激光-理論-培訓(xùn)

1、激光 理論 培訓(xùn)培訓(xùn)目的：模糊 業(yè)余1模糊到業(yè)余的過程了解激光發(fā)展史激光如何產(chǎn)生的 2一、激光器的產(chǎn)生和發(fā)展二、激光的相關(guān)名詞解釋三、激光的原理簡介四、產(chǎn)生激光的五個(gè)條件五、激光的特性六、激光器的結(jié)構(gòu)七、激光器的種類3激光學(xué)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，是繼原子能、計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體技術(shù)之后的重大科技成果之一。被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。激光的最初中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞的頭一個(gè)字母組成

2、的縮寫詞。意思是“受激輻射的光放大”。激光的英文全名已完全表達(dá)了制造激光的主要過程。41916年 愛因斯坦提出的“自發(fā)和受激輻射”理論是現(xiàn)代激光系統(tǒng)的物理學(xué)基礎(chǔ)。1960年 梅曼（Theodore Maiman）成功地應(yīng)用人工合成的淡紅色寶石晶體制造出世界上第一臺(tái)激光器，為輸出波長694.3nm，脈能400mJ的相干光，被稱做激光。為了表明其威力，Maiman用毫米波的脈沖激光在一打剃須刀片上成功地進(jìn)行了一次鉆孔實(shí)驗(yàn)。51961年， Java等研制成功了波長1150nm、近紅外線的氦氖（HeNe）激光器；同年，Johnson發(fā)明了摻銣釔鋁石榴石（Nd ：YAG）激光器；1962年， Benne

3、tt研制成功了波長為488nm的氬（Argon）激光器；1964年， Pate等又發(fā)明了二氧化碳（CO2）激光器。隨后，多種固體、氣體和半導(dǎo)體激光器相繼問世，標(biāo)志著一門新興學(xué)科激光技術(shù)的形成。 1961年 我國研制出第一臺(tái)紅寶石激光器。1964年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。6二、激光的相關(guān)名詞解釋原子處在激發(fā)態(tài)時(shí)間很短10-8s，但有些物質(zhì)還有一些亞穩(wěn)態(tài)，可以停留10-3s,在亞穩(wěn)態(tài)上粒子數(shù)不斷積累，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，達(dá)到光放大的目的。技術(shù)上要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，一定要有能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)，稱為工作物質(zhì)。這種物質(zhì)存在比一般激發(fā)態(tài)穩(wěn)定得多的能級，平均壽命可達(dá)10-31

4、s的數(shù)量級，稱亞穩(wěn)態(tài)。7當(dāng)原子內(nèi)所有電子處于可能的最低能 級時(shí)，整個(gè)原子的能量最低，我們稱原子處于基態(tài)。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)電子處于較高的能級時(shí)，我們稱原子處于受激狀態(tài)。電子可 通過吸收或釋放在能級之間躍遷。躍遷又可分為三種形式 81.受激吸收 電子透過吸收光子從低能階躍遷到高能階 92.自發(fā)幅射 電子自發(fā)地透過釋放光子從高能階躍遷到較低能階 103.受激幅射 光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低 能階，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相，此波長對應(yīng)于兩個(gè)能階的能量差。一個(gè)光子誘發(fā)一個(gè)原子發(fā)射一個(gè)光子，最後就變成兩個(gè)相同的光子。11受激輻射的特點(diǎn)如下：感應(yīng)光子的能量等于向下躍遷的能級之差

5、；受激輻射產(chǎn)生的光子與感應(yīng)光子是全同光子，不僅頻率相同，而且相位、偏振方向、傳播方向都相同，因此它們是相干的；受激輻射過程實(shí)質(zhì)上是對外來入射光的放大過程。 124.粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 在通常情況下，處于低能級E1的原子數(shù)大于處于高能級E2的原子數(shù)，這種情況得不到激光。為了得到激光，就必須使高能級E2上的原子數(shù)目大于低能級E1上的原子數(shù)目，因?yàn)镋2上的原子多，發(fā)生受激輻射，使光增強(qiáng)（也叫做光放大）。為了達(dá)到這個(gè)目的，必須設(shè)法把處于基態(tài)的原子大量激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)E2，處于高能級E2的原子數(shù)就可以大大超過處于低能級E1的原子數(shù)。這樣就在能級E2和E1之間實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。在工作物質(zhì)處于諧振腔內(nèi)時(shí)，只要有能量為

6、h=E2-E1的光子能引起腔內(nèi)諧振，就可以得到激光。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)是制造激光器所不能缺少的。 13三激光原理的簡單介紹 在一個(gè)激光系統(tǒng)中，激光的工作介質(zhì)在沒有受到激勵(lì)以前，絕大多數(shù)粒子處于穩(wěn)態(tài)，粒子的原子核帶正電，核外電子帶負(fù)電，電子處在核外的一些特定的軌道上圍繞原子核不停地旋轉(zhuǎn)著。當(dāng)激光的工作介質(zhì)受到激勵(lì)（如強(qiáng)光照射）從外界獲得適當(dāng)能量時(shí)，電子就會(huì)從能量較小的軌道躍遷到能量較大的軌道上去，呈亞穩(wěn)態(tài)級狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)粒子的反轉(zhuǎn)，亞穩(wěn)態(tài)能級上的部分原子自發(fā)躍遷到低能級而返回穩(wěn)態(tài)，同時(shí)放出能量，即光子，此類光子稱為自發(fā)輻射光子。自發(fā)輻射光子在共振控內(nèi)呈布朗運(yùn)動(dòng)，隨著運(yùn)動(dòng)，可能會(huì)碰撞到其它電子，

7、使其躍遷到穩(wěn)定的狀態(tài)，從而放出更多的光子，產(chǎn)生受激輻射。14自發(fā)輻射光子的傳播方向不一，凡不沿工作介質(zhì)軸線方向傳播的以及由它誘發(fā)產(chǎn)生的受激輻射光子，都很快地從工作介質(zhì)的側(cè)面逸出，而沿軸線方向傳播的自發(fā)輻射光子以及由它誘發(fā)產(chǎn)生的受激輻射光子傳播至共振腔內(nèi)的部分反射鏡時(shí)，少量光子透射出去，大部分被反射回工作介質(zhì)。被部分反射鏡反射重新回到工作介質(zhì)的光子，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光同時(shí)被放大，繼續(xù)傳播遇到全反射鏡時(shí)，光子全部被反射。被反射鏡反射出來的光子，再次進(jìn)人工作介質(zhì)，誘發(fā)新的受激輻射，光進(jìn)一步被放大，光子在共振腔中來回振蕩，受激輻射不斷增強(qiáng)，光不斷被放大，當(dāng)光子增加到一定數(shù)量時(shí)，便能從部分反射鏡一

8、端連續(xù)地、穩(wěn)定地輸出激光。激光同樣是一種光，也同樣具有波動(dòng)性和粒子性，但不象太陽光那樣是天然存在，而是人工激活的特定活性物質(zhì)，在特定的條件下產(chǎn)生的受激發(fā)光。激光器是強(qiáng)相干光源，它所發(fā)出的激光是一種受激輻射相干光，是在一定條件下電場和激光工作物質(zhì)相互作用的結(jié)果。15紅寶石激光原理圖16如圖所示紅寶石激光的原理。它由一枝閃光燈，激光介質(zhì)和兩面鏡所組成。激光介質(zhì)是紅寶石晶體，當(dāng)中有微量的鉻原子。在開始時(shí)，閃光燈發(fā)出的光射入激光介質(zhì)，使激光介質(zhì)中的鉻原子受到激發(fā)，最外層的電子躍遷到受激態(tài)。此時(shí)，有些電子會(huì)透過釋放光子，回到較低的能階。而釋放出的光子會(huì)被設(shè)于激光介質(zhì)兩端的鏡子來回反射，誘發(fā)更多的電子進(jìn)行

9、受激輻射射，使激光的強(qiáng)度增加。設(shè)在兩端的其中一面鏡子會(huì)把全部光子反射，另一面鏡子則會(huì)把大部分光子反射，并讓其余小部分光子穿過而穿過鏡子的光子就構(gòu)成我們所見的激光。17四激光產(chǎn)生的五個(gè)條件激光在英文中是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思是受激輻射的光放大?？梢?，受激幅射是產(chǎn)生激光的首要條件，也是必要條件，但還不是充分條件。18如果讓這些受激光子一個(gè)一個(gè)地發(fā)射出來，是不能形成強(qiáng)大的能量的。一般的，電子被激發(fā)到高能級后，在高能級上停留的時(shí)間是短暫的。而有些物質(zhì)的電子處于 第二能級E2的時(shí)間較長，僅次于基態(tài)能級E1。這個(gè)

10、能級就叫做亞穩(wěn)能級。要形成激光，工作物質(zhì)必須具有亞穩(wěn)態(tài)能級。這是產(chǎn)生激光的第二個(gè)條件。 19外來的光子能激發(fā)出光子，產(chǎn)生受激輻射，但也可能被低能級所吸收。在激光工作物質(zhì)中，受激輻射和受激吸收這兩個(gè)過程都同時(shí)存在。在常溫下，吸收多于發(fā) 射。選擇適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)，使其在亞能級上的電子比低能級上的電子還多，即形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激發(fā)射多于吸收。這是產(chǎn)生激光的第三個(gè)條件。 20激光器中開始產(chǎn)生的光子是自發(fā)輻射產(chǎn)生的，其頻率和方向雜亂無章。要使頻率單純，方向集中，就必須有一個(gè)振蕩腔。這是產(chǎn)生激光的第四個(gè)條件。21這些晶體和諧振腔都會(huì)使光子產(chǎn)生損耗。只有使光子在腔中振蕩一次產(chǎn)生的光子數(shù)比損耗掉的光子多得多時(shí)，才

11、能有放大作用，這是產(chǎn)生激光的第五個(gè)條件。22五激光的特點(diǎn)激光的發(fā)射原理及產(chǎn)生過程的特殊性決定了激光具有普通光所不具有的特點(diǎn)激光的發(fā)射原理及產(chǎn)生過程的特殊性決定了激光具有普通光所不具有的特點(diǎn)：即三好（單色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。 231 單色性好：普通光源發(fā)射的光子，在頻率上是各不相同的，所以包含有各種顏色。而激光發(fā)射的各個(gè)光子頻率相同，因此激光是最好的單色光源。242 相干性好：激光是相干的，所有光子都有相同的相，相同的偏振，它們疊加起來便產(chǎn)生很大的強(qiáng)度。而在日常生活中所見的光，它們的相和偏振是隨機(jī)的，相對于激光，這些光就弱得多了。 253 方向性好：激光束的發(fā)散角很小，幾乎

12、是一平行的光線，激光照射到月球上形成的光斑直徑僅有1公里左右。而普通光源發(fā)出的光射向四面八方，為了將普通光沿某個(gè)方向集中起來常使用聚光裝置，但即便是最好的探照燈，如將其光投射到月球上，光斑直徑將擴(kuò)大到1 000公里以上。激光束的方向性好這一特性在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是激光能量能在空間高度集中，從而可將激光束制成激光手術(shù)刀。另外，由幾何光學(xué)可知，平行性越好的光束經(jīng)聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之激光單色性好，經(jīng)聚焦后無色散像差，使光斑尺寸進(jìn)一步縮小，可達(dá)微米級以下，甚至可用作切割細(xì)胞或分子的精細(xì)的“手術(shù)刀”。 264 亮度高：激光的亮度可比普通光源高出10121019倍，是目前最亮的光源，強(qiáng)激光甚至可

13、產(chǎn)生上億度的高溫。激光的高能量是保證激光臨床治療有效的最可貴的基本特性之一。利用激光的高能量還可使激光應(yīng)用于激光加工工業(yè)及國防事業(yè)等。27六激光器的結(jié)構(gòu)激光器一般包括三個(gè)部分281、激光工作介質(zhì)這是激光器的核心，只有能實(shí)現(xiàn)能級躍遷的物質(zhì)才能作為激光器的工作物質(zhì)。激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。在這種介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，對實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常有利的?，F(xiàn)有工作介質(zhì)近千種，可產(chǎn)生的激光波長包括從真空紫外到遠(yuǎn)紅外，非常廣泛。292、激勵(lì)源 激勵(lì)能源（光泵） 它的作用是給工作物質(zhì)以能量，即將原子由低能級激發(fā)到高能級的

14、外界能量。 30 3、諧振腔 光學(xué)共振腔 這是激光器的重要部件，其作用一是使工作物質(zhì)的受激輻射連續(xù)進(jìn)行；二是不斷給光子加速；三是限制激光輸出的方向。 31七.激光器的種類 對激光器有不同的分類方法，一般按工作介質(zhì)的不同來分類，在可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。另外，根據(jù)激光輸出方式的不同又可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器，其中脈沖激光的峰值功率可以非常大，還可以按發(fā)光的頻率和發(fā)光功率大小分類。32 1、固體激光器 一般講，固體激光器具有器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn)。這種激光器的工作介質(zhì)是在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，除了前面介紹用紅寶石和玻

15、璃外，常用的還有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價(jià)釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm的近紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達(dá)100W以上，脈沖峰值功率可達(dá)109W。33 2、氣體激光器 氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低；操作方便；工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好；以及能長時(shí)間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的特點(diǎn)。這也是目前品種最多、應(yīng)用廣泛的一類激光器，占有市場達(dá)60左右。其中，氦氖激光器是最常用的一種。343、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的。目前較成熟的是砷化鎵激光器，發(fā)射840nm的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻硫化鋅等激光器。激勵(lì)方式有光泵浦、電激勵(lì)等。這種激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長、結(jié)