激光器原理及應(yīng)用-PPT(精)

1、激光器的原理及應(yīng)用2022年2月15日 姓名：xx 學(xué)號：xx 導(dǎo)師：xx光電子技術(shù)主要內(nèi)容n激光器的原理n典型激光器n激光器的應(yīng)用激光器的原理激光器的基本結(jié)構(gòu)：激光器的基本結(jié)構(gòu)：1、工作物質(zhì)、工作物質(zhì)2、泵浦源、泵浦源3、諧振腔、諧振腔增大光波在增益介質(zhì)中的傳播增大光波在增益介質(zhì)中的傳播距離距離激光器的原理 激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)是指用來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系，有時也稱為激光增益媒質(zhì)，它們可以是固體（晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導(dǎo)體和液體等媒質(zhì)。對激光工作物質(zhì)的主要要求，是盡可能在其工作粒子的特定能級間實(shí)現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并使這種

2、反轉(zhuǎn)在整個激光發(fā)射作用過程中盡可能有效地保持下去；為此，要求工作物質(zhì)具有合適的能級結(jié)構(gòu)和躍遷特性。 激光器的原理 激勵激勵(泵浦泵浦)系統(tǒng)系統(tǒng)是指為使激光工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而提供能量來源的機(jī)構(gòu)或裝置。根據(jù)工作物質(zhì)和激光器運(yùn)轉(zhuǎn)條件的不同，可以采取不同的激勵方式和激勵裝置，常見的有以下四種。光學(xué)激勵(光泵)。是利用外界光源發(fā)出的光來輻照工作物質(zhì)以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個激勵裝置，通常是由氣體放電光源（如氙燈、氪燈）和聚光器組成。氣體放電激勵。是利用在氣體工作物質(zhì)內(nèi)發(fā)生的氣體放電過程來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個激勵裝置通常由放電電極和放電電源組成?；瘜W(xué)激勵。是利用在工作物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過程

3、來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，通常要求有適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)物和相應(yīng)的引發(fā)措施。核能激勵。是利用小型核裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的裂變碎片、高能粒子或放射線來激勵工作物質(zhì)并實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的。 激光器的原理 光學(xué)共振腔光學(xué)共振腔 通常是由具有一定幾何形狀和光學(xué)反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。作用為：提供光學(xué)反饋能力，使受激輻射光子在腔內(nèi)多次往返以形成相干的持續(xù)振蕩。對腔內(nèi)往返振蕩光束的方向和頻率進(jìn)行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。共振腔作用，是由通常組成腔的兩個反射鏡的幾何形狀（反射面曲率半徑）和相對組合方式所決定；而作用，則是由給定共振腔型對腔內(nèi)不同行進(jìn)方向和不同頻率的光，具有不同的選擇性損耗特性

4、所決定的。激光器分類n按激光工作介按激光工作介質(zhì)：質(zhì)：n固體激光器固體激光器 (光纖激光器）光纖激光器）n氣體激光器氣體激光器n半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器n染料激光器染料激光器n自由電子激光自由電子激光器器 按化學(xué)組成：按化學(xué)組成： 原子激光器原子激光器 分子激光器分子激光器 離子激光器離子激光器 自由電子激光器自由電子激光器 準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器 激光運(yùn)轉(zhuǎn)方激光運(yùn)轉(zhuǎn)方式式: 連續(xù)連續(xù) 脈沖脈沖 單脈沖單脈沖 重復(fù)頻重復(fù)頻率率 準(zhǔn)連續(xù)準(zhǔn)連續(xù) 激光調(diào)制方式激光調(diào)制方式 自由運(yùn)轉(zhuǎn)自由運(yùn)轉(zhuǎn) 調(diào)調(diào)Q 鎖模鎖模典型激光器典型激光器1. 1. 固體激光器固體激光器分為晶體和玻璃兩類，在基質(zhì)材料中摻入激活

5、離分為晶體和玻璃兩類，在基質(zhì)材料中摻入激活離子而制成。子而制成。目前已實(shí)現(xiàn)激光振蕩的不同基質(zhì)目前已實(shí)現(xiàn)激光振蕩的不同基質(zhì)摻雜體系的摻雜體系的工作物質(zhì)有工作物質(zhì)有200多種，但是，性能好，使用廣泛的主多種，但是，性能好，使用廣泛的主要有下面三種。要有下面三種。（1）釹玻璃激光器）釹玻璃激光器 在玻璃中摻入稀土元素釹在玻璃中摻入稀土元素釹做工作物質(zhì)做工作物質(zhì) = 1.053 m由于可獲得大體積均勻性良好的釹玻璃，因而可由于可獲得大體積均勻性良好的釹玻璃，因而可制成大型器件，獲得高能量和功率的激光，現(xiàn)已制制成大型器件，獲得高能量和功率的激光，現(xiàn)已制成輸出功率成輸出功率1014W激光器。激光器。（2）

6、紅寶石激光器）紅寶石激光器0.1nm0.01 3nm694 .工作方式：連續(xù)、脈沖工作方式：連續(xù)、脈沖發(fā)發(fā) 散散 角角 ： 10-3rad，一般為多模輸出；，一般為多模輸出； 泵浦功率泵浦功率閾值閾值1020%單模單模工作物質(zhì)：紅寶石晶體工作物質(zhì)：紅寶石晶體輸出波長：輸出波長：輸出線寬：輸出線寬：典型激光器（3）摻釹釔鋁石榴石（）摻釹釔鋁石榴石（ Nd :YAG）工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：YAG晶體內(nèi)摻進(jìn)稀土元素釹晶體內(nèi)摻進(jìn)稀土元素釹輸出波長：輸出波長： = 1064nm、914nm、1319nm工作方式：連續(xù)、高重復(fù)率脈沖工作方式：連續(xù)、高重復(fù)率脈沖 因可摻進(jìn)較高濃度的釹，故工作物質(zhì)單位體積能提供

7、較高因可摻進(jìn)較高濃度的釹，故工作物質(zhì)單位體積能提供較高的激光功率，激光器也可作的比較小，若半導(dǎo)體激光器作泵浦的激光功率，激光器也可作的比較小，若半導(dǎo)體激光器作泵浦源的器件體積更小。源的器件體積更小。典型激光器Applications Spectroscopy 光譜學(xué)光譜學(xué)Fiber laser research 光纖激光器研究光纖激光器研究Telecommunications research 遠(yuǎn)程通信研究遠(yuǎn)程通信研究Semiconductor studies 半導(dǎo)體研究半導(dǎo)體研究（4）連續(xù)波可調(diào)諧連續(xù)波可調(diào)諧鈦藍(lán)寶石激光器鈦藍(lán)寶石激光器 3900S CW Tunable Ti:sapphir

8、e Laser輸出波長從輸出波長從675到到1100nm 由由Ar laser或或LD泵浦泵浦532nm激光器泵浦激光器泵浦TEM00輸出功率可達(dá)輸出功率可達(dá)3.5W cwThe high-performance, tunable, solid state IR laser典型激光器2. 2. 氣體激光器氣體激光器 工作物質(zhì)工作物質(zhì):各種混合氣體，光學(xué)均勻性好。各種混合氣體，光學(xué)均勻性好。 氣體激光器在單色性、光束穩(wěn)定性方面比固體、半氣體激光器在單色性、光束穩(wěn)定性方面比固體、半導(dǎo)體、液體激光器優(yōu)越。導(dǎo)體、液體激光器優(yōu)越。譜線已達(dá)數(shù)千種譜線已達(dá)數(shù)千種 (160nm4mm)工作方式：連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)（大多

9、數(shù)）工作方式：連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)（大多數(shù)）多數(shù)氣體激光器有瞬時功率不高的弱點(diǎn)。多數(shù)氣體激光器有瞬時功率不高的弱點(diǎn)。 原因：原因：通常氣體氣壓低，單位體積內(nèi)粒子通常氣體氣壓低，單位體積內(nèi)粒子 數(shù)少。數(shù)少。典型激光器（1）氦）氦-氖激光器氖激光器工作物質(zhì)：氦氖混合氣體工作物質(zhì)：氦氖混合氣體 激光由氖原子發(fā)射，氦氣起改善氣體放電條件，激光由氖原子發(fā)射，氦氣起改善氣體放電條件，提高激光器輸出功率的作用。提高激光器輸出功率的作用。輸出波長：常用的為輸出波長：常用的為 =632.8nm 根據(jù)選擇的工作條件激光器可以輸出近紅外、根據(jù)選擇的工作條件激光器可以輸出近紅外、紅光、黃光、綠光。紅光、黃光、綠光。（ =3.39

10、m ； =1.15m）典型激光器（2）CO2 激光器激光器工作物質(zhì)：工作物質(zhì)： CO2 、He、N2、Xe的混合氣體的混合氣體 激光由激光由CO2分子發(fā)射，其它氣體協(xié)助改善分子發(fā)射，其它氣體協(xié)助改善激光器的工作條件，激光器的工作條件，提高激光器輸出功率提高激光器輸出功率水平和使用壽命。水平和使用壽命。輸出波長：輸出波長： =10.6mCO2 激光器是輸出功激光器是輸出功率最高的氣體激光器，率最高的氣體激光器，有連續(xù)輸出有連續(xù)輸出50kW；脈；脈沖輸出沖輸出1012W的激光器。的激光器。典型激光器（3）氬離子氣體激光器）氬離子氣體激光器 輸出波長：輸出波長： =488nm； =514.5 nm

11、； 在可見光區(qū)輸出功率最高在可見光區(qū)輸出功率最高輸出功率從幾瓦輸出功率從幾瓦幾百瓦。幾百瓦。氬氬/氪離子激光器，氪離子激光器，Stabilite 2017 Argon/Krypton Ion Laser典型激光器氦-鎘激光器 以鎘金屬蒸氣為發(fā)光物質(zhì)，主要有兩條連續(xù)譜線，即波長為325nm的紫外輻射和441.6nm的藍(lán)光，典型輸出功率分別為125mW和1100mW。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括活字印刷、血細(xì)胞計數(shù)、集成電路芯片檢驗及激光誘導(dǎo)熒光實(shí)驗等。俄羅斯俄羅斯PLASMAPLASMA公司的氦公司的氦鎘激光器鎘激光器典型激光器銅蒸氣激光器 一般通過電子碰撞激勵，兩條主要的工作譜線是波長510.5nm的綠光

12、和578.2nm的黃光，典型脈沖寬度1050nS，重復(fù)頻率可達(dá)100KHz。當(dāng)前水平一個脈沖的能量為1mJ左右。這就是說，平均功率可達(dá)100W，而峰值功率則高達(dá)100KW。 典型激光器氮分子激光器氮分子激光器VSL-337ND-S Nitrogen Laser 脈沖放電激勵輸出紫脈沖放電激勵輸出紫外光，峰值功率可達(dá)數(shù)十兆外光，峰值功率可達(dá)數(shù)十兆瓦，脈寬小于瓦，脈寬小于10nS，重復(fù)頻，重復(fù)頻率數(shù)十率數(shù)十Hz數(shù)千數(shù)千Hz，主要用，主要用作染料激光器的泵浦源，作染料激光器的泵浦源，也可用于光譜分析、檢測、也可用于光譜分析、檢測、醫(yī)學(xué)及光化學(xué)方面醫(yī)學(xué)及光化學(xué)方面。常見。常見波長：波長：337.1nm

13、、357.7nm（3）氮分子激光器）氮分子激光器 典型激光器3. 3. 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器特點(diǎn)：體積最小、重量最輕，特點(diǎn)：體積最小、重量最輕，使用壽命長，有效使用時間使用壽命長，有效使用時間超過超過10萬小時。萬小時。輸出波長范圍：紫外、可見、紅外輸出波長范圍：紫外、可見、紅外輸出功率：輸出功率：mW、W、kW。由不同組分的半導(dǎo)體材料做成由不同組分的半導(dǎo)體材料做成激光有源區(qū)和約束區(qū)的激光器。激光有源區(qū)和約束區(qū)的激光器。典型激光器DFB半導(dǎo)體激光器示意圖半導(dǎo)體激光器示意圖 DBR半導(dǎo)體激光器示意圖半導(dǎo)體激光器示意圖 典型激光器垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（VCSEL）

14、量子級聯(lián)激光器量子級聯(lián)激光器(quantum cascade lasers, QCLs)基于電子在半導(dǎo)體量子阱中導(dǎo)帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿原理的新型單極半導(dǎo)體器件。典型激光器光纖耦合（尾纖型光纖耦合（尾纖型-pigtail package）半導(dǎo)體激光器件）半導(dǎo)體激光器件 ProLite型光纖耦合單發(fā)射激光器型光纖耦合單發(fā)射激光器典型激光器1. 工業(yè)應(yīng)用精密測量(距離、位移)激光加工(切割、焊接、打孔、雕刻)光譜分析2. 醫(yī)學(xué)應(yīng)用眼科普通外科牙科皮膚科激光原理 . 緒論激光器的應(yīng)用激光器的應(yīng)用3. 軍事應(yīng)用激光制導(dǎo)激光測距激光偵察大氣激光通信4. 日常應(yīng)用激光打印機(jī)電腦光驅(qū)條形碼掃描器激光

15、防偽激光霓虹燈激光武器5. 通信領(lǐng)域的應(yīng)用空間激光通信光纖通信激光武器的殺傷機(jī)理激光武器的殺傷機(jī)理 n一是燒蝕效應(yīng)一是燒蝕效應(yīng)-局部高溫局部高溫 n二是激波效應(yīng)二是激波效應(yīng)- n三是輻射效應(yīng)三是輻射效應(yīng)-強(qiáng)電磁場強(qiáng)電磁場激光武器的優(yōu)點(diǎn)激光武器的優(yōu)點(diǎn) n1無需進(jìn)行彈道計算無需進(jìn)行彈道計算 n2無后座無后座 n3操作簡便，機(jī)動靈活，使用范圍廣操作簡便，機(jī)動靈活，使用范圍廣n4無放射性污染，性價比高無放射性污染，性價比高 光通信原理示意圖光通信原理示意圖 n光通信用的激光器差不多全部是半導(dǎo)體光通信用的激光器差不多全部是半導(dǎo)體激光器，只有少量的激光器，只有少量的CATV系統(tǒng)采用系統(tǒng)采用1310納米或納米或1550納米納米LD泵浦固體激光泵浦固體激光器。器。n通信用的激光器主要有兩類：光纖放大通信用的激光器主要有兩類：光纖放大器用的泵浦光源和發(fā)射機(jī)用的信號光源器用的泵浦光源和發(fā)射機(jī)用的信號光源。n應(yīng)用于自由空間光通信（應(yīng)用于自由空間光通信（FSO）的激光）的激光器有器有850nm和和1550nm兩種兩種激光測距激光測距 利用激光的單色性和相干性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高精利用激光的單色性和相干性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高精 度的計量和檢測，如測量長度