受激吸收系數(shù)B12之間的具體關(guān)系，特別是A21與B21，比值的具體關(guān)系，就可以說明激光光源和普通光源的差別。光的受激輻射在不同條件下，自發(fā)輻射與受激輻射光功率的大小差別懸殊，了解這種差別對分析實際問題是有幫助的。由前面討論知，在單位時間內(nèi)單位體積中自發(fā)輻射的光子數(shù)為n，Aη，它與單色輻射能量密度無關(guān)。所以某時刻自發(fā)輻射的光功率體密度qg（t）應(yīng)為單位時間內(nèi)自發(fā)輻射的光子數(shù)密度與每一光子能量hv的乘積。自發(fā)輻射光功率與受激輻射光功率光的受激輻射04光譜線增寬光譜線、線型和光譜線寬度在1.1節(jié)中已經(jīng)提到，原子發(fā)光是有限波列的單頻光，因而仍然有一定的頻帶寬度。實際上使用分辨率很高的攝譜儀來拍攝原子的發(fā)光光譜，所得的每一條光譜線正是這樣具有有限寬度的。光譜線增寬經(jīng)典理論經(jīng)典電磁理論認(rèn)為所有電磁波的輻射都是由原子（離子或分子）的電荷振動而產(chǎn)生的。經(jīng)典理論把一個原子看作是由一個負電中心和一個正電中心所組成的電偶極子，當(dāng)正、負電荷之間的距離作頻率為v。的簡諧振動時，該原子就輻射頻率為v。的電磁波。該電磁波在空間某點的場矢量在傳輸?shù)倪^程中方向不變。自然增寬光譜線增寬量子解釋根據(jù)量子力學(xué)理論可知，原子的能級不能簡單地用一個確定的數(shù)值來表示，而是具有一定寬度的。這個寬度稱為能級自然寬度。在微觀領(lǐng)域中時間和能量是不能同時精確測定的。光譜線增寬碰撞增寬碰撞增寬是由于發(fā)光原子間的相互作用造成的。對于氣體而言，大量原子作無規(guī)則熱運動時將不斷地發(fā)生碰撞（或原子與器壁碰撞），這種碰撞會使原子發(fā)光中斷或光波相位發(fā)生突變，其效果均可看作使發(fā)光波列縮短。采用與分析自然增寬相同的方法，由傅里葉變換給出的因碰撞增寬而引起的譜線線型函數(shù)仍為洛倫茲線型。光譜線增寬多普勒增寬多普勒增寬是由于發(fā)光原子相對于觀察者（接收器）運動所引起的譜線增寬。當(dāng)光源和接收器之間存在相對運動時，接收器接收到的光波頻率不等于光源與接收器相對靜止時的頻率，這叫光的多普勒效應(yīng)。光譜線增寬在上面討論的三種譜線增寬形式中，按照譜線增寬的特點可分為均勻增寬和非均勻增寬兩類。自然增寬和碰撞增寬分別產(chǎn)生于輻射自然衰減和碰撞引起的波列中斷（或相位突變），二者均使波列偏離簡諧波，使原子發(fā)光不可能具有單一頻率，而具有有限的譜線增寬。在這類增寬中，每一發(fā)光原子所發(fā)的光，對譜線寬度內(nèi)任一頻率都有貢獻，而且這個貢獻對每個原子都是相同的。這種增寬叫作均勻增寬。顯然，當(dāng)碰撞增寬遠大于自然增寬時，可以略去自然增寬而只計算碰撞增寬。均勻增寬和非均勻增寬線型光譜線增寬以上討論給出了三種譜線增寬的原因。在實際的光譜線中，這三種因素同時存在。所以實際的光譜線型是均勻增寬線型與非均勻增寬線型的疊加，所得到的是一個綜合增寬的線型。一般說，綜合線型比較復(fù)雜，本書不準(zhǔn)備詳細討論，只給出它大致的物理圖像。綜合增寬光譜線增寬05激光形成的條件激光形成的條件圖1-19所示為光在介質(zhì)中得到受激放大的物理圖像。光學(xué)諧振腔和閾值條件滿足了上述兩個條件后，還不一定能形成激光。因為處在高能級上的粒子可以通過受激輻射而發(fā)出光子，也可以通過自發(fā)輻射而發(fā)出光子。如果自發(fā)輻射占主導(dǎo)地位，那么高能級上的粒子必然主要用于自發(fā)輻射，就是一個普通光源。要形成激光，必須使受激輻射成為增益介質(zhì)中的主要發(fā)光過程。這需要一個光學(xué)諧振腔。激光形成的條件有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，其激活粒子（原子、分子或離子）有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級結(jié)構(gòu)；有外界激勵源，將下能級的粒子抽運到上能級，使激光上下能級之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；有光學(xué)諧振腔，增長激活介質(zhì)的工作長度，控制光束的傳播方向，選擇被放大的受激輻射光頻率以提高單色性（最后一點在第3章中還要詳細討論）。激光形成的條件謝謝觀看激光原理及應(yīng)用(第4版)激光器的工作原理激光原理及應(yīng)用(第4版)第二章01光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性激光是在光學(xué)諧振腔中產(chǎn)生的。上一章已經(jīng)指出諧振腔對激光的形成和激光束的特性起重要的作用，它的主要功能之一是使光在腔內(nèi)來回反射多次以增長激活介質(zhì)作用的工作長度，提高腔內(nèi)的光能密度。光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性顯而易見的是，不垂直于反射鏡表面的傍軸光線經(jīng)過有限次的反射，就會投射到平面鏡的通光口徑之外，使得激活介質(zhì)作用的工作長度只得到很有限的增長。所以，光線能夠在諧振腔中反射的次數(shù)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。腔中任一束傍軸光線經(jīng)過任意多次往返傳播而不逸出腔外的諧振腔能夠使激光器穩(wěn)定地發(fā)出激光，這種諧振腔叫作穩(wěn)定腔，反之稱為不穩(wěn)定腔。本節(jié)討論光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的關(guān)系。光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性光學(xué)諧振腔都是由相隔一定距離的兩塊反射鏡組成的。無論是平面鏡還是球面鏡，也無論是凸面鏡還是凹面鏡，都可以用“共軸球面”模型來表示。因為只要把兩個反射鏡的球心連線作為光軸，整個系統(tǒng)總是軸對稱的，兩個反射面可以看成是“共軸球面”。平面鏡是半徑為無窮大的球面鏡。如果其中一塊是平面鏡，可以用通過另一塊球面鏡球心與平面鏡垂直的直線作為光軸。平行平面腔的光軸可以是與平面鏡垂直的任一直線。當(dāng)然兩個平面鏡不平行不能產(chǎn)生諧振，不在討論之列。共軸球面諧振腔的穩(wěn)定性條件光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性共軸球面腔的穩(wěn)定圖及其分類為了直觀起見，常用穩(wěn)定圖來表示共軸球面腔的穩(wěn)定條件。光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性穩(wěn)定腔（1）雙凹穩(wěn)定腔;（2）平凹穩(wěn)定腔;（3）凹凸穩(wěn)定腔;（4）共焦腔;（5）半共焦腔。臨界腔（1）平行平面腔;（2）共心腔;（3）半共心腔。非穩(wěn)腔非穩(wěn)腔，因其對光的幾何損耗大，不宜用于中小功率的激光器。但對于增益系數(shù)G大的固體激光器，也可用非穩(wěn)腔產(chǎn)生激光，其優(yōu)點是可以連續(xù)地改變輸出光的功率，在某些特殊情況下能使光的準(zhǔn)直性均勻性比較好。“”光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性制作一個腔長為L的對稱穩(wěn)定腔，確定反射鏡曲率半徑的取值范圍。給定穩(wěn)定腔的一塊反射鏡，要選配另一塊反射鏡的曲率半徑，確定其取值范圍。已有兩塊反射鏡，曲率半徑分別為R1、R2用它們組成穩(wěn)定腔，確定腔長范圍。光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性02速率方程組與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)有了光學(xué)諧振腔，在其中充以激光工作物質(zhì)，并在外界激勵源作用下，將下能級的粒子抽運到上能級，使激光上下能級之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，激光器就可以工作。1.5節(jié)對這一工作過程作了定性的分析，本節(jié)將建立一種定量的分析方法。首先討論激活介質(zhì)中抽運、自發(fā)輻射、受激輻射與受激吸收同時發(fā)生的物理模型，建立描述這個物理過程的速率方程組；然后再根據(jù)速率方程組討論介質(zhì)中形成粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)的條件，以及在粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)狀態(tài)下各參量之間的關(guān)系。速率方程組與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)通過泵浦實現(xiàn)能級間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所采用的能級結(jié)構(gòu)可以歸結(jié)為兩種，即所謂的三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)。速率方程組考慮到大多數(shù)激光工作物質(zhì)是四能級系統(tǒng)，以四能級系統(tǒng)為例來建立速率方程組，三能級系統(tǒng)可以用同樣的方法處理。速率方程組與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布可以看出，首先，在選擇激光上、下能級時應(yīng)該滿足這樣的要求：E2能級的壽命要長，使該能級上的粒子不能輕易地通過非受激輻射而離開；E1能級的壽命要短，使E1能級上的粒子能很快地衰減。這就是說，滿足條件r2>r1的能級，有利于實現(xiàn)能級間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。其次，應(yīng)該選擇合適的激勵能源，使它對介質(zhì)的E2，能級的抽運速率R2愈大愈好，對E1能級的抽運速率R1愈小愈好。速率方程組與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布表達式中包含有激光工作物質(zhì)的光譜線型函數(shù)，這就意味著激光工作物質(zhì)的光譜線型函數(shù)對激光器的工作有很大影響。均勻增寬型介質(zhì)的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布速率方程組與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)均勻增寬型介質(zhì)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的飽和效應(yīng)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值不能由實驗直接測定。式（1-90）給出了增益系數(shù)和粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值之間的關(guān)系，而增益系數(shù)G是可以由實驗測定的，因此，粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值△n表示式的正確性，可以通過測定G而間接地得到驗證。需要說明的是，雖然式（2-10）是經(jīng)過較多簡化后導(dǎo)出的，但是實驗證明，在激光器工作的過程中，它能夠反映增益介質(zhì)與各個參量之間關(guān)系的主要特性。速率方程組與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)03均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和增益系數(shù)對激光器的工作特性起著十分重要的作用，本節(jié)將對增益系數(shù)進行深入的討論。實驗發(fā)現(xiàn)，不同的介質(zhì)，其增益系數(shù)可以有很大的差別，同一種介質(zhì)的增益系數(shù)也隨工作條件的變化而改變。介質(zhì)的增益系數(shù)隨頻率變化的規(guī)律和介質(zhì)的線型函數(shù)隨頻率變化的規(guī)律相似。當(dāng)測量增益系數(shù)所用的入射光強度很小尚未發(fā)出激光時，測得的增益系數(shù)是一個常數(shù)，可以視為上一節(jié)中定義的小信號的增益系數(shù)。當(dāng)測量所用的光強增大到一定程度后，增益系數(shù)的值將隨光強的增大而下降，產(chǎn)生增益飽和現(xiàn)象。均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)均勻增寬介質(zhì)小信號增益系數(shù)如圖2-7所示。均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和均勻增寬介質(zhì)的增益飽和在測定增益系數(shù)的實驗中發(fā)現(xiàn)，在抽運速率一定的條件下，當(dāng)入射光的光強很弱時，增益系數(shù)是一個常數(shù)；當(dāng)入射光的光強增大到一定程度后，增益系數(shù)隨光強的增大而減小，這種現(xiàn)象稱為增益飽和。增益系數(shù)隨光強的增強而減小是因為光的受激輻射對介質(zhì)的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布有著強烈的影響造成的。均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和介質(zhì)對頻率為v0、光強為I的光波的增益系數(shù)

。介質(zhì)對頻率為v、強度為I的光波的增益系數(shù)。頻率為v、強度為I的強光作用下的增益介質(zhì)對另一小信號光波i（vi）的增益系數(shù)。均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和在光強I的作用下，介質(zhì)的光譜線型不會改變，線寬不會改變，增益系數(shù)隨頻率的分布也不會改變，光強僅僅使增益系數(shù)在整個線寬范圍內(nèi)下降同樣的倍數(shù)，如圖2-9所示。均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和04非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和一般低壓氣體激光器介質(zhì)的發(fā)光特性是；對確定的上、下能級E2、E1，介質(zhì)中單個粒子發(fā)光的譜線線型函數(shù)仍然是均勻增寬型的，但是由于氣體粒子處在劇烈、混亂的熱運動之中，由大量粒子組成的氣體介質(zhì)發(fā)光時，接收到的光譜譜線的線型變成非均勻增寬型的。非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和介質(zhì)在小信號時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值在非均勻增寬型介質(zhì)中，在E2，E1能級間躍遷的軸向速度為零的粒子，輻射的光波也是中心頻率為v0的自然增寬型函數(shù)。但是當(dāng)粒子具有熱運動速度v1時，由于光的多普勒效應(yīng)，在正對著粒子運動方向上接收到的光波的線型函數(shù)變?yōu)橹行念l率為v1的自然增寬型函數(shù)。非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和非均勻增寬型介質(zhì)在小信號時的增益系數(shù)非均勻增寬型介質(zhì)的小信號增益系數(shù)G0D（v）是由具有不同速度的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值△n0（v1）dv1提供的，頻率為v1的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布對小信號增益系數(shù)的貢獻，就像均勻增寬型介質(zhì)的△n0對G0（v）的貢獻那樣。非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和非均勻增寬型介質(zhì)穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布圖2-12描繪了頻率為v的光波對頻率為v的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的飽和作用，以及起作用的頻率范圍。非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和非均勻增寬型介質(zhì)穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布通常稱上述現(xiàn)象為粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值的“燒孔”效應(yīng)。一般來說，燒孔面積的大小與受激輻射功率成正比。非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和對多普勒增寬型氣體激光器，由于諧振腔的存在，腔內(nèi)光束是由傳播方向相反的兩列行波組成的。如果光波頻率恰好是多普勒增寬型線型函數(shù)的中心頻率v，則該光波只在增益曲線上燒一個孔。即中心頻率的光波只能使那些沿腔軸方向運動的速度為零（與腔軸垂直方向運動速度并不為零）的激發(fā)態(tài)粒子作受激輻射。非均勻增寬型介質(zhì)穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和05激光器的損耗與閾值條件激光器產(chǎn)生激光的前提條件是介質(zhì)必須實現(xiàn)能級間的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布，即△n>0，或者說增益系數(shù)G>0。但是，由于光波在實現(xiàn)了粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)中傳播時還有各種損耗，只有當(dāng)因增益放大而增加的光能量，除了能夠補償因損耗而失去的部分外，還能有剩余時，光波才能被放大。所以要求增益系數(shù)要大于一個下限值，此下限值即為激光器的閾值，它的數(shù)值由各種損耗的大小所決定。激光器的損耗與閾值條件激光器的損耗激光器的損耗指的是在激光諧振腔內(nèi)的光損耗，這種損耗可以分為兩類，第一類是諧振腔內(nèi)增益介質(zhì)內(nèi)部的損耗，它與增益介質(zhì)的長度有關(guān)，叫作內(nèi)部損耗；第二類損耗是可以折合到諧振腔鏡面上的損耗，叫作鏡面損耗。激光器的損耗與閾值條件激光諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定光強的過程激光諧振腔內(nèi)光強由弱變強直至最后達到穩(wěn)定的過程可以用圖2-15來描繪。激光器的損耗與閾值條件諧振腔內(nèi)光強的放大過程激光器開始工作時，由于自發(fā)輻射，腔內(nèi)沿z軸方向有很微弱的光強傳播著。諧振腔穩(wěn)定出光過程以均勻增寬型介質(zhì)為例，當(dāng)腔內(nèi)光強和介質(zhì)的飽和光強可以比擬時，增益系數(shù)不再可以用小信號增益系數(shù)來近似。激光器的損耗與閾值條件上面的討論中指出，腔內(nèi)光強比較弱時，光波往返一次的放大倍數(shù)K>1，隨著光強不斷地增強，放大倍數(shù)就不斷地下降，直至K=1為止。因此，合并式（2-33）和式（2-34）就可以得到形成激光所要求的雙程放大倍數(shù)K=r1r2exp[（G-a內(nèi)）2L］≥1閾值條件激光器的損耗與閾值條件對介質(zhì)能級選取的討論在選取激光的能級方面也有一些值得考慮的問題。前面的討論指出，激光上下能級間粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值愈大，增益系數(shù)也愈大，而粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值直接由激光上下能級的粒子數(shù)密度決定。激光器的損耗與閾值條件謝謝觀看激光原理及應(yīng)用(第4版)激光器的輸出特性激光原理及應(yīng)用(第4版)第三章01光學(xué)諧振腔的衍射理論1.亥姆霍茲方程。2.格林定理。3.亥姆霍茲和基爾霍夫的積分定理。光學(xué)諧振腔的衍射理論菲涅耳基爾霍夫衍射公式現(xiàn)在考慮光在無窮大不透明屏幕的孔徑上的衍射。如圖3-2所示。光學(xué)諧振腔的衍射理論自再現(xiàn)模概念光學(xué)諧振腔是一種“開式”的諧振腔。所謂開式是指，諧振腔只靠兩端的反射鏡來實現(xiàn)光束在腔內(nèi)的往返傳播，對于光波沒有任何其他限制。自再現(xiàn)模積分方程對于激光器開腔來說，若給定了某一鏡面上的光場分布函數(shù)，如何計算當(dāng)光波渡越到另一鏡面處時所形成的新光場分布函數(shù)呢？光學(xué)諧振腔的衍射理論諧振條件、駐波和激光縱模當(dāng)腔內(nèi)存在激活物質(zhì)時，為了使自再現(xiàn)模在往返傳播過程中能形成穩(wěn)定的振蕩，必須滿足諧振條件。這是因為當(dāng)光波在腔鏡上反射時，入射波和反射波會發(fā)生干涉。縱模頻率間隔腔內(nèi)兩個相鄰縱模頻率之差△v稱為縱模的頻率間隔。光學(xué)諧振腔的衍射理論02對稱共焦腔內(nèi)外的光場分布共焦腔鏡面上的場分布1.方形鏡面共焦腔自再現(xiàn)模積分方程的解析解2.鏡面上自再現(xiàn)模場的特征對稱共焦腔內(nèi)外的光場分布有了式（3-39）和式（3-40）就可以討論光場分布的這幾個方面的問題。（1）振幅分布;（2）相位分布;（3）單程衍射損耗;（4）單程相移與諧振頻率。對稱共焦腔內(nèi)外的光場分布基橫模行波場是式中最簡單的一項，也是激光器輸出的最重要的一部分。激光應(yīng)用中也常常只用它的基橫模輸出?；鶛M模行波輸出在與光束前進方向的垂直平面上的強度呈高斯型分布，通常稱為高斯光束。高斯光束體現(xiàn)出激光光束與普通光源發(fā)出的光束不同的基本特點，對于激光的應(yīng)用有極其重要的意義。共焦腔中的行波場與腔內(nèi)外的光場分布對稱共焦腔內(nèi)外的光場分布03高斯光束的傳播特性圖3-7給出了激光器的各種模式輸出的光強分布示意圖。高斯光束的傳播特性高斯光束的振幅和強度分布基模光斑半徑w隨z按雙曲線規(guī)律變化，如圖3-10所示。高斯光束的傳播特性共焦腔反射鏡面是共焦場中曲率最大的等相位面。共焦腔中等相位面的分布如圖3-11所示。高斯光束的相位分布高斯光束的傳播特性高斯光束的遠場發(fā)散角前面已經(jīng)證明，共焦腔的基模光束依雙曲線規(guī)律從腔的中心向外擴展，由此不難求得基模的遠場發(fā)散角。因此，高斯光束的遠場發(fā)散角完全取決于其束腰半徑。相應(yīng)的計算表明，包含在全角發(fā)散角內(nèi)的功率占高斯基模光束總功率的86.5%。高斯光束的傳播特性高斯光束的高亮度由于激光器發(fā)出的高斯光束有良好的方向性，因而它也具有高亮度的特點。亮度B定義為：單位面積的發(fā)光面在其法線方向上單位立體角范圍內(nèi)輸出的輻射功率。高斯光束的傳播特性04穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性穩(wěn)定球面腔的等價對稱共焦腔如果在場的任意一個等相位面處放上一塊具有相應(yīng)曲率的反射鏡片，則入射在該鏡片上的場將準(zhǔn)確地沿著原入射方向返回，這樣對稱共焦腔中產(chǎn)生的場分布將不會改變。只要該反射鏡不在對稱共焦腔原先的反射鏡位置上，其曲率半徑就與原反射鏡不相同，便得到了一個新的球面腔。穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性穩(wěn)定球面腔的等價對稱共焦腔該球面腔與原對稱共焦腔等價，產(chǎn)生的行波場與原共焦場完全一致，但是一定不再是共焦的。由于任何一個對稱共焦腔場有無窮多個等相位面，因而存在無窮多個“等價”的球面腔。反過來，任意一個滿足穩(wěn)定性條件的球面腔只可唯一地與一個對稱共焦腔等價。穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性這里只討論基橫模也就是相應(yīng)高斯光束的傳播特性，再對穩(wěn)定球面腔的諧振頻率進行討論。前者與激光束的應(yīng)用密切相關(guān)，后者涉及到激光器的選頻。1.等效對稱共焦腔的束腰半徑和原球面腔鏡面的基橫模光束有效截面半徑；2.諧振頻率。穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性05其他幾種常用的激光光束厄米-高斯光束與高斯光束有著密切關(guān)系的是厄米-高斯光束。此光束的波前和發(fā)散性質(zhì)與高斯波束相同，但是強度分布不同。特別是，厄米-高斯光束不只是描述簡單的零級高斯光束，它還可用于描述光學(xué)諧振腔中更廣泛的一系列模式。光學(xué)諧振腔的模式是復(fù)雜的光束剖面，它們在兩面終端反射鏡之間來回反射復(fù)制其自身，這兩面反射鏡的形狀一般是球面。要一個波是諧振腔的一個模式，它必須在來回往復(fù)穿越諧振腔之后復(fù)制出它自身，特別是振幅和相位的分布，二者都必須原樣復(fù)制出來。其他幾種常用的激光光束圖3-14表示幾個低階的拉蓋爾-高斯模式光束的強度分布和相位分布。拉蓋爾-高斯光束其他幾種常用的激光光束貝塞爾光束貝塞爾光束是完全的亥姆霍茲方程（不做傍軸近似）的精確解，它有一個值得注意的性質(zhì)：它不隨在z方向的傳播而發(fā)散。要導(dǎo)出貝塞爾光束的形式，從考慮z=0平面上的標(biāo)量場的理想化的角譜出發(fā)，這個角譜是由等強度的傅里葉分量組成的一個圓環(huán)，圓環(huán)足夠薄，可以用傅里葉平面上徑向的一個δ函數(shù)表示。其他幾種常用的激光光束06激光器的輸出功率在諧振腔內(nèi)工作介質(zhì)為均勻增寬型物質(zhì)的激光器中，通常只有一個縱模（詳見第4章的討論），這個縱模是滿足諧振條件的諸縱模中增益系數(shù)最大的那個縱模，也就是諧振頻率vq離中心頻率v0最近的縱模。由于|v0-vq|很小，因此，vq的增益系數(shù)G（vq）可以近似地用v0的增益系數(shù)代替。均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率激光器的輸出功率非均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率非均勻增寬型介質(zhì)中，頻率為v的光波只能使速度為±v的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值飽和，對其他速度的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值幾乎無影響。所以非均勻增寬型介質(zhì)對腔內(nèi)各縱模的增益系數(shù)僅受本縱模光強的影響，基本上與其他縱模的光強無關(guān)。這是非均勻增寬型介質(zhì)與均勻增寬型介質(zhì)的不同之處。因此，由非均勻增寬型介質(zhì)構(gòu)成的激光器中，對其各個縱模的討論可以分別獨立地進行。激光器的輸出功率07激光器的線寬極限對一個激光器來說，當(dāng)它在穩(wěn)定工作時，其增益正好等于總損耗。這時的理想情況是：損耗的能量在腔內(nèi)的受激過程中得到了補充，而且在受激過程中產(chǎn)生的光波與原來光波有相同的相位，所以新產(chǎn)生的光波與原來的光波相干疊加，使腔內(nèi)光波的振幅始終保持恒定，相應(yīng)地就有無限長的波列，故線寬應(yīng)為“0”。如果激光器是單模輸出的話，那么它輸出的譜線應(yīng)該是落在熒光線寬△v，范圍內(nèi)的一條“線”。激光器的線寬極限首先是內(nèi)部的原因：在理想的激光器中完全忽略了激活介質(zhì)的自發(fā)輻射。而一個實際的激光器，盡管它的自發(fā)輻射相對于受激輻射來說是極其微弱的，但它畢竟還是不可避免地存在著，而且在激光器的輸出功率中也貢獻有它極其微小的一個份額。另一方面，腔內(nèi)自發(fā)輻射又產(chǎn)生一列一列前后相位無關(guān)的波列，這些波列和相干的波列的光強相疊加，使腔內(nèi)的光強保持穩(wěn)定。這樣一些一段一段的互相獨立的自發(fā)輻射的波列也要造成一定的線寬。以上兩方面的因素就造成了由于存在自發(fā)輻射而引起的激光線寬。激光器的線寬極限如果激光器的輸出功率增大，就說明腔內(nèi)輻射場的能量密度也變大了，而受激輻射幾率是正比于輻射場能量密度的，自發(fā)輻射的幾率卻不變，因此受激輻射所占的比例相應(yīng)地增大，激光振蕩譜線的寬度也相應(yīng)地變窄。這就是說增大激光器的輸出功率可以減小由于自發(fā)輻射引起的激光線寬。理論計算表明此激光線寬和激光器輸出功率成反比。激光器的線寬極限08激光光束質(zhì)量的品質(zhì)因子M2在激光技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域，以及激光器的設(shè)計和生產(chǎn)過程中，光束質(zhì)量是衡量激光光束優(yōu)劣的一項重要指標(biāo)。因此光束質(zhì)量的定義和測試是激光研究的重要內(nèi)容之一。但是，較長時間以來，光束質(zhì)量一直沒有確切的定義，也未建立標(biāo)準(zhǔn)的測量方法，這給科研和應(yīng)用都帶來了不便。激光光束質(zhì)量的品質(zhì)因子M2在激光的發(fā)展過程中，針對不同的應(yīng)用目的，曾用多種參數(shù)來評價光束質(zhì)量，例如聚焦光斑尺寸、遠場發(fā)散角等。但由于激光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，束腰尺寸和發(fā)散角均可以發(fā)生改變，減小腰斑半徑必然會使發(fā)散角增大，因此單獨使用發(fā)散角或腰斑尺寸來評價光束質(zhì)量是不科學(xué)的。為了克服常用的光束質(zhì)量評價方法的局限性，近年來國際光學(xué)界發(fā)展出一種表征激光光束質(zhì)量的參量——品質(zhì)因子M2，并已由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）予以推薦試用。激光光束質(zhì)量的品質(zhì)因子M209模式激光的某些一階統(tǒng)計性質(zhì)這里的討論將限于激光器的“經(jīng)典”模型，一個給定模式是否會發(fā)生振蕩，取決于在這個特定的模式上激活介質(zhì)的增益是否超過各種損耗，若增益正好等于損耗，可以說（不嚴(yán)格地）此模式處于“閾值”上，增大泵運功率可以增大增益，但是當(dāng)振蕩發(fā)展起來之后，過程的非線性最終會使增益飽和，阻止增益隨著泵運功率的增加而進一步增大。單模激光的一階統(tǒng)計性質(zhì)模式激光的某些一階統(tǒng)計性質(zhì)1.理想振蕩；2.具有隨機的瞬時頻率的振蕩；3.VanderPol振子模型；4.激光器輸出強度統(tǒng)計的一個更完備的解。模式激光的某些一階統(tǒng)計性質(zhì)多模激光的一階統(tǒng)計性質(zhì)雖然許多激光器可以做到單模運作，但是振蕩常常在多個模式中同時發(fā)生。模式可以為縱向結(jié)構(gòu)或橫向結(jié)構(gòu)，或者在有些情形下，兩種模式結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)。模式激光的某些一階統(tǒng)計性質(zhì)謝謝觀看激光原理及應(yīng)用(第4版)激光的基本技術(shù)激光原理及應(yīng)用(第4版)第四章01激光器輸出的選模激光單縱模的選取均勻增寬型譜線的縱模競爭前面已經(jīng)指出，對于均勻增寬型的介質(zhì)來說，每個發(fā)光粒子對形成整個光譜線型都有相同的貢獻。當(dāng)強度很大的光通過均勻增寬型增益介質(zhì)時，由于受激輻射，使粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值下降，于是光增益系數(shù)也相應(yīng)下降，但是光譜的線型并不會改變。其結(jié)果是增益曲線按同一比例降低，線寬和頻率分布都不發(fā)生變化。激光器輸出的選模激光單縱模的選取非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩前面曾經(jīng)指出，對非均勻增寬型介質(zhì)來說，某一種縱模的光強增強時，增益的飽和并不引起整個增益曲線下降，而是在該縱模對應(yīng)的頻率處形成一個凹陷（即“燒孔”效應(yīng)）。如果一個非均勻增寬激光器有多個縱模的小信號增益系數(shù)都大于閾值的話，那么這些縱模就都可以建立自己的振蕩，所以，非均勻增寬激光器的輸出一般都具有多個縱模。激光器輸出的選模激光單縱模的選取單縱模的選取要提高光束的單色性和相干長度（如在干涉測長儀中就要求良好的單色性），就需要使激光器工作在單一縱模下（一般是基橫模）。但是，許多非均勻增寬的氣體激光器往往有幾個縱模同時振蕩，因此，要設(shè)計單縱模激光器，就必須采取選頻的方法。激光器輸出的選模激光單橫模的選取前面已指出，激光振蕩的條件是增益系數(shù)G必須大于損耗系數(shù)ago損耗可分為與橫模階數(shù)有關(guān)的衍射損耗和與振蕩模式無關(guān)的其他損耗，如輸出損耗、吸收、散射損耗等?；鶛M模選擇的實質(zhì)是使TEM模達到振蕩條件，而使高階橫模的振蕩受到抑制。因此，只需控制各高階模式的衍射損耗，即可達到選取橫模的目的。一般只要能抑制比基橫模高一階的TEM，模和TEM，模振蕩，也就能抑制其他高階模的振蕩。激光器輸出的選模02影響頻率穩(wěn)定的因素影響腔長變化的因素很多，如溫度的波動、機械振動、聲波及重力影響等都會引起腔長的短期和長期的不穩(wěn)定。受到氣壓、溫度和濕度變化的影響，氣體折射率會產(chǎn)生較大的變化，從而對頻率穩(wěn)定性造成影響。除以上所說的外部因素以外，激光器某些內(nèi)部因素，如放電條件（工作氣體的總壓強、成分、放電電流等）的變化也對頻率有影響，由于這些因素或者可以控制（如放電電流），或者變化不大（如氣體總壓強）。影響頻率穩(wěn)定的因素被動式穩(wěn)頻利用熱膨脹系數(shù)低的材料制作諧振腔的間隔器；或?qū)崤蛎浵禂?shù)為負值的材料與熱膨脹系數(shù)為正值的材料按一定長度配合，以使熱膨脹互相抵消，實現(xiàn)穩(wěn)頻。主動式穩(wěn)頻目前采用的主動穩(wěn)頻方法的基本原理大體相同，即把單頻激光器的頻率與某個穩(wěn)定的參考頻率相比較，當(dāng)振蕩頻率偏離參考頻率時，鑒別器就產(chǎn)生一個正比于偏離量的誤差信號。穩(wěn)頻方法概述影響頻率穩(wěn)定的因素蘭姆凹陷法穩(wěn)頻原子間的相互作用、空間電場的斯塔克效應(yīng)、雜散磁場的塞曼效應(yīng)及增益介質(zhì)的色散等諸多因素均會引參考頻率以的漂移，因此，蘭姆凹陷穩(wěn)頻器的頻率的復(fù)現(xiàn)度不高，一般只有102。但是由于這種激光器的結(jié)構(gòu)比較簡單，且能夠達到約10°的長期穩(wěn)定度，對于一般精密測量已是足夠了。因此，這種穩(wěn)頻方法在工業(yè)和科學(xué)研究方面仍然有著很廣泛的應(yīng)用。影響頻率穩(wěn)定的因素蘭姆凹陷法穩(wěn)頻采用的參考頻率是激光器原子譜線本身的中心頻率，不可避免地會出現(xiàn)頻率漂移，所以頻率復(fù)現(xiàn)度不高。為了克服這個缺點，在蘭姆凹陷穩(wěn)頻的基礎(chǔ)上又發(fā)展了一種利用外界頻率標(biāo)準(zhǔn)進行高精度穩(wěn)頻的方法，這就是“飽和吸收法”。由于反轉(zhuǎn)蘭姆凹陷的寬度比蘭姆凹陷的寬度窄，所以其中心頻率兩側(cè)曲線的斜率就比蘭姆凹陷曲線的斜率大，這樣就可以減小搜索信號的幅度以提高頻率的穩(wěn)定性。影響頻率穩(wěn)定的因素03激光束的變換首先，由于透鏡很薄，因此在透鏡兩邊的入射光束和出射光束應(yīng)該有相同的光強分布，即出射光束的光場分布也是高斯型的，而且出射光束在透鏡處的光斑尺寸w'應(yīng)等于入射光束在透鏡處的光斑尺寸w。其次，入射和出射的高斯光束在透鏡處的波陣面曲率半徑R和R'應(yīng)滿足關(guān)系式。高斯光束通過薄透鏡時的變換激光束的變換高斯光束入射到短焦距透鏡時的聚焦所謂短焦距，是指高斯光束在透鏡處波陣面的半徑R遠遠大于透鏡焦距f的情形。入射光束的腰到透鏡的距離s等于透鏡焦距f的聚焦這就是說；當(dāng)入射高斯光束的腰處于透鏡的焦點上時，出射光束正好聚焦在透鏡另一側(cè)的焦點上。這種情況和普通點光源處在透鏡的焦點上時，其出射光為一束平行光（不會聚）的情況是截然不同的。激光束的變換高斯光束的準(zhǔn)直所謂高斯光束的準(zhǔn)直，就是要改善光束的方向性，壓縮光束的發(fā)散角。這就是說，束腰半徑越大，遠場發(fā)散角越小。激光束的變換所謂“擴束”，就是擴大光束的光斑尺寸。一般地說，可以有兩種情況。一種是通過擴大發(fā)散角來擴大光斑尺寸，這既可以用凹透鏡來實現(xiàn)，也可以用凸透鏡來實現(xiàn)。這時要求在透鏡焦點處產(chǎn)生一個極小的束腰半徑，從而得到發(fā)散角很大的高斯光束，實現(xiàn)擴束。激光的擴束激光束的變換04激光調(diào)制技術(shù)激光調(diào)制的基本概念激光調(diào)制就是把激光作為載波攜帶低頻信號，本質(zhì)上是無線電波調(diào)制向光頻段的拓展。盡管激光調(diào)制與頻率較低的無線電調(diào)制所采用的原理和設(shè)備不同，但就調(diào)制的方法來講，也有振幅調(diào)制、強度調(diào)制頻率調(diào)制、相位調(diào)制以及脈沖調(diào)制等形式。激光調(diào)制可分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩類。激光調(diào)制技術(shù)電光強度調(diào)制圖4-21（a）是一個典型的電光強度調(diào)制的裝置示意圖。激光調(diào)制技術(shù)電光相位調(diào)制除了上述的電光強度調(diào)制和電光相位調(diào)制以外，激光調(diào)制器還有許多種，如橫向電光調(diào)制器、電光行波調(diào)制器、克爾電光調(diào)制器聲光調(diào)制器、磁光調(diào)制器，以及機械調(diào)制器和干涉調(diào)制器等。近來發(fā)展很快的還有空間光調(diào)制器?？傊鳛榧す鈶?yīng)用所必需的關(guān)鍵技術(shù)，光調(diào)制器應(yīng)當(dāng)?shù)玫阶銐虻闹匾?。激光調(diào)制技術(shù)05激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)機械偏轉(zhuǎn)機械偏轉(zhuǎn)是利用反射鏡或多面反射棱鏡的旋轉(zhuǎn)，或者利用反射鏡的振動實現(xiàn)光束掃描。這種方法的原理比較簡單，入射光束不動，反射鏡轉(zhuǎn)動一個角度時，反射光束會轉(zhuǎn)兩倍的角度。機械偏轉(zhuǎn)具有偏轉(zhuǎn)角大、分辨率高、光損失小且可適應(yīng)光譜范圍大的優(yōu)點，這些優(yōu)點是目前其他偏轉(zhuǎn)方法難以達到的。激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)電光偏轉(zhuǎn)是利用泡克耳斯效應(yīng)，通過施加在電光晶體上的電場來改變晶體的折射率，使光束偏轉(zhuǎn)。實際的電光晶體偏轉(zhuǎn)器由兩個晶體棱鏡（如KDP棱鏡）組成。電光偏轉(zhuǎn)激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)聲光偏轉(zhuǎn)1922年布里淵提出的聲波對光波的衍射效應(yīng)，已經(jīng)為實驗所證實。聲光效應(yīng)也提供了一種方便地控制光的強度、頻率和傳播方向的手段，和電光效應(yīng)一樣得到了廣泛的應(yīng)用。激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)06激光調(diào)Q技術(shù)激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q激光器的損耗可用式（2-37）定義的單程總損耗描繪，也可用品質(zhì)因數(shù)Q值描繪。這一定義是由電子學(xué)中推廣來的，它同樣適用于LC振蕩回路和微波諧振腔，只是在激光諧振腔中傳播的光的一個周期要短得多。激光調(diào)Q技術(shù)調(diào)Q原理指的是，采用某種辦法使諧振腔在泵浦開始時處于高損耗低Q值狀態(tài)，這時激光振蕩的閾值很高，粒子密度反轉(zhuǎn)數(shù)即使積累到很高水平也不會產(chǎn)生振蕩；當(dāng)粒子密度反轉(zhuǎn)數(shù)達到其峰值時，突然使腔的Q值增大，將導(dǎo)致激光介質(zhì)的增益大大超過閾值，極其快速地產(chǎn)生振蕩。這時儲存在亞穩(wěn)態(tài)上的粒子所具有的能量會很快轉(zhuǎn)換為光子的能量，光子像雪崩一樣以極高的速率增長，激光器便可輸出一個峰值功率高、寬度窄的激光巨脈沖。用調(diào)節(jié)諧振腔的Q值以獲得激光巨脈沖的技術(shù)稱為激光調(diào)Q技術(shù)。調(diào)Q原理激光調(diào)Q技術(shù)激光調(diào)Q技術(shù)電光調(diào)Q裝置示意圖如圖4-27所示。聲光調(diào)Q聲光調(diào)Q技術(shù)利用這樣一種原理：在激光諧振腔內(nèi)放置聲光偏轉(zhuǎn)器，當(dāng)光通過介質(zhì)中的超聲場時，由于衍射造成光的偏折，就會增加損耗而改變腔的Q值。這種方法具有重復(fù)頻率高和輸出穩(wěn)定等優(yōu)點，目前，多用于獲得中等功率的高重復(fù)頻率的脈沖激光器中。激光調(diào)Q技術(shù)不論是轉(zhuǎn)鏡、電光或聲光調(diào)Q技術(shù)，Q開關(guān)開啟的延遲時間都是可控的，因此，習(xí)慣上統(tǒng)稱這一類技術(shù)為主動調(diào)Q。還有另一種調(diào)Q技術(shù)，即染料調(diào)Q技術(shù)，它是利用某種材料（通常是用有機染料）對光的吸收系數(shù)會隨光強變化的特性來達到調(diào)Q的目的。由于這種方式中Q開關(guān)的延遲時間是由材料本身特性決定的，不直接受人控制，所以又稱之為被動調(diào)Q技術(shù)。染料調(diào)Q激光調(diào)Q技術(shù)07激光鎖模技術(shù)鎖模原理一般非均勻增寬激光器，總是產(chǎn)生多縱模（假設(shè)均對應(yīng)某一橫模）。由于各個模式的頻率和初相位無確定的關(guān)系，各個模式互不相干，因此多縱模輸出的光強是各縱模的非相干疊加。輸出光強隨時間無規(guī)則起伏。鎖模技術(shù)使諧振腔中可能存在的各個縱模同步振蕩，讓各振蕩模的頻率間隔保持相等并使它們的初相位保持為常數(shù)，使激光器輸出在時間上有規(guī)則的等間隔的短脈沖序列。激光鎖模技術(shù)激光鎖模技術(shù)如圖4-31所示，在諧振腔中插入一個電光或聲光損耗調(diào)制器。被動鎖模在激光腔內(nèi)插入一個有飽和吸收特性的染料盒，也能起到鎖模的作用?？娠柡腿玖系奈障禂?shù)是隨光強的增強而下降的。激光器內(nèi)，隨著光泵對工作物質(zhì)的激勵，各個縱模都會隨機地發(fā)生，光場就會由于它們的疊加而在強度上略有起伏。當(dāng)某些縱模偶然地得到相干加強時，出現(xiàn)光場較強的部分，其他部分則較弱。這些較強的部分通過染料，被吸收的少，損耗不大。較弱的部分通過染料，被吸收的多，反而更被減弱。激光鎖模技術(shù)謝謝觀看激光原理及應(yīng)用(第4版)典型激光器介紹激光原理及應(yīng)用(第4版)第五章01固體激光器固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。固體激光工作物質(zhì)是固體激光器的核心。影響固體激光器工作特性的關(guān)鍵是固體激光工作物質(zhì)的物理和光譜性質(zhì)，這主要是指吸收帶、熒光譜線、熱導(dǎo)率等。目前研究過的固體工作物質(zhì)很多，用它們制作了各種各樣的固體激光器。固體激光器紅寶石是在三氧化二鋁（A1203）中摻入少量的氧化鉻（Cr203）生長成的晶體。摻釹釔鋁石榴石（Nd3：YAG）這種工作物質(zhì)是將一定比例的Al2O3、Y2O3和Nd2O3在單晶爐中進行熔化，并結(jié)晶而成的，呈淡紫色。固體激光器由于固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，所以一般都采用光泵浦激勵。目前的泵浦光源多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈。泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿足兩個基本條件：①有很高的發(fā)光效率；②輻射光的光譜特性應(yīng)與激光工作物質(zhì)的吸收光譜相匹配。氪燈在低電流密度放電時的輻射光譜特性，與YAG的主要泵浦吸收帶相近。固體激光器的泵浦系統(tǒng)固體激光器脈沖特性脈沖激光器工作在非連續(xù)輸出的非穩(wěn)態(tài)，其工作過程不能用2.2節(jié)中給出的穩(wěn)態(tài)速率方程描述。一般的脈沖固體激光器產(chǎn)生的激光脈沖是由一連串不規(guī)則振蕩的短脈沖（或稱尖峰）組成的。轉(zhuǎn)換效率固體激光器運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)換效率低是它的最突出的問題之一。在實際工作中，固體激光器的轉(zhuǎn)換效率常用總體效率η衡量。固體激光器新型固體激光器20世紀(jì)80年代以來，固體激光器的發(fā)展比較快，出現(xiàn)了幾種帶有方向性的新型固體激光器，這就是半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器、可調(diào)諧固體激光器和高功率固體激光器。1.半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器;2.可調(diào)諧固體激光器;3.高功率固體激光器。固體激光器02氣體激光器He-Ne激光器是在1960年末研制成功的第一種氣體激光器。由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、光束質(zhì)量好、工作可靠和制造容易等優(yōu)點，至今仍然是應(yīng)用最廣泛的一種氣體激光器。氦氖（He-Ne）激光器氣體激光器在最佳放電條件下，工作物質(zhì)的增益系數(shù)和毛細管直徑d成反比。通過受激輻射躍遷到激光下能級的Ne原子借助自發(fā)輻射轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)1S能級，然后通過與管壁碰撞釋放能量的途徑返回基態(tài)。如果管徑d增大，原子與管壁碰撞的機會減小，滯留在1S能級的Ne原子可能吸收自發(fā)輻射光子重新返回激光下能級，從而導(dǎo)致反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的減少。毛細管直徑的選擇應(yīng)綜合考慮對輸出功率和模式的要求，以及增益、衍射損耗對輸出功率的影響。氣體激光器二氧化碳激光器二氧化碳（CO2）激光器是以CO，氣體分子作為工作物質(zhì)的氣體激光器。其激光波長為10.6μm和9.6μm。自1964年第一臺CO2激光器研制成功以來，流動型、橫向激勵型、高氣壓型、波導(dǎo)型、氣動型等各種CO2激光器相繼出現(xiàn)，發(fā)展迅速。氣體激光器二氧化碳激光器CO2激光器受到人們重視的主要原因是它具有很多明顯的優(yōu)點。例如，它既能連續(xù)工作，又能脈沖工作，輸出功率大，效率高。它的能量轉(zhuǎn)換效率高達20%~25%，連續(xù)輸出功率可達10瓦量級，脈沖輸出能量可達10°焦耳量級，脈沖寬度可壓縮到納秒級。特別是CO2激光波長正好處于大氣窗口，并且對人眼的危害比可見光和1.06μm紅外光要小得多。氣體激光器放電特性相應(yīng)于CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個最佳值。CO2激光器的最佳放電電流與放電管的直徑、管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關(guān)。實驗指出，隨著管徑增大，最佳放電電流也增大。溫度效應(yīng)前面已經(jīng)指出，CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會超過40%，這就是說，將有60%以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。氣體激光器Ar*離子激光器離子激光器是以氣態(tài)離子的不同激發(fā)態(tài)之間的激發(fā)躍遷進行工作的氣體激光器。氬離子（Ar*）激光器是最常見的離子激光器。Ar激光器的激光譜線很豐富，主要分布在藍綠光區(qū)，其中，以0.4880μm藍光和0.5145μm綠光兩條譜線最強。Ar激光器既可以連續(xù)工作，又可以以脈沖狀態(tài)運轉(zhuǎn)。連續(xù)功率一般為幾瓦到幾十瓦，高者可達一百多瓦，是目前在可見光區(qū)連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。它已廣泛應(yīng)用于全息照相、信息處理、光譜分析及醫(yī)療和工業(yè)加工等許多領(lǐng)域。氣體激光器03染料激光器染料激光器的激發(fā)機理染料分子能級染料激光器的工作物質(zhì)是有機染料溶液。每個染料分子都由許多原子組成，其能級結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。由于染料分子的運動包括電子運動組成染料分子的原子間的相對振動和整個染料分子的轉(zhuǎn)動，所以在染料分子的能級中，對應(yīng)每個電子能級都有一組振動轉(zhuǎn)動能級，并且由于分子碰撞和靜電擾動，振動轉(zhuǎn)動能級被展寬。染料激光器染料激光器的泵浦根據(jù)上述染料分子光輻射的特殊性，染料激光器應(yīng)采用光泵浦。按照運轉(zhuǎn)方式區(qū)分，有脈沖泵浦和連續(xù)泵浦；按照泵浦光源區(qū)分，有閃光燈泵浦和激光泵浦。這里只介紹脈沖泵浦。脈沖泵浦以泵浦光的足夠高的功率和足夠快的上升時間，克服三重態(tài)的影響，實現(xiàn)激光器工作。這類器件的特點是輸出激光的峰值功率高，器件的轉(zhuǎn)換效率高，以及結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。染料激光器染料激光器與其他激光器相比，其突出特點是激光波長可調(diào)諧。為了實現(xiàn)精確的調(diào)諧和獲得較窄的線寬，需要有一個帶有波長選擇裝置的諧振腔。經(jīng)常采用的波長選擇裝置有光柵、棱鏡、F-P標(biāo)準(zhǔn)具、雙折射濾光片、分布反饋裝置、電控調(diào)諧元件等。染料激光器的調(diào)諧染料激光器染料激光器圖5-20所示為一種光柵反射鏡調(diào)諧腔。染料激光器圖5-21所示為一種折疊式縱向泵浦染料激光器原理圖。染料激光器的調(diào)諧液體染料工作物質(zhì)的能帶很寬，這就使它成為鎖模激光器所要求的良好的激活介質(zhì)。20世紀(jì)70年代，人們利用同步泵浦鎖模染料激光器獲得了ps量級的光脈沖，后來又利用碰撞鎖模染料激光器及腔外脈沖壓縮技術(shù)，將光脈沖寬度壓縮到6fs。影響頻率穩(wěn)定的因素04半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件在1.2節(jié)中已經(jīng)講過，原子的能級對應(yīng)著原子的不同運動狀態(tài)。實際上固體中原子之間相距不遠，由于原子間的相互作用，能級會分裂。在一個具有N個粒子相互作用的晶體中，每一個能級會分裂成為N個能級，其相互間能量差小到102eV數(shù)量級。半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件純凈（本征）半導(dǎo)體材料，如單晶硅、鍺等，在熱力學(xué)溫度為OK的理想狀態(tài)下，能帶由一個充滿電子的價帶和一個完全沒有電子的導(dǎo)帶組成。二者之間是禁帶，那時半導(dǎo)體是一個不導(dǎo)電的絕緣體。隨著溫度的升高，部分電子由于熱運動激發(fā)到導(dǎo)帶中，成為自由電子。同時價帶中少了一個電子，產(chǎn)生一個空穴，相當(dāng)于一個與電子電量相同的正電荷。半導(dǎo)體激光器PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)1.PN結(jié)的雙簡并能帶結(jié)構(gòu)2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)外加電壓產(chǎn)生的載流子注入使作用區(qū)的導(dǎo)帶電子和價帶空穴造成復(fù)合躍遷，輻射光子。半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理GaAs激光器的結(jié)構(gòu)。它的核心部分是PN結(jié)。PN結(jié)的兩個端面是按晶體的天然晶面剖切開的，稱為解理面，該二表面極為光滑，可以直接用作平行反射鏡面，構(gòu)成諧振腔。上下電極施加正向電壓，使結(jié)區(qū)產(chǎn)生雙簡并的能帶結(jié)構(gòu)及激光工作電流。激光可以從一側(cè)解理面輸出，也可由兩側(cè)輸出。半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器工作的閾值條件激光器產(chǎn)生激光的前提條件除了粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)外，還需要滿足閾值條件，即諧振腔的雙程光放大倍數(shù)大于1。半導(dǎo)體激光器的閾值電流半導(dǎo)體激光器作用區(qū)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)值難以確定，但是可以將它與工作電流I聯(lián)系起來。半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件半導(dǎo)體激光器GaAs激光器的伏安特性與二極管相同，也具有單向?qū)щ娦浴７蔡匦栽谑覝叵?，同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器只能以低重復(fù)率（幾千赫茲至幾十千赫茲）脈沖工作。閾值電流密度由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，特別是在結(jié)的垂直平面內(nèi)。方向性半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光的譜寬盡管比熒光窄得多，但比氣體和固體激光器要寬得多。隨著新器件的出現(xiàn)，譜寬已有所改善，如分布反饋式激光器的線寬，只有0.1nm左右。光譜特性注入式半導(dǎo)體激光器是一種把電功率直接轉(zhuǎn)換為光功率的器件，轉(zhuǎn)換效率極高。轉(zhuǎn)換效率通常用量子效率和功率效率量度。轉(zhuǎn)換效率半導(dǎo)體激光器05其他激光器準(zhǔn)分子激光器常態(tài)下為原子，在激發(fā)態(tài)下能夠暫時結(jié)合成的不穩(wěn)定分子，叫作受激準(zhǔn)分子，簡稱準(zhǔn)分子。準(zhǔn)分子激光器的工作物質(zhì)是準(zhǔn)分子氣體。自1970年第一臺準(zhǔn)分子激光器問世以來，人們研制成功了多種準(zhǔn)分子激光器，并在同位素分離、光化學(xué)泵浦染料激光器等方面做出了貢獻。其他激光器在激光武器研制方面，它也是很有發(fā)展前途的激光器之一。用準(zhǔn)分子激光器治療近視眼也取得了很好的經(jīng)濟和社會效益。目前，準(zhǔn)分子激光器越來越多，激勵方式也不斷改進，功率和效率不斷提高，其脈沖輸出能量已達百焦耳量級，脈沖峰值功率達千瓦以上，重復(fù)率達200次/秒，光束發(fā)散角為0.15mrad。其他激光器自由電子激光器自由電子激光器是一種新型激光器，其工作物質(zhì)是自由電子束。它和普通激光器的根本區(qū)別在于：輻射不是基于原子、分子或離子的束縛電子能級間的躍遷。從本質(zhì)上看，自由電子激光器是一種把相對論電子束的動能轉(zhuǎn)變成相干輻射能的裝置。其他激光器自由電子激光器自由電子激光器具有下述特點：①輸出的激光波長可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，原則上可從厘米波一直調(diào)諧到真空紫外，甚至x光的波段，在目前電子加速器可利用的能量范圍內(nèi)，已實現(xiàn)的調(diào)諧范圍是100nm~1mm；②由于自由電子激光器的工作物質(zhì)是電子束本身，而不是固體、液體或氣體等物質(zhì)，因而它不會出現(xiàn)自聚焦、自擊穿等非線性光學(xué)損傷現(xiàn)象，只要電子能量足夠大，就可以獲得極高的光功率輸出；③具有極高的能量轉(zhuǎn)換效率，理論上可高達50%。其他激光器化學(xué)激光器是指基于化學(xué)反應(yīng)來建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生受激輻射的一類激光器，其工作物質(zhì)可以是氣體或液體，但目前大多數(shù)為氣體。由于化學(xué)激光器在激勵方式等方面的獨特性，通常把它們歸類為一個單獨的激光器分支?；瘜W(xué)激光器其他激光器謝謝觀看激光原理及應(yīng)用(第4版)激光在精密測量中的應(yīng)用激光原理及應(yīng)用(第4版)第六章01激光干涉測長干涉測長的基本原理干涉條紋是接收面上兩路光程差相同的點連成的軌跡。激光器發(fā)出的激光束到達半透半反射鏡P后被分成兩束，當(dāng)兩束光的光程相差激光半波長的偶數(shù)倍時，它們相互加強形成亮條紋；當(dāng)兩束光的光程相差半波長的奇數(shù)倍時，它們相互抵消形成暗條紋。激光干涉測長除了邁克耳孫干涉儀以外，激光干涉測長系統(tǒng)還包括激光光源、可移動平臺、光電顯微鏡、光電計數(shù)器和顯示記錄裝置。激光光源一般是采用單模的He-Ne氣體激光器，輸出的是波長為632.8nm的紅光。因為氦氖激光器輸出激光的頻率和功率穩(wěn)定性高，它以連續(xù)激勵的方式運轉(zhuǎn)，在可見光和紅外光區(qū)域可產(chǎn)生多種波長的激光譜線，所以氦氖激光器特別適合用作相干光源。激光干涉測長系統(tǒng)的組成激光干涉測長激光外差干涉測長技術(shù)激光的發(fā)明和應(yīng)用使干涉測長技術(shù)提高了精度，擴大了量程并且得到了普及。但是使干涉測長技術(shù)走出實驗室進入車間，成為生產(chǎn)過程質(zhì)量控制設(shè)備的是激光外差干涉測長技術(shù)，具體來講就是雙頻激光干涉儀。激光干涉儀產(chǎn)生的干涉條紋變化頻率與測量反射鏡的運動速度有關(guān)，在從靜止到運動，再回到靜止的過程中，對應(yīng)著頻率從0到最大值，再返回到0的全過程，因此光強轉(zhuǎn)化出的直流電信號的頻率變化范圍也是從0開始的。這樣的信號只能用直流放大器來放大處理。激光干涉測長激光干涉測長應(yīng)用舉例激光干涉測長除了測量長度外，還可以測量各種能夠轉(zhuǎn)化為被測長度的物理量，如長度計量中的角度，以及壓力、溫度、折射率等。本節(jié)以角度和折射率測量為例來說明激光干涉測長的應(yīng)用。激光干涉測長02激光衍射測量激光衍射測量原理光的衍射現(xiàn)象，按照衍射物和觀察衍射條紋的屏幕（即衍射場）之間的位置關(guān)系，一般將其分為兩種類型；菲涅耳衍射和夫瑯禾費衍射。前者是有限距離處的衍射現(xiàn)象，即觀察屏到衍射物的距離比較小的情況，也稱近場衍射。后者是無限距離處的衍射現(xiàn)象，在觀察屏離衍射物可以近似地看作無限遠時才能觀察到，也稱遠場衍射。激光衍射測量激光衍射測量的方法在實際應(yīng)用中，基于單縫衍射的各種測量方法的原理大都基于式（6-10）。而基于圓孔衍射的測量方法則是根據(jù)式（6-15），通過計算衍射暗條紋（暗環(huán)）間距來確定被測量。具體的測量方法有如下幾種。激光衍射測量激光衍射測量的應(yīng)用激光衍射測量03激光測距激光脈沖測距激光脈沖測距原理因為光速是個常數(shù)，而光又沿著直線傳播，只要測量出光束在待測距離上往返傳播的時間就可以計算出兩點之間的直線距離。激光脈沖測距原理就是通過發(fā)射激光脈沖控制計時器開門，接收返回的激光脈沖控制計時器關(guān)門，測量出激光光束在待測距離上往返傳播的時間，完成測距。激光測距激光脈沖測距激光脈沖測距儀的結(jié)構(gòu)它的工作過程大致如下：當(dāng)測距儀對準(zhǔn)目標(biāo)后，激光器就發(fā)出一個很強很窄的光脈沖，這個光脈沖經(jīng)過發(fā)射望遠鏡壓縮發(fā)散角。以紅寶石激光器為例，它的光束發(fā)散角一般是幾個毫弧度，經(jīng)過發(fā)射望遠鏡，壓縮到零點幾個毫弧度。這樣的光脈沖射到10km遠的地方，只有一個直徑為幾米的光斑。激光測距激光相位測距激光相位測距原理相位測距是通過測定連續(xù)的調(diào)制激光在待測距離d上往返的相位差φ來間接測量傳播時間的。分散的直接測尺頻率和集中的間接測尺頻率一定的測尺長度對應(yīng)著一定的激光調(diào)制頻率，又叫作測尺頻率。激光測距相位差的測量中、低頻率的相位測量精度總是遠遠高于高頻信號的相位測量精度。04激光準(zhǔn)直及多自由度測量激光準(zhǔn)直儀激光準(zhǔn)直儀一般都采用具有連續(xù)輸出的氦氖激光器，并且通常使用的是基橫模輸出。激光束橫截面上的光強分布是高斯分布，光束的能量大部分集中在有效半徑為ω的截面內(nèi)。激光準(zhǔn)直儀的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)是一個倒置的望遠鏡。激光準(zhǔn)直儀的光電目標(biāo)靶通常用的是四象限光電探測器。激光準(zhǔn)直測量的應(yīng)用舉例不直度的測量。激光準(zhǔn)直及多自由度測量述的激光準(zhǔn)直儀的對準(zhǔn)精度還不夠高，主要是因為光斑成圓形，中心不易找得很準(zhǔn)。所以除了利用激光的方向性外，還可以利用激光的單色性，讓激光束通過一定圖案的波帶片，產(chǎn)生便于對準(zhǔn)的衍射圖像，從而提高精度。這種利用衍射原理的激光準(zhǔn)直儀叫作激光衍射準(zhǔn)直儀。激光衍射準(zhǔn)直儀激光準(zhǔn)直及多自由度測量激光多自由度測量任何一個物體在空間都具有六個自由度，即在x，y，z三個直角坐標(biāo)軸方向的平動和繞x，y，z三個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動。被加工工件的定位、精密零部件的安裝及目標(biāo)物體在空間的運動位置和姿態(tài)，都需要多至六個自由度的測量、調(diào)整或控制。由于生產(chǎn)加工技術(shù)自動化程度的提高，科學(xué)模擬實驗過程中的環(huán)境控制，誤差溯源的科學(xué)性及實驗過程的高效性等要求，對多自由度的探測提出了越來越高的要求，希望能同時探測工件或目標(biāo)物體在空間的多個自由度。前述的激光準(zhǔn)直儀實際上就是二自由度測量系統(tǒng)。激光準(zhǔn)直及多自由度測量05激光多普勒測速運動微粒散射光的頻率激光多普勒測速的原理是，用一束單色激光照射到隨流體一起運動的微粒（自然存在或人工摻入的）上，測出其散射光相對于入射光的頻率偏移，即所謂的多普勒頻移屮，進而確定流體的速度。首先要考查由光源入射到運動微粒上的光和接收器接收到的由運動微粒散射出來的光之間的頻差，然后再研究測量該頻差的方法。激光多普勒測速差頻法測速差頻測速方法大致可分為兩類：一類是檢測散射光和入射光之間的頻移——多普勒頻移，這種方法常稱為參考光束型多普勒測速；另一類是檢測兩束散射光之間的頻差—一多普勒頻差，這種方法叫作雙散射光束型多普勒測速。激光多普勒測速激光多普勒測速儀具有非接觸測量，不干擾測量對象，測量裝置可遠離被測物體等優(yōu)點，在生物醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、空氣動力學(xué)燃燒學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。1.血液流速的測量；2.管道內(nèi)水流的測量。激光多普勒測速技術(shù)的應(yīng)用激光多普勒測速06環(huán)形激光測量角度和角加速度Sagnac效應(yīng)和角速度測量1913年Sagnac提出了一種環(huán)形干涉儀，它是一個嚴(yán)格的共路干涉系統(tǒng)。1925年邁克耳孫利用這個原理構(gòu)造了測量地球轉(zhuǎn)動的干涉儀。環(huán)形激光器不難看出，上述無源腔的靈敏度很低。環(huán)形激光測量角度和角加速度拍頻計數(shù)與轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系，是環(huán)形激光器作為角度和角速度傳感器的原理公式。實際上，環(huán)形激光器測角還要受到零點漂移閉鎖地磁、非線性等影響，需要在理論與工藝等諸多方面作大量的工作予以克服，才能夠使誤差減小，實現(xiàn)精密測角。環(huán)形激光精密測角激光多普勒測速光纖陀螺光纖陀螺也是基于Sagnac效應(yīng)。為了增加光程差，一種方法是加大直徑，一種方法是增加圈數(shù)。對于光纖來講，后一種方法是極易實現(xiàn)的。因此實用的環(huán)形激光測角采用光纖陀螺儀。環(huán)形激光測量角度和角加速度07激光環(huán)境計量激光環(huán)境計量中采用了激光雷達‰，叨。激光雷達（laserradar）又稱為光雷達（opticalra-dar）。激光雷達對大氣中的微粒子的探測靈敏度非常高，利用分光方法，可以測定特定的大氣成分的分布，因此成為大氣環(huán)境計量的最有效手段。如果使用皮秒級的脈沖激光，則其空間分辨率可達到10cm以下。激光環(huán)境計量當(dāng)光傳播中遇到折射率不連續(xù)處時，將以該處作為新的光波源產(chǎn)生散射現(xiàn)象。按照光子的能量是否發(fā)生變化，散射分為非彈性散射和彈性散射兩種類型。彈性散射又有瑞利散射和米氏散射之分。相對于激光波長而言，當(dāng)散射體的尺寸非常?。諝庵械姆肿樱r，稱為瑞利散射；與激光波長相當(dāng)（空氣中懸浮粒子）的散射，稱為米氏散射。激光環(huán)境計量瑞利散射強度與照射激光波長的四次方成反比，所以，通過改變波長的測量方式就可以和米氏散射區(qū)別開。相應(yīng)地，非彈性散射也有拉曼散射和布里淵散射兩種。正是利用這些散射計量技術(shù)，使激光雷達在大氣環(huán)境觀測中的應(yīng)用非?；钴S。激光環(huán)境計量08激光散射板干涉儀在精密測量中應(yīng)用激光還有一個重要的領(lǐng)域，即全息散斑干涉計量，主要用于波面的測量。測量結(jié)果也可以轉(zhuǎn)化為引起波面二維變形的其他物理量，因而成為其他物理量，例如折射率分布、溫度場變形場（應(yīng)力應(yīng)變分布）等的精密測量方法。與激光干涉測長相同的是，全息散斑干涉計量也以激光波長作為長度的基本計量單位。不同的是，其測量結(jié)果是一個二維的被測量的場，而不僅僅是一維的長度變化。激光散射板干涉儀基本光路由原理型的激光散射板干涉儀到實際應(yīng)用的激光散射板干涉儀，有多種光路，它們都可以展開為如圖6-41所示的典型光路。激光散射板干涉儀在輸出平面上產(chǎn)生的光場有四項分量。其中兩次都由散射板直透過時，光場分布是會聚在像面中心的一個光點，對整個干涉場沒有貢獻。兩次通過散射板都散射時，產(chǎn)生的是與另兩個散斑場統(tǒng)計無關(guān)的散斑場，只會給干涉測量場帶來背景光噪聲，不影響散斑干涉條紋分布。這兩個分量以下不再予以討論。干涉條紋形成的數(shù)理模型激光散射板干涉儀謝謝觀看激光原理及應(yīng)用(第4版)激光加工技術(shù)激光原理及應(yīng)用(第4版)第七章01激光熱加工原理本節(jié)討論激光熱加工的原理。無論哪一種激光加工方法，都要將一定功率的激光束聚焦于被加工物體上，使激光與物質(zhì)相互作用。以金屬加工為例，在功率密度為104~1011W·cm-2的激光聚焦照射下，物表面將吸收大量激光能量。激光熱加工原理隨著照射時間的推移，激光束與金屬表面之間會產(chǎn)生多種相互作用過程。首先是熱吸收過程，使材料局部升溫。激光脈沖能量足夠高，脈寬足夠窄，會產(chǎn)生沖擊強化過程。隨著熱作用的持續(xù)，溫度升高，導(dǎo)致表面熔化過程。繼續(xù)照射，熔池會向內(nèi)部發(fā)展，熔池表面發(fā)生汽化過程。幾乎與此同時，等離子體開始產(chǎn)生，形成的汽化物和等離子體產(chǎn)生屏蔽現(xiàn)象。持續(xù)照射，屏蔽作用減弱，稱作復(fù)合過程。激光熱加工原理激光脈寬為10ms左右，聚焦功率密度為102W/mm2時，作用于金屬表面，主要產(chǎn)生溫升相變現(xiàn)象，用作激光相變硬化；激光作用時間在10~4ms之間，聚焦功率密度在102~104W/mm2的范圍時，金屬材料除了產(chǎn)生溫升、熔化現(xiàn)象之外，主要是汽化，同時還存在激波，可用于熔化、焊接、合金化和熔敷。激光熱加工原理材料對激光的吸收激光熱加工時首先發(fā)生的是材料對激光能量的吸收。一束激光照射到材料表面時，除一部分被材料表面反射外，其余部分透入材料內(nèi)部被材料吸收。透入材料內(nèi)部的光能主要對材料起加熱作用。激光熱加工原理材料的加熱材料的加熱是光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^程。盡管不能針對實際的激光熱加工過程求解溫度場分布以直接指導(dǎo)激光熱加工的研究和工藝設(shè)計，但是一些簡化假設(shè)的結(jié)果還是有意義的。激光熱加工原理02激光表面改性技術(shù)激光淬火技術(shù)的原理與應(yīng)用激光淬火技術(shù)，又稱激光相變硬化，是利用聚焦后的激光束照射到鋼鐵材料表面，使其溫度迅速升高到相變點以上。當(dāng)激光移開后，由于仍處于低溫的內(nèi)層材料的快速導(dǎo)熱作用，使表層快速冷卻到馬氏體相變點以下，獲得淬硬層。激光淬火不需要淬火介質(zhì)，只要把激光束引導(dǎo)到被加工表面，對其進行掃描就可以實現(xiàn)淬火。因此，激光淬火設(shè)備更像機床。激光表面改性技術(shù)材料成分通過材料的淬硬性和淬透性來影響激光淬硬層深度與硬度的。一般說來，隨著鋼中含碳量的增加，淬火后馬氏體的含量也增加，激光淬硬層的顯微硬度也就越高。鋼的淬透性越好，相同激光淬火工藝參數(shù)條件下淬硬層的深度要比含碳量相同時的碳素鋼要深。激光表面改性技術(shù)表面預(yù)處理狀態(tài)包括兩個方面：一是表面組織準(zhǔn)備，即通過調(diào)質(zhì)處理等手段使鋼鐵材料表面具有較細的表面組織，以保證激光淬火時組織與性能的均勻、穩(wěn)定。二是表面“黑化”處理，以提高鋼鐵表面對激光束的吸收率。激光表面改性技術(shù)激光表面熔凝技術(shù)這種表面處理技術(shù)是用激光束將表面熔化而不加任何合金元素，以達到表面組織改善的目的。有些鑄錠或鑄件的粗大樹枝狀結(jié)晶中常有氧化物和硫化物夾雜，以及金屬化合物及氣孔等缺陷，如果這些缺陷處于表面部位就會影響到疲勞強度、耐腐蝕性和耐磨性。激光表面改性技術(shù)激光熔覆（LaserCladding）技術(shù)亦稱激光包覆、激光涂覆、激光熔敷，是一種新的表面改性技術(shù)。它通過在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之與基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成其合金化的熔覆層，以改善其表面性能。激光熔覆技術(shù)激光表面改性技術(shù)03激光去除材料技術(shù)激光打孔激光打孔是最早達到實用化的激光加工技術(shù)，也是激光加工的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，高熔點、高硬度材料的使用越來越多，傳統(tǒng)的加工方法已無法滿足對這些材料的加工要求。激光去除材料技術(shù)激光打孔原理激光打孔機的基本結(jié)構(gòu)包括激光器、加工頭、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控裝置和操作盤，其基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖7-13所示。激光去除材料技術(shù)（1）脈沖寬度對打孔的影響；（2）激光打孔中離焦量對打孔的影響；（3）脈沖激光的重復(fù)頻率對打孔的影響；（4）被加工材料對打孔的影響。激光打孔工藝參數(shù)的影響激光去除材料技術(shù)激光切割1.激光切割的原理與特點激光切割以連續(xù)或重復(fù)脈沖方式工作，切割過程中激光光束聚焦成很小的光點（最小直徑可小于0.1mm）。激光切割分類及其機理激光切割按其機理可分為汽化切割熔化切割、激光氧助熔化切割和控制斷裂切割。激光去除材料技術(shù)激光切割的工藝參數(shù)及其規(guī)律激光切割的主要工藝參數(shù)有切割用激光功率、切口寬度、切割速度和氣體流量。其他因素，如激光光束質(zhì)量、透鏡焦距、離焦量和噴嘴等對于激光切割也有很大影響。激光去除材料技術(shù)04激光焊接激光熱導(dǎo)焊激光熱導(dǎo)焊的原理熱導(dǎo)焊時，激光輻射能量作用于材料表面，激光輻射能在表面轉(zhuǎn)化為熱量。表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴散，使材料熔化，在兩材料連接區(qū)的部分形成熔池。熔池隨著激光束一道向前運動，熔池中的熔融金屬并不會向前運動。激光焊接激光熱導(dǎo)焊的連接形式;激光功率密度;離焦量對焊接質(zhì)量的影響;脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖波形;脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖寬度。激光焊接激光深熔焊激光深熔焊的原理當(dāng)激光功率密度達到106-107W/cm2時，功率輸入遠大于熱傳導(dǎo)、對流及輻射散熱的速率，材料表面發(fā)生汽化而形成小孔（見圖7-22）。激光焊接激光深熔焊工藝參數(shù)臨界功率密度深熔焊時，功率密度必須大于某一數(shù)值，才能引起小孔效應(yīng)。這一數(shù)值稱為臨界功率密度。不同材料的臨界功率密度的大小不同，因此決定了各種材料進行激光深熔焊的難易程度。激光深熔焊的熔深激光深熔焊的熔深與激光輸出功率密度密切相關(guān)，也是功率和光斑直徑的函數(shù)。激光焊接激光焊接從開始的薄小零件或器件的焊接到目前大功率激光焊接，經(jīng)歷了近40年的發(fā)展，所涉及的材料涵蓋了幾乎所有的金屬材料，越來越廣泛地應(yīng)用在汽車、航空航天、國防工業(yè)、造船海洋工程、核電設(shè)備等領(lǐng)域。激光復(fù)合焊激光焊接05激光快速成型技術(shù)為了能對市場變化做出敏感響應(yīng)，國外于20世紀(jì)80年代末發(fā)展了一種全新的制造技術(shù)，即所謂快速成型技術(shù)（RapidPrototyping，簡稱RP）。與傳統(tǒng)的制造方法不同，這種高新制造技術(shù)采用逐漸增加材料的方法（如凝固、膠接焊接、激光燒結(jié)、聚合或其他的化學(xué)反應(yīng)）來形成所需的零件形狀，故也稱為增材制造法（MaterialInereaseManufacturing，簡稱MIM）。激光快速成型技術(shù)快速成型技術(shù)綜合了計算機、物理、化學(xué)、材料等多學(xué)科領(lǐng)域的先進成果，解決了傳統(tǒng)加工方法中的許多難題。不同于傳統(tǒng)機械加工的材料去除法和變形成型法，它一次成型復(fù)雜零件或模具，不需專用裝備和相應(yīng)工裝，堪稱為制造領(lǐng)域人類思維的一次飛躍?？焖俪尚图夹g(shù)在航天、機械電子及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，受到了廣泛的重視并迅速成為制造領(lǐng)域的研究熱點，已經(jīng)成為先進制造技術(shù)的重要組成部分。激光快速成型技術(shù)激光快速成型技術(shù)的原理及主要優(yōu)點快速成型技術(shù)的基本工作原理是離散、堆積。首