激光器的原理及應用PPT(精)

1、激光器的原理及應用2022年3月14日 姓名：xx 學號：xx 導師：xx光電子技術主要內容n激光器的原理n典型激光器n激光器的應用激光器的原理激光器的基本結構：激光器的基本結構：1、工作物質、工作物質2、泵浦源、泵浦源3、諧振腔、諧振腔增大光波在增益介質中的傳播增大光波在增益介質中的傳播距離距離激光器的原理 激光工作物質激光工作物質是指用來實現(xiàn)粒子數反轉并產生光的受激輻射放大作用的物質體系，有時也稱為激光增益媒質，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）、半導體和液體等媒質。對激光工作物質的主要要求，是盡可能在其工作粒子的特定能級間實現(xiàn)較大程度的粒子數反轉，并使這種

2、反轉在整個激光發(fā)射作用過程中盡可能有效地保持下去；為此，要求工作物質具有合適的能級結構和躍遷特性。 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實現(xiàn)并維持粒子數反轉而提供能量來源的機構或裝置。根據工作物質和激光器運轉條件的不同，可以采取不同的激勵方式和激勵裝置，常見的有以下四種。光學激勵(光泵)。是利用外界光源發(fā)出的光來輻照工作物質以實現(xiàn)粒子數反轉的，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內發(fā)生的氣體放電過程來實現(xiàn)粒子數反轉的，整個激勵裝置通常由放電電極和放電電源組成?；瘜W激勵。是利用在工作物質內部發(fā)生的化學反應過程

3、來實現(xiàn)粒子數反轉的，通常要求有適當的化學反應物和相應的引發(fā)措施。核能激勵。是利用小型核裂變反應所產生的裂變碎片、高能粒子或放射線來激勵工作物質并實現(xiàn)粒子數反轉的。 激光器的原理 光學共振腔光學共振腔 通常是由具有一定幾何形狀和光學反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。作用為：提供光學反饋能力，使受激輻射光子在腔內多次往返以形成相干的持續(xù)振蕩。對腔內往返振蕩光束的方向和頻率進行限制，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不同行進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：質：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半導體激光器半導體激光器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 按化學組成：按化學組成： 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 準分子激光器準分子激光器 激光運轉方激光運轉方式式: 連續(xù)連續(xù) 脈沖脈沖 單脈沖單脈沖 重復頻重復頻率率 準連續(xù)準連續(xù) 激光調制方式激光調制方式 自由運轉自由運轉 調調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，在基質材料中摻入激活

5、離分為晶體和玻璃兩類，在基質材料中摻入激活離子而制成。子而制成。目前已實現(xiàn)激光振蕩的不同基質目前已實現(xiàn)激光振蕩的不同基質摻雜體系的摻雜體系的工作物質有工作物質有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做工作物質 = 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：紅寶石晶體工作物質：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：工作物質：YAG晶體內摻進稀土元素釹晶體內摻進稀土元素釹輸出波長：輸出波長： = 1064nm、914nm、1319nm工作方式：連續(xù)、高重復率脈沖工作方式：連續(xù)、高重復率脈沖 因可摻進較高濃度的釹，故工作物質單位體積能提供

7、較高因可摻進較高濃度的釹，故工作物質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 光譜學光譜學Fiber laser research 光纖激光器研究光纖激光器研究Telecommunications research 遠程通信研究遠程通信研究Semiconductor studies 半導體研究半導體研究（4）連續(xù)波可調諧連續(xù)波可調諧鈦藍寶石激光器鈦藍寶石激光器 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輸出功率可達輸出功率可達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 工作物質工作物質:各種混合氣體，光學均勻性好。各種混合氣體，光學均勻性好。 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、半導體、液體激光器優(yōu)越。導體、液體激光器優(yōu)越。譜線已達數千種譜線已達數千種 (160nm4mm)工作方式：連續(xù)運轉（大多

9、數）工作方式：連續(xù)運轉（大多數）多數氣體激光器有瞬時功率不高的弱點。多數氣體激光器有瞬時功率不高的弱點。 原因：原因：通常氣體氣壓低，單位體積內粒子通常氣體氣壓低，單位體積內粒子 數少。數少。典型激光器（1）氦）氦-氖激光器氖激光器工作物質：氦氖混合氣體工作物質：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 根據選擇的工作條件激光器可以輸出近紅外、根據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：工作物質： 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，主要有兩條連續(xù)譜線，即波長為325nm的紫外輻射和441.6nm的藍光，典型輸出功率分別為125mW和1100mW。主要應用領域包括活字印刷、血細胞計數、集成電路芯片檢驗及激光誘導熒光實驗等。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，重復頻率可達100KHz。當前水平一個脈沖的能量為1mJ左右。這就是說，平均功率可達100W，而峰值功率則高達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，峰值功率可達數十兆外光，峰值功率可達數十兆瓦，脈寬小于瓦，脈寬小于10nS，重復頻，重復頻率數十率數十Hz數千數千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)學及光化學方面醫(yī)學及光化學方面。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. 半導體激光器半導體激光器特點：體積最小、重量最輕，特點：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。由不同組分的半導體材料做成由不同組分的半導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半導體激光器示意圖半導體激光器示意圖 DBR半導體激光器示意圖半導體激光器示意圖 典型激光器垂直腔面發(fā)射半導體激光器（垂直腔面發(fā)射半導體激光器（VCSEL）

14、量子級聯(lián)激光器量子級聯(lián)激光器(quantum cascade lasers, QCLs)基于電子在半導體量子阱中導帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿原理的新型單極半導體器件。典型激光器光纖耦合（尾纖型光纖耦合（尾纖型-pigtail package）半導體激光器件）半導體激光器件 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)學應用眼科普通外科牙科皮膚科激光原理 . 緒論激光器的應用激光器的應用3. 軍事應用激光制導激光測距激光偵察大氣激光通信4. 日常應用激光打印機電腦光驅條形碼掃描器激光

15、防偽激光霓虹燈激光武器5. 通信領域的應用空間激光通信光纖通信激光武器的殺傷機理激光武器的殺傷機理 n一是燒蝕效應一是燒蝕效應-局部高溫局部高溫 n二是激波效應二是激波效應- n三是輻射效應三是輻射效應-強電磁場強電磁場激光武器的優(yōu)點激光武器的優(yōu)點 n1無需進行彈道計算無需進行彈道計算 n2無后座無后座 n3操作簡便，機動靈活，使用范圍廣操作簡便，機動靈活，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體光通信用的激光器差不多全部是半導體激光器，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)射機用的信號光源器用的泵浦光源和發(fā)射機用的信號光源。n應用于自由空間光通信（應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、方向性強等特點，以實現(xiàn)高精利用激光的單色性和相干性好、方向性強等特點，以實現(xiàn)高精 度的計量和檢測，如測量長度