激光器的原理與應(yīng)用(電科111董雪)

1、激光的原理與應(yīng)用班級(jí)：電科111 姓名：董雪 學(xué)號(hào)：4 內(nèi)容簡(jiǎn)介：本文從激光的原理、激光器的原理、典型激光器介紹、激光的應(yīng)用四個(gè)方面進(jìn)行了闡述，對(duì)激光的原理及應(yīng)用有了一個(gè)構(gòu)架式的說(shuō)明。 1. 激光的原理光的輻射既是一種電磁波又是一種粒子流，激光是在人們認(rèn)識(shí)到光有這兩種互相對(duì)立而又互相聯(lián)系的性質(zhì)后才發(fā)明的。激光與普通光源相比有三個(gè)主要特點(diǎn)，即方向性好，相干性好和亮度高，其原因在于激光主要是光受激輻射，而普通光源主要是光的自發(fā)輻射。要使受激輻射起主要作用而產(chǎn)生激光，必須具備三個(gè)條件：（1） 有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，其激活粒子（原子、分子或離子）有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級(jí)結(jié)構(gòu)；（2

2、） 有外界激勵(lì)源，將下能級(jí)的粒子抽運(yùn)到上能級(jí)，使激光上下能級(jí)之間產(chǎn)生粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)；（3） 有光學(xué)諧振腔，增長(zhǎng)激活介質(zhì)的工作長(zhǎng)度，控制光束的傳播方向，選擇被放大的受激輻射光頻率以提高單色性。2激光器的原理一個(gè)典型的激光器由三部分組成，即激光工作物質(zhì)、抽運(yùn)系統(tǒng)和光學(xué)諧振腔。工作物質(zhì)可以是氣體、固體、半導(dǎo)體等，并將相應(yīng)的激光器依次稱為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器等。抽運(yùn)系統(tǒng)提供能源，使激光器工作物質(zhì)中產(chǎn)生激光的兩能級(jí)（分別稱為激光上、下能級(jí)）上粒子數(shù)密度按照與平衡態(tài)相反的方式分布。（1） 光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性激光是在光學(xué)諧振腔中產(chǎn)生的。光學(xué)諧振腔對(duì)激光的形成和激光束的特性起重要的作用，它的

3、主要功能之一是使光在腔內(nèi)來(lái)回反射多次以增長(zhǎng)激活介質(zhì)作用的工作長(zhǎng)度，提高腔內(nèi)的光能密度。兩塊平面鏡就可以使與平面垂直的光線在腔內(nèi)來(lái)回反射任意多次，而不會(huì)投射到平面鏡的通光口徑之外。顯而易見(jiàn)的是，不垂直于反射鏡表面的傍軸光線經(jīng)過(guò)任意多次往返傳播而不溢出腔外的諧振腔能夠使激光器穩(wěn)定的發(fā)出激光，這種諧振腔叫做穩(wěn)定腔，反之稱為不穩(wěn)定腔。（2） 速率方程組與粒子反轉(zhuǎn)數(shù)有了光學(xué)諧振腔，在其中充以激光工作物質(zhì)，并在外界激勵(lì)源作用下，將下能級(jí)的粒子抽運(yùn)到上能級(jí)，使激光上下能級(jí)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，激光就可以工作。（3） 均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)增益系數(shù)對(duì)激光器的工作特性起著十分重要的作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同的介質(zhì)，其增

4、益系數(shù)可以有很大的差別同一種介質(zhì)的增益系數(shù)也隨工作條件的變化而改變。介質(zhì)的增益系數(shù)隨頻率的變化規(guī)律和介質(zhì)的線性函數(shù)也隨頻率的變化規(guī)律相似。當(dāng)測(cè)量增益系數(shù)所用的入射光強(qiáng)度很小尚未發(fā)出激光時(shí)，測(cè)得的增益系數(shù)是一個(gè)常數(shù)，可以視為上一節(jié)中定義的小信號(hào)的增益系數(shù)。當(dāng)測(cè)量所用的光強(qiáng)度增大到一定程度后，增益系數(shù)的值將隨光強(qiáng)的增加而下降，產(chǎn)生增益飽和現(xiàn)象。（4） 非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和一般低壓氣體激光器介質(zhì)的發(fā)光特性是:對(duì)確定的上、下能級(jí)E¹、E²，介質(zhì)中單個(gè)粒子發(fā)光的譜線線型函數(shù)仍然是均勻增寬型的，但是由于氣體粒子處在劇烈、混亂的熱運(yùn)動(dòng)之中，由大量粒子組成的氣體介質(zhì)發(fā)光時(shí)，接收到的光譜

5、譜線的線型變成非均勻增寬型的。（5） 激光器的損耗與閾值條件激光器產(chǎn)生激光的前提條件是介質(zhì)必須實(shí)現(xiàn)能級(jí)間的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布，即n>0,或者說(shuō)增益系數(shù)G>0。但是，由于光波在實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)中傳播時(shí)還有各種損耗，只有當(dāng)因增益放大而增加的光能量，除了能夠補(bǔ)償因損耗而失去的部分外，還能有剩余時(shí)，光波才能被放大。所以要求增益系數(shù)要大于一個(gè)下限值，此下限值即為激光器的閾值。它的數(shù)值由各種損耗的大小所決定。3.典型的激光器介紹（1）固體激光器固體激光器是以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃作為工作物質(zhì)的激光器。在激光發(fā)展史上，固體激光器是最早實(shí)現(xiàn)激光工作的。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)激光震蕩的固體工作

6、物質(zhì)有百余種，激光譜線有數(shù)千條，但是最常采用的固體工作物質(zhì)仍然是紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石三種。（2）氣體激光器氣體激光器是以氣體或蒸汽作為工作物質(zhì)的激光器。由于氣體激光器是利用氣體原子、分子或離子的分能級(jí)進(jìn)行工作的，所以它的躍遷譜線及相應(yīng)的激光波長(zhǎng)范圍較寬，目前已觀測(cè)到的激光譜線不下萬(wàn)余條，遍及從紫外線到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光譜區(qū)。與其他種類的激光器相比較，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防和科學(xué)研究中都有廣泛應(yīng)用。（3）染料激光器1966年，人們第一次利用巨脈沖紅寶石激光器泵浦氯化鋁酞化菁類染料，獲得了受激輻射。此后，燃料激光器得到了迅速的發(fā)展。染料激光器受到人們重視的原因是：輸出激光波長(zhǎng)可調(diào)諧，某些染料激光波

7、長(zhǎng)的可調(diào)寬度達(dá)上百納米；激光脈沖寬度可以很窄，目前，由染料激光器產(chǎn)生的超短脈沖寬度可壓縮至飛秒量級(jí)；染料激光器的輸出功率大，可與固體激光器比擬，并且價(jià)格便宜；染料激光器工作物質(zhì)具有均勻性好等優(yōu)良的光學(xué)質(zhì)量。因此，它在光化學(xué)、光生物學(xué)、光譜學(xué)，化學(xué)動(dòng)力學(xué)、同位素分離、全息照相和光通信中，正獲得日益廣泛的重要應(yīng)用。（4）半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為激光工作物質(zhì)的激光器。它具有超小型、高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，以及可以高速工作等一系列優(yōu)點(diǎn)。自1942年問(wèn)世，特別是20世紀(jì)80年代以來(lái)，發(fā)展極為迅速，是目前光通信系統(tǒng)的最重要的光源，并且在CD、VCD、DVD播放機(jī)、計(jì)算機(jī)光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、激

8、光打印機(jī)、全息照相、激光準(zhǔn)直、測(cè)距及醫(yī)療等許多方面都獲得了重要應(yīng)用。（5）其他激光器以上介紹了固體、氣體、半導(dǎo)體及染料激光器，他們都是一些發(fā)展得較早和較為成熟的激光器。除此之外，還有準(zhǔn)分子激光器、自由電子激光器、化學(xué)激光器、光纖激光器等一些新發(fā)展起來(lái)的且有較好應(yīng)用前景的激光器。4.激光的應(yīng)用激光優(yōu)異的單色性、方向性和高亮度，使它在多方面得到應(yīng)用。例如，激光在加工工業(yè)中被用來(lái)完成打孔、焊接、切割、快速成型，在醫(yī)學(xué)中制造了激光手術(shù)刀、激光近視眼治療儀、激光輻照儀，在IT產(chǎn)業(yè)中大量用作光通信、光存儲(chǔ)、光信息處理的光源，在近代的科學(xué)研究中用于受控核聚變、光譜分析、操縱原子、誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)，乃至探索宇宙的

9、起源。（1）激光在精密測(cè)量中的應(yīng)用激光最早期的應(yīng)用還是在計(jì)算領(lǐng)域。它可以與自然基準(zhǔn) 光的波長(zhǎng)直接相聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，特別是在長(zhǎng)度測(cè)量領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。 激光的高度相干性使它一經(jīng)發(fā)明就成為替代氪86作為絕對(duì)光波干涉儀的首選光源，經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，激光干涉計(jì)量已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，成為可以在生產(chǎn)車間使用的測(cè)量檢定標(biāo)準(zhǔn)，激光的衍射測(cè)量也成為許多在線控制系統(tǒng)的長(zhǎng)度傳感器。激光的良好方向性和極高的亮度不僅為人們提供了一條可見(jiàn)的基準(zhǔn)直線，而且為長(zhǎng)距離的光電測(cè)距提供了可能。激光同時(shí)具有高亮度和高相干性，使得光的多普勒效應(yīng)能夠在測(cè)速方面得到應(yīng)用。激光雷達(dá)則綜合應(yīng)用了激光各方面的有點(diǎn)，成為環(huán)境監(jiān)測(cè)的有力武器

10、。（2）激光加工技術(shù)激光的高亮度、方向性好的特點(diǎn)使光能（功率）可以集中在很小的區(qū)域內(nèi)，因此，自第一臺(tái)激光器誕生以后，人們就開(kāi)始探索激光在加工領(lǐng)域中的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代初期，Nd:YAG激光開(kāi)始用于工業(yè)生產(chǎn)。隨著大功率激光器與各種激光技術(shù)的發(fā)展，激光與材料相互作用研究的深入，激光加工已經(jīng)成為加工領(lǐng)域中的一種常用技術(shù)。激光加工作為一種非接觸、無(wú)污染、低噪聲、節(jié)省材料的綠色加工技術(shù)還具有信息時(shí)代的特點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)智能控制，實(shí)現(xiàn)加工技術(shù)的高度柔性化和模塊化，實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)加工技術(shù)的集成。因此，激光加工已經(jīng)成為21世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)中不可缺少的一部分。（3）激光在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用激光醫(yī)學(xué)是激光技術(shù)和醫(yī)學(xué)相結(jié)合

11、的一門(mén)新興的邊緣學(xué)科。1960年，Maiman發(fā)明第一臺(tái)紅寶石激光器。1961年，Campbell首先將紅寶石激光用于眼科的治療，從此開(kāi)始了激光在醫(yī)學(xué)臨床的應(yīng)用。1963年，Goldman將其應(yīng)用與皮膚科學(xué)。同時(shí)，值得關(guān)注的是二氧化碳激光器作為光學(xué)手術(shù)刀的出現(xiàn)，逐漸在醫(yī)學(xué)臨床的各學(xué)科確立了自己的地位。1970年，Nath發(fā)明了光導(dǎo)纖維，到1973年通過(guò)內(nèi)鏡技術(shù)成功地將激光導(dǎo)入公務(wù)的胃腸道，自此實(shí)現(xiàn)了無(wú)創(chuàng)導(dǎo)入技術(shù)的飛速發(fā)展。1976年，Hofstetter首先將激光用于泌尿外科。Diamond在1972年首先將這種物質(zhì)用于光動(dòng)力學(xué)治療。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，激光的應(yīng)用范圍非常廣泛，不僅在臨床上激光作為一種技術(shù)手段，被各臨床學(xué)科用于疾病的診斷和治療，而且在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)中的細(xì)胞水平的操作和生物學(xué)領(lǐng)域中激光技術(shù)也占有重要地位。另外，還可以利用激光顯微加工技術(shù)制造一用微型儀器。再者，利用全息的生物體信息的記錄及醫(yī)療信息光通信等與信息工程有關(guān)的領(lǐng)域，從廣義上來(lái)講，也屬于激光在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。（4）激光在信息技術(shù)中的應(yīng)用眾所周知，現(xiàn)今是信息時(shí)代。從技術(shù)角度看，信息涉及到的領(lǐng)域十分廣闊，它包括信息的產(chǎn)生、發(fā)送、傳輸、探測(cè)、存儲(chǔ)、顯示等許多方面。激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用，包括以激光為信息載