典型激光器及其應用課件

1、光電子技術Photoelectronic Technique 1.4 典型激光器及其應用主講：周自剛 助教：范宗學21、激光器應用工業(yè)加工，測量，快速成型，準直，光刻，光盤通訊半導體激光器，放大器航天測距軍事雷達，制導，測距，制盲醫(yī)學手術刀，眼科，皮膚科，結石，血管，光鑷科研3工業(yè)4工業(yè)5工業(yè)6工業(yè)7工業(yè)8醫(yī)學9航天10軍事測距，敵我識別，通信，制導11科研12科研132、激光器分類激光工作介質固體激光器(光纖激光器）氣體激光器半導體激光器染料激光器自由電子激光器化學組成原子激光器分子激光器離子激光器自由電子激光器準分子激光器激光運轉方式連續(xù)脈沖單脈沖重復頻率準連續(xù)激光調(diào)制方式自由運轉調(diào)Q鎖模

2、143、常見激光器1 CO2激光器2 He-Ne激光器3 Ar離子激光器4 準分子激光器5 染料激光器6 自由電子激光器15（1） CO2激光器屬于氣體激光器，分子激光器波長 911um，最常見10.6um效率高光束質量好功率范圍大（幾瓦幾萬瓦）運行方式多樣結構多樣16CO2激光器工作原理17CO2激光器的激發(fā)機理上能級的激發(fā)下能級的激發(fā)弛豫過程輔助氣體N2 CO He Xe H2 H2O18CO2激光器類型封離型縱向激勵CO2激光器高功率軸快流CO2激光器高功率橫流CO2激光器橫向激勵高氣壓CO2激光器（TEA）波導CO2激光器19CO2激光器運行方式20（2）He-Ne激光器氣體原子激光器

3、輸出譜線：632.8nm，1.15um，3.39um，以632.8nm為最常見。功率在mW級，最大1W光束質量好，發(fā)散角可小于1mrad單色性好，帶寬可小于20Hz穩(wěn)定性高半外腔式氦氖激光管結構布儒斯特窗毛細管陽極陰極部分反射鏡全反射鏡布儒斯特窗21He-Ne激光器工作原理能級圖22He-Ne激光器工作特性譜線競爭（3.39um譜線的抑制）輸出功率的穩(wěn)定性穩(wěn)頻輸出內(nèi)腔式氦氖激光管結構出光端毛細管陽極陰極部分反射鏡全反射鏡23（3） Ar離子激光器24Ar離子激光器工作原理25Ar離子激光器工作特性和結構26（4） 準分子激光器準分子指在激發(fā)態(tài)能夠暫時結合成的不穩(wěn)定分子（Excimer）高重復率

4、可調(diào)諧量子效率高波長短，紫外到可見區(qū)主要的準分子激光器27準分子激光器工作原理躍遷過程泵浦要求電子束泵浦機理脈沖放電泵浦機理28（5） 染料激光器以某種有機染料溶解于一定溶劑中作為激活介質的激光器波長可調(diào)諧，調(diào)諧范圍寬光譜分辨率高結構簡單價格便宜穩(wěn)定性差29染料激光器的工作原理30染料激光器的工作方式脈沖染料激光器閃光泵浦激光器泵浦連續(xù)染料激光器波長調(diào)諧光柵棱鏡FP雙折射濾光片31（6） 自由電子激光器真空中自由電子通過與泵浦場（周期磁場或電磁場）相互作用產(chǎn)生激光。高功率（MW）高效率（理論上50）寬波長調(diào)諧范圍（原則上從微波到X射線）32自由電子激光組成及類型組成高能電子加速器擺動器光學諧振

5、腔類型磁韌致輻射自由電子激光器康普頓型自由電子激光器拉曼型自由電子激光器切倫科夫輻射自由電子激光器電子加速器擺動磁場陣列全反射鏡輸出鏡電子束lW自由電子激光器結構原理33（7） 半導體激光器法布里-珀羅腔介電反射鏡半導體激光器結構 34半導體激光器的基本結構和工作原理 GaAs激光器的結構半導體激光器工作的閾值條件 激光器產(chǎn)生激光的前提條件除了粒子數(shù)發(fā)生反轉還需要滿足閾值條件 增益系數(shù)和粒子數(shù)反轉的關系也取決于諧振腔內(nèi)的工作物質 35（8） 光纖激光器361.光纖通信對半導體激光器光源的要求 1）體積小、重量輕、電光轉換效率高、可以直接調(diào)制、使用方便等優(yōu)點，因此它非常適用于光纖通信之中。 1）

6、法布里珀羅（FP）激光器 2.作為通信光源的半導體激光器 2）光發(fā)射端機的工作原理 光發(fā)射端機框圖 2）分布反饋（DFB）半導體激光器 3）分布反饋半導體激光器（DFB-LD）加電吸收型（EA）外調(diào)制器的集成光源 37一、光纖激光器的基本原理及其特點 1、基本原理：以縱向泵浦的光纖激光器的結構為例，如圖9-5所示 圖光纖激光器原理示意圖 2、特點：以縱向泵浦的光纖激光器的結構為例，如圖所示 二、光纖激光器的分類及其應用 1、稀土類摻雜光纖激光器 2、光纖受激拉曼散射激光器 3、光纖光柵激光器 381.脈沖寬度極短 1fs=10-15秒(電子繞原子核半周的時間)微觀世界超快過程的研究 物理 化學

7、 生物學飛秒激光概念（9） 飛秒激光器39 2.峰值功率極高 10121015W10181021W/cm2 ( E=1011V/cm 氫原子庫侖場5109V/cm ）極端物理條件 光壓 1091012bars 磁場 109高斯 加速度 1021g(1022m/s2) 溫度 108 聚焦飛秒激光概念40飛秒激光性能A、是一種以脈沖形式運轉的激光，持續(xù)時間非常短，只有幾個飛秒，比利用電子學方法所獲得的最短脈沖要短幾千倍B、具有非常高的瞬時功率，可達到百萬億瓦，比目前全世界發(fā)電總功率還要多出百倍。C、能聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小的空間區(qū)域，使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高數(shù)倍。41振蕩

8、器輸出參數(shù)：平均功率 ： 340mW重復頻率 ： 74MHz單脈沖能量 ： 4.6nJ光譜寬度 ： 60nm脈沖寬度 ： 20fs42飛秒激光產(chǎn)生超快科學（探測某些超快物理過程） 物理 化學 生物學超快技術 電子學（光電取樣） 光通訊 成像 共焦顯微 OCT放大超快超強科學（創(chuàng)造一個極端物理條件） 飛秒等離子體 強場下電子相對論運動 Schanneling相對論自聚焦 千兆巴激光壓力 尾場等離子體波未來新突破未來新突破 飛秒相干x射線及x激光 （高次諧波，湯姆遜效應） x光顯微術、印刷術、照相 激光熱核聚變快速點火 激光粒子加速器 THz毫米波技術 云層放電 超高速計算機 超高速光通訊 生物技術（合成生物分子） 醫(yī)學（OCT） 微加工技術飛秒激光應用43在物理學、生物學、化學控制反應、光通訊等領域應用。應用 第一 能“ 征服老天爺” 由于飛秒激光可以擊穿大氣，所以可用來制造放電通道，實現(xiàn)人工引雷，可避免飛機、火箭、發(fā)電廠等因雷擊而造成的意外災難性破壞。 第二 能使“ 設備袖珍化”一方面， 利用飛秒激光能夠有效地加速電子， 使規(guī)模龐大的加速器設備小型化另一方面， 在超精細微加工、高密度信息記錄方面也為人類開辟了廣闊的應用前景，制造超小衛(wèi)星等。 第三 能“ 開辟新能源” 高功率飛秒激光與物質相互作用時， 能夠產(chǎn)生足夠數(shù)量的中子，實現(xiàn)激光控制核