激光产生与原理.pptx

光彩夺目的新光源光彩夺目的新光源-激光激光激激光光：Laser(lightamplificationbystimulatedemissionofradiation),辐射的受激发射光放大。辐射的受激发射光放大。主要内容主要内容：2）激光的特点；）激光的特点；1）激光的产生；）激光的产生；自从美国人自从美国人梅曼梅曼制造出第一台激光制造出第一台激光器以后，到今天人们对激光并不陌生，如激光开器以后，到今天人们对激光并不陌生，如激光开刀，可自动止血；全息激光照片可以假乱真；还刀，可自动止血；全息激光照片可以假乱真；还有激光照排、激光美容等有激光照排、激光美容等.。激光在军事上也有。激光在军事上也有广泛的应用。广泛的应用。引言：引言：一、激光的产生原理一、激光的产生原理1 1、普通光源发光、普通光源发光-受激吸收和自发辐射受激吸收和自发辐射1）受激吸收受激吸收（简称（简称“吸收吸收”）处在低能级处在低能级E1的原子受到的原子受到等等于于E2-E1的外来能量时，的外来能量时，吸收这一能量跃迁到高能吸收这一能量跃迁到高能级的过程。级的过程。E2E1h 2)自发幅射自发幅射E2E1E3L1处在高能级（处在高能级（E2）的原子，即使没有任何外界）的原子，即使没有任何外界的激励，总是自发地跃迁到低能级（的激励，总是自发地跃迁到低能级（E1），并），并且发射一个频率为且发射一个频率为，能量，能量h=E2-E1的光子的过的光子的过程。程。自发幅射的光是非相干光自发幅射的光是非相干光(2)(2)亚稳态能级：不满足选择规则的能级亚稳态能级：不满足选择规则的能级(寿命：寿命：）2 2、受激发射和光的放大、受激发射和光的放大(1)(1)自发辐射的选择规则：电子从高能态向低能自发辐射的选择规则：电子从高能态向低能态的跃迁只能发生在角动量量子数态的跃迁只能发生在角动量量子数 相差相差 的两的两个状态之间个状态之间(3)受激幅射：（受激幅射：（1917年爱因斯坦提出）年爱因斯坦提出）处在高能级上（处在高能级上（E2）的原子，受到能量恰为）的原子，受到能量恰为h=E2-E1的外来光子的激励（或诱发，或剌激）的外来光子的激励（或诱发，或剌激）从而跃迁到低能级从而跃迁到低能级E1，并发射一个与外来光子，并发射一个与外来光子“一一模一样模一样”的光子的过程。的光子的过程。E2E1外来光子外来光子受激幅射光子受激幅射光子与外来光子频率与外来光子频率相同、相位相同、相同、相位相同、偏振方向和传播偏振方向和传播方向相同。方向相同。特点：特点：受激幅射中，光子成倍增长，产生了光放大。受激幅射中，光子成倍增长，产生了光放大。受激幅射产生的光子与入射光子是完全相干的；受激幅射产生的光子与入射光子是完全相干的；(4)激光的产生过程激光的产生过程粒子数反转状态粒子数反转状态E1E2E3E4E1E2能能量量且粒子数正常分布是：且粒子数正常分布是：激光是受激幅射的光，但实际中还存在自发幅射激光是受激幅射的光，但实际中还存在自发幅射和吸收，和吸收，为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成粒子数为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成粒子数反转的状态。反转的状态。3 3、粒子数反转：产生激光的必要条件、粒子数反转：产生激光的必要条件粒子数反转状态粒子数反转状态E1E2怎样才能实现粒子数反转呢？怎样才能实现粒子数反转呢？1）提供足够的能量；）提供足够的能量；2）原子在激发态多）原子在激发态多“呆呆”一会；一会；3）减小损失，不断放）减小损失，不断放大。大。二、二、激光简史和我国的激光技术激光简史和我国的激光技术1917年，爱因斯坦提出受激辐射年，爱因斯坦提出受激辐射1961年年8月，我国第一台红宝石激光器在长春光机月，我国第一台红宝石激光器在长春光机所研制成功所研制成功1964年，汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫分享诺贝尔物年，汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫分享诺贝尔物理学奖理学奖19871987年年6 6月，大功率脉冲激光系统月，大功率脉冲激光系统-神光装置，在神光装置，在上海光（学精密）机（械研究）所研制成功上海光（学精密）机（械研究）所研制成功1959年，汤斯提出制造红宝石激光器的建议年，汤斯提出制造红宝石激光器的建议1958年，汤斯和肖洛发表年，汤斯和肖洛发表红外与光学激射器红外与光学激射器，巴索夫和普罗霍罗夫发表巴索夫和普罗霍罗夫发表实现三能级粒子数反实现三能级粒子数反转和半导体激光器建议转和半导体激光器建议1960年，加州休斯实验室的梅曼制成了第一台红年，加州休斯实验室的梅曼制成了第一台红宝石激光器宝石激光器三、激光器的结构三、激光器的结构1 1、工作介质：、工作介质：产生激光的原子系统或产生激光的原子系统或可以实现粒可以实现粒子数反转的气体、液体或固体子数反转的气体、液体或固体所谓所谓能级合适能级合适是指存在是指存在“亚稳态能级亚稳态能级”，即存在，即存在激激发态寿命发态寿命=10-3秒左右的能级（一般原子系统的秒左右的能级（一般原子系统的激发态寿命只有激发态寿命只有10-8秒）秒）E1E2E3激激发发能能量量亚稳态能级亚稳态能级产生激光的能级系统（例）产生激光的能级系统（例）（1）三能系统三能系统（2 2）四能级系统）四能级系统三能级系统三能级系统四能级系统四能级系统红宝石激光器红宝石激光器铷玻璃激光器铷玻璃激光器2 2、激励源、激励源(泵浦或抽运泵浦或抽运)：用来实现和维持粒子数：用来实现和维持粒子数反转。有电激励，光激励，热激励，化学激励等反转。有电激励，光激励，热激励，化学激励等激励激励-从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从低能态跃迁到高能态能级以实现粒子数反转低能态跃迁到高能态能级以实现粒子数反转的过程（又称的过程（又称“激发激发”、“抽运抽运”或或“泵浦泵浦”）。）。1）光泵抽运）光泵抽运如红宝石激光器如红宝石激光器粒子数反转状态粒子数反转状态E1E2E1E2红宝石激光器红宝石激光器红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石晶体，它红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石晶体，它发出的激光是脉冲激光，波长为发出的激光是脉冲激光，波长为694.3nm.。全全反反射射镜镜半半透透射射镜镜红宝石棒红宝石棒。脉冲灯脉冲灯红宝石激光示意图红宝石激光示意图激光器发展的主要方面激光器发展的主要方面（1）扩展了激光）扩展了激光的波长范围的波长范围.（2）激光的功率）激光的功率大大提高大大提高.（3）激光器已能）激光器已能实现小型化实现小型化.2）电子碰撞）电子碰撞-如氩离子激光器如氩离子激光器电子电子3）化学反应）化学反应如氟化氘激光器等。如氟化氘激光器等。4）共振转移）共振转移如如He-Ne激光器激光器。-NeHe-NeHe-氦氖气体激光器氦氖气体激光器氦氖激光器氦氖激光器输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、成本输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、成本低等优点低等优点氦和氖的原子能级示意图氦和氖的原子能级示意图基态基态亚稳态亚稳态氦氦氖氖632.8nm123全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜AK要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的构造：要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的构造：全反全反射镜射镜半反半反射镜射镜实物图实物图原理图原理图激光工作物质激光工作物质3、光学谐振腔、光学谐振腔激光工作物质激光工作物质全全反反射射镜镜半半反反射射镜镜工作原理：工作原理：out光放大原理光放大原理四、激光器的种类四、激光器的种类1、固体激光器：器件小、坚固、使用方便、输出、固体激光器：器件小、坚固、使用方便、输出功率大功率大2、气体激光器：结构简单、造价低，操作方便，、气体激光器：结构简单、造价低，操作方便，介质均匀光束质量好且能长时间稳定工作介质均匀光束质量好且能长时间稳定工作He-Ne激光器简介：最早激光器简介：最早(1961)制成且应用最广泛。制成且应用最广泛。激光波长为激光波长为632.8纳米纳米(氖原子发出氖原子发出)，采用电激励。，采用电激励。高压电源使气体放电，氦激发，能量传递给氖，四高压电源使气体放电，氦激发，能量传递给氖，四能级系统能级系统4 4、半导体激光器：体积、质量小，寿命长，结构、半导体激光器：体积、质量小，寿命长，结构简单而坚固简单而坚固3、液体激光器：输出波长连续可调，覆盖面宽液体激光器：输出波长连续可调，覆盖面宽激光器分类表激光器分类表气体气体类型类型增益介质增益介质波波长长 峰值功率峰值功率 脉冲长度脉冲长度He-NeAr633nm488nm1mw10mw连续波连续波连续波连续波CO2200w10.6 m连续波连续波10.6 m5Mw20ns半导体半导体GaAs840nm10mw连续波连续波固体固体染料染料化学化学准分子准分子红宝石红宝石(QS)694nm100Mw10nsNd:YAG(QS)1.06 m50Mw20ns1.06 mNd:YAG50w连续波连续波Nd:玻璃玻璃Rh6G（ML）10Tw1.06 m11pw10Kw600nm30fsHF50Mw3 m50nsArF10Mw20ns193nmCO2（TEA）6.26.2激光的特性及应用激光的特性及应用一、一、激光的主要特性激光的主要特性1、方向性好方向性好-激光的发散角小激光的发散角小。激光器激光器LaserHe-Ne激光经纬仪激光经纬仪测月红宝石激光器测月红宝石激光器=0.031mrad=4 10-5mradD=1.6km=25mrad（毫弧度）（毫弧度）(1km时光斑直径时光斑直径10m)光源光源2亮度高、能量集中亮度高、能量集中太阳太阳1mWHe-Ne激光器激光器大功率激光器大功率激光器 SE光源亮度光源亮度-单位面积、单位时间在垂直于光源单位面积、单位时间在垂直于光源表面的单位立体角内发射的能量。表面的单位立体角内发射的能量。立体角定义：立体角定义：=S/r2Sr P=1mWP=1mW的氦的氦-氖激光器的亮度约是太阳光的氖激光器的亮度约是太阳光的100100倍倍可使一切金属熔化可使一切金属熔化可使一切非金属化为一缕青烟可使一切非金属化为一缕青烟3）单色性好单色性好激光所包含的波长或频率范围极小激光所包含的波长或频率范围极小一束普通的红光一束普通的红光频率范围：频率范围：Laser6328埃的埃的He-Ne激光（中心频率激光（中心频率（理论值，实际几赫兹）（理论值，实际几赫兹）又如单色性最好的氪灯，其中心波长又如单色性最好的氪灯，其中心波长6057埃埃波长范围：波长范围：He-NeLaser中心波长中心波长波长范围：波长范围：4）相干性好相干性好相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。相干性越好则光场中各点光振动在频率、振相干性越好则光场中各点光振动在频率、振动方向的一致性越好，相位的关联性也越好。动方向的一致性越好，相位的关联性也越好。相干性越好则光场中任取两点作光源所产生相干性越好则光场中任取两点作光源所产生的干涉和衍射的条纹越清晰。的干涉和衍射的条纹越清晰。杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉单单缝缝双双缝缝屏屏Ir圆孔衍射圆孔衍射注意：光的单色性越好，则其相干性也越好。注意：光的单色性越好，则其相干性也越好。二者是统一的二者是统一的.1、激光测距、激光雷达和激光准直激光测距、激光雷达和激光准直2、激光用于农业激光用于农业3、激光用于加工领域激光用于加工领域4、激光用于医疗领域激光用于医疗领域5、激光通信激光通信6、激光与能源激光与能源7、激光舞台与激光唱片激光舞台与激光唱片8、激激光光用用于于物物理理学学基基础础研研究究（用用激激光光产产生生冲冲击击波波等）等）朱朱棣棣文文等等发发明明了了用用激激光光冷冷却却原原子子的的方方法法，并并因因此此获获得得1997年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖9、发展中的激光武器发展中的激光武器1010、激光在测试中的运用、激光在测试中的运用二、激光的应用简介二、激光的应用简介