激光器及其应用介绍

激光原理简介激光的发展历史激光器的基本原理激光器的应用及前景2021/3/162LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)——辐射的受激发射的光放大激光是20世纪的四项重大的发明之一2021/3/163激光的发展历史从历史来看，任何科学发明或科学发现，都不外是两条道路：一是自然界业已存在，当人们自觉或不自觉地发现以后再产生理论，并加以证明和利用，如万有引力、氧气、电磁等，这种情况称为“科学发现”；二是自然界（至少地球上的自然界）并不存在的事物，但人们先从理论上推导、预测，然后再通过努力加以证明和实现，如相对论、核衰变、核聚变等，这种情况称为“科学发明”。而后者则更有科学理论性和挑战性，激光的诞生过程就是属于后者。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。2021/3/164激光发明的理论基础可以追溯到1917年，著名的物理学家爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用的时候发现，除了受激吸收和自发辐射跃迁过程外，还存在受激辐射跃迁过程。20世纪50年代初，电子学和微波技术的应用提出了将无线电技术从微波推向光波的要求。从微波振荡器到光波振荡器微波振荡器的实现原理：一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔；利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡。1952年，美国马里兰大学的韦伯开始应用以上理论去放大电磁波。2021/3/1651954年，美国的汤斯(CharlesH.Towns)、苏联的巴索夫(NikolaiG.Basov)和普洛霍洛夫(AleksanderM.Prokhorov)第一次实现了氨分子微波量子振荡器(Maser),抛弃了利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡，利用原子或分子中的束缚电子与电磁场的相互作用来放大电磁波。1958年，汤斯和肖洛(ArthurL.Schawlow)抛弃了一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔，提出了利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔，实现了激光器的新思想。布隆伯根(NicolaasBloembergen)提出了利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反转分布的新构想。汤斯和肖洛在PhysisRevies上发表论文，指出了实现受激辐射为主的可能性，并给出了实现这个愿望需要满足的条件。2021/3/166C.H.TownesA.M.ProkhorovN.G.Basov汤斯1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几乎同时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发明。TheNobelPrizeinPhysics19642021/3/1671960年7月，世界第一台红宝石固态激光器问世，标志了激光技术的诞生。美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼演示的。波长为694.3nm的激光2021/3/168至此，一门新的科学技术——量子电子学中的激光技术以科学史上罕见的高速度向前发展！2021/3/1691961年⑴2月（A.Javan）研制成了He—Ne混合气体激光器。⑵有人提出了Q调制技术，并制成第一台调Q激光器。为什么要调Q？⑶制成了钕玻璃脉冲激光器。1962年，美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化镓（GaAs）半导体激光器运转的报道。仅1961—1962年间世界各国发表的激光方面的论文达200篇以上。2021/3/16101963年建立了激光的半经典理论。对激光的频率特性和功率特性进行了比较完善的探讨。1964年研制成了氩离子（Ar+）离子气体激光器二氧化碳气体激光器化学激光器（HF氟化氢）掺钕的钇铝石榴石固体激光器1965年实现了铌酸锂光学参量振荡器，借助半经典理论预言了锁模效应的存在。2021/3/16111966年研制成了固体锁模激光器获得了超短脉冲。为什么要锁模？1970年研制成了准分子激光器。1977年研制成了红外波段的自由电子激光器（FEL）1984年研制出光孤子激光器（SL）因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理学奖的科学家共有10位.1967年研制成了Ｘ射线激光器。2021/3/1612拉姆齐（Ramsey，NormanF，1915~）美国物理学家。因发展了原子精确光谱学和发明了分离振荡场方法以及将其用于氢微波激射器和原子钟而获得1989年诺贝尔物理学奖金。2021/3/1613朱棣文（1948~），美籍华裔物理学家。1997年，朱棣文因发明用激光冷却和俘获原子的方法获得诺贝尔物理学奖。科昂-塔努吉（CloderCohenTanuky，1933~）法国物理学家，1997年诺贝尔物理奖得主。他利用“磁阱”技术，成功地将原子温度降低到了与绝对零度只相差百万分之一度的程度。菲利普斯（Felipus，William，1948~）美国物理学家，1987年他运用“磁阱”技术，改进了原子在激光照射下温度骤降的方法，使冷却温度进一步降低。因此获得1997年诺贝尔物理奖。2021/3/16141961年8月，中国第一台红宝石激光器问世。中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统——神光装置，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功。神光I、神光II、神光III2021/3/1615（builtin19862beam/f200mm,1.6KJ/1w/1ns）神光I装置的两路激光系统2021/3/1616二、激光的基本构成产生激光的必要条件1.实现粒子数反转２.使原子被激发３.要实现光放大——工作物质——光学谐振腔——激励能源激光构造三要素2021/3/1617激励能源增益介质谐振腔全反射镜部分反射镜(99)谐振腔，增益介质，激励能源。1.基本构成部分2.激光的形成光束在谐振腔内来回振荡，在增益介质中的传播使光得以放大，并输出激光。2021/3/1618（一）自发辐射受激辐射1、自发辐射原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级E2自动跃迁到低能级E1,这种跃迁称为自发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射。hEE12.1E2E发光前.。2E1Eh发光后自发辐射2021/3/16192、受激吸收原子吸收外来光子能量h,并从低能级E1跃迁到高能级E2,且E2-E1=h,这个过程称为受激吸收。吸收后。.2E1Eh吸收前.1E2E受激吸收2021/3/16203、受激辐射由受激辐射得到的放大了的光是相干光，称之为激光。原子中处于高能级E2的电子,会在外来光子(其频率恰好满足h=E2-E1)的诱发下向低能级E1跃迁,并发出与外来光子一样特征的光子,这叫受激辐射。.1E2E.。2E1E发光前发光后hhh受激辐射的光放大示意图2021/3/1621（二）激光原理1、粒子数正常分布和粒子集居数反转分布kTEiiCN/e2211ENENkTEENN/)(2121e/N1N2表明,处于低能级的电子数大于高能级的电子数，这种分布叫做粒子数的正常分布。N2N1叫做粒子集居数反转，简称粒子数反转或称集居数反转。12EE已知粒子数的正常分布1E2E.....。。。。。。。。。。。。。1N2N12EE粒子数反转分布2E1E...............。。。。。2N1N12EE2021/3/1622从外界输入能量（如光照,放电等）,把低能级上的原子激发到高能级上去,这个过程叫做激励（也叫泵浦-pump）.红宝石中铬离子能级示意图.1E2E.。。基态亚稳态激发态3E2021/3/16232、光学谐振腔激光的形成光在粒子数反转的工作物质中往返传播，使谐振腔内的光子数不断增加,从而获得很强的光,这种现象叫做光振荡。加强光须满足驻波条件2kl.激光光束全反射镜l光学谐振腔示意图部分透光反射镜2021/3/16243、谐振腔的作用增益介质(1).限定光的方向沿轴线的光在增益介质内来回反射，连锁放大，输出形成激光。其它方向的光很快逸出谐振腔。(2).选择光振荡的频率（驻波条件）,3,2,12kkLkI0eGLr1I0eGLr1I0e2GL(3).延长增益介质r2r1≤I0增益介质阈值条件1221GLerrr1r2I0e2GL2021/3/1625高压直流电源工作物质：氖气激励方式：直流气体放电(1).氦氖激光器电子经电场加速后，与He碰撞。处于激发态的He与Ne碰撞，把能量传递给Ne，使它在亚稳态（3s、2s）和激发态（3p、2p）之间形成反转分布。4、几种常见的激光器2021/3/1626红宝石触发高压直流电源限流电阻(2).红宝石激光器工作物质：红宝石中的Cr+3激励能源：脉冲氙灯脉冲氙灯发出的光照射红宝石，使得Cr+3在亚稳态和基态之间形成反转分布。椭圆柱面脉冲氙灯2021/3/1627激光器的分类激励方式工作物质工作方式输出波长输出频率特性（三）激光器的种类2021/3/1628激光器的种类很多，可分为固体、气体、液体、半导体和染料等五种类型：（1）固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。（2）半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单，特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能，所以发展迅速。（3）气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，应用广泛。气体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。2021/3/1629（4）以液体染料为工作物质的染料激光器于1966年问世，广泛应用于各种科学研究领域。现在已发现的能产生激光的染料，大约在500种左右。这些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它们还可以包含在有机塑料中以固态出现，或升华为蒸汽，以气态形式出现。所以染料激光器也称为“液体激光器”。染料激光器的突出特点是波长连续可调。燃料激光器种类繁多，价格低廉，效率高，输出功率可与气体和固体激光器相媲美，应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。（5）红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐射源，特点是辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强。2021/3/1630（6）X射线激光器在科研和军事上有重要价值，应用于激光反导弹武器中具有优势；生物学家用X射线激光能够研究活组织中的分子结构或详细了解细胞机能;用X射线激光拍摄分子结构的照片,所得到的生物分子像的对比度很高。（7）化学激光器有些化学反应产生足够多的高能原子，就可以释放出大能量，可用来产生激光作用。（8）自由电子激光器这类激光器比其他类型更适于产生很大功率的辐射。它的工作机制与众不同，它从加速器中获得几千万伏高能调整电子束，经周期磁场，形成不同能态的能级，产生受激辐射。2021/3/1631世界第一台自由电子激光器于1977年问世，中国第一台自由电子激光器于1985年问世。自由电子激光器的能量是由外场加速后的自由电子的动能转换而成的。其输出功率可达很高水平，在加工、反导、雷达、通信、光化学等方面都有很大的用途，所以它一问世就受到各国科技界的重视。美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员于1992年研制出当时世界上最小的固体激光器它在扫描电子显微镜下看起来就像一个个微型图钉，其直径只有2至10微米。在一个大头针的针头上，可以装下1万个这样的新型半导体激光器。1990年美国研制成功畸变量子阱激光器，开关速度达280亿次/秒，这是激光器有史以来达到的最高速度。1992年日本推出一种高输出半导体激光器，特点是服务寿命长，在室温下可连续工作5000小时。2021/3/16321、固体激光器工作物质——各种激光晶体和玻璃输出波长——由工作物质中激活元素决定。激励方式——惰性气体灯泵浦或半导体激光器泵浦输出方式——连续灯泵浦——连续光脉冲灯泵浦