《激光產(chǎn)生的原理》課件

激光產(chǎn)生的原理激光是一種非常特殊的電磁波，它具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等特點。引言激光技術(shù)是現(xiàn)代科技的重要組成部分，它在各個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。從醫(yī)療手術(shù)到工業(yè)加工，從通信技術(shù)到國防科技，激光技術(shù)都發(fā)揮著不可替代的作用。什么是激光定向性激光束發(fā)散角極小，幾乎是平行光束，可傳播很遠(yuǎn)距離。單色性激光只包含一種波長的光，因此顏色非常純凈，并具有獨特的頻譜特性。相干性激光光束中所有光波的頻率、振動方向和相位都一致，具有高度的相干性。激光的基本特性高度方向性激光束的光線傳播方向高度一致，幾乎不發(fā)生發(fā)散。高單色性激光束的光線頻率高度一致，即顏色非常純凈。高亮度激光束的光線能量高度集中，單位面積上的能量非常大。激光光源的三要素1工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的物質(zhì)，例如氦氖混合氣體、紅寶石晶體或半導(dǎo)體材料等。2激勵源為工作物質(zhì)提供能量，例如閃光燈、氣體放電或注入電流等。3諧振腔用來選擇特定波長并增強激光輸出的裝置，通常由兩個平行反射鏡構(gòu)成。量子論基礎(chǔ)量子論是解釋物質(zhì)世界微觀結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律的理論體系，是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論之一。量子論認(rèn)為，能量、動量、角動量等物理量都是量子化的，只能取一些不連續(xù)的特定值。量子力學(xué)是量子論的數(shù)學(xué)描述，它通過波函數(shù)描述粒子的狀態(tài)，并用算符來表示物理量。量子力學(xué)可以解釋原子光譜、光電效應(yīng)、熱輻射等現(xiàn)象，并預(yù)言了新的粒子——反物質(zhì)。能量躍遷原理電子能級原子中的電子只能處于特定的能量狀態(tài)，稱為能級。躍遷電子在不同能級之間躍遷，吸收或釋放能量。吸收光子電子從低能級躍遷到高能級，吸收能量，能量等于兩個能級的差值。釋放光子電子從高能級躍遷到低能級，釋放能量，能量等于兩個能級的差值。普通光源與激光的區(qū)別方向性普通光源發(fā)出的光線向各個方向傳播，而激光則沿一個方向傳播。單色性普通光源發(fā)出的光線包含多種波長的光，而激光則只包含一種波長的光。相干性普通光源發(fā)出的光線是隨機的，而激光發(fā)出的光線是相干的。激光可受激發(fā)射1受激發(fā)射當(dāng)處于激發(fā)態(tài)的原子受到與激發(fā)光子能量相同的光子照射時，會躍遷到基態(tài)，同時釋放出一個與入射光子完全相同的光子。2相位一致受激發(fā)射產(chǎn)生的光子與入射光子具有相同的頻率、相位和傳播方向。3光放大受激發(fā)射可導(dǎo)致光子數(shù)量的增加，實現(xiàn)光放大。光放大原理1受激發(fā)射光子激發(fā)處于高能級的原子2光子增殖產(chǎn)生與入射光子相同方向和頻率的光子3光放大入射光被放大，強度增強共振腔的作用增強激光強度共振腔可使光在腔內(nèi)多次反射，增加光子受激發(fā)射的概率，從而增強激光強度。提高激光方向性共振腔只允許特定方向上的光傳播，從而提高激光的方向性，使其成為高度集中的光束。共振腔結(jié)構(gòu)共振腔由兩個平行放置的反射鏡組成，一個為全反射鏡，另一個為部分反射鏡，用來反射光線并形成諧振。部分反射鏡用于將部分激光束輸出，形成激光束。共振腔的長度必須是激光波長的整數(shù)倍，這樣才能保證激光在腔內(nèi)來回反射后形成穩(wěn)定的駐波，從而實現(xiàn)激光放大。洗掉反相干光激光腔中包含許多不同頻率的光，并非全部都是激光的頻率鏡子會反射激光頻率的光，但無法反射其他頻率的光通過這種方法，我們可以得到更加純凈的激光受激發(fā)射過程1光子激發(fā)高能級原子受到光子激發(fā)2能量躍遷原子從高能級躍遷到低能級3發(fā)射光子發(fā)射與入射光子相同性質(zhì)的光子電子躍遷過程1吸收能量電子吸收能量，例如光子或熱能，躍遷到更高的能級。2不穩(wěn)定態(tài)處于較高能級的電子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并傾向于回到低能級。3發(fā)射光子電子躍遷回低能級時，會釋放出光子，光的能量等于兩個能級之間的能量差。能級分布原子能級電子軌道基態(tài)最低能量狀態(tài)激發(fā)態(tài)高于基態(tài)的能量狀態(tài)居群反轉(zhuǎn)正常狀態(tài)在正常狀態(tài)下，低能級上的粒子數(shù)量比高能級上的粒子數(shù)量多。居群反轉(zhuǎn)居群反轉(zhuǎn)是指通過外部能量的輸入，使高能級上的粒子數(shù)量超過低能級上的粒子數(shù)量。抑制自發(fā)輻射自發(fā)輻射原子處于激發(fā)態(tài)時，會自發(fā)地躍遷到低能級，并釋放光子，這種現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。抑制自發(fā)輻射在激光器中，為了提高受激發(fā)射的效率，需要抑制自發(fā)輻射。常用的方法是通過高能級壽命短、低能級壽命長，來抑制自發(fā)輻射。光學(xué)增益光學(xué)增益是指激光介質(zhì)中受激輻射過程占主導(dǎo)，導(dǎo)致光強增大的現(xiàn)象。激光振蕩條件1光學(xué)增益激光介質(zhì)必須能夠放大光，即光學(xué)增益大于光學(xué)損耗。2諧振腔諧振腔用于選擇性地放大特定波長的光，并形成穩(wěn)定的光束。3居群反轉(zhuǎn)激光介質(zhì)中上能級粒子數(shù)必須大于下能級粒子數(shù)，才能實現(xiàn)受激輻射。激光閾值1閾值條件只有當(dāng)光學(xué)增益大于光學(xué)損耗時，激光才能產(chǎn)生。2能量積累達(dá)到閾值后，光子數(shù)量迅速增加，產(chǎn)生激光輸出。3光學(xué)損耗包括反射損耗、吸收損耗、散射損耗等。4光學(xué)增益由受激發(fā)射過程決定，與泵浦功率有關(guān)。激光波長波長特點紫外光能量高，易于破壞材料可見光對人眼可見，應(yīng)用廣泛紅外光能量低，穿透性強激光輸出功率1mW低功率條形碼掃描儀10W中功率激光切割機1kW高功率激光焊接100kW超高功率激光武器單模激光與多模激光單模激光只有一個橫向模式，輸出光束為單一頻率，具有極佳的單色性、方向性和相干性。多模激光有多個橫向模式，輸出光束包含多個頻率，相干性較差，光束發(fā)散角更大。連續(xù)激光與脈沖激光連續(xù)激光連續(xù)激光是指輸出光束持續(xù)不斷，輸出功率基本穩(wěn)定。脈沖激光脈沖激光是指輸出光束以脈沖形式出現(xiàn)，輸出功率隨時間變化。激光器中光學(xué)增益的調(diào)控泵浦源功率調(diào)節(jié)：通過改變泵浦源的功率來控制激發(fā)態(tài)粒子數(shù)，從而影響光學(xué)增益。工作溫度控制：溫度會影響能級之間的能級差和粒子壽命，進而影響光學(xué)增益。諧振腔長度調(diào)節(jié)：改變諧振腔長度可以改變共振頻率，進而影響光學(xué)增益。激光器中光學(xué)損耗的控制1腔鏡反射率腔鏡反射率的優(yōu)化可以最大程度地減少光束在腔體內(nèi)傳輸過程中的能量損失。2介質(zhì)吸收激光工作物質(zhì)和腔體元件的吸收會導(dǎo)致光束能量損失。3散射損失腔體內(nèi)元件表面的粗糙度會導(dǎo)致散射損失，從而影響激光輸出功率。半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是一種利用半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)，通過注入電流實現(xiàn)光放大和激光輸出的器件。半導(dǎo)體激光器具有體積小、效率高、壽命長等特點，在光通信、光存儲、激光打印、激光掃描等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。固體激光器固體激光器是激光器的一種，其工作物質(zhì)為固體材料，例如：紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)等。固體激光器具有輸出功率高、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、醫(yī)療、工業(yè)加工、軍事等領(lǐng)域。紅寶石激光器：世界上第一臺激光器就是用紅寶石作為工作物質(zhì)的。釹玻璃激光器：輸出能量高，適合用于高功率激光系統(tǒng)。摻釹釔鋁石榴石激光器：結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，應(yīng)用廣泛。氣體激光器He-Ne激光器He-Ne激光器是一種常見的連續(xù)波氣體