激光原理與技術(shù)

第3章：激光縱模：每一個(gè)q值對(duì)應(yīng)有正反兩列沿相反方向傳播的同頻率光波兩列光波的結(jié)果，將在腔內(nèi)形成駐波。諧振腔形成的每一列駐波稱為一個(gè)縱模。激光諧振腔的諧振頻率主要決定于縱模序數(shù)Vmnq=qc/2口L.腔內(nèi)兩個(gè)相鄰縱模頻率之差為縱模的頻率間隔：△Vq=Vq+1-Vq=c/2口L.激光縱模：激光的模式也常采用微波中標(biāo)志模式的符號(hào)來標(biāo)記，極為TEMmnq，其中TEMoo是基橫模。激光橫模：在激光諧振腔存在的穩(wěn)定的橫向分布，就是自再現(xiàn)模，通常稱為橫模。m、n的值正好分別等于光強(qiáng)在x，y方向上的節(jié)線(光強(qiáng)為0的線)數(shù)目，而且由Fm(X)和Fn(Y)函數(shù)的機(jī)制分布看出，m、內(nèi)的值越大，光場也越向外擴(kuò)展?；鶛M模行波輸出在與光束前進(jìn)方向的垂直平面上的強(qiáng)度呈高斯型分布，通常稱為高斯光束。高斯光束與普通光束有很大區(qū)別，它的傳播方向性好很好，同時(shí)也會(huì)不斷的發(fā)散，其發(fā)散的規(guī)律不同于球面波，在傳播過程中她的波面曲率一直在變化，但是永遠(yuǎn)不會(huì)變成0，除光束中心外，高斯光束并不沿直線傳播。高斯光束的強(qiáng)度分布：在z處基膜的有效截面半徑w(z)=根號(hào)下入L[1+(2z/L)2]/2n。在共焦腔中心(z=0)的截面內(nèi)光斑有極小值束腰半徑：Wo=Ws/根號(hào)2=根號(hào)下入L/n除以根號(hào)2；在共焦腔的焦平面上，束腰半徑Wo最小。該處稱為高斯光束的“光腰”或“束腰”?；す獍叱叽纾篧s=根號(hào)下Xs2+Ys2=根號(hào)下入L/n。高斯光束共焦場的相位分布由相位函數(shù)中(x，y，z)描述，中(x，y，z)隨坐標(biāo)而變化，與腔的軸線相交于Zo的等相位面的方程為：中(x，y，z)=中(0，0，Zo)，則偏離實(shí)際廣州的程度Z-Zo=(根號(hào)下Ro2-(x4y2))-Ro。當(dāng)zo>0時(shí)，Z-Zo<0；當(dāng)Zo<0時(shí)，Z-Zo>0.這就表示，共焦場的等相位面都是凹面向著腔的中心(z=0)的球面。等相面的曲率半徑隨坐標(biāo)z0而變化，當(dāng)Zo=±f=±L/2時(shí)，R(Zo)=2f=L，表明共焦腔反射鏡面本身與場的兩個(gè)等相位面重合，當(dāng)Zo=0時(shí)，R(Zo…無窮；當(dāng)Zo-無窮時(shí)，R(Zo)趨近于無窮，可見通過共焦腔中心的等相位面是與腔軸垂直的平面，距腔中心無限遠(yuǎn)處的等相位面也是平面。不難證明，共焦腔反射鏡面是共焦場中曲率最大的等相位面。共焦腔的基膜光束依雙曲線規(guī)律從腔的中心向外擴(kuò)展。則該發(fā)散角(28)定義為雙曲線的兩根漸近線之間的夾角2B=lim2w(z)/z;在光束有效截面半徑處(即基膜強(qiáng)度的1/e2處)的遠(yuǎn)場發(fā)射角28=2根號(hào)下2入/nl=2入/nWo,高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)射角完全取決于其束腰半徑。共焦腔基膜光束的理論發(fā)散角具有毫弧度的數(shù)量級(jí)，說明它的方向性好。高階模的發(fā)散角隨著模的階次的增大而增大，所以多模震蕩時(shí)，光束的方向性要比多模振蕩差。激光器發(fā)出的高斯光束具有良好的方向性，因而它也具有高亮度的特點(diǎn)，亮度B定義為：單位面積的發(fā)光面在其法線方向上單位立體范圍內(nèi)輸出的輻射功率。B=^I/^S^Q由于激光的遠(yuǎn)場發(fā)散角很微小，所以它所張得立體角可表示為：AQ=n(0R)2/R2=n02一般的激光器是想著數(shù)量級(jí)約為10負(fù)六次方sr的立體角范圍內(nèi)輸出激光光束的。而普通光源發(fā)光時(shí)朝向空間各個(gè)可能的方向的，他的發(fā)光立體角是4nsr相比之下，普通光源的發(fā)光立體角是激光的約幾萬倍。當(dāng)兩個(gè)鏡面完全相同時(shí)(對(duì)稱開腔)，這種穩(wěn)態(tài)場分布應(yīng)在腔內(nèi)經(jīng)單程渡越(傳播)后即實(shí)現(xiàn)“再現(xiàn)”。這個(gè)穩(wěn)態(tài)的橫向場分布，就是激光諧振腔的自再現(xiàn)模。其積分方程：Uq+1(x，y)=ik/4nJmJUq(x’，y’)e-ikp/p(1+cos0)ds’.本征值bmn一般也是復(fù)數(shù)，它的模反映了自再現(xiàn)模在腔內(nèi)單程渡越時(shí)所引起的功率損耗，損耗包括衍射損耗和集合損耗，但主要是衍射損耗，稱為單程衍射損耗，用。表示。定義。=(IUq|2-|Uq+1|2)/|UqF.自再現(xiàn)模在對(duì)稱開腔中的單程總相移一般并不等于有腔長L所決定的幾何相移kl，它們的關(guān)系為0①=-kl+△中，△中表示腔內(nèi)單程渡越時(shí)相對(duì)于幾何相移的單程附加相移，或簡稱為單程相移。腔內(nèi)的光場可以通過基爾霍夫衍射公式計(jì)算由鏡面M1上的場分布口mn(x1，y1)在腔內(nèi)造成行波求得。這一行波被鏡面M2反射，使得傳播方向相反的兩列行波在腔內(nèi)疊加而形成駐波，該駐波場的分布就是腔內(nèi)的光場分布。腔外的光場就是腔內(nèi)沿一個(gè)方向傳播的行波透過鏡面的部分，實(shí)際上就是行波函數(shù)生意鏡面的透射率。如果在場任意一個(gè)等相位面處放上一塊具有相應(yīng)曲率的反射鏡片，則入射在該鏡片上的場將準(zhǔn)確地沿著原入射方向返回，這樣共焦腔中產(chǎn)生的場分布將不會(huì)改變。只要該反射鏡不在共焦腔原先的反射鏡位置上，其曲率半徑就與原反射鏡不相同，使得到了一個(gè)新的球面腔，該球面腔與原共焦腔等價(jià)，產(chǎn)生的行波場與原共焦場完全一致，但是一定不再是共焦的。任何一個(gè)共焦腔場有無窮多個(gè)等相位面，因而存在無窮個(gè)“等價(jià)”的球面腔。任意一個(gè)滿足穩(wěn)定性條件的球面腔只可唯一的與一個(gè)共焦腔等價(jià)。等價(jià)共焦腔的共焦參數(shù)f=JL(R1-L)(R2-L)(R1+R2+L)/R1+R2-2L穩(wěn)定共焦腔的光束傳播特性：①等價(jià)共焦腔的束腰半徑為wo=[(入/n)2L((R1-L)(R2-L)(R1+R2+L)/(R1+R2-2L)))]1②諧振頻率Vmnq=C/入p=C/2pL[q+1/n(m+n+1)arccos根號(hào)下g1g2]光學(xué)諧振腔的衍射理論實(shí)際上是建立在標(biāo)量衍射理論的菲涅耳-基爾霍夫衍射積分。以及模式再現(xiàn)概念的基礎(chǔ)上的。均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率P=AIout=1/2t1IsA(2LGo/(a1+t1)-1);非均勻增寬介質(zhì)激光器的輸出功率：P=AIout(v)=At1I(v)=t1IsA[(2LG0D(v)/(a1+t1))2-1]，若頻率為vo的光束截面為A,則激光器的輸出功率為P=?Vo；隨著頻率逐漸接近于vo,輸出功率也逐漸增大。當(dāng)頻率v變到vo-(1-I/Is)%^v/2<v<vo+1-I/Is)%^v/2范圍內(nèi)時(shí)，該光波在增益系數(shù)G(v)曲線對(duì)稱“燒”的兩個(gè)孔發(fā)生了重疊，這意味著參與對(duì)v光波進(jìn)行增益放大的粒子束開始減少，因此，輸出功率將不再隨G0D(v)的增大而增大。隨著(v)與vo的距離越來越小，G(v)曲線上兩個(gè)孔完全重疊部分越來越大，輸出功率也逐漸減小，直至V=Vo時(shí)，G(v)曲線上兩個(gè)孔完全重合，輸出功率降至一個(gè)極小值。輸出功率P(v)曲線在中心頻率處出現(xiàn)一個(gè)凹陷，稱為“蘭姆凹陷"，蘭姆凹陷的中心頻率Vo,寬度大致為均勻增寬的線寬△▼。自發(fā)輻射在任何激光器中都存在，所以這種因素造成的激光線寬無法排除。也就是說這種線寬是消除其他各種使激光線寬增加的因素后，最終可以達(dá)到的最小線寬，所以也叫做線寬極限。第4章激光器輸出的選模技術(shù)就是激光器選頻技術(shù)。大多數(shù)激光器為了得到較大的輸出能量使用較長的激光諧振腔，這就使得激光器的輸出是多模的。然而，基橫模與高階模相比，具有亮度高，發(fā)散角小，徑向光強(qiáng)分布均勻、振蕩頻率單一等特點(diǎn)，具有最佳的時(shí)間和空間相干性。因此，單一基橫模運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器是一種理想的相干光源。激光器輸出的選模(選頻)技術(shù)分為兩個(gè)部分，一部分是對(duì)于激光縱模的選取，另一部分是對(duì)激光橫模的選取均勻增寬型譜線的縱模競爭：通過增益的飽和效應(yīng)，是某個(gè)縱模逐漸把別的縱模的振蕩抑制下去，最后只剩下該縱模的振蕩的現(xiàn)象叫作“縱模的競爭”單縱模的選取方法：①短腔法②法布里-柏羅標(biāo)準(zhǔn)具法③三反射鏡法：要提高光束的單色性和相干長度(如在干涉測長儀中就要求良好的單色性)，就需要使激光器工作在單一縱模下(一般是基橫模)。但是許多非均勻增寬的氣體激光器往往有幾個(gè)縱模同時(shí)振蕩，因此，要設(shè)計(jì)單縱模激光器，就必須采取選頻的方法。常用的選頻方法有如下幾種：①短腔法：根據(jù)諧振腔原理可知，兩相鄰縱模間的頻率差△▼q=c/2Ml,因此，縱模頻率間隔和諧振腔的腔長成反比。要想得到單一縱模的輸出，只要縮短腔長，使△▼q得寬度大于增益曲線閥值以上所對(duì)應(yīng)的寬度即可。短槍法雖然簡單，但是由于受到腔長限制，激活介質(zhì)的工作長度也相應(yīng)的受到限制，因此激光的輸出功率必然受到限制，這對(duì)于那些需要大功率單縱模輸出的應(yīng)用場合是不適合的。其次，有些激光輸出譜線熒光寬度很寬，弱要加大到足夠的縱模間寬度，勢(shì)必要使腔長縮到很短，激活介質(zhì)的工作長度相應(yīng)變短，以至于難以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而不能輸出激光。②法布里-柏羅標(biāo)準(zhǔn)具法：這種方法就是在外腔激光器的諧振腔內(nèi)，沿幾乎垂直于腔軸方向插入一個(gè)法布里-柏羅標(biāo)準(zhǔn)具。這種標(biāo)準(zhǔn)是用透射率很高的材料制成的，兩個(gè)端面被研磨的高度平行，且渡有高反射率的反射膜。③三反射鏡法：三反射鏡法又叫作復(fù)合腔需選模法激光器一段的反射鏡被三塊反射鏡的組合所替代，其中m3和m4為全反射鏡，m2是具有適當(dāng)透射率的部分投射反射鏡。這個(gè)組合相當(dāng)于兩個(gè)諧振腔的耦合，一個(gè)諧振腔由ml和m3組成，其腔長為L1+L2;另一個(gè)諧振腔由m3和m4組成，其腔長為L2+L3.如果L2/L3較短，就形成了一個(gè)短諧振腔和一個(gè)長諧振腔的耦合，短諧振腔的縱模頻率間隔為短△▼=c/（2p（L3+L2））,場諧振腔的縱模頻率間隔為△▼=c/（2p（L1+L2））只有同時(shí)滿足兩個(gè)諧振條件的光才能形成振蕩，故只要選取L2+L3足夠小，就可以獲得單縱模輸出。激光單橫模的選取方法：激光振蕩的條件是增益系數(shù)G必須大于損耗系數(shù)a總。損耗分為與橫模階數(shù)有關(guān)的衍射損耗和與振蕩有關(guān)的其他損耗?；鶛M模選擇的實(shí)質(zhì)是使TEMoo模達(dá)到振蕩條件，而使高階橫模的振蕩受到抑制。因此，需要控制各高階模式的額衍射損耗，即可達(dá)到選取橫模的目的。①在激光諧振腔內(nèi)振蕩的基橫模是高斯光束，其光振幅和光強(qiáng)分布在與光軸垂直的平面上呈高斯函數(shù)形式，一直延伸到離光軸無限遠(yuǎn)外。因此，由于反射鏡的而有限尺寸的限制，每一系反射都會(huì)有一部分光能衍射到鏡面之外，造成能量損失。這種由于衍射效應(yīng)形成的光能量損失稱為衍射損耗?；鶛M模高斯光束的單程衍射損耗為6D=^’/中=exp（-2a2/w12）反射鏡的鏡面半徑越大，衍射損耗越小。在實(shí)際激光器中，反射鏡面常常是足夠大的，對(duì)光束的限制來自于增益介質(zhì)的孔徑，如果在激光器寫諧振腔中加了小孔光闌，則a應(yīng)當(dāng)取光闌的半徑，鏡面光斑尺寸越小，衍射損耗也越小。橫模階次越高則光斑尺寸越大。因此在a一定的情況下，越高階的橫模，其衍射損耗越大。只有基橫模的衍射損耗最小，在分析衍射損耗時(shí)，為了方便，經(jīng)常引入一個(gè)稱為“菲涅耳數(shù)”的參量，它定義為N=a2/Al,鏡面光斑半徑（Ws=根號(hào)下Xs2+Ys2=根號(hào)下（入L/n），單程基橫模衍射損耗可以表示為6D=exp（2nN）菲涅耳數(shù)越大，單程衍射損耗就越小，菲涅耳數(shù)是表征諧振腔衍射損耗的特征參量。②光闌法選取單橫模利用小孔光闌選取基橫模，是一種最簡便有效從而也是最普遍的方法。其基本做法是在諧振腔內(nèi)插入一個(gè)適當(dāng)大小的小孔光闌。基膜具有最小的光束半徑，其他光束半徑則依次增大。如果用一個(gè)光闌，其半徑和基橫模光束半徑相當(dāng)，那么基膜可以較順利的通過，對(duì)高階模，由于被阻擋的部分多，不能順利通過，從而達(dá)到選模的目的。小孔光闌的半徑ro可以選取為放置小孔光闌處的光束有效截面半徑w（z），即可使基膜光束“順利”通過，而將高階模抑制。③聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法選取橫模。影響頻率穩(wěn)定的因素：①腔長變化的影響，影響腔長變化的因素很多，如溫度的波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、聲波及重力影響等都會(huì)引起腔長的短期和長期的不穩(wěn)定。②折射率變化的影響，受到氣壓、溫度和濕度變化的影響，氣體折射率會(huì)產(chǎn)生較大的變化，從而對(duì)頻率穩(wěn)定性造成影響。穩(wěn)頻方法:分為兩類，被動(dòng)式穩(wěn)頻（利用熱膨脹系數(shù)低的材料制作諧振腔的間隔器;或?qū)崤蛎浵禂?shù)為負(fù)值的材料和熱膨脹系數(shù)為正值的材料按一定長度配合，以使熱膨脹相互抵消，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。主動(dòng)式穩(wěn)頻（目前采用的主動(dòng)穩(wěn)頻方法基本原理大體相同，即把單品激光器的頻率與某個(gè)穩(wěn)定的參考頻率相比較，當(dāng)振蕩頻率偏離參考頻率時(shí)，鑒別器就產(chǎn)生一個(gè)正比于偏離量的誤差信號(hào)。根據(jù)參考頻率的方法的不同，這種穩(wěn)頻方法又分為兩類：一類是吧激光器中原子躍遷的中心頻率作為參考頻率，把激光頻率鎖定到躍遷的中心頻率上，屬于這類方法的有蘭姆凹陷法、塞曼效應(yīng)法、功率最大值法等。另一類方法是把振蕩頻率鎖定在外界的參考頻率上。蘭姆凹陷法穩(wěn)頻：腔長自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，初始狀態(tài)下，在壓電陶瓷上虛假一直流電壓（o至幾百伏之間可調(diào)）用以調(diào)節(jié)腔長使輸出頻率為vo,壓電陶瓷上需加以頻率為f（約為1Khz）、幅度很?。ㄖ挥辛泓c(diǎn)幾伏）的交流信號(hào)，此信號(hào)稱為“搜索信號(hào)”。在相敏蒸餾器中，誤差信號(hào)和搜索信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)它們有相同的相位時(shí)，則給出一個(gè)正的直流電壓，反之將給出一二個(gè)負(fù)的直流電壓，輸出直流電壓的大小則由誤差信號(hào)的大小來決定。激光束的變換：大多數(shù)激光器發(fā)出的光束，在投入使用之前，都要通過一定的光學(xué)系統(tǒng)變換成所需要的形式。多數(shù)激光器的應(yīng)用時(shí)輸出的是高斯光束，因此高斯光束通過光學(xué)系統(tǒng)的變換特性是激光應(yīng)用的一個(gè)重要的基本問題。高斯光束的變換特性，具體點(diǎn)說，就是研究高斯光束的聚焦、擴(kuò)束、和準(zhǔn)直的特性。高斯光束通過透鏡時(shí)的變換：在幾何光學(xué)中，對(duì)焦距為f的薄透鏡（f>0）有如下的成像公式1/s+1/s’=1/f。若從廣播的角度來看，薄凸透鏡的作用可以說是把從O點(diǎn)出發(fā)愛的發(fā)散的球面波變成指向象點(diǎn)。'的會(huì)聚的球面波。一個(gè)從主光軸上的O點(diǎn)發(fā)出的球面波到達(dá)鏡面時(shí)的波陣面曲率半徑為R=S，R’=s’.因此從波動(dòng)光學(xué)的角度講，薄透鏡的作用只是改變光波波陣面內(nèi)的曲率半徑。透鏡的這種變換功能可以推廣應(yīng)用到高斯光束中去。首先，由于透鏡很薄，因此在透鏡兩邊的入射光束應(yīng)該有相同的光強(qiáng)分布，即出射光束的光場分布也是高斯型的，而且出射光束在透鏡處的光斑尺寸w’應(yīng)等于入射光光束在透鏡處的光斑尺寸w。高斯光束的聚焦：①高斯光束入射到短焦距投射時(shí)的聚焦：短焦距是指高斯光束在透鏡處波陣面的半徑R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于透鏡焦距f的情形，即R>>f，由于腰部是高斯光束光束最細(xì)的部位，故出射光束腰wo’的位置s’就是光束聚焦點(diǎn)的位置。在R>>f的條件下，出射光在透鏡處的波陣面半徑約等于透鏡的焦距。即s'Rf，聚焦點(diǎn)的光斑尺寸wo'=入f/nw,縮短透鏡的焦距f和加大入射光在透鏡處的光斑尺寸w都可以達(dá)到縮小焦距點(diǎn)光斑尺寸的目的。②入射光束的腰到透鏡的距離s等于透鏡焦距f的聚焦：s=f則有s'=f這就是說，當(dāng)入射高斯光束的腰處于透鏡的焦點(diǎn)上時(shí)，出射光束正好聚焦在透鏡另一側(cè)的焦點(diǎn)上。wo’=入f/nwo說明入射光的束腰半徑越小，反而使聚焦點(diǎn)的光斑尺寸越大。高斯光束的準(zhǔn)直：就是要改善光束的方向性，壓縮光束的發(fā)散角。高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角與光束束腰半徑的關(guān)系為20=2入/nwo.束腰半徑越大，遠(yuǎn)場發(fā)散角越小。因此，要縮小光束的發(fā)散角，必須設(shè)法擴(kuò)大出射光束的束腰半徑。可以選擇兩個(gè)透鏡來達(dá)到準(zhǔn)直的目的。第一個(gè)透鏡時(shí)短焦距的凸透鏡，利用它先把入射光的束腰半徑由3o縮小到3o'.第二個(gè)透鏡是焦距較長的凸透鏡，他的焦點(diǎn)正好與3o’的位置重合。激光調(diào)制：就是把激光作為載波攜帶低頻信號(hào)，本質(zhì)上是無限電波調(diào)制向光頻段的拓展。在實(shí)際應(yīng)用中，為提高抗干擾能力，往往采用二次調(diào)制方式，先將欲傳遞的低頻信號(hào)對(duì)以高頻副載波振蕩進(jìn)行頻率調(diào)制，在用調(diào)制后的負(fù)載波對(duì)激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。電光強(qiáng)度調(diào)制：利用晶體的電光效應(yīng)，可控制光在傳播過程中的強(qiáng)度。沿x’和y’方向振動(dòng)的兩線偏振光之間產(chǎn)生的相位差：6=2npo2Y63V/入，po為晶體在未加電場之前的折射率，Y63為單軸晶體的線性電光系數(shù)，又稱跑科爾斯系數(shù)。通過檢偏器系的光強(qiáng)可以寫成I=Iosin2npo3y63V/入.電光相位調(diào)制：設(shè)偏整片的通振動(dòng)方向與晶體的y’軸平行，則垂直入射到晶體x'Oy'平面的偏振光其振動(dòng)方向與y’軸方向平行。在這種情況下，外加電場產(chǎn)生的電光效應(yīng)不再對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，而是改變偏振光的相位。加電場后，振動(dòng)方向與晶體的y’軸相平行的光通過長度為l的晶體，其相位增加為Q=2n（po+po3y63Ez/2）L/入。激光偏振技術(shù)可分為兩類：一是模擬式偏轉(zhuǎn)它能使激光束作連續(xù)的位移；另一類是數(shù)字式偏轉(zhuǎn)，它能激光束離散地投射到空間中某些特定的位置上。前者主要用于激光顯示技術(shù)，后者主要用于光存儲(chǔ)。實(shí)現(xiàn)激光偏轉(zhuǎn)的途徑主要有機(jī)械偏轉(zhuǎn)、電光偏轉(zhuǎn)和聲光偏轉(zhuǎn)。機(jī)械偏轉(zhuǎn)：利用反射鏡或多而反射棱鏡的旋轉(zhuǎn)，或者利用反射鏡的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束掃描。光電偏轉(zhuǎn)：利用泡克爾斯效應(yīng)，通過施加在電光晶體上的電場來改變晶體的折射率，使光束偏轉(zhuǎn)。聲光偏轉(zhuǎn)：在被聲波壓縮的地方介質(zhì)密度變密，其折射率變大；在被聲波拉伸的地方密度變稀，其折射率變小。駐波偏轉(zhuǎn)按照正弦規(guī)律變化，所以介質(zhì)的折射率以空間周期入s在空間呈正弦變化。品質(zhì)因素Q：是激光諧振腔的性能指標(biāo)，與腔中的介質(zhì)的增益系數(shù)沒有關(guān)系，與諧振腔的腔長無關(guān)。Q=2n諧振腔內(nèi)儲(chǔ)存的能量/每振蕩周期損耗的能量。調(diào)Q原理:采用某種辦法使諧振腔在泵浦開始時(shí)處于高損耗低Q值狀態(tài)，這時(shí)激光振蕩的閥值很高，粒子密度反轉(zhuǎn)數(shù)即使積累到很高的水平也不會(huì)產(chǎn)生諧振；當(dāng)粒子密度反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到其峰值時(shí)，突然使腔的Q值增大，將導(dǎo)致激光介質(zhì)的增益大大超過閥值，極其快速的產(chǎn)生振蕩。這時(shí)儲(chǔ)存在亞穩(wěn)態(tài)上的粒子所具有的能量會(huì)很快轉(zhuǎn)化為光子的能量，光子像雪崩一樣以極高的速率增長，激光器便可以輸出一個(gè)峰值功率高、寬度窄的激光巨脈沖。用調(diào)節(jié)諧振腔的Q值以獲得激光巨脈沖的技術(shù)稱為激光調(diào)Q技術(shù)。調(diào)Q方法：電光調(diào)Q（利用晶體的電光效應(yīng)作為Q開光的原件）、聲光調(diào)Q（在激光諧振腔內(nèi)放置聲光偏轉(zhuǎn)器，當(dāng)光通過介質(zhì)中的超生場時(shí)，由于衍射造成光的偏轉(zhuǎn)，就會(huì)增加損耗而改變腔的Q值。這種方法具有重復(fù)頻率高和輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，目前多用于獲得中等功率的高重復(fù)頻率的脈沖激光器中）、染料調(diào)Q（利用某種材料對(duì)光的吸收系數(shù)會(huì)隨光強(qiáng)變化的特性來達(dá)到調(diào)Q的目的。激光鎖模技術(shù):對(duì)激光進(jìn)行特殊調(diào)制，強(qiáng)迫激光器中振蕩的各個(gè)縱模的相位固定，使各模式相干疊加以得到超短脈沖的技術(shù)。主動(dòng)鎖模：在諧振腔內(nèi)插入一個(gè)調(diào)制頻率V=c/2L的調(diào)制器，對(duì)激光輸出進(jìn)行振幅或相位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)縱模振動(dòng)同步，叫作主動(dòng)鎖模。被動(dòng)鎖模：光場多次通過染料的結(jié)果，強(qiáng)處和弱處就明顯地被區(qū)別開來了，最終造成這些強(qiáng)處以窄脈沖的形式被選出來。第5章激光器的分類：固體激光器、氣體激光器、染料激光器、和半導(dǎo)體激光器。固體激光器：以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃作為工作物質(zhì)的激光器。固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)。諧振腔和冷卻，濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。固體激光物質(zhì)是固體激光器的核心。影響固體激光器工作特性的關(guān)鍵是固體激光工作物質(zhì)的物理和光譜性質(zhì)，主要是指吸收帶、熒光譜線、熱導(dǎo)率等。使用最廣泛的是紅寶石激光器、摻釹億鋁石榴石激光器和釹玻璃激光器。紅寶石固體激光器激發(fā)機(jī)理：紅寶石是在三氧化二鋁（AL2O3）中摻入少量的氧化銘生成的晶體。它的吸收光譜特性主要取決于銘離子。紅寶石中的銘離子有兩個(gè)強(qiáng)吸收帶，峰值位于0.4川m處的紫外帶（U帶）和峰值位于0.55pm處的黃綠帶（Y帶），由于紅寶石晶體是各向異性的，其吸收特性與光的偏振狀態(tài)有關(guān)，所以對(duì)于光場的振動(dòng)方向與晶體光軸C垂直和平行的兩種分量，吸收曲線略有差別。固體激光器的泵浦系統(tǒng)：由于固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，所以一般都采用光泵浦激勵(lì)。泵浦光源多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈。泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿足兩個(gè)基本條件:①有很高的發(fā)光效率②輻射光的光譜特性應(yīng)與激光工作物質(zhì)的吸收光譜相匹配。為了將泵浦燈發(fā)出的光能完全聚到工作物質(zhì)上，必須采用聚光腔。固體激光器泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光，常用的額冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等。必須在泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾光器件，濾去泵浦光中的紫外光譜固體激光器的輸出特性介紹它的脈沖特性和轉(zhuǎn)換效率。固體激光器的激光脈沖特性泵浦光愈強(qiáng)，短脈沖數(shù)目愈多，其包絡(luò)峰值并不增加固體激光器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)換效率低是它的最突出的問題之一。在實(shí)際工作中，固體激光器的轉(zhuǎn)換效率常用總體效率門七衡量?？傮w效率定義為激光輸出與泵浦燈的電輸入之比1.He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機(jī)理根據(jù)激光器放電管和諧振腔反射鏡放置方式的不同，He-Ne激光器可以分為內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式三種，如圖（5—9）所示。對(duì)于外腔式和半內(nèi)腔式結(jié)構(gòu)，在放電管的一端或兩端，通過布儒斯特窗片實(shí)現(xiàn)真空密封，以減少損耗，并且保證了激光輸出是線偏振光。He-Ne激光器的工作物質(zhì)是Ne原子，即激光輻射發(fā)生在Ne原子的不同能級(jí)之間。He-Ne激光器放電管中充有一定比例的He氣，主要起著提高Ne原子泵浦速率的輔助作用。He-Ne激光器的輸出特性（1）譜線競爭在同一個(gè)激光器中，可能有多條激光譜線，而有些譜線可能對(duì)應(yīng)同一個(gè)激光上能級(jí)，因此在它們之間就存在著對(duì)共有能級(jí)上粒子數(shù)的競爭。其中一條譜線產(chǎn)生振蕩以后，用于其它譜線的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少，將使其它譜線的增益和輸出功率降低，甚至完全被抑制。這就是譜線的競爭效應(yīng)。2.輸出功率特性He-Ne激光器的放電電流對(duì)輸出功率有很大的影響。圖（5—11）是實(shí)驗(yàn)測得的輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線，可以看出，對(duì)于每種充氣總壓強(qiáng)都有一個(gè)使輸出功率最大的放電電流，它與氣體混合比及總壓強(qiáng)有關(guān)。在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流叫最佳放電電流。由該圖可見，在最佳放電電流附近，因放電電流變化引起的輸出功率的變化不大。因此，在實(shí)際使用時(shí)，對(duì)最佳放電電流的要求并不十分嚴(yán)格，這很有利于工作狀態(tài)的調(diào)整1-叫激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程普通的封離式CO2激光器包括腔片架、放電管、電極和電源等幾部分。圖（5—12）是一種典型的結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。全反射鏡為凹面鏡，輸出反射鏡一般為平面鏡，采用能透過10.6pm激光的紅外材料制成。通常用的紅外材料有兩類：一類是堿金屬的鹵化物鹽，例如，KCl、NaCl、KBr等晶體；另一類是半導(dǎo)體材料，如鍺、硅、神化鎵等。Ar+激光器的結(jié)構(gòu)Ar+激光器一般由放電管、諧振腔、軸向磁場和回氣管等幾部分組成。2.Ar+激光器的激發(fā)機(jī)理Ar+激光器的激活粒子是Ar+，因?yàn)锳r+是由氬原子電離產(chǎn)生的，所以Ar+激光器的激發(fā)過程一般是兩步過程：首先通過氣體放電，將氬原子電離，然后，再通過放電激勵(lì)將Ar+激發(fā)到激光上能級(jí)。此外，在低氣壓脈沖放電時(shí)，還有直接將氬原子激發(fā)到Ar+激發(fā)態(tài)的一步過程和級(jí)聯(lián)過程。染料分子光輻射的特殊性，染料激光器應(yīng)采用光泵浦。按照運(yùn)轉(zhuǎn)方式區(qū)分，有脈沖泵浦和連續(xù)泵浦；按照泵浦光源區(qū)分，有閃光燈泵浦和激光泵浦原子的能級(jí)對(duì)應(yīng)著原子的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。實(shí)際上固體中原子之間相距不遠(yuǎn)，由于原子間的相互作用，能級(jí)會(huì)分裂。在一個(gè)具有N個(gè)粒子相互作用的晶體中，每一個(gè)能級(jí)會(huì)分裂成為N個(gè)能級(jí)，其相互間能量差小到10-22eV數(shù)量級(jí)。因此這彼此十分接近的N個(gè)能級(jí)好象形成一個(gè)連續(xù)的帶，稱之為能帶，把P型和N型半導(dǎo)體制作在一起，也就是在P型和N型連結(jié)處形成一個(gè)P-N結(jié)。外加電壓產(chǎn)生的載流子注入使作用區(qū)的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴造成復(fù)合躍遷，輻射光子。這種過程產(chǎn)生的是非相干光，自發(fā)輻射的躍遷幾率與電子在作用區(qū)的平均壽命成反比。產(chǎn)生受激輻射的條件是在結(jié)區(qū)的導(dǎo)帶底部和價(jià)帶頂部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。5.4.3半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件1.半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖（5—28）示出了GaAs激光器的結(jié)構(gòu)。它的核心部分是p—n結(jié)。p—n結(jié)的兩個(gè)端面是按晶體的天然晶面剖切開的，稱為解理面，該二表面極為光滑，可以直接用作為平行反射鏡面，構(gòu)成諧振腔。上下電極施加正向電壓，使結(jié)區(qū)產(chǎn)生雙簡并的能帶結(jié)構(gòu)及激光工作電流。激光可以從一側(cè)解理面輸出，也可由兩側(cè)輸出。2,半導(dǎo)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(zhuǎn)還需要滿足閾值條件，即諧振腔的雙程光放大倍數(shù)大于1，或增益系數(shù)滿足第二章中給出的（2-36）G>a內(nèi)一2^In（rr）第6章干涉測量技術(shù)：是以光的干涉現(xiàn)象為基礎(chǔ)進(jìn)行測量的一門技術(shù)。常用的干涉儀有邁克爾孫干涉儀、馬赫-曾德爾干涉儀、菲索干涉儀、泰曼-格林干涉儀等。激光干涉?zhèn)乳L的基本原理：激光干涉?zhèn)乳L的基本光路是一個(gè)邁克爾孫干涉儀，用于干涉條紋來反映被測量的信息，干涉條紋是接收面上兩路光程差相同的點(diǎn)連成的軌跡。激光器發(fā)出的激光束到達(dá)半透半反射鏡P后被分成兩束，當(dāng)兩束光的光程相差激光半波長的偶數(shù)倍時(shí)，它們互相形成亮條紋，當(dāng)兩束光的光程相差半波長的奇數(shù)倍時(shí)它們相互抵消形成暗條紋。被測長度L與干涉條紋變化的次數(shù)N和干涉儀所用光源波長入之間的關(guān)系為L=N入/2激光干涉?zhèn)乳L系統(tǒng)的組成：除了邁克爾孫干涉儀外，激光干涉?zhèn)乳L系統(tǒng)還包括激光光源、可移動(dòng)平臺(tái)、光電顯微鏡、光電計(jì)數(shù)器和現(xiàn)實(shí)記錄裝置。激光干涉?zhèn)乳L除了測量長度外，還可以角度，以及壓力、溫度、折射率等。激光衍射測量方法可用于精密儀器測量，同時(shí)具有非接觸、穩(wěn)定性好、自動(dòng)化程度及精度高等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛使用。激光衍射測量原理：光的衍射現(xiàn)象，按照衍射物和觀察衍射條紋的屏幕（即衍射場）之間的位置關(guān)系，一般將其分為兩種類型，菲涅耳衍射和夫瑯禾費(fèi)衍射。前者是有限距離處的衍射現(xiàn)象，即觀察屏道衍射物的距離比較小的情況，也是近場衍射。后者是無限距離處的衍射現(xiàn)象，在觀察屏離衍射物科院近似地看作無限遠(yuǎn)時(shí)才能觀察到，也稱遠(yuǎn)場衍射。用于衍射測量系統(tǒng)的衍射物通常只有兩種，一種是單縫，另一種是圓孔。激光衍射測量的方法:間隙測量法、反射衍射測量法、分離間隙法、互補(bǔ)測量法、愛里斑測量法。激光衍射測量的應(yīng)用：薄膜表面涂層厚度測量、薄帶寬度測量；按測量方法的不同，激光測距又可為脈沖測距法和相位測距法。激光脈沖測距原理：就是通過反射激光脈沖控制計(jì)時(shí)器開們，接受返回的激光脈沖控制計(jì)時(shí)器關(guān)門，測量出激光光束在待測距離上往返傳播的時(shí)間，完成測距d=ct/2激光脈沖測距儀對(duì)光脈沖的要求：①光脈沖應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度②光脈沖的方向性要好③單色性好④寬度窄激光準(zhǔn)直儀的原理：一般采用具有連續(xù)輸出的氦氖激光器，并且通常使用的是基橫模輸出。簡單的激光準(zhǔn)直儀可以直接用目測來對(duì)準(zhǔn)。為了便于控制和提高對(duì)準(zhǔn)精度，一般的激光準(zhǔn)直儀都采用光電探測器來對(duì)準(zhǔn)。激光多普勒測速儀的原理是，用一束單色激光照射到隨流體一起運(yùn)動(dòng)的微粒（自然存在或一起運(yùn)動(dòng)摻入的）上，測出其散射光相對(duì)于入射光的頻率偏移，即雖未得多普勒品議，進(jìn)而準(zhǔn)確的確定流體的速度。環(huán)形激光測量角度環(huán)形激光精密測角、光纖陀螺。激光環(huán)境計(jì)量中采用了激光雷達(dá)。激光雷達(dá)又稱為光雷達(dá)。激光雷達(dá)對(duì)大氣中的微粒子的勘測靈敏度非常高，利用分光方法，可以測定特定的而大氣成分的分布，因此成為大氣環(huán)境計(jì)量的最有效手段。7.1激光加工原理1.（定義）激光加工指的是激光束作用于物體表面而引起的物體變形或改性的加工過程。按照光與物質(zhì)作用的機(jī)理，分類：可分為激光熱加工與激光光化學(xué)反應(yīng)加丁[33]。激光熱加工是基于激光束加入物體所引起的快速熱效應(yīng)的各種加工過程。激光光化學(xué)反應(yīng)是借助于高密度高能光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的各種加工過程。兩種加工方法都可對(duì)材料進(jìn)行切割、打孔、刻槽、標(biāo)記。前者對(duì)于金屬材料焊接、表面改性、合金化更有利，后者則適用于光化學(xué)沉積、激光刻蝕、摻雜和氧化。2.激光熱加工原理：無論是哪一種激光加工的方法，都要將一定功率激光束聚焦于被加工物體上，使激光與物質(zhì)相互作用。（熱吸收過程一沖擊強(qiáng)化過程一表面熔化過程-表面汽化過程-等離子屏蔽現(xiàn)象）隨著照射時(shí)間的推移，激光束與金屬表面之間會(huì)產(chǎn)生多種相互作用過程。首先是熱吸收過程，使材料局部升溫。激光脈沖能量足夠高，脈寬足夠短，會(huì)產(chǎn)生沖擊強(qiáng)化過程。隨著熱作用的持續(xù)，溫度升高，導(dǎo)致表面熔化過程。繼續(xù)照射，熔池會(huì)向內(nèi)部發(fā)展，熔池表面發(fā)生氣化過程。幾乎與此同時(shí)，等離子體開始產(chǎn)生，形成的氣化物和等離子體產(chǎn)生屏蔽現(xiàn)象。持續(xù)照射，屏蔽作用減弱，稱作復(fù)合過程也。金屬內(nèi)熱壓縮激波和金屬表面上產(chǎn)生的爆炸沖擊效應(yīng)變?yōu)橹饕F(xiàn)象，主要用于沖擊硬化。7.2激光表面改性技術(shù)激光改性是材料表面快速局部處理工藝的一種新技術(shù)，它包括激光淬火、激光表面熔凝、激光表面熔覆、激光沖擊強(qiáng)化、激光表面毛化等。原理（通過激光與材料表面的相互作用，使材料表層發(fā)生所希望的物理、化學(xué)、力學(xué)性能的變化，改變材料表面結(jié)構(gòu)，獲得工業(yè)上的許多良好性能。）應(yīng)用特點(diǎn)：它主要用于強(qiáng)化零件的表面，工藝簡單、加熱點(diǎn)小、散熱快，可以自冷淬火。表面改性后的工件變形小，適于作為精加工的后續(xù)工序。由于激光束移動(dòng)方便，易于控制，可以對(duì)形狀復(fù)雜的零件，甚至管狀零件的內(nèi)壁進(jìn)行處理，激光改性應(yīng)用十分廣泛。激光淬火技術(shù)的原理與應(yīng)用（激光淬火技術(shù)，又稱激光相變硬化，它利用聚焦后的激光束照射到鋼鐵材料表面，使其溫度迅速升到相變點(diǎn)以上。當(dāng)激光移開后，由于仍處于低溫的內(nèi)層材料的快速導(dǎo)熱作用，使表層快速冷卻到馬氏體相變點(diǎn)以下，獲得淬硬層）激光淬火不需要淬火介質(zhì)，只要把激光束引導(dǎo)到被加工表面，對(duì)其進(jìn)行掃描就可以實(shí)現(xiàn)淬火。激光淬火分類可分為叫激光淬火和YAG激光淬火。材料成分7.2.2激光表面熔凝技術(shù)這種表面處理是用激光束將表面熔化而不加任何合金元素，以達(dá)到表面組織改善的目的。有些鑄錠或鑄件的粗大樹枝狀結(jié)晶中常有氧化物和硫化物夾雜、金屬化合物及氣孔等缺陷。如果這些缺陷處于表面部位就會(huì)影響到疲勞強(qiáng)度，耐腐蝕性和耐磨性。用激光作表面重熔就可以把雜質(zhì)、氣孔、化合物釋放出來，同時(shí)由于迅速冷卻使晶粒得到細(xì)化。與激光淬火工藝相比，激光熔凝處理的關(guān)鍵是使材料表面經(jīng)歷了一個(gè)快速熔化-凝固過程，所獲得的熔凝層為鑄態(tài)組織。工件橫截面沿深度方向的組織依次為：熔凝層、相變硬化層、熱影響區(qū)和基材，激光熔覆（LaserCladding）技術(shù)亦稱激光包覆、激光涂覆、激光熔敷，是一種新的表面改性技術(shù)。它通過在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之與基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成其合金化的熔覆層，以改善其表面性能。分為預(yù)置涂層法和同步送料法。（170）7.3激光去除材料技術(shù)激光去除材料是改變材料的尺寸或形狀的激光加工工藝，是一種激光尺寸加工方法。激光去除材料的機(jī)制主要分兩種，一種完全取決于激光與材料相互作用，例如材料氣化、材料蒸發(fā)；另一種在激光與材料相互作用同時(shí)還采用一些輔助方法，例如氧化、氣吹?；诩す馊コ牧系募庸し椒ㄓ屑す獯蚩缀图す馇懈顑煞N。結(jié)構(gòu)和原理：激光打孔機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括激光器、加工頭、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控裝置和操作面盤加工頭將激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，適當(dāng)選擇各加工參數(shù)，激光器發(fā)出光脈沖就可以加工出需要的孔。1.激光切割的原理與特點(diǎn)激光切割以連續(xù)或重復(fù)脈沖方式工作，切割過程中激光光束聚焦成很小的光點(diǎn)（最小直徑可小于0.1mm）使焦點(diǎn)處達(dá)到很高功率密度（可超過106W/cm2）。這時(shí)光束輸入（由光能轉(zhuǎn)換）的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散部分，材料很快被加熱至熔化及氣化溫度，與此同時(shí)一股高速氣流從同軸或非同軸方向?qū)⑷刍驓饣说牟牧嫌刹牧舷虏看党?。隨著光束與材料相對(duì)移動(dòng)，使孔洞形成寬度很窄（如0.1-0.3mm左右）的切縫分割材料。激光切割總的特點(diǎn)：1）切割質(zhì)量好，切縫幾何形狀好，切口兩邊近平行并和底面垂直；2）不粘熔渣；切縫窄，熱影響區(qū)小，基本沒有工件變形；3）激光可切割的材料種類多，氣割只能切割含Cr量少的低碳鋼，中碳鋼及合金鋼，而激光可以切割金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復(fù)合材料、皮革及木材；4）切割效率高；5）非接觸式加工；6）噪聲低；7）污染小。2.激光切割分類及其機(jī)理激光切割按其機(jī)理可分為氣化切割、熔化切割、激光氧氣切割和控制斷裂切割。7.4激光焊接激光焊接是一種材料連接方法，主要是金屬材料之間連接的技術(shù)。它和傳統(tǒng)的焊接技術(shù)一樣，通過將材料連接區(qū)的部分熔化而將兩個(gè)零件或部件連接起來。因?yàn)榧す饽芰扛叨燃?，加熱、冷卻的過程極其迅速，一些普通焊接技術(shù)難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強(qiáng)的材料，用激光很容易實(shí)施焊接。它還能使一些高導(dǎo)熱系數(shù)和高熔點(diǎn)金屬快速熔化，完成特種金屬或合金材料的焊接。另一方面，在激光焊接過程中無機(jī)械接觸,易保證焊接部位不因受力而發(fā)生變形,通過熔化最小數(shù)量的物質(zhì)實(shí)現(xiàn)合金連接,從而大大提高焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)率。激光焊的焊縫深寬比大，而焊縫熱影響區(qū)極小，質(zhì)量好，圖7T8為激光和電弧焊焊縫截面圖比較。第三，激光束易于控制的特點(diǎn)使得焊接工作能夠更方便的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。采用大焦距的激光系統(tǒng)，還可實(shí)現(xiàn)特殊場合下的焊接，如由軟件控制進(jìn)行需隔離的遠(yuǎn)距離在線焊接、高精密防污染的真空