入職培訓(xùn)激光的基本知識

關(guān)于入職培訓(xùn)激光的基本知識提綱1.概論及激光發(fā)展史

2.激光特性及激光原理4.固體激光器5.氣體激光器6.激光技術(shù)3.衡量光束質(zhì)量的參數(shù)第2頁,共59頁，2024年2月25日，星期天激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。激光誕生的背景：具有理論基礎(chǔ)和生產(chǎn)實踐迫切需要。激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致一門新興產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)。激光使人們有效地利用前所未有的先進(jìn)方法和手段，去獲得空前的效益和成果，從而促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。1.概論及激光發(fā)展史

第3頁,共59頁，2024年2月25日，星期天激光的發(fā)展簡史第4頁,共59頁，2024年2月25日，星期天“受激輻射”理論的發(fā)展1917年愛因斯坦提出“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎(chǔ)。1950年，中學(xué)教師阿爾弗雷德·卡斯特勒同讓·布羅塞爾發(fā)明了“光泵激勵”技術(shù)。1951年，美國哥倫比亞大學(xué)的教授查爾斯·湯斯（Townes）對微波的放大進(jìn)行了三年的研究，完善“受激輻射的微波放大”的理論，成功地制造出了世界上第一個“微波激射器”。1958年貝爾實驗室的湯斯教授和他的學(xué)生阿瑟·肖洛（Schawlow，諾貝爾物理獎的獲得者）把微波放大的技術(shù)應(yīng)用于光波，奠定了激光發(fā)展的基礎(chǔ)。第5頁,共59頁，2024年2月25日，星期天激光器件的發(fā)展1960年，梅曼（T.Maiman）在量子電子學(xué)發(fā)展的成果基礎(chǔ)上發(fā)明了第一臺紅寶石激光器。1961年，德若凡發(fā)明了第一臺氣體激光器—氦氖激光器。1962年，半導(dǎo)體激光器誕生。1964年，帕特爾（C.Patel）發(fā)明了第一臺CO2激光器。第6頁,共59頁，2024年2月25日，星期天1965年，第一臺大功率二氧化碳激光器誕生。1967年，第一臺Ｘ射線激光器研制成功。1997年，美國麻省理工學(xué)院的研究人員研制出第一臺原子激光器。第7頁,共59頁，2024年2月25日，星期天以后的幾十年，各國都投入到激光器的研究之中，充足的資金和人力資源迅速推動著激光技術(shù)飛速進(jìn)展。各種不同介質(zhì)、不同形狀、不同功率、不同波長的激光器不斷出現(xiàn)。我國第一臺激光器（紅寶石）于1961年出世。激光應(yīng)用遍及各個領(lǐng)域：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物、環(huán)境、軍事、日常生活等等。第8頁,共59頁，2024年2月25日，星期天激光，像電力一樣成為這個時代最重要的技術(shù)因素，對人們的生活方式產(chǎn)生重大影響：激光通信使我們在地球的每一個角落里都能準(zhǔn)確迅速地進(jìn)行信息交流；激光唱機(jī)使我們聆聽世界名曲的現(xiàn)場演奏；從科研到產(chǎn)業(yè)，從海洋到太空，工業(yè)到農(nóng)業(yè)，從民用到軍事；激光的科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)著令人難以置信的奇跡。激光－－“解決問題的工具”

第9頁,共59頁，2024年2月25日，星期天固體激光器、全固態(tài)激光器氣體激光器半導(dǎo)體激光器染料激光器（液體激光器）化學(xué)激光器X射線激光器自由電子激光器等激光器的種類第10頁,共59頁，2024年2月25日，星期天光纖激光器半導(dǎo)體激光器He-Ne激光器薄片激光器倍頻Nd:YAG激光器第11頁,共59頁，2024年2月25日，星期天氣體激光器－－體積較大、壽命較長、高功率、價廉

化學(xué)激光器－－高功率、大體積

燈泵固體激光器－－光束好、高功率、壽命短、大體積

半導(dǎo)體激光器－－體積小、壽命長、光束差、功率低

全固態(tài)激光器－－體積小、壽命長、光束好、高功率各種激光器的特點(diǎn)第12頁,共59頁，2024年2月25日，星期天激光運(yùn)轉(zhuǎn)的波長范圍遍布紅外、可見、紫外、X射線的所有區(qū)域激光波長第13頁,共59頁，2024年2月25日，星期天LASER—LightAmplificationbythe

StimulatedEmissionof

Radiation

“受激發(fā)射的輻射光放大”最初中文名叫做“鐳射”、“萊塞”1964年我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。2.激光特性及激光原理第14頁,共59頁，2024年2月25日，星期天2.1激光特性1.單色性激光是受激輻射，頻率寬度很窄第15頁,共59頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)兩列振動方向相同、頻率相同、相位固定的單色波疊加后，光的強(qiáng)度在疊加區(qū)域不是均勻分布的，而是一些地方具有極大值，一些地方具有極小值，從而產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象，即這兩列波具有相干性。在普通的光源中，光是自發(fā)輻射，彼此相互獨(dú)立，沒有恒定的相位關(guān)系。而激光是受激輻射，具有恒定的相位關(guān)系，因而激光具有良好的相干性2.相干性第16頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

激光在諧振腔中經(jīng)反射鏡多次反射振蕩，超過一定的閾值后輸出，只有沿諧振腔軸線的光才能得到放大，因而具有良好的方向性。3.方向性好第17頁,共59頁，2024年2月25日，星期天激光具有很高的能量。由于激光的空間相干性和方向性，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦，可以產(chǎn)生極高功率密度，例如105~1013W/cm2的功率密度。在工業(yè)生產(chǎn)中，利用激光高能量特點(diǎn)進(jìn)行打孔、切割和焊接。在醫(yī)學(xué)上、利用激光的高能量可進(jìn)行外科手術(shù)。在軍事領(lǐng)域，激光武器可以摧毀敵機(jī)和導(dǎo)彈4.高能量（高功率密度）第18頁,共59頁，2024年2月25日，星期天2.2激光原理基本概念：不同的原子具有不同的能級結(jié)構(gòu)。一個原子中最低的能級稱為基態(tài)，其余的稱為高能態(tài)，或激發(fā)態(tài)。原子從高能態(tài)E2躍遷到低能態(tài)E1時，會向外發(fā)射某個頻率為v的光輻射，滿足普朗克公式：

h

=E1-E2=AE

式中h為普朗克常數(shù)。反之，該原子吸收頻率為

的輻射時，就會從低能態(tài)E1躍遷到高能態(tài)E2。第19頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

產(chǎn)生激光的5個條件1.受激輻射：首要條件，也是必要條件，但還不是充分條件。(上能級E2)(下能級E1)受激輻射吸收躍遷基態(tài)?E=E2–E1=h

泵浦高能態(tài)自發(fā)輻射第20頁,共59頁，2024年2月25日，星期天如果讓這些受激光子一個一個地發(fā)射出來，是不能形成強(qiáng)大的能量的。（自發(fā)輻射）一般的，電子被激發(fā)到高能級后，在高能級上停留的時間是短暫的。而有些物質(zhì)的電子處于第二能級E2的時間較長，僅次于基態(tài)能級E1。這個能級就叫做亞穩(wěn)態(tài)能級。2.工作物質(zhì)必須具有亞穩(wěn)態(tài)能級第21頁,共59頁，2024年2月25日，星期天基態(tài)(下能級E1)受激輻射吸收躍遷?E=E2–E1=hν泵浦高能態(tài)(上能級E2)亞穩(wěn)態(tài)第22頁,共59頁，2024年2月25日，星期天外來的光子能激發(fā)出光子，產(chǎn)生受激輻射，但也可能被低能級所吸收。在激光工作介質(zhì)中，受激輻射和受激吸收這兩個過程都同時存在。在常溫下，吸收多于發(fā)射。選擇適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)，使其在高（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。3.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第23頁,共59頁，2024年2月25日，星期天激光器中開始產(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，就必須有一個諧振腔4.

諧振腔1激光

第24頁,共59頁，2024年2月25日，星期天激光工作物質(zhì)和諧振腔都會使光子產(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，才能有放大作用。5.增益大于損耗第25頁,共59頁，2024年2月25日，星期天高能態(tài)(上能級E2)基態(tài)(下能級E1)受激輻射(激光)

吸收躍遷?E=E2–E1=hν激發(fā)形成激光的五個條件1、受激輻射2、亞穩(wěn)態(tài)能級3、粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)4、諧振腔5、增益大于損耗第26頁,共59頁，2024年2月25日，星期天3.衡量光束質(zhì)量的參數(shù)3.1

激光束模式激光的模式用TEMmnq表示m,n為橫模的序數(shù)，q為縱模的序數(shù)基模(橫向單模)：m=n=0,其它的橫模稱為高階橫模方形鏡和圓形鏡的橫模圖形第27頁,共59頁，2024年2月25日，星期天對于方形鏡，m表示X方向的節(jié)線數(shù)，即X方向的暗紋數(shù)，n表示Y方向的節(jié)線數(shù)，即Y方向的暗紋數(shù)；如何判斷橫模第28頁,共59頁，2024年2月25日，星期天對于圓形鏡，m表示徑向節(jié)線數(shù)，即暗環(huán)數(shù)，n表示角向節(jié)線數(shù)，即暗直徑數(shù)(c)TEM02(d)TEM03(a)TEM00(b)TEM10第29頁,共59頁，2024年2月25日，星期天3.2遠(yuǎn)場發(fā)散角基模高斯光束的發(fā)散角可由下式表示則基模高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角

為第30頁,共59頁，2024年2月25日，星期天理想情況下，均勻平面波聚焦后愛里(Airy)斑的寬度

為：

=1.22f

/D;其中f——聚焦光學(xué)系統(tǒng)焦距，D——衍射孔徑3.3聚焦光斑尺寸第31頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

束寬和發(fā)散角都可以通過使用聚焦光學(xué)系統(tǒng)來改變，但對于確定光束，其束腰寬度和遠(yuǎn)場發(fā)散角的乘積是不變的，稱為光束參數(shù)乘積BPBP=

0

對于基模高斯光束BP0=

0=0/0=/

對于實際光束BP

/BP越大，光束質(zhì)量越差3.4光束參數(shù)乘積第32頁,共59頁，2024年2月25日，星期天M2因子稱為衍射極限倍數(shù)因子，其定義為：M2的倒數(shù)稱為K因子；對于實際光束，M21(K1)，M2越小，光束質(zhì)量越高3.5M2因子和K因子第33頁,共59頁，2024年2月25日，星期天4.固體激光器1960年世界第一臺激光器—固體紅寶石激光器問世。中國科學(xué)院長春光機(jī)所1960年研制出中國第一臺激光器—紅寶石激光器。40余年來，固體激光器件及技術(shù)迅速發(fā)展，約百種工作介質(zhì)可以產(chǎn)生激光。單脈沖激光能量高達(dá)上萬焦耳，平均輸出功率超過1000W，峰值功率達(dá)幾十太瓦(TW，1012W)。4.1

引言第34頁,共59頁，2024年2月25日，星期天固體激光器的主要特點(diǎn)固體激光的輸出波段多在可見光區(qū)域或近紅外光區(qū)域，容易使用晶體倍頻，獲得可見光甚至紫外光波段；固體激光器輸出易于用普通光學(xué)元件傳輸，便于光纖傳輸；固體激光器結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用、使用維護(hù)方便，制作成本低；廣泛的用途。第35頁,共59頁，2024年2月25日，星期天4.2

固體激光器的結(jié)構(gòu)13

3固體激光器結(jié)構(gòu)圖1、激光工作介質(zhì)；2、全反射鏡3、泵浦光源；4、輸出耦合鏡；24激光輸出第36頁,共59頁，2024年2月25日，星期天4.3

常用的激光工作介質(zhì)固體激光工作介質(zhì)由激活離子和基質(zhì)材料兩部分組成。已實現(xiàn)激光躍遷的主要激活離子有：Ce3+、Pr3+、Nd3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、Sm2+、Dy2+、Tm2+、Co2+、Ni2+、V2+、Cr3+、U3+等。常用的基質(zhì)材料主要有：Y3Al5O12晶體(釔鋁石榴石YAG);YVO4晶體;LiYF4晶體(氟化釔鋁LYF);Gd3Ga5O12晶體(釓鎵石榴石GGG);Al2O3晶體；磷酸鹽玻璃；硅酸鹽玻璃第37頁,共59頁，2024年2月25日，星期天Nd3+:YAG晶體Nd3+:YVO4晶體紅寶石Cr3+:α-Al2O3Nd3+:LiYF4晶體第38頁,共59頁，2024年2月25日，星期天惰性氣體放電燈：脈沖燈—氙燈；連續(xù)燈—氪燈激光二極管（LaserDiode）4.4常用的泵浦光源激光二極管氙燈第39頁,共59頁，2024年2月25日，星期天氣體激光器以氣體或蒸氣為工作物質(zhì)，包括原子、分子、離子、準(zhǔn)分子、或金屬原子蒸氣等激光器。氣體激光器躍遷譜線和相應(yīng)的激光輸出波長范圍較寬，從真空紫外直至紅外區(qū)。5

氣體激光器第40頁,共59頁，2024年2月25日，星期天原子氣體激光器：以惰性氣體（氦、氖、氬、氪、氙）、鹵素氣體或蒸氣（氯、碘、溴）等為工作介質(zhì)。分子氣體激光器：以氣體分子和準(zhǔn)分子為工作介質(zhì)5.1氣體激光器的種類第41頁,共59頁，2024年2月25日，星期天原子氣體激光器氦氖激光器3.39、1.15、0.6328μm氙激光器3.507、2.026、3.507μm氧－碘原子激光器1.315μm氬離子激光器0.4880、0.5145μm氪離子激光器0.4762、0.5208、0.5682、0.6471μm氦鎘激光器0.4416、0.3250、0.5337、0.5378、0.6355、0.6360μm第42頁,共59頁，2024年2月25日，星期天He-Ne激光器第43頁,共59頁，2024年2月25日，星期天氬離子激光器第44頁,共59頁，2024年2月25日，星期天雙原子分子：CO激光器：5.4~5.7μm、

N2分子激光器：0.3371μm、

HF激光器：2.6~3.5μmDF激光器：3.6~5.0μm多原子分子：CO2激光器：P支10.6μm；R支9.4μm分子氣體激光器第45頁,共59頁，2024年2月25日，星期天5.2CO2激光器擴(kuò)散冷卻式對流式橫流式快速軸流式按冷卻方式分類第46頁,共59頁，2024年2月25日，星期天擴(kuò)散冷卻式CO2激光器1:輸出耦合鏡；2：陽極；3：進(jìn)水口；4：回氣管；5：放電管；6：儲氣管；7：水冷管；8：陰極；9：全反鏡；10出水口第47頁,共59頁，2024年2月25日，星期天橫流式CO2激光器氣流方向4與激光諧振腔軸以及放電方向相互垂直1：密封殼體；2：輸出耦合鏡；3：高速風(fēng)機(jī)；4：氣流方向5：熱交換器；6：陽極；7：折迭鏡；8：全反鏡；9：陰極第48頁,共59頁，2024年2月25日，星期天快速軸流式CO2激光器1：全反鏡；2：高壓放電區(qū)；3：輸出耦合鏡；4：放電管；5：高速風(fēng)機(jī)；6：熱交換器；工作氣體沿放電管軸向高速流動，即氣流方向、電場方向及激光諧振腔三者方向一致第49頁,共59頁，2024年2月25日，星期天6激光技術(shù)6.1品質(zhì)因數(shù)Q的基本概念吸收損耗

損耗系數(shù)δ反射損耗散射損耗

衍射損耗

第50頁,共59頁，2024年2月2