典型激光器及其應(yīng)用.ppt

1、,光電子技術(shù) Photoelectronic Technique 1.4 典型激光器及其應(yīng)用 主講：周自剛 助教：范宗學(xué),2,1、激光器應(yīng)用,工業(yè) 加工，測量，快速成型，準(zhǔn)直，光刻，光盤 通訊 半導(dǎo)體激光器，放大器 航天 測距 軍事 雷達(dá)，制導(dǎo)，測距，制盲 醫(yī)學(xué) 手術(shù)刀，眼科，皮膚科，結(jié)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(xué),9,航天,10,軍事,測距，敵我識別，通信，制導(dǎo),11,科研,12,科研,13,2、激光器分類,激光工作介質(zhì) 固體激光器 (光纖激光器） 氣體激光器 半導(dǎo)體激光器 染料激光器 自由電子激光器,化學(xué)組成 原子激光器 分子激光器 離子

2、激光器 自由電子激光器 準(zhǔn)分子激光器,激光運(yùn)轉(zhuǎn)方式 連續(xù) 脈沖 單脈沖 重復(fù)頻率 準(zhǔn)連續(xù),激光調(diào)制方式 自由運(yùn)轉(zhuǎn) 調(diào)Q 鎖模,14,3、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(zhǔn)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(zhì)量好 功率范圍大（幾瓦幾萬瓦） 運(yùn)行方式多樣 結(jié)構(gòu)多樣,16,CO2激光器工作原理,17,CO2激光器的激發(fā)機(jī)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 H2O,18,CO2激光器類型,封離型

3、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(dǎo)CO2激光器,19,CO2激光器運(yùn)行方式,20,（2）He-Ne激光器,氣體原子激光器 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(zhì)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,21,He-Ne激光器工作原理,能級圖,22,He-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,23,（3） Ar離子激光器,24,Ar離子激光器工作原理,25,Ar離子激光器

4、工作特性和結(jié)構(gòu),26,（4） 準(zhǔn)分子激光器,準(zhǔn)分子指在激發(fā)態(tài)能夠暫時結(jié)合成的不穩(wěn)定分子（Excimer） 高重復(fù)率 可調(diào)諧 量子效率高 波長短，紫外到可見區(qū),主要的準(zhǔn)分子激光器,27,準(zhǔn)分子激光器工作原理,躍遷過程 泵浦要求 電子束泵浦機(jī)理 脈沖放電泵浦機(jī)理,28,（5） 染料激光器,以某種有機(jī)染料溶解于一定溶劑中作為激活介質(zhì)的激光器 波長可調(diào)諧，調(diào)諧范圍寬 光譜分辨率高 結(jié)構(gòu)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

5、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(xué)諧振腔 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,33,（7） 半導(dǎo)體激光器,34,半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,GaAs激光器的結(jié)構(gòu),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,增益系數(shù)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)系也取決于諧振腔內(nèi)的工作物質(zhì),35,（8） 光纖激光器,36,1.光纖通信對半導(dǎo)體激光

6、器光源的要求,1）體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換效率高、可以直接調(diào)制、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此它非常適用于光纖通信之中。,1）法布里珀羅（FP）激光器,2.作為通信光源的半導(dǎo)體激光器,2）光發(fā)射端機(jī)的工作原理,光發(fā)射端機(jī)框圖,2）分布反饋（DFB）半導(dǎo)體激光器,3）分布反饋半導(dǎo)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(diǎn),1、基本原理：以縱向泵浦的光纖激光器的結(jié)構(gòu)為例，如圖9-5所示,圖光纖激光器原理示意圖,2、特點(diǎn)：以縱向泵浦的光纖激光器的結(jié)構(gòu)為例，如圖所示,二、光纖激光器的分類及其應(yīng)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、

7、光纖光柵激光器,38,1.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(xué) 生物學(xué),飛秒激光概念,（9） 飛秒激光器,39,2.峰值功率極高,10121015W,10181021W/cm2 ( E=1011V/cm 氫原子庫侖場5109V/cm ）,極端物理?xiàng)l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(yùn)轉(zhuǎn)的激光，持續(xù)時間非常短，只有幾個飛秒，比利用電子學(xué)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(dá)到百萬億瓦

8、，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(qiáng)度比原子核對其周圍電子的作用力還要高數(shù)倍。,41,振蕩器輸出參數(shù)： 平均功率 ： 340mW 重復(fù)頻率 ： 74MHz 單脈沖能量 ： 4.6nJ 光譜寬度 ： 60nm 脈沖寬度 ： 20fs,42,飛秒 激光,產(chǎn)生,超快科學(xué) （探測某些超快物理過程） 物理 化學(xué) 生物學(xué),超快技術(shù) 電子學(xué)（光電取樣） 光通訊 成像 共焦顯微 OCT,放大,超快超強(qiáng)科學(xué) （創(chuàng)造一個極端物理?xiàng)l件） 飛秒等離子體 強(qiáng)場下電子相對論運(yùn)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

9、突破,飛秒相干x射線及x激光 （高次諧波，湯姆遜效應(yīng)） x光顯微術(shù)、印刷術(shù)、照相 激光熱核聚變快速點(diǎn)火 激光粒子加速器 THz毫米波技術(shù) 云層放電,超高速計(jì)算機(jī) 超高速光通訊 生物技術(shù)（合成生物分子） 醫(yī)學(xué)（OCT） 微加工技術(shù),飛秒激光應(yīng)用,43,在物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)控制反應(yīng)、光通訊等領(lǐng)域應(yīng)用。,應(yīng)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(shí)現(xiàn)人工引雷，可避免飛機(jī)、火箭、發(fā)電廠等因雷擊而造成的意外災(zāi)難性破壞。,第二 能使“ 設(shè)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(shè)備小型化另一方面， 在超精細(xì)微加工、高密度信息記錄方面也為人類開辟了廣闊的應(yīng)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(zhì)相互作用時， 能夠產(chǎn)生足夠數(shù)量的中子，實(shí)現(xiàn)激光控