《激光原理》課件-2024鮮版

《激光原理》課件12024/3/27目錄contents激光基本原理與特性固體激光器氣體激光器液體激光器與光纖激光器半導(dǎo)體激光器與量子級(jí)聯(lián)激光器調(diào)Q技術(shù)與非線性光學(xué)效應(yīng)在激光技術(shù)中應(yīng)用激光束傳輸、變換和聚焦元件22024/3/2701激光基本原理與特性32024/3/27原子或分子在外部能量作用下，從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，同時(shí)發(fā)射出與激發(fā)光相同性質(zhì)的光子。受激輻射粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光學(xué)諧振腔通過(guò)泵浦等方式，使得高能級(jí)上的粒子數(shù)多于低能級(jí)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。提供正反饋機(jī)制，使得受激輻射的光在腔內(nèi)多次反射、放大，最終形成強(qiáng)光束輸出。030201激光產(chǎn)生機(jī)制42024/3/27單色性方向性相干性高亮度激光束特性及參數(shù)01020304激光具有極窄的光譜線寬，顏色純凈。激光束發(fā)散角極小，幾乎沿直線傳播。激光光波之間具有固定的相位關(guān)系，能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。激光具有高能量密度和高亮度的特點(diǎn)。52024/3/27半導(dǎo)體激光器利用半導(dǎo)體材料中的電子空穴對(duì)復(fù)合時(shí)釋放出能量來(lái)產(chǎn)生激光。具有體積小、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光纖通信、激光雷達(dá)等領(lǐng)域。固體激光器利用固體激光材料作為工作物質(zhì)，通過(guò)泵浦實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生激光。例如紅寶石激光器、Nd:YAG激光器等。氣體激光器利用氣體作為工作物質(zhì)，在電場(chǎng)或光泵作用下實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生激光。如氦氖激光器、二氧化碳激光器等。液體激光器利用某些有機(jī)染料溶液作為工作物質(zhì)，在泵浦光作用下實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生激光。如染料激光器等。激光器分類與工作原理62024/3/2702固體激光器72024/3/27結(jié)構(gòu)組成固體激光器主要由工作物質(zhì)、泵浦源、光學(xué)諧振腔等部分組成。其中，工作物質(zhì)多為晶體或玻璃，泵浦源用于提供能量，光學(xué)諧振腔用于選模和放大。工作原理泵浦源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)工作物質(zhì)，被其吸收并轉(zhuǎn)化為激光。在光學(xué)諧振腔內(nèi)，激光經(jīng)過(guò)多次反射和放大，最終形成穩(wěn)定的激光輸出。固體激光器結(jié)構(gòu)及工作原理82024/3/27固體激光器具有體積小、重量輕、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，其輸出波長(zhǎng)范圍寬，可調(diào)諧性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)輸出。性能特點(diǎn)固體激光器在科研、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。如用于材料加工、切割、焊接等工業(yè)應(yīng)用；用于光譜分析、非線性光學(xué)等科研領(lǐng)域；以及用于眼科手術(shù)、皮膚美容等醫(yī)療領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域固體激光器性能特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域92024/3/27Nd01YAG激光器：以釹摻雜的釔鋁石榴石（Nd:YAG）為工作物質(zhì)，具有高效率、高功率、良好光束質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、醫(yī)療等領(lǐng)域。Ti02Sapphire激光器：以鈦摻雜的藍(lán)寶石（Ti:Sapphire）為工作物質(zhì)，具有寬調(diào)諧范圍、高脈沖能量等優(yōu)點(diǎn)。主要用于科研領(lǐng)域，如超快光學(xué)、非線性光學(xué)等。光纖激光器03以光纖為工作物質(zhì)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、散熱性能好、光束質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。適用于工業(yè)加工、通信等領(lǐng)域。典型固體激光器介紹102024/3/2703氣體激光器112024/3/27氣體激光器主要由放電管、激勵(lì)電源、諧振腔和冷卻系統(tǒng)等部分組成。放電管中填充有特定的工作氣體，如CO2、He-Ne等。結(jié)構(gòu)組成氣體激光器的工作原理基于氣體放電產(chǎn)生的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)放電管中的工作氣體受到電場(chǎng)激勵(lì)時(shí)，氣體分子或原子被激發(fā)到高能級(jí)，然后通過(guò)自發(fā)輻射或受激輻射躍遷到低能級(jí)，釋放出光子。這些光子在諧振腔中來(lái)回反射，不斷激發(fā)更多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)光放大和激光輸出。工作原理氣體激光器結(jié)構(gòu)及工作原理122024/3/27性能特點(diǎn)氣體激光器具有輸出功率大、光束質(zhì)量好、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，它們還具有較寬的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍和較高的重復(fù)頻率。應(yīng)用領(lǐng)域氣體激光器在科研、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如，CO2激光器可用于切割、焊接和打孔等工業(yè)加工過(guò)程；He-Ne激光器則常用于精密測(cè)量和光學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。氣體激光器性能特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域132024/3/27CO2激光器CO2激光器是氣體激光器中最為常見(jiàn)的一種，其工作物質(zhì)為CO2、N2和He的混合氣體。CO2激光器具有輸出功率大、效率高、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工領(lǐng)域。He-Ne激光器He-Ne激光器以氦氣和氖氣為工作物質(zhì)，其輸出波長(zhǎng)為632.8nm的紅色激光。He-Ne激光器具有穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，常用于精密測(cè)量和光學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器以稀有氣體鹵化物為工作物質(zhì)，其輸出波長(zhǎng)在紫外波段。準(zhǔn)分子激光器具有脈沖能量大、重復(fù)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于科研和醫(yī)療等領(lǐng)域。典型氣體激光器介紹142024/3/2704液體激光器與光纖激光器152024/3/27液體激光器主要由激光工作物質(zhì)（如染料溶液）、泵浦源、光學(xué)諧振腔等部分組成。結(jié)構(gòu)組成泵浦源提供能量，使激光工作物質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，在光學(xué)諧振腔的作用下，產(chǎn)生受激輻射，輸出激光。工作原理液體激光器結(jié)構(gòu)及工作原理162024/3/27光纖激光器主要由增益介質(zhì)（如摻鉺光纖）、泵浦源、光纖光柵等部分組成。泵浦光通過(guò)光纖光柵耦合進(jìn)入增益介質(zhì)，使增益介質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，在光纖光柵的反射作用下，形成激光振蕩，輸出激光。光纖激光器結(jié)構(gòu)及工作原理工作原理結(jié)構(gòu)組成172024/3/27優(yōu)點(diǎn)波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍寬、光束質(zhì)量好、轉(zhuǎn)換效率高。缺點(diǎn)穩(wěn)定性差、壽命短、維護(hù)成本高。液體與光纖激光器性能特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域182024/3/27液體與光纖激光器性能特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、光束質(zhì)量好。缺點(diǎn)波長(zhǎng)調(diào)諧范圍有限、轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低。192024/3/27VS主要應(yīng)用于科研、光譜分析、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。光纖激光器主要應(yīng)用于工業(yè)加工、通信、醫(yī)療等領(lǐng)域。液體激光器液體與光纖激光器性能特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域202024/3/2705半導(dǎo)體激光器與量子級(jí)聯(lián)激光器212024/3/27半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)及工作原理半導(dǎo)體激光器主要由P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體以及它們之間的有源層構(gòu)成。P型和N型半導(dǎo)體之間形成PN結(jié)，是激光器的核心部分。結(jié)構(gòu)當(dāng)外加正向電壓時(shí)，電子從N型半導(dǎo)體注入到P型半導(dǎo)體，空穴從P型半導(dǎo)體注入到N型半導(dǎo)體。在有源層內(nèi)，電子與空穴復(fù)合并釋放出能量，產(chǎn)生光子。光子經(jīng)過(guò)反射鏡的反射，在激光器內(nèi)形成光放大，最終產(chǎn)生激光輸出。工作原理222024/3/27量子級(jí)聯(lián)激光器由多個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)串聯(lián)而成。每個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)類似于單個(gè)半導(dǎo)體激光器，但尺寸更小。量子級(jí)聯(lián)激光器利用量子阱結(jié)構(gòu)中的量子限制效應(yīng)，使得電子和空穴在量子阱內(nèi)復(fù)合并釋放出能量。通過(guò)串聯(lián)多個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)更高的光增益和更低的閾值電流，從而提高激光器的性能。結(jié)構(gòu)工作原理量子級(jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)及工作原理232024/3/27半導(dǎo)體激光器性能特點(diǎn)體積小、重量輕、效率高、壽命長(zhǎng)、可直接調(diào)制等。量子級(jí)聯(lián)激光器性能特點(diǎn)低閾值電流、高光增益、寬波長(zhǎng)調(diào)諧范圍、高輸出功率等。應(yīng)用領(lǐng)域光纖通信、光存儲(chǔ)、光顯示、激光雷達(dá)、醫(yī)療診斷與治療、科研與軍事等。其中，光纖通信是半導(dǎo)體激光器和量子級(jí)聯(lián)激光器最主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。在光纖通信中，它們被用作光源，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸。半導(dǎo)體和量子級(jí)聯(lián)激光器性能特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域242024/3/2706調(diào)Q技術(shù)與非線性光學(xué)效應(yīng)在激光技術(shù)中應(yīng)用252024/3/27調(diào)Q技術(shù)原理調(diào)Q技術(shù)是通過(guò)改變激光器的Q值（品質(zhì)因數(shù)）來(lái)控制激光輸出的方法。在泵浦初期，降低激光器的Q值，使得激光器內(nèi)部的光子無(wú)法形成有效的激光振蕩，從而在上能級(jí)積累大量的粒子數(shù)。當(dāng)Q值突然增加時(shí)，激光器內(nèi)的光子迅速形成激光振蕩，產(chǎn)生高峰值功率的激光脈沖。1.電光調(diào)Q利用電光晶體的雙折射效應(yīng)，通過(guò)外加電場(chǎng)改變晶體的折射率，從而改變激光器的Q值。2.聲光調(diào)Q利用聲光效應(yīng)，通過(guò)外加聲波改變激光器的Q值。聲波使得激光器內(nèi)的折射率發(fā)生周期性變化，從而影響激光振蕩。3.機(jī)械調(diào)Q通過(guò)機(jī)械方式改變激光器的Q值，如旋轉(zhuǎn)反射鏡或移動(dòng)反射鏡等。調(diào)Q技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)方法262024/3/27

非線性光學(xué)效應(yīng)在激光技術(shù)中應(yīng)用頻率轉(zhuǎn)換利用非線性光學(xué)效應(yīng)，如二次諧波產(chǎn)生（SHG）和光參量振蕩（OPO），可以實(shí)現(xiàn)激光頻率的轉(zhuǎn)換，從而獲得不同波長(zhǎng)的激光輸出。光束整形通過(guò)非線性光學(xué)過(guò)程，可以對(duì)激光光束進(jìn)行整形，如光束聚焦、光束分裂和光束合成等。光開(kāi)關(guān)和光限幅利用非線性光學(xué)材料的特性，可以制作光開(kāi)關(guān)和光限幅器，用于控制激光的傳輸和輸出。272024/3/27鎖模技術(shù)利用鎖模技術(shù)可以產(chǎn)生超短脈沖激光。該技術(shù)通過(guò)引入一個(gè)調(diào)制器，使得激光器內(nèi)不同縱模之間的相位差保持恒定，從而實(shí)現(xiàn)縱模之間的相干疊加，產(chǎn)生高峰值功率的超短脈沖。啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）CPA技術(shù)是一種用于放大超短脈沖的方法。該技術(shù)首先將超短脈沖展寬為較長(zhǎng)的脈沖，然后對(duì)展寬后的脈沖進(jìn)行放大，最后再將放大后的脈沖壓縮回超短脈沖。這樣可以避免在放大過(guò)程中由于高峰值功率而導(dǎo)致的非線性效應(yīng)和損傷問(wèn)題。超短脈沖產(chǎn)生和放大技術(shù)282024/3/2707激光束傳輸、變換和聚焦元件292024/3/27激光束的傳輸特性高斯光束的傳輸特性，包括光束的發(fā)散、波前曲率半徑、光斑大小等。要點(diǎn)一要點(diǎn)二影響因素激光束在傳輸過(guò)程中受到的影響因素，如衍射、像差、大氣擾動(dòng)等，對(duì)激光束質(zhì)量的影響。激光束傳輸特性及影響因素302024/3/27將激光束的形狀、大小、方向等參數(shù)進(jìn)行變換，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。變換元件的作用基于光學(xué)變換理論，通過(guò)改變光束的波前形狀或振幅分布來(lái)實(shí)現(xiàn)激光束的變換。設(shè)計(jì)原理采用透鏡、反射鏡、棱鏡等光學(xué)元件或其組合來(lái)實(shí)現(xiàn)激光束的變換，具體方法包括幾何光學(xué)設(shè)計(jì)、波動(dòng)光學(xué)設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)方法激光束變換元件設(shè)計(jì)原理和方法312024/3/27010203聚焦元件的作用將激光束聚焦到一點(diǎn)或一線，以提高