《光電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能》第2章 章激光技術(shù)

《光電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能》

電子教案電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)

2.1概述

2.2激光的產(chǎn)生和特性

2.3各種物質(zhì)類型的激光器

2.4激光的的調(diào)制

2.5激光的調(diào)Q技術(shù)

2.6激光的應用技能實訓5激光二極管伏安特性的測量

本章小結(jié)《光電技術(shù)基礎(chǔ)與技能》教學演示文稿技能實訓6激光二極管電光轉(zhuǎn)換特性的測量

電子工業(yè)出版社

第2章激光技術(shù)

激光技術(shù)是一項前沿科學技術(shù)發(fā)展不可缺少的支柱。激光器的體積日益變小，功率不斷增大，可靠性也得到了很大的提高。半導體二極管激光器和固體激光器技術(shù)的發(fā)展十分迅速，現(xiàn)今，固體激光器的平均輸出功率已從百瓦級提高到了千瓦級。半導體激光器的功率也有很大提高，其結(jié)構(gòu)和其他性能也正在經(jīng)歷重大變化。與此同時，還開發(fā)出了實用價值高的新波長和寬帶可調(diào)諧激光器，包括對人眼無傷害的1.54μm和2μm的激光器、藍光激光器和X光激光器。第2章激光技術(shù)電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.1.1

激光器的產(chǎn)生2.1.2

激光器的分類2.1概述電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.1.1激光器的產(chǎn)生

1960年一種神奇的光誕生了，它就是激光。激光的英文名稱是Laser，是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation（受激發(fā)射光放大）的縮寫。它一出現(xiàn)就創(chuàng)造了許多奇跡，真可謂“一鳴驚人”。經(jīng)過50多年的發(fā)展，激光現(xiàn)在幾乎是無處不在，它已經(jīng)被用在生活、科研的方方面面，如激光針灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光測距儀、激光陀螺儀、激光鉛直儀、激光手術(shù)刀、激光炸彈、激光雷達、激光槍、激光炮等等，在不久的將來，激光將會有更廣泛的應用。

1954年制成了第一臺微波量子放大器制作成功，獲得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.湯斯把微波量子放大器原理推廣應用到光頻范圍，并指出了產(chǎn)生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺紅寶石激光器。1961年A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導體激光器。以后，激光器的種類就越來越多。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.1.2激光器的分類

按工作介質(zhì)分，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導體激光器和染料激光器4大類。近來還發(fā)展了自由電子激光器，其工作介質(zhì)是在周期性磁場中運動的高速電子束，激光波長可覆蓋從微波到X射線的廣闊波段。大功率激光器通常都是脈沖式輸出。各種不同種類的激光器所發(fā)射的激光波長已達數(shù)千種，最長的波長為微波波段的0.7毫米，最短波長為遠紫外區(qū)的210埃，X射線波段的激光器也正在研究中。

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.2.1

激光的產(chǎn)生

2.2.2

激光器的結(jié)構(gòu)

2.2.3

激光器的工作原理

2.2.4

激光的特性

2.2激光的產(chǎn)生和特性電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.2.1激光的產(chǎn)生

3．粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和激光的形成

基本術(shù)語（1）能級（2）激發(fā)和輻射2．光與物質(zhì)的作用（1）受激吸收（2）自發(fā)輻射（3）受激輻射

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)1.基本術(shù)語原子核外電子繞核運轉(zhuǎn)，具有動量較大的電子在離核越遠的地方運動，而動量較小的則在離核較近的地方運動，原子核外電子運動的軌道是不連續(xù)的，他們可以分成好幾層，這樣的層，稱為“電子層”

（1）能級另外原子核有自轉(zhuǎn)，原子核和核外電子都具有能量，因此各狀態(tài)對應能量也是不連續(xù)的。這些能量值就是能級或能層。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)1.基本術(shù)語太陽系各行星繞太陽運轉(zhuǎn)跟電子繞原子核運轉(zhuǎn)十分相似。太陽相當于原子核，各行星相當于核外電子，行星距太陽的遠近不同能量不一樣（1）能級

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)（2）激發(fā)和輻射在通常情況下，它們處于最低能級，叫基態(tài)．當各種頻率的光照射到物體上時，原子中的電子就從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)．如果某種頻率的光子的能量恰好等于原子的兩個能級的能量差時，這一光子將被吸收，使原子從低能級躍遷到高級能，原子處于激發(fā)態(tài),當電子重新回到低能級即基態(tài)時，就向外輻射光子，輻射出來的光子決定了我們看到的物體的顏色．從低能級到高能級的這一過程稱為激發(fā)或抽運。這個吸收能量的過程，稱作光的受激吸收。從高級回到低能級去的過程稱為躍遷，躍遷時釋放的能量即輻射。激發(fā)和輻射就好比放鞭炮?；鹦谴蛟诒夼谏?，鞭炮吸收能量，從低能級到高能級，被激發(fā)，鞭炮爆炸，釋放能量即輻射出能量。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2．光與物質(zhì)的作用

（1）受激吸收受激吸收比作一個火星打到鞭炮，鞭炮吸收這個火星，而沒爆炸，沒產(chǎn)生更多的火星。（2）自發(fā)輻射自發(fā)輻射比作一個鞭炮沒有火星打到它，自己能量高炸出很多火花。（3）受激輻射受激輻射比作鞭炮被火星打到，吸收火星，鞭炮能量增大，炸出更多火花來。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2．光與物質(zhì)的作用

處于較低能級的粒子在受到外界的激發(fā)（即與其他的粒子發(fā)生了有能量交換的相互作用，如與光子發(fā)生非彈性碰撞），吸收了能量時，躍遷到與此能量相對應的較高能級。這種躍遷稱為受激吸收。

（1）受激吸收電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2．光與物質(zhì)的作用

粒子受到激發(fā)而進入的高能態(tài)，不是粒子的穩(wěn)定狀態(tài)，如存在著可以接納粒子的較低能級，即使沒有外界作用，粒子也會按照一定的概率，自發(fā)地從高能級E2向低能級E1躍遷，同時輻射出能量為E2-E1的光子，光子頻率=（E2-E1

）/h。這種輻射過程稱為自發(fā)輻射。各原子的自發(fā)輻射過程完全是隨機的，所以自發(fā)輻射光是非相干的。

（2）自發(fā)輻射

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2．光與物質(zhì)的作用

當頻率為（E2-E1

）/h的光子入射時，也會引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1

，同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個過程稱為受激輻射。

（3）受激輻射

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2．光與物質(zhì)的作用

光與物質(zhì)作用的三種方式的比較電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)3．粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和激光的形成人為地施加一定能量，使高能級E2上具有較多的粒子數(shù)分布,這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。高能級的原子就易發(fā)生受激輻射。

在一般情況下，處于低能級的原子數(shù)目遠遠超過處于高能級的原子數(shù)目。低能級E1原子數(shù)目多，高能級E2原子數(shù)目少，受激吸收占優(yōu)勢。處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的活性系統(tǒng)，可以帶動其他粒子大量反轉(zhuǎn)即產(chǎn)生“雪崩”。雪崩過程可以使光再次放大。該過程的繼續(xù)進行，必須通過一定的裝置，這種裝置就是光學共振腔。從共振腔中持續(xù)發(fā)出來的、特征完全相同的大量光子就是激光。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.2.2激光器的結(jié)構(gòu)

3．光學諧振腔1．激光工作物質(zhì)2．激勵源——

激勵(泵浦)系統(tǒng)電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)1．激光工作物質(zhì)

激光工作物質(zhì)——指用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系，有時也稱為激光增益媒質(zhì)，它們可以是固體（晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導體和液體等媒質(zhì)?，F(xiàn)有工作介質(zhì)近千種，可產(chǎn)生的激光波長包括從真空紫外道遠紅外，非常廣泛。在這種介質(zhì)中可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，對實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常有利的。

根據(jù)激光工作物質(zhì)對激光工作物質(zhì)的主要要求，是盡可能在其工作粒子的特定能級間實現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并使這種反轉(zhuǎn)在整個激光發(fā)射作用過程中盡可能有效地保持下去,為此，要求工作物質(zhì)具有合適的能級結(jié)構(gòu)和躍遷特性。

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2．激勵源——

激勵(泵浦)系統(tǒng)激勵(泵浦)系統(tǒng)是指為使激光工作物質(zhì)實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而提供能量來源的機構(gòu)或裝置。為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)增加。激勵的方法很多如電激勵、光激勵、核能激勵、熱激勵、化學激勵等。

一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵。也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)3．光學諧振腔有了合適的工作物質(zhì)和激勵源后，可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強度很弱，無法實際應用,于是人們就想到了用光學諧振腔進行放大。所謂光學諧振腔，實際是在激光器兩端，面對面裝上兩塊反射率很高的反射鏡。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射，少量透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)光學諧振腔光子放大產(chǎn)生激光過程在光學共振腔中的活性物質(zhì)，受到外加能量的激勵而產(chǎn)生的光子可以射向各個方向，但其中傳播方向與反射鏡垂直者，則在介質(zhì)中來回反射振蕩。在反射振蕩的過程中，引發(fā)介質(zhì)中其他活性物質(zhì)受激輻射，因此這種輻射的強度越來越大。由于受激輻射反復振蕩產(chǎn)生的大量光子都具有相同的特征和一致的傳播方向，因此決定了激光具有良好的單色性和準直的定向性。光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應，雪崩似的獲得放大，輻射強度借以得到極度的增大，因此又保證了激光的高亮度。產(chǎn)生強烈的激光，從部分反射鏡子一端輸出。

光學諧振腔的作用為：①提供光學正反饋，實現(xiàn)光放大，即加強輸出激光的亮度。②對光的頻率有選擇性（方向性和單色性）。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)激光二極管

在發(fā)光二極管的結(jié)間安置一層具有光活性的半導體，光活性的半導體就是工作介質(zhì)。其端面經(jīng)過拋光后具有部分反射功能，因而形成一光諧振腔。在正向偏置（激勵源）的情況下，LED結(jié)發(fā)射出光來并與光諧振腔相互作用，從而進一步激勵從結(jié)上發(fā)射出單波長的光，這種光的物理性質(zhì)與材料有關(guān)。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)

激光物質(zhì)吸收能量實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)N2＞N1

，受激輻射躍遷占優(yōu)勢,自發(fā)輻射的光子又射向工作物質(zhì)，再激發(fā)工作物質(zhì)產(chǎn)生很多新光子（受激輻射）。光子在傳播中一部分射到反射鏡上，另一部分則通過側(cè)面的透明物質(zhì)跑掉。光在反射鏡的作用下又回到工作物質(zhì)中，再激發(fā)高能級上的粒子向低能級躍遷，而產(chǎn)生新的光子。光子經(jīng)過諧振腔中的兩個反射鏡多次反射，使受激輻射的強度越來越強。促使高能級上的粒子不斷地發(fā)出光來。如果光放大到超過光損耗時（衍射、吸收、散射等損失）產(chǎn)生光的振蕩，使積累在沿軸方向的光從部分反射鏡中射出這就形成激光。2.2.3激光器的工作原理

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)激光的產(chǎn)生可類比為一串鞭炮有一個火星打到一個鞭炮上面炸出很多火花，這些火花又作用其他鞭炮炸出更多火花，造成十分壯觀的效果。一個光子打到反轉(zhuǎn)粒子產(chǎn)生兩個光子，這兩個光子通過反射鏡打到另外的反轉(zhuǎn)粒子產(chǎn)生四個光子，這種不斷積累，產(chǎn)生非常多的光子從部分反射鏡射出，這就是激光。

2.2.3激光器的工作原理

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.2.4激光的特性

3．顏色極純—高單色性1．定向發(fā)光—高方向性

2．亮度極高—高亮度4．能量密度極大5.高相干性，容易疊加和分離電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)激光有五大特性即高方向性（定向發(fā)光）、高單色性（顏色純）、高亮度、高密度、高相干性。

2.2.4激光的特性

激光燈表現(xiàn)出三種激光特性用激光的高密度和高相干性打孔電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)1．定向發(fā)光—高方向性老師用來指圖像的激光教桿筆發(fā)出的激光就是指向一個方向。

激光驗鈔機之所以能分辨出假鈔與真鈔極細微的差別就是因為分的高方向性

激光教桿筆激光驗鈔機電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2．亮度極高—高亮度激光燈效果激光光束的能高度集中并帶有很高的能量，所以表現(xiàn)出高亮度。有機半導體薄膜激光二極管產(chǎn)生的激光有極高的亮度和效率，激光燈就是二極管激光器，看看圖片有多亮，很遠很遠都能看到。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)3．顏色極純—高單色性太陽光的波長分布范圍約在0.76微米至0.4微米之間，對應的顏色從紅色到紫色共7種顏色，所以太陽光談不上單色性。

激光器的單色性遠遠超過任何一種單色光源。圖中是多個激光器形成的色彩景觀，每一束激光的顏色都很純，這樣畫面才如此美麗。

太陽光由七色光組成激光形成的景觀電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)4．能量密度極大1.激光做手術(shù)因為激光照射的面積極小。周邊機體不受任何傷害，而手術(shù)的組織瞬間就被切除。

2.人眼不可直視二極管激光器，就是因為激光的能量密度極大會灼傷眼睛。3.計算機光盤刻錄機，使用激光器發(fā)出的激光在光盤上運動，使光盤上出現(xiàn)記錄信息的凹坑，這么硬的光盤能刻出凹坑，足以說明激光的能量密度極大。4.激光武器其殺傷力比常規(guī)武器強很多。

激光雖然能量不大，但有極大的能量密度，這是因為大量光子集中在一個極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度自然極高。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)5.高相干性，容易疊加和分離激光器是激光掃描系統(tǒng)的光源，具有方向性好、單色性強、相干性高及能量集中、便于調(diào)制和偏轉(zhuǎn)的特點.從激光的產(chǎn)生可以看出，一條激光束只包括一種主要波長的光線，它是單色的。每一條光線都沿一個方向傳播，以相互疊加的方式結(jié)合，我們稱之為"相干性"。這個特性使激光以一條極細的光束射到一個靶上，而幾乎沒有散射。

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.3.1

固體激光器2.3.2

氣體激光器2.3.3

液體激光器2.3.4

半導體激光器2.3

各種物質(zhì)類型的激光器電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.3各種物質(zhì)類型的激光器激勵是工作介質(zhì)吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級是使受激輻射占主導地位，從而實現(xiàn)光放大。諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率、相位和運行方向，從而使激光具有良好的定向性和相干性。

工作物質(zhì)有固體、液體、氣體、半導體等。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.3.1固體激光器

2．特點1．工作原理

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)1．工作原理當激光工作物質(zhì)受到光泵(激勵脈沖氙燈)的激發(fā)后，吸收具有特定波長的光，在一定條件下可導致工作物質(zhì)中的亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)大于低能級粒子數(shù)，這種現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。一旦有少量激發(fā)粒子產(chǎn)生受激輻射躍遷，就會產(chǎn)生更多光子，即造成光放大，再通過諧振腔內(nèi)的全反射鏡和部分反射鏡的反饋作用產(chǎn)生振蕩，最后由諧振腔的一端輸出激光。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)1．工作原理紅寶石激光器的工作物質(zhì)是一根紅寶石棒。紅寶石是摻入少許3價鉻離子的三氧化二鋁晶體。實際是摻入質(zhì)量比約為0.05%的氧化鉻。由于鉻離子吸收白光中的綠光和藍光，所以寶石呈粉紅色。上面的閃光燈作為提供能源的泵浦（光泵）。兩端面是一對平行平面鏡，一端鍍上全反射膜，一端有10%的透射率，可讓激光透出。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2．特點器件小、堅固、使用方便、輸出功率大(連續(xù)100W以上,脈沖峰值則更高)。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.3.2氣體激光器

2．氣體激光器的特點1．氣體激光器的工作原理

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)氣體激光器的工作原理氣體激光器的工作原理同常見的霓虹燈及日光燈大致相仿，霓虹燈管是最普通的放電管,它那鮮艷的紅光是管中氖原子受到電子碰撞激發(fā)后所發(fā)射的。日常用的日光燈,實際上是汞蒸汽的輝光放電管。He—Ne激光器、CO2激光器等也都是輝光放電。

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)氣體激光器的工作原理

由電源電路提供高壓脈沖，加到光腔上的四個圓環(huán)電極，它產(chǎn)生的電子與光腔內(nèi)的He—Ne、CO2氣體粒子碰撞，引起激勵和電離，激勵原子或離子在和氣體粒子碰撞過程中，傳遞了能量，大量激活粒子躍遷至上能級，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)氣體激光器的工作原理氦氖激光器，工作物質(zhì)是氦原子和氖原子氣體，氖原子能級間的躍遷產(chǎn)生激光譜線，氦原子起能量轉(zhuǎn)移作用，這是最早研究成功的氣體激光器。醫(yī)學中常將此種激光器用做“光針”和照射治療的工具，對潰瘍的治療有較好的療效。

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2．氣體激光器的特點氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、操作方便；工作介質(zhì)均勻、光束質(zhì)量好，能長時間穩(wěn)定連續(xù)工作等特點也是目前品種最多、應用廣泛的一類激光器，占有市場的60％左右。

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.3.3液體激光器

2.特點

1．簡介

液體激光器也稱染料激光器，因為這類激光器的激活物質(zhì)是某些有機染料溶解在乙醇、甲醇或水等液體中形成的溶液。為了激發(fā)它們發(fā)射出激光，一般采用高速閃光燈作激光源，或者由其他激光器發(fā)出很短的光脈沖。液體激光器輸出波長連續(xù)可調(diào)，覆蓋面寬，但工作原理比較復雜。常用的是染料激光器，采用有機染料為工作物質(zhì)，利用不同的染料可以獲得不同波長的激光（在可見光范圍內(nèi)），一般用激光作泵浦源，如氬離子激光器等。

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.3.4半導體激光器

2.半導體激光器的特點1.激光二極管結(jié)構(gòu)和原理3.半導體激光器的應用實例電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)1.激光二極管結(jié)構(gòu)和原理激光二極管的物理結(jié)構(gòu)是在發(fā)光二極管的結(jié)間安置一層具有光活性的半導體，其端面經(jīng)過拋光后具有部分反射功能，因而形成一光諧振腔。在正向偏置的情況下，LED結(jié)發(fā)射出光來并與光諧振腔相互作用，從而進一步激勵從結(jié)上發(fā)射出單波長的光，這種光的物理性質(zhì)與材料有關(guān)，常用的材料有砷化鉀激光器，發(fā)射840nm的激光，另有摻鋁的砷化鉀、砷化鋅等。激勵方式有光泵浦、電激勵等。

2.半導體激光器的特點半導體激光器特點是體積小、質(zhì)量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單而且堅固等，波長范圍可以從紅外到藍光，功率從毫瓦量級到瓦級都有，光光轉(zhuǎn)換效率較高。

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)3.半導體激光器的應用實例

二極管泵浦激光器制成的電子器件激光打標機，可雕刻金屬及多種非金屬材料，(b)和(c)圖是激光打標機打標的樣品,這種更適合應用于一些要求更精細、精度更高的場合。

圖2－27激光手電筒圖2－28二極管激光器經(jīng)緯儀（a）激光打標機（b）激光打標產(chǎn)品圖1（c）激光打標產(chǎn)品2電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)3.半導體激光器的應用實例

激光手電筒也是二極管激光器，光色純，亮度高

激光手電筒

二極管激光器經(jīng)緯儀電子經(jīng)緯儀內(nèi)裝波長為633mm的二極管激光器電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)（3）激光鼠標與光電鼠標激光鼠標原理跟光電鼠標差不多，只是把發(fā)光二極管換成了激光二極管來照射鼠標所移動的表面，激光光線具有一致的特性，當光線從表面反射時可產(chǎn)生高反差圖形，出現(xiàn)在傳感器上的圖形會顯示物體表面上的細節(jié)，即使是光滑表面;反之，若以不一致的LED作為光源，則這類表面看起來會完全一樣。激光鼠標的精確度要比傳統(tǒng)光學鼠標平均高20倍。

光電鼠標的工作原理是在光電鼠標內(nèi)部有一個發(fā)光二極管，通過該發(fā)光二極管發(fā)出的光線，照亮光電鼠標底部表面（這就是為什么鼠標底部總會發(fā)光的原因）。然后將光電鼠標底部表面反射回的一部分光線，經(jīng)過一組光學透鏡，傳輸?shù)揭粋€光感應器件（微成像器）內(nèi)成像。這樣，當光電鼠標移動時，其移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。最后利用光電鼠標內(nèi)部的一塊專用圖像分析芯片（DSP，即數(shù)字微處理器）對移動軌跡上攝取的一系列圖像進行分析處理，通過對這些圖像上特征點位置的變化進行分析，來判斷鼠標的移動方向和移動距離，從而完成光標的定位。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.4.1

激光調(diào)制種類2.4.2

激光調(diào)制方式2.4.3

激光的調(diào)制的應用實例2．4激光調(diào)制電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)

激光調(diào)制的概述1.要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號加到激光輻射上去的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制。把完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器。2.由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調(diào)。3.因為激光實際上只起到了“攜帶”低頻信號的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號是我們所需要傳遞的信息，稱為調(diào)制信號，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光。4.把激光調(diào)制比作人坐車的話，人相當于低頻信號即調(diào)制信號，激光相當于車，人在車上相當于已調(diào)波，人下車相當于解調(diào)。5.按調(diào)制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.4.1激光調(diào)制種類

2．調(diào)相、調(diào)頻

1．調(diào)幅

3．脈沖調(diào)制電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)1．調(diào)幅調(diào)幅就是使光載波的幅度，隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而改變。

激光作載波調(diào)制信號已調(diào)幅波電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2．調(diào)相、調(diào)頻調(diào)頻或調(diào)相就是使光載波的頻率或相位，隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而改變。因為這兩種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相角的變化統(tǒng)稱為角度調(diào)制，這兩種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相角的變化統(tǒng)稱為角度調(diào)制

調(diào)制信號已調(diào)相波已調(diào)頻波電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)3．脈沖調(diào)制這種調(diào)制是把模擬信號先變換成電脈沖序列，進而變成代表信號訊信息的二進制編碼（PCM數(shù)字信號），再對光載波進行強度調(diào)制來傳送信息的。要實現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制，需要經(jīng)過三個過程：抽樣、量化和編碼。

調(diào)制信號電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.4.2激光調(diào)制方式

2．電聲換能器晶片物理特性

1．聲光效應

3．聲光調(diào)制器

對光的調(diào)制方式有多種多樣，常見的有：聲光調(diào)制、電光調(diào)制、直接調(diào)制和磁光調(diào)制。但它們共同的特點是通過改變介質(zhì)的光學性質(zhì)來實現(xiàn)對光波的調(diào)制。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)1．聲光效應介質(zhì)中存在彈性應力或應變時，介質(zhì)的光學性質(zhì)（折射率）將發(fā)生變化。當超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于超聲波是一種彈性波，它將引起介質(zhì)的疏密交替變化而導致介質(zhì)的折射率發(fā)生改變，當光波通過此介質(zhì)時，其傳輸特性就受到影響而改變，這種現(xiàn)象稱為聲光效應。聲光效應已被廣泛用來實現(xiàn)對光波（相位、頻率和幅度）的控制，并做成各種聲光調(diào)制器、光偏轉(zhuǎn)器等。

換能器一般采用石英晶片，在石英片上加一交變電場，當電場的頻率等于晶片的固有機械振動頻率時，彈性振動的幅值達到最大值

2．電聲換能器晶片物理特性電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)3．聲光調(diào)制器（1）聲光調(diào)制器組成是由聲光介質(zhì)、電聲換能器及驅(qū)動電信號等組成。如圖2－33所示。

(2)聲光調(diào)制原理是利用聲光效應將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調(diào)制信號是以電信號（調(diào)幅）形式作用于電聲換能器上形成變化的超聲場，當光波通過聲光介質(zhì)時，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”訊息的強度調(diào)制波。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.4.3激光的調(diào)制的應用實例

1.激光打印機的基本組成2.激光打印機的工作原理激光打印機以其打印速度快，打印品質(zhì)高、性能卓越、操作簡單的優(yōu)點，在人們的日常工作中越來越受到青睞。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)激光打印機由激光掃描裝置、八角棱鏡、硒鼓、帶電電極、墨粉涂層輥、清潔器等六部分組成。激光打印機的基本組成電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.激光打印機的工作原理

（1）通常激光打印機的工作過程分為六步電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.激光打印機的工作原理

（2）激光掃描裝置激光掃描裝置包括激光器，光調(diào)制器，高頻驅(qū)動，掃描器，同步器和光偏轉(zhuǎn)器。作用是將接口電路送進來的二進制點陣信息調(diào)制在激光束上，然后掃描到感光體上。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.激光打印機的激光掃描裝置

激光器是激光掃描系統(tǒng)的光源，它具有方向性好，單色性強，相干性高和能量集中，便于調(diào)制和偏轉(zhuǎn)的優(yōu)點。（a）激光器（b）聲光偏轉(zhuǎn)調(diào)制器激光束入射到超聲媒質(zhì)中，激光束就會產(chǎn)生衍射，聲光調(diào)制器在改變光束的傳播時還使原激光和衍射光的強度隨調(diào)制信號而變化

要使經(jīng)調(diào)制后的激光光束在感光硒鼓上產(chǎn)生文字和圖像，需要完成橫向（沿打印紙行的方向）和縱向兩個方向的運動?？v向運動可以依靠硒鼓的旋轉(zhuǎn)來完成，光束的橫向運動則是由掃描器來完成的。（c）掃描器

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)激光打印機的激光掃描過程由激光器發(fā)射出的激光束，經(jīng)反射鏡射入聲光偏轉(zhuǎn)調(diào)制器，同時，由計算機送來的二進制圖文點陣信息由接口送到字形發(fā)生器，形成需要的字形的二進制脈沖信息。由同步器產(chǎn)生的同步信號控制９個高頻振蕩器，再經(jīng)頻率合成器和功率放大器加到聲光調(diào)制器上，對由反射鏡射入的激光束進行調(diào)制，調(diào)制后的光束射入多面轉(zhuǎn)鏡，再通過廣角聚焦鏡將光束聚焦后射到光導鼓表面上，使角速度掃描變成線速度掃描，從而完成整個掃描過程。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.5.1

激光的調(diào)Q技術(shù)的定義2.5.2

激光調(diào)Q技術(shù)應用實例2.5激光的調(diào)Q技術(shù)調(diào)Q技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，是激光技術(shù)及應用的一個重大進展。它將激光全部能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射。從而使光源的峰值功率提高幾個數(shù)量級的一種技術(shù)，同時也推動了諸如激光測距、激光雷達、高速全息照相等應用技術(shù)的發(fā)展。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.5.1激光的調(diào)Q技術(shù)的定義

2.調(diào)Q的過程1.品質(zhì)因數(shù)Q

Q它定義為腔內(nèi)存儲的能量與每秒中損耗的能量之比，Q值越高，越容易產(chǎn)生激光振蕩。調(diào)Q就是調(diào)節(jié)諧振腔的損耗率。激光振蕩需要足夠的增益，當損耗過大時，增益不夠，激光停止振蕩。所以，調(diào)Q能控制激光的振蕩。Q它定義為腔內(nèi)存儲的能量與每秒中損耗的能量之比，Q值越高，越容易產(chǎn)生激光振蕩。調(diào)Q就是調(diào)節(jié)諧振腔的損耗率。激光振蕩需要足夠的增益，當損耗過大時，增益不夠，激光停止振蕩。所以，調(diào)Q能控制激光的振蕩。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.5.2激光調(diào)Q技術(shù)應用實例

1.轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技術(shù)的示意圖2.轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q的工作原理3.轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q的關(guān)鍵

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)1.轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技術(shù)的示意圖它是把脈沖激光器諧振腔的全反射鏡子用一直角棱鏡取代，該棱鏡安裝在一個高速旋轉(zhuǎn)馬達的轉(zhuǎn)子上，由于它繞垂直于腔的軸線作周而復始的旋轉(zhuǎn)，因此，構(gòu)成一個Q的值作周期變化的諧振腔。

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q的工作原理當泵浦氙燈點燃后，由于棱鏡面與腔軸不垂直，反射損耗很大，此時腔的Q值很低，所以不能形成激光振蕩。在一時間段內(nèi)，工作物質(zhì)在光泵的激勵下，激光上升能級翻轉(zhuǎn)粒子數(shù)最大積累，同時棱鏡面也逐漸轉(zhuǎn)到接近與腔垂直的位置，腔的Q至逐漸升高，到一定時刻就形成激光震蕩，并輸出脈沖。

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)3.轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q的關(guān)鍵要使用轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q激光器獲得穩(wěn)定的最大輸出，一個很關(guān)鍵的問題，就是準確地控制延遲時間。即是要求在疝氣燈點燃之后需要經(jīng)過一定的延遲時間以保證反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到極大值（飽和值），此時恰好等于棱鏡轉(zhuǎn)到成空腔位置（兩反射鏡相平行位置）所需要的時間，使之形成激光震蕩，才能獲得最大激光功率輸出。因此，過早或過遲地產(chǎn)生激光震蕩都是不理想的。從實驗中存在一個最佳的延遲時間。

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.6.1

激光在加工業(yè)上的應用2.6.2

激光全息技術(shù)2.6.3CD、VCD、DVD機的激光頭2.6.4

激光在軍事上應用2.6.5

激光醫(yī)學2．6激光的應用由于激光具有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等特點而得到廣泛應用，如激光測距、激光鉆孔和切割、地震監(jiān)測、激光手術(shù)等。激光通信使我們在地球每個角落都能進行信息交流，激光唱盤可以使我們親耳聆聽世界名曲現(xiàn)場演奏。

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.6.1激光在加工業(yè)上的應用

激光加工是無接觸加工，對工件無直接沖擊，因此無機械變形，無沖擊噪聲；激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件；激光加工過程中激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非激光照射部位沒有或影響極小。因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工最少。由于激光束易于導向、聚焦、實現(xiàn)方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合對復雜工件進行加工。因此激光加工是一種極為靈活便捷的加工方法，生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟效益和社會效益好。

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)1．激光切割

2．激光打孔

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)3．激光焊接技術(shù)

激光焊接示意圖激光焊接汽車車身4．激光淬火技術(shù)具有加熱速度快、淬火硬度高、淬火部位可控、不需淬火介質(zhì)等優(yōu)點。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.6.2激光全息技術(shù)

2．全息圖的特點

1.激光全息照相的基本原理

在普通攝影中,照相機拍攝的景物，只記錄了景物的反射光的強弱，也就是反射光的振幅信息，而不能記錄景物的立體信息。而全息攝影技術(shù)，能夠記錄景物反射光的振幅和相位。在全息影像拍攝時，記錄下光波本身以及二束光相對的位相，是立體的影像。3．全息技術(shù)的應用全息照相一種利用波的干涉記錄被攝物體反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技術(shù)。先攝制全息圖的感光片，再將感光片顯影，最后用光照射感光片顯示物體的圖像。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)1.激光全息照相的基本原理

（1）攝制全息圖的感光片激光光束分成兩束，一束照在反光鏡上，一束照在被攝物體上，反光鏡的反射（光一束參考光）和被攝物的反射光都照在感光片，兩束光在感光片上疊加產(chǎn)生干涉，感光底片上各點的感光程度不僅隨強度也隨兩束光的位相關(guān)系而不同。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強度，也記錄了位相信息，位相是由實物與參考光線之間位置差異造成的。感光片顯影后成為全息圖。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)（2）攝制全息感光片條件

（3）全息圖再現(xiàn)立體圖全息圖并不直接顯示物體的圖象，用一束激光照射全息圖，這束激光的頻率和傳輸方向應該與參考光束完全一樣，于是就可以再現(xiàn)物體的立體圖象。人從不同角度看，可看到物體不同的側(cè)面,就好像看到真實的物體一樣，只是摸不到真實的物體。這是因為激光束在全息圖的干涉條紋上衍射而重現(xiàn)原物的光波。為了滿足產(chǎn)生光的干涉條件，通常要用相干性好的激光作光源，而且光和照射物體的光是從同一束激光分離出來的。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2．全息圖的特點

（1）全息圖的一小部分就可再現(xiàn)整個物體在攝制全息圖時感光片上，每一點都接收到整個物體反射的光，因此，全息圖的一小部分就可再現(xiàn)整個物體。（2）白光再現(xiàn)物體的照片用感光乳膠厚度等于幾個光波波長的感光片，可在乳膠內(nèi)形成干涉層，制成的全息圖可用白光再現(xiàn)。（3）立體感和色彩豐富如果用紅、綠和藍三種顏色的激光分別對同一物體用厚乳膠感光片上攝制全息照片，經(jīng)適當?shù)娘@影處理后，可得到能在白光（太陽光或燈光）下觀察的有立體感和豐富色彩的彩色全息圖。電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)3．全息技術(shù)的應用

全息照相在觀賞、防偽、印刷、包裝、信號記錄、形變計量、計算機存儲、生物學和醫(yī)學研究、軍事技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應用。另外紅外、微波和超聲全息技術(shù)，全息電影和全息電視也有很重要的應用。

激光防偽標簽電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2.6.3CD、VCD、DVD機的激光頭

2．激光頭工作原理1．激光頭的基本組成CD、VCD、DVD光盤上有凹坑，凹坑代表光盤存儲的信息，DVD-ROM的凹坑小，CD-ROM的凹坑大電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)1．激光頭的基本組成一部分為物鏡機構(gòu)，俗稱光學頭；另一部分是將其余各鏡片、激光發(fā)射二極管和光敏接收器安裝在同一個腔體內(nèi)，俗稱激光槍。光學頭安裝在激光槍上面，通過螺釘聯(lián)成一個整體，構(gòu)成激光頭組件。激光頭由激光產(chǎn)生（發(fā)射）系統(tǒng)、激光傳播系統(tǒng)（光路或激光槍）和光接收系統(tǒng)等部分構(gòu)成電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)光驅(qū)的激光組件各種光驅(qū)最重要也是最脆弱的部件，主要種類有單光束激光頭、三(多)光束激光頭、全息激光頭等幾類。它實際是一個整體，普通單光束激光頭主要由半導體激光器、半透棱鏡/準直透鏡、檢光發(fā)生器和聚透鏡等零部件構(gòu)成。

電子工業(yè)出版社第2章激光技術(shù)2．激光頭工作原理激光頭工作時，首先半導體激光二級管發(fā)射出單一波長、相位一致的激光，經(jīng)過不同作用的由物鏡、準直透鏡、1/4波長片、分光棱鏡和圓柱透鏡組成的光學鏡片構(gòu)成的光路系統(tǒng)，將激光二級管發(fā)射出的激光入射到光盤上面。光盤是以沿螺旋形軌跡排列的不同長度的橢圓坑槽和間隔來表示信息（圖像和聲音）內(nèi)容的。光盤上刻錄的橢圓形坑，呈螺旋狀排列。當激光束投射到旋轉(zhuǎn)光盤的無坑部分時，激光被垂直地全部反射回物鏡；當