教育学激光技术与应用.pptx

激光技术与应用复习相关知识知识分子原子原子核、电子物质结构能量概念能量是物质运动的一种度量。对应于物质的各种运动形式，能量也有各种形式，彼此可以互相转换，但总量不变。-能量守恒定律 光也是一种能量的表现形式复习相关知识知识光的概念光是人类眼睛可以看见的一种光是人类眼睛可以看见的一种电磁波电磁波，也称，也称可见可见光谱光谱。在科学上的定义，光是指所有的电磁波谱。在科学上的定义，光是指所有的电磁波谱。光是由光是由光子光子为为基本粒子基本粒子组成，具有组成，具有粒子性粒子性与与波动波动性性，称为，称为波粒二象性波粒二象性。光可以在。光可以在真空真空、空气、水、空气、水等透明的物质中传播。对于可见光的范围没有一等透明的物质中传播。对于可见光的范围没有一个明确的界限，一般人的眼睛所能接受的光的个明确的界限，一般人的眼睛所能接受的光的波波长长在在400-700400-700纳米之间。人们看到的光来自于太阳纳米之间。人们看到的光来自于太阳或借助于产生光的设备，包括白炽灯泡、荧光灯或借助于产生光的设备，包括白炽灯泡、荧光灯管、激光器、萤火虫等。管、激光器、萤火虫等。复习相关知识知识折射率概念折射率是光学介质的一个基本参量。定义为光在折射率是光学介质的一个基本参量。定义为光在真空中的速度真空中的速度c c与在介质中的速度与在介质中的速度v v之比，因此他之比，因此他标志的是标志的是介质对光的一种特征。n=c/v=sin i/sin r 由于光在真空中传播的速度最大，故其他媒质的由于光在真空中传播的速度最大，故其他媒质的折射率都大于折射率都大于1 1。复习相关知识知识一一 激光的特性激光的特性 方向性好方向性好 亮度高亮度高 单色性好单色性好 相干性好相干性好 方向性好方向性好 方向性好发散角小：传播相同距离时，光斑直径小光束发散角=2 探照灯-35毫弧度=1度激光激光-10-2毫弧度毫弧度激光的高方向性sr=2.44/D激光的高方向性气体激光器方向性最好固体激光器方向性其次半导体激光器较差单色性好单色性好激光的颜色极纯-单色性强连续光谱-太阳光谱线状光谱-霓虹灯单一颜色谱线-激光单色光单色光具有单一频率的光波称为单色光。任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。波长所对应的波长范围越窄，光的单色性越好谱线宽度谱线宽度：通常用强度下降到的两点之间的波长范围：谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量单色性：/或氪灯10-6普通氦氖激光10-12激光的颜色极纯-单色性强激光的颜色极纯-单色性强气体激光器单色性最好固体激光器单色性其次半导体激光器较差复习上节课内容我希望从课堂中学到什么？我如何做才能学到这些内容？我希望从课堂中学到什么？我如何做才能学到这些内容？课堂纪律的要求是什么？我能做到么？为什么？课堂纪律的要求是什么？我能做到么？为什么？请回答物质的结构，请回答物质的结构，什么是能量守恒定律什么是能量守恒定律什么是光？什么是光？请画出电磁波谱，并标出各种射线的波长范围请画出电磁波谱，并标出各种射线的波长范围什么是折射率？折射率的数值通常在什么范围什么是折射率？折射率的数值通常在什么范围世界上第一台激光器是什么时候产生的，我国第一台激光世界上第一台激光器是什么时候产生的，我国第一台激光器是什么时候产生的？是什么激光器？器是什么时候产生的？是什么激光器？激光的四大特性是什么？激光的四大特性是什么？能量守恒定律能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。这就是能量守恒定律。高亮度高亮度光源的亮度B定义为光源单位发光表面S沿给定方向上单位立体角内发出的光功率P的大小 B=P/S激光的高亮度一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮度高8个数量级(几千万倍）连续发光激光器功率：几毫瓦，几瓦，十几瓦、几百瓦，目前可达几千瓦，几万瓦脉冲激光器：毫焦耳，焦耳，几十焦耳，目前可达几千焦耳，几万焦耳时间，空间都得到压缩的激光，其功率密度比会聚的太阳光高几十亿倍！激光的高亮度高 亮 度高亮度激光束经聚焦后，可产生几百万个单位的高温高压。千分之一秒内使任何金属汽化。激光的相干性强激光的相干性强 什么是相干性 两列振动方向相同，频率相同的单色光波叠加后，光的强度在叠加区域不是均匀分布，而是在一些地方有极大值，一些地方有极小值，这在叠加区域出现的强度稳定的强弱分布现象称为光的干涉现象。相干的产生光是电磁波波的迭加服从迭加原理 几个波在相遇点产生的合振动是各个波单独产生的振动的矢量和。迭量和原理实质上是表示波传播的独立性。相干的产生两个频率相同、振动方向相同的单色光波的迭加 I =4I cos /2 为相位差 当 为的偶数倍时 =+2m 光强达到最大 当 为的奇数倍时 =+（2m+1）光强达到最小相干的产生很显然相位差是由距离差引起的 =（2/）n（r r ）n（r r ）是光程差所谓光程，就是光波在某一种介质中所通过的几何路程和这介质的折射率的乘积。采用光程概念的好处是，可以把光在不同介质中的传播路程都折算为在真空中的传播路程，便于相互进行比较。激光的相干性强激光的相干性强时间相干性沿光束传播方向上各点的相位关系相干长度为：L=ctc=c/光源的谱线宽度，tc为相干时间可见：单色性越高相干长度越长。激光的相干性强激光的相干性强空间相干性 沿垂直光束传播方向的波面上各点之间的相位关系空间相干以相干面积表示 S=(/)可见方向性越好空间相干程度越高激光的相干性强激光的相干性强相干长度：单色性越好，相干长度越长普通光源几厘米激光可达105千米激光的应用激光的应用 由于激光具有方向性好、亮度高、由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点而在许多领域单色性好、相干性好等特点而在许多领域得到广泛应用得到广泛应用激光的应用激光的应用:由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好、由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点而在许多领域得到广泛应用相干性好等特点而在许多领域得到广泛应用 测量领域测量领域 激光测长度、位移、速度、振动、外形等激光测长度、位移、速度、振动、外形等 通讯领域通讯领域 激光遥感、光纤通讯激光遥感、光纤通讯 医学领域医学领域 激光手术、激光祛斑激光手术、激光祛斑 军事领域军事领域 激光武器、激光制导激光武器、激光制导 科研领域科研领域 激光显微镜、激光引雷、驱雾、激光核聚变激光显微镜、激光引雷、驱雾、激光核聚变 新闻出版新闻出版 激光照排、激光打印激光照排、激光打印 商业领域商业领域 条形码识别、激光防伪条形码识别、激光防伪 家庭娱乐家庭娱乐 激光视盘、激光投影、激光显示激光视盘、激光投影、激光显示 工业制造工业制造 激光制造、激光加工、快速成形激光制造、激光加工、快速成形复习上节课内容请回答物质的结构，请回答物质的结构，请画出电磁波谱，并标出各种射线的波长范围请画出电磁波谱，并标出各种射线的波长范围什么是折射率？折射率的数值通常在什么范围什么是折射率？折射率的数值通常在什么范围光的方向性用什么参数表示，激光的方向性是什么数量级？光的方向性用什么参数表示，激光的方向性是什么数量级？光的单色性用什么参数表示，激光的单色性是什么数量级？光的单色性用什么参数表示，激光的单色性是什么数量级？光的亮度用什么参数表示，一台普通的红宝石激光器发出激光的亮度用什么参数表示，一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，与太阳亮度比是什么数量级？光亮度，与太阳亮度比是什么数量级？什么是相干性？什么是相干性？什么是时间相干？时间相干与什么有关？什么是时间相干？时间相干与什么有关？什么是空间相干？空间相干与什么有关？什么是空间相干？空间相干与什么有关？光的相干用什么参数表示，普通光的相干参数是什么数量级光的相干用什么参数表示，普通光的相干参数是什么数量级？激光的相干是什么数量级？激光的相干是什么数量级？什么是光程？什么是光程？什么是波的迭加原理？什么是波的迭加原理？说出三个激光应用的领域。说出三个激光应用的领域。复习上节课内容请回答物质的结构，请回答物质的结构，答：物质是由分子组成；分子是由原子组成；原子是由原子核、答：物质是由分子组成；分子是由原子组成；原子是由原子核、电子组成电子组成请画出电磁波谱，并标出各种射线的波长范围请画出电磁波谱，并标出各种射线的波长范围复习上节课内容什么是折射率？折射率的数值通常在什么范围？答：折射率是光在真空中的速度c与在介质中的速度v之比，因此他标志的是介质对光的一种特征。n=c/v=sin i/sin r 由于光在真空中传播的速度最大，故其折射率都大于1。复习上节课内容光的方向性用什么参数表示，激光的方向性是什么数量级？答：光的方向性用光的发散角表示；单位是弧度，激光的发散角是在10 毫弧度数量级复习上节课内容光的单色性用什么参数表示，激光的单色性是什么数量级？光的单色性用什么参数表示，激光的单色性是什么数量级？答：光的单色性用：答：光的单色性用：/或或表示表示 激光的激光的/是在是在1010 谱线宽度谱线宽度谱线宽度谱线宽度：通常用强：通常用强 度下降到的度下降到的 两点之间的波长范围两点之间的波长范围 ：复习上节课内容光的亮度用什么参数表示，一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，与太阳亮度比是什么数量级？答：光的亮度是光源单位发光表面S沿给定方向上单位立体角内发出的光功率P的大小 B=P/S一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮度高8个数量级(几千万倍）复习上节课内容什么是相干性？什么是相干性？答：两列振动方向相同，频率相同的单色光波叠加后，答：两列振动方向相同，频率相同的单色光波叠加后，光的强度在叠加区域不是均匀分布，而是在一些地光的强度在叠加区域不是均匀分布，而是在一些地方有极大值，一些地方有极小值，这在叠加区域出方有极大值，一些地方有极小值，这在叠加区域出现的强度稳定的强弱分布现象称为光的干涉现象。现的强度稳定的强弱分布现象称为光的干涉现象。什么是时间相干？时间相干与什么有关？什么是时间相干？时间相干与什么有关？答：时间相干是沿光束传播方向上各点的相位关系答：时间相干是沿光束传播方向上各点的相位关系 因为相干长度为：因为相干长度为：L=ctc=c/L=ctc=c/光源的谱线宽度，光源的谱线宽度，tctc为相干时间为相干时间 所以单色性越高相干长度越长。所以单色性越高相干长度越长。时间相干的参数是长度单位表示，时间相干的参数是长度单位表示，复习上节课内容什么是空间相干？空间相干与什么有关？答：空间相干是指沿垂直光束传播方向的波面上各点之间的相位关系 空间相干以相干面积表示 S=(/)所以方向性越好空间相干程度越高 空间相干的参数是面积单位表示。光的相干用什么参数表示，普通光的相干参数是什么数量级？激光的相干是什么数量级？答：普通光源几厘米，激光可达10 千米复习上节课内容什么是光程？答：光程就是光波在某一种介质中所通过的几何路程和这介质的折射率的乘积。复习上节课内容什么是波的迭加原理？答：波的迭加原理：几个波在相遇点产生的合振动是各个波单独产生的振动的矢量和。迭加原理实质上是表示波传播的独立性。说出三个激光应用的领域。功率是指物体在单位时间内所做的功，即功率是指物体在单位时间内所做的功，即功率是描述功率是描述做功做功快慢的物理量。功的数量快慢的物理量。功的数量一定，时间越短，功率值就越大。求功率一定，时间越短，功率值就越大。求功率的公式为功率的公式为功率=功功/时间时间爱因斯坦受激辐射理论：强调光的物质性；用量子观点预言受激辐射受激辐射的存在和光放大光放大的可能性。激光的产生原理激光的产生原理激光原理激光原理爱因斯坦理论：光是由一粒粒运动着的光子组成，每个光子具有确定的能量，它只能作为整体被吸收或产生，每一个光子的能量E与光的频率成正比 E=h 式中h为普朗克常数 h=6.625*10 焦耳秒激光原理激光原理电子围绕原子核运动，电子的轨道半径电子围绕原子核运动，电子的轨道半径 rn n=n h/me me 把把数数值带值带入得到上式入得到上式 rn n=n *0.5埃因此原子的能量不能因此原子的能量不能连续连续改改变变，只能是分立的，只能是分立的数数值值这这表明表明电电子只能在某些确定的分立的子只能在某些确定的分立的轨轨道上道上运运动动能量最低的量子态称为基态，能量高于基态的量子态称为激能量最低的量子态称为基态，能量高于基态的量子态称为激发态发态激发态与基态的能量之差称为该激发态的激发能激发态与基态的能量之差称为该激发态的激发能把各个量子态的能级按一定比例画成图，叫做能级图把各个量子态的能级按一定比例画成图，叫做能级图氢元素能级图激光原理激光原理当原子从高能级Em跃迁到低能级En时发射光子与外界交换能量，发射光子的能量h就等于这两个能级的能量之差 h=Em-En同样，外来光子的能量h恰好等于两个能级的能量之差，原子就可以吸收这个光子的能量从低能级跃迁到高能级激光原理激光原理每种元素在适当条件下加以激发都会产生他自己的特征光谱，特征的含义是：只要元素相同，产生的光谱就一样；元素不同，产生的光谱就不同。这说明光谱包含着有关原子结构的丰富信息。氢元素光谱图激光原理激光原理1.自发辐射。处于高能级E2 的一个原子自发地向E1 跃进，并发射一个能量为hV有光子，这种过程称为自发跃迁。由原子自发跃迁发出的光子称为自发辐射。自发跃迁是一种只与原子本身性质有关而与辐射场pv无关的自发过程。自发辐射光E2E1E2E1激光原理激光原理2.2.受激吸收。原子和辐射场相互作用只包含上述自发跃迁过受激吸收。原子和辐射场相互作用只包含上述自发跃迁过程，是不能维持辐射场的稳定值的。因此，爱因斯坦认为，程，是不能维持辐射场的稳定值的。因此，爱因斯坦认为，必然还存在一种原子在辐射场作用下的受激跃迁过程，从而必然还存在一种原子在辐射场作用下的受激跃迁过程，从而第一次从理论上预言了受激辐射的存在。第一次从理论上预言了受激辐射的存在。处于低能态处于低能态E1E1的一个原子，在频率为的一个原子，在频率为v v的辐射场作用（激励）的辐射场作用（激励）下，受激地向下，受激地向E2E2能态跃迁并吸收一个能量为能态跃迁并吸收一个能量为hvhv的光子，这种的光子，这种过程称为受激吸收跃迁，应该强调，受激跃迁和自发跃迁是过程称为受激吸收跃迁，应该强调，受激跃迁和自发跃迁是本质不同的物理过程，受激跃迁不仅与原子性质有关，还与本质不同的物理过程，受激跃迁不仅与原子性质有关，还与辐射的辐射的PVPV成正比。成正比。入射光E1原子吸收入射光子并跃迁至高能级E2E2E1激光原理激光原理3.受激辐射。受激吸收跃迁的反过种程就是受激辐射跃进。由原子受激辐射跃迁发出的光子称为受激辐射。入射光E2E1入射光受激辐射光E2E1受激辐射的特点结论：受激辐射产生的光子与受激辐射的特点结论：受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态。原来的光子具有完全相同的状态。结论：结论：受激辐射而得到的光是受激辐射而得到的光是相干光。相干光。一个光子激发一个粒子产生受激辐射，形成两个完全相同的光子，这两个光子再去激发两个粒子，可以形成完全相同的四个光子，如此继续下去，完全相同的光子数目越来越多，强度越来越强，有完全相同的光子组成的光就是激光激光参数：字面上理解是可供参考的数据，它可以是常数值，它可以是一种变量，用来控制随其变化而变化的其他的量。简单说，参数是给我们参考的。复习上节课内容什么叫参数？什么叫参数？光具有哪两重性？光具有哪两重性？每个光子的能量如何表达？每个光子的能量如何表达？当电子围绕原子核运动时电子的运动半径如何表达，当电子围绕原子核运动时电子的运动半径如何表达，这一公式说明什么？这一公式说明什么？什么叫基态？什么叫激发态？什么叫激发能？什么什么叫基态？什么叫激发态？什么叫激发能？什么叫做能级图？叫做能级图？什么叫什么叫特征光谱？它这说明什么？特征光谱？它这说明什么？什么是什么是自发辐射？自发辐射？什么是什么是受激吸收？受激吸收？什么是什么是受激辐受激辐射？受激辐射光子的状态如何？射？受激辐射光子的状态如何？一个紫外光光子是否可激发出一个黄光光子一个紫外光光子是否可激发出一个黄光光子反之一个黄光光子是否可激发出一个紫外光光子反之一个黄光光子是否可激发出一个紫外光光子辐射激发由于受激吸收而跃迁到激发态的原子回到基态时就可以发光。回到基态可以有两种途径直接回到基态，这是辐射的光子的频率与吸收的光子的频率一样。称为共振辐射。通过中间能级回到基态。如果在这个过程中发射辐射光，那么它的频率必定比吸收的频率低，这种现象称为荧光激光原理激光原理原子吸收入射光子并跃迁至高能级E2E1入射光E1E2E3E3辐射光E1E2E3辐射光E1E2E3激光的产生机理式中e=2.718281828459 K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，由于受激辐射与n2成正比，受激吸收与n1成正比 受激辐射受激吸收，不可能实现光放大 要实现光放大，必须采取特殊措施，打破原子数在热平 衡下的玻耳兹曼分布，使n2n1。体系的这种状态称为粒子数反转。粒子数反转在热平衡情况下，任意两个高低能级上的粒子数分布服从玻尔兹曼统计规律，即：二二 激光的产生激光的产生1、粒子数反转、粒子数反转E1E2粒子数反转粒子数反转产生激光的必要条件：实现粒子数反转。产生激光的必要条件：实现粒子数反转。激励（泵浦）：实现粒子数反转的过程。激励（泵浦）：实现粒子数反转的过程。具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。红宝石激光器（三能级系统）红宝石激光器（三能级系统）E2E3E1E2E3E1(10-8s)E2E3E1(10-3s)氦氖激光器（四能级系统）氦氖激光器（四能级系统）E1E2E3E4E1E2E3E4(10-8s)(10-3s)激光工作物质能够形成粒子数翻转发光粒子，称之为激活粒子激活粒子可以是分子、原子、离子或电子空穴对为激活粒子提供寄存场所的材料称为基质。基质可以是气体、固体或液体。基质与激活粒子统称为激光工作物质激光的产生机理产生激光的首要条件是：产生激光的首要条件是：实现粒子数反转实现粒子数反转能够实现粒子数反转的介质称为：能够实现粒子数反转的介质称为：激活介质激活介质要造成粒子数反转分布：要造成粒子数反转分布：n要求介质有适当的能级结构要求介质有适当的能级结构I.COCO2 2、Nd:YAGNd:YAG、HeHeNeNe均属四能级结构均属四能级结构II.红宝石属典型的三能级结构红宝石属典型的三能级结构III.这些能级结构都存在亚稳态这些能级结构都存在亚稳态IV.有必要的能量输入系统，即泵浦源：光、热、电、化学有必要的能量输入系统，即泵浦源：光、热、电、化学或核能等或核能等 激光器的基本组成：激光器的基本组成：工作物质工作物质 泵浦源泵浦源 光学谐振腔光学谐振腔泵浦源为了形成粒子数反转要对激光物质进行激励，完成这一任务的就是泵浦源泵浦源可以是普通光源，也可以加电压，还可以碰撞转移或化学方法。第一代激光器（以具有代表性的三能级系统的红宝石激光器)谐振腔它由放置在激光工作物质两端的两个反射镜组成，其中一个是全反射镜，另一个是半反半透（输出镜）复习上节课内容激光产生的首要条件是什么？具有什么样的原子结构，才能实现粒子数反转？什么称之为激活粒子？要造成粒子数反转分布的条件是什么？写出激光器的基本组成：驻波两个频率相同，振动方向相同而传播方向相反的单色光波，例如垂直入射到两种介质分界面的单色光波与反射波的迭加，产生驻波。三三 光学谐振腔光学谐振腔工作物质工作物质全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜谐振腔长度：谐振腔长度：谐振腔的作用：谐振腔的作用：（1）维持光振荡，起到光）维持光振荡，起到光放大放大作用。作用。（2）使激光产生极好的）使激光产生极好的方向方向性。性。（3）使激光的）使激光的单色性单色性好。好。激光的产生机理光学谐振腔的作用n在外界激励下，谐振腔内的激活介质产生受激辐射。n在产生的受激辐射光中，沿轴向传播的光在两个反射镜之间来回反射、往复通过已实现了粒子数反转的激活介质，不断引起新的受激辐射，使轴向行进的该频率的光得到放大，该过程称为光振荡。这是一种雪崩式的放大过程，使谐振腔内沿轴向的光骤然增强，能量密度大大增强，远远超过自发辐射。n这种受激的辐射光从部分反射镜输出，即是激光。n沿其他方向传播的光很快从侧面逸出谐振腔，不能被继续放大；而自发辐射产生的频率也得不到放大。n因此从谐振腔输出的激光具有很好的方向性和单色性。激光的产生机理光学谐振腔复习上节课内容什么是激光产生的工作物质？什么是泵浦源？谐振腔起什么作用？激光的产生机理光学谐振腔的主要形式：按不同的方法分类可分为球面腔和非球面腔，两镜腔和多按不同的方法分类可分为球面腔和非球面腔，两镜腔和多镜腔，高损耗腔和低损耗腔，端面反馈腔和分布反馈腔，镜腔，高损耗腔和低损耗腔，端面反馈腔和分布反馈腔，折叠腔和环形腔等等，但各种复杂腔都可以化为等效的折叠腔和环形腔等等，但各种复杂腔都可以化为等效的两两镜腔镜腔。常用的激光两镜腔的主要形式有：。常用的激光两镜腔的主要形式有：激光的产生机理谐振腔的稳定性条件谐振腔的稳定性条件：谐振腔的谐振腔的g g参数定义为：参数定义为：式中，式中，r r1 1、r r2 2 分别为两个反射镜的曲率半径，分别为两个反射镜的曲率半径，凹面向腔内时为正，凸面向腔内时为负；凹面向腔内时为正，凸面向腔内时为负；L L为两个反射镜间的距离。即腔长。为两个反射镜间的距离。即腔长。谐振腔的稳定性条件为：谐振腔的稳定性条件为：0g0g0g0g1 1 1 1g g g g2 2 2 21111而满足而满足g g g g1 1 1 1g g g g2 2 2 20 0 0 0 和和g g g g1 1 1 1g g g g2 2 2 21 1 1 1 均为临界腔。均为临界腔。如：平面腔如：平面腔r r r r1 1 1 1=r=r=r=r2 2 2 2=,满足满足g g g g1 1 1 1g g g g2 2 2 21 1 1 1，所以为临界腔，所以为临界腔激光的产生机理谐振腔的谐振条件n振幅条件振幅条件：光在腔内往返一次，由于激活介质而得到光在腔内往返一次，由于激活介质而得到的增益，必须大于或等于此期间光的全部损失的增益，必须大于或等于此期间光的全部损失(包括吸包括吸收、散射、衍射、反射及以激光形式输出损失）收、散射、衍射、反射及以激光形式输出损失）式中，式中，G()G()激活物质增益系数激活物质增益系数,R1,R1、R2R2两腔镜反射率两腔镜反射率激光在腔内传播时的损耗系数，激光在腔内传播时的损耗系数，L L激光器腔长激光器腔长n相位条件相位条件：激光在腔内往返一次相位的改变为：激光在腔内往返一次相位的改变为22的整的整数倍，即形成驻波，才能有稳定的振荡输出。数倍，即形成驻波，才能有稳定的振荡输出。激光的产生机理谐振腔的阈值谐振腔的阈值 把工作介质放到谐振腔里，并且使介质达到反转状态以后，只是说有可能产生激光。由于工作介质内部还存在散射、衍射等损耗，另外谐振腔的反射镜对光也有吸收，而且还有一部分光要透出腔外，这对腔内的激光振荡来说也是一个损失。因此工作介质的增益至少要高于某一最低限度，才足以克服损耗，产生振荡，输出激光。这就是激光振荡的增益阈值条件。激光输出模式激光输出有时是由许多独立的频率分量所组成，这激光输出有时是由许多独立的频率分量所组成，这些独立的频率分量称为模式。些独立的频率分量称为模式。它是在腔内存在的，稳定的光波基本形式。它是在腔内存在的，稳定的光波基本形式。稳定的稳定的含义：含义：1 1、有确定的频率、有确定的频率 2 2、振幅在空间的相对分布是确定的，不随时间而、振幅在空间的相对分布是确定的，不随时间而改变改变 3 3、相位在空间的相对分布是确定的，不随时间而、相位在空间的相对分布是确定的，不随时间而改变改变氢元素光谱图激光输出模式振荡模式通常用TEMmnq表示，下标m m、n n、q q分别取0、1、2、3等整数。其中m m、n n为横模数横模数,表示该模式在垂直于腔轴的平面内的振幅振幅分布情况。在直角坐标系中m m、n n的数值分别是该模式在x轴和y轴上的节点数；在柱坐标中m m、n n分别为径向r 和旋转角向的节点数 q q为纵模数纵模数,表示沿腔轴形成的驻波节点数目驻波节点数目m m、n n、q q三者共同决定该模式的振荡频率 c m n q =+2 a b c复习上节课内容什么是驻波？驻波是如何形成的？写出谐振腔的组成；谐振腔稳定性条件是什么？其中L、r1 r 2 分别代表什么谐振腔的谐振条件是什么？什么是谐振腔的阈值 激光器的纵模和横模：激光器的纵模和横模：1.激光的纵模：谐振腔不仅对光的方向有选择性，还有选频作用。设谐振腔长L，介质折射率为n，波长为，形成驻波，满足：谐振频率谐振频率由激光器输出的每一个谐振频率称为一个纵模。由激光器输出的每一个谐振频率称为一个纵模。考虑了激活介质辐射的线宽和谐振频率的间隔，只有考虑了激活介质辐射的线宽和谐振频率的间隔，只有几个谐振频率得到光放大形成激光，这就是谐振腔的选频几个谐振频率得到光放大形成激光，这就是谐振腔的选频作用，使激光的单色性很好。作用，使激光的单色性很好。激光器的纵模和横模：激光器的纵模和横模：1.激光的纵模：实际振荡纵模数。实际振荡纵模数。T T 为激光工作物质的增益线宽为激光工作物质的增益线宽为达到单色性，可使激光器工作在阈值附近，或采用短腔为达到单色性，可使激光器工作在阈值附近，或采用短腔激光器激光器 Tq=+1 q横膜激光器内存在着保持稳定不变的光场横向分布，即在激光器的光束横截面上保持稳定不变的分布，这种分布称为横膜，用m、n表征。光在谐振腔内振荡形成为高斯光束m=n=0称为基膜，m、n不同时为0时的横膜称为高阶膜 高斯光束的振幅和强度分布高斯光束的振幅和强度分布1 1、振幅分布、振幅分布对基横模对基横模TEM00基模截面是高斯函数基模截面是高斯函数基横模基横模TEM00的光强的光强2 2、光斑尺寸振幅下降为最大值、光斑尺寸振幅下降为最大值1/e1/e时的光斑半径时的光斑半径 3 3、在纵截面上的表达式在纵截面上的表达式光斑半径随光斑半径随z z按照双曲线规律变化。按照双曲线规律变化。4、模体积模体积意义：模体积大。对激活介意义：模体积大。对激活介质能量的提取就大，对模式质能量的提取就大，对模式振荡作贡献的粒子数越多，振荡作贡献的粒子数越多，就有可能获得大的输出功率。就有可能获得大的输出功率。高斯光束的远场发散角高斯光束的远场发散角基模远场发散角基模远场发散角 ：双曲线两根渐近线之间的夹角：双曲线两根渐近线之间的夹角：图(3-8)基模光斑半径随z按双曲线规律的变化 一般激光器的远场发散角都很小，约为一般激光器的远场发散角都很小，约为10102 2毫弧度，也就是毫弧度，也就是表明激光具有很好的方向性。表明激光具有很好的方向性。激光的横模：激光的横模：在激光器的光束横截面上，光强有一定的稳定分布在激光器的光束横截面上，光强有一定的稳定分布。基模基模高级横模高级横模轴轴对对称称分分布布旋旋转转对对称称分分布布激光横截面几种光斑图形：激光横截面几种光斑图形：这种光强横向不同的稳定分布称为横模这种光强横向不同的稳定分布称为横模。横模产生原因复杂，但是采用适当措施，可以只输出横模产生原因复杂，但是采用适当措施，可以只输出基横模，基横模各点相位相同，具有良好的空间相干性。基横模，基横模各点相位相同，具有良好的空间相干性。典型激光模式TEM00又称基模，常见于输出功率7003000WCO2激光器，主要应用于激光切割。TEM01该模式也可用于激光切割或打孔，常见于输出功率大于3000W的CO2激光器。多模该模式通常用于激光焊接和表面加工，常见于输出功率大于500012000W的CO2激光器。复习上节课内容什么是波长？为什么说谐振腔有维持光振荡，起到光放大的作用？维持光振荡，起到光放大的作用？为什么说谐振腔有使激光产生极好的方向性的使激光产生极好的方向性的作用？为什么说谐振腔有使激光的单色性好的使激光的单色性好的作用？什么是激光纵模？什么是激光纵模？如何调节谐振腔使激光的单色性更好？如何调节谐振腔使激光的单色性更好？激光在谐振腔内振荡形成什么光束？激光在谐振腔内振荡形成什么光束？高斯光束是什么形状的？高斯光束是什么形状的？谐振腔的谐振条件是什么？谐振腔的谐振条件是什么？什么是谐振腔的阈值什么是谐振腔的阈值波长波在一个振动周期内传播的距离。它可以用相邻两个波峰或波谷之间的距离来表达。光斑半径随z按照双曲线规律变化。横波振动方向与波的传播方向相互垂直。电磁波、光波就是横波。偏振光光是一种电磁波，电磁波是横波。而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或线偏振光。布儒斯特定律多普勒效应原理：由于原子的热运动而引起的变宽原理：由于原子的热运动而引起的变宽.多普勒效应：一个运动着的原子所发射出的光，多普勒效应：一个运动着的原子所发射出的光，若运动方向朝向观察者若运动方向朝向观察者(检测器检测器)，则观测到光的，则观测到光的频率较静止原子所发出光的频率来得高频率较静止原子所发出光的频率来得高(波长来得波长来得短短)；反之，若运动方向背向观察者，则观测到光；反之，若运动方向背向观察者，则观测到光的频率较静止原子所发出光的频率来得低的频率较静止原子所发出光的频率来得低(波长波长)方向上总有一定的分量，所以检测器受到光的频方向上总有一定的分量，所以检测器受到光的频率率(波长波长)总会有一定的范围，因此谱线变宽。总会有一定的范围，因此谱线变宽。能级跃迁选择定律 原子可以从一个量子态跃迁到另一个量子态，但是跃迁的几率有大有小。在有些量子态之间，原子跃迁的几率很大，称为允许跃迁。在有些量子态之间，原子跃迁的几率非常小，称为禁止跃迁。选择定则就指出了哪些跃迁是允许的，哪些跃迁是禁止的。辐射激发由于受激吸收而跃迁到激发态的原子回到基态时就可以发光。回到基态可以有两种途径直接回到基态，这是辐射的光子的频率与吸收的光子的频率一样。称为共振辐射。通过中间能级回到基态。如果在这个过程中发射辐射光，那么它的频率必定比吸收的频率低，这种现象称为荧光氢灯，汞灯，钠光灯这类气体光源都是采用这种方式激发的。其激发机构是，从阴极发射出来的电子，在电场作用下获得动能，具有很大动能的电子与处在基态的原子碰撞时，电子把自己的能量传递给原子，使原子激发到高能级。一个处在基态的原子也可以通过跟另一个处在激发态的原子碰撞，使自己跃迁到激发态，而另一个原子则回到基态。两种原子通过这种方式相互转移激发能的过程叫做共振转移。两种原子的激发能的数值越接近，共振转移的效率越高。在氦氖激光器中正是利用共振转移Ne原子激发的。复习上节课内容什么是波长？什么是频率？波长与频率之间的关系是什么？什么是横波？什么是偏振光，什么是线偏振光？什么是布儒斯特定律？什么是多普勒效应？什么是能级跃迁选择定律？在辐射激发中什么是共振辐射？什么是共振转移?布儒斯特定律自然光经电介质界面反射后，反射光为线偏振光所应满足的条件 自然光在介质界面上反射和折射时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光，只有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角或起偏角。此规律称为布儒斯特定律。塞曼效应在光谱分析里是指原子的光谱线在外磁场作用中出现分裂的现象。激光器的分类激光器的分类激光器的分类按工作物质物相分按激活介质粒子状态分按激励方式分按输出波长分按输出功率分根据工作物质物相分类气体激光器固体激光器液体激光器与其他分类的交叉液体激光器 分子激光器 准分子激光器气体激光器 原子激光器 离子激光器固体激光器 半导体激光器气体激光器气体激光器气体激光是目前种类最多、应用最广泛的一类激光器，它具有容易连续运转、转换效率高、工作物质丰富、工作物质均匀性较好，使得输出光束的质量较高；相干性好、结构简单、造价低廉等优点，容易实现大功率连续输出，如二氧化碳激光器可达万瓦级的功率输出；发射的谱线分布在一个很宽的波长范围内，几乎遍布了从紫外到远红外的整个光谱区(已经观测到的谱线有万余条)；因此，广泛地用作准直导向、计量基准、材料加工以及作为全息照相、激光光谱学的相干光源等。气体激光器气体激光器气体激光器 原子激光器，分子激光器，离子激 光器，准分子激光器。原子激光器：产生激光作用的是没有电离的气体原子，以 氦氖激光器为代表，这种激光器大都是连续 工作方式，输出功率在100毫瓦以下，多用于检 测和干涉计量。离子激光器：以氩离子激光器为代表，这种激光器可以发射 较强的连续功率激光，功率可达几十瓦，是可 见光中的重要激光器件，多用于扫描，医学及 全息学等方面。分子激光器：产生激光作用的是没有电离的气体分子，以 CO2激光器为代表，因红外波长激光的热效应 高，故多用于激光刀，医疗，机械加工方面，还用于测距，通信。准分子激光器：特点发光都在紫外波段。用途多用于微细加工，光刻及医学。原理不是分子固有能级跃迁发光，而是当 两种元素的原子被高能量的电脉冲激励时，两种元素的原子在瞬态结合成的准分子的能级间跃迁产生的受激发光。发光后，分子很快分解成原子。一般结构内腔式外腔式半外腔式内腔式图（c）组成光学谐振腔的两个反射镜紧贴在放电管的两端；内腔式将谐振腔的两反射镜调整好后，用胶固定在放电管的两端，其优点是使用时不必进行调整，非常方便。缺点是在工作过程中放电管受热变形时,谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损耗增加，输出下降。激光管越长，其热稳定性越差，所以内腔式激光管的长度一般不超过一米。而且当谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面污染后也无法清除。外腔式图（图（a a）中组成光学谐振腔的两个反射镜与放电管完全分开装）中组成光学谐振腔的两个反射镜与放电管完全分开装架，在这种形式中，光从放电管的端面射出再被反射到管内，架，在这种形式中，光从放电管的端面射出再被反射到管内，需要经过放电管表面四次。为了减少反射损失，可使光在窗片需要经过放电管表面四次。为了减少反射损失，可使光在窗片上的入射角等于布儒斯特角。这样，对于上的入射角等于布儒斯特角。这样，对于TMTM波（电场振动方向波（电场振动方向与入射面平行，磁场振动方向与入射面垂直的波），在窗表面与入射面平行，磁场振动方向与入射面垂直的波），在窗表面上不反射，犹如没有窗片一样，可以畅通无阻，从而在腔内形上不反射，犹如没有窗片一样，可以畅通无阻，从而在腔内形成稳定的振荡。而对成稳定的振荡。而对TETE波（电场方向与入射面垂直的波），在波（电场方向与入射面垂直的波），在窗表面上反射损失很大，不能形成振荡。因此，从外腔式气体窗表面上反射损失很大，不能形成振荡。因此，从外腔式气体激光器射出的激光是电矢量与入射面平行的线偏振光激光器射出的激光是电矢量与入射面平行的线偏振光TMTM波。波。外腔式这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离的。反射镜上有调整机构，可以随时进行调整。谐振腔与放电管分离，放电管的热变形对谐振腔影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳定输出。但由于反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要经常调整，使用不方便.半外腔式图（b）中谐振腔的两个反射镜，一个紧贴放电管的一端，别一个与放电管分开装架，称为半外腔式。它产生的激光也是线偏振光。气体激光器的泵浦源气体激光器一般采用放电激发，具体地说，有直气体激光器一般采用放电激发，具体地说，有直流放电、交流放电、无电极的高频放电及高压脉流放电、交流放电、无电极的高频放电及高压脉冲几种方式。前两种方法简单易行，尤其是第二冲几种方式。前两种方法简单易行，尤其是第二种方法只要将高压变压器的次级接到放电管的两种方法只要将高压变压器的次级接到放电管的两个电极上即可。第三种方法目前以射频电源为主，个电极上即可。第三种方法目前以射频电源为主，具有可调制性好，输出功率稳定等优点，第四种具有可调制性好，输