激光的原理与特性讲稿.ppt
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1、关于激光的原理与特性第一页,讲稿共五十五页哦1.1 激光基本原理光吸收和辐射原理光吸收和辐射原理激光产生条件激光产生条件激光的特点激光的特点激光对生物组织的作用激光对生物组织的作用第二页,讲稿共五十五页哦1 1、原子的自发辐射:、原子的自发辐射:满足条件:满足条件:h =E2-E11E 2E h 1E2E吸收:吸收:光通过物质时,一部分光子将被原子吸收,使它们跃迁光通过物质时,一部分光子将被原子吸收,使它们跃迁到较高能级,称为光的吸收。到较高能级,称为光的吸收。自发辐射:自发辐射:处在高能级的粒子是不稳定的,很快就会处在高能级的粒子是不稳定的,很快就会跃迁到低能级,多余的能量以光子的形式发射出
2、来,跃迁到低能级,多余的能量以光子的形式发射出来,这种发射称自发辐射。这种发射称自发辐射。自发辐射自发辐射一、光吸收和辐射原理一、光吸收和辐射原理第三页,讲稿共五十五页哦特点:特点:大量独立粒子自发辐射,发光是频率、相位、偏振状大量独立粒子自发辐射,发光是频率、相位、偏振状态、传播方向等均不相同的非相干光,如:普通光源发光即态、传播方向等均不相同的非相干光,如:普通光源发光即属于自发辐射。属于自发辐射。2 2、受激辐射、受激辐射 处在高能级处在高能级E2的原子,的原子,受到能量为受到能量为h =E2-E1的外来的外来光子光子的的激励激励,由高能级,由高能级E E2 2受激受激跃迁跃迁到低能级到
3、低能级E E1 1,同时辐射,同时辐射出一个出一个与激励光子全同与激励光子全同(即频率即频率、相位相位、偏振状态偏振状态、传播传播方向等均同方向等均同)的光子。的光子。第四页,讲稿共五十五页哦E2E1h E2E1h h 受激辐射受激辐射满足条件:满足条件:h =E2-E1光放大光放大特点:特点:必须先有一个入射光子的作用,才能诱发得到两个特征必须先有一个入射光子的作用,才能诱发得到两个特征相同的光子。这两个光子再引发其他原子受激辐射,实现光放相同的光子。这两个光子再引发其他原子受激辐射,实现光放大。大。第五页,讲稿共五十五页哦受激辐射受激辐射 当物质受到强烈激励时,使某一能级的粒子数大量积聚,
4、当积聚数多于基态或下一能级的粒子数时,发生反分布。物质处于反分布状态时,如有光束射入,入射光子的能量正好等于反分布状态的两能级能量之差,则会发生光子与粒子的完全弹性碰撞,使粒子从激发态跃迁到基态或某下一能级,同时发射一个光子,此光子的能量与入射光子的能量相同,有一致的方向和恒定的位相关系。此称受激辐射。简单的讲:频率适当的光子诱发高能级的原子发射光简单的讲:频率适当的光子诱发高能级的原子发射光子而跃迁到低能级。子而跃迁到低能级。第六页,讲稿共五十五页哦3 3、受激吸收受激吸收(共振吸收(共振吸收,光的吸收)光的吸收)处在低能级处在低能级E1的原子受到能量等于的原子受到能量等于h =E2-E1的
5、光子的光子的照射时,吸收这一光子跃迁到高能级的照射时,吸收这一光子跃迁到高能级E2的过程。的过程。光减弱过程光减弱过程E2E1h 第七页,讲稿共五十五页哦激光产生的条件:激光产生的条件:粒子数反转粒子数反转光学谐振腔光学谐振腔合适的激励能源合适的激励能源具有亚稳态的工作物质具有亚稳态的工作物质二、激光的产生条件二、激光的产生条件第八页,讲稿共五十五页哦 1、粒子数反转分布粒子数反转分布激光是受激幅射的光,但还存在自发辐射和吸收,激光是受激幅射的光,但还存在自发辐射和吸收,要使受激辐射超过吸收和自发辐射才能要使受激辐射超过吸收和自发辐射才能实现光放大实现光放大根据玻尔兹曼能量分布律:根据玻尔兹曼
6、能量分布律:kTEEeNN)(1212 热动平衡下,热动平衡下,N2N1,即即处于高能处于高能级的原子数大大少于低能级的原子数级的原子数大大少于低能级的原子数粒子数的正常分布粒子数的正常分布受激辐射占支配地位受激辐射占支配地位粒子数反转粒子数反转高能级上的粒高能级上的粒子数超过低能子数超过低能级上的粒子数级上的粒子数第九页,讲稿共五十五页哦粒子数正常分布是:粒子数正常分布是:为了有效地产生激光,要改变这种分布,形成为了有效地产生激光,要改变这种分布,形成粒子数反转的状态。粒子数反转的状态。E1E2E3E4能能量量N1N2粒子数反转状态粒子数反转状态E1E2N1N2第十页,讲稿共五十五页哦2 2
7、、实现粒子数反转的条件:、实现粒子数反转的条件:要有实现粒子数反转分布的物质,这种物质具有要有实现粒子数反转分布的物质,这种物质具有 适当的能级结构;适当的能级结构;必须从外界输入能量,使工作物质中尽可能多的必须从外界输入能量,使工作物质中尽可能多的 粒子处于激发态。(粒子处于激发态。(激励激励或或泵浦泵浦)激励方法:激励方法:光激励、电激励、化学激励、核激励光激励、电激励、化学激励、核激励工作物质的能级结构:工作物质的能级结构:具有亚稳态具有亚稳态(寿命较长寿命较长)只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转第十一页,讲稿共五十五页哦、适当的激励系统
8、、适当的激励系统 组成激光器的第一部分是激励系统。组成激光器的第一部分是激励系统。实现这种作用的方式有光子激励(光泵),实现这种作用的方式有光子激励(光泵),即利用强光照射工作物质。即利用强光照射工作物质。光激励的第一种方式:用激光激励另种激光器;光激励的第一种方式:用激光激励另种激光器;光激励的第二种方式:用气体放电激励;光激励的第二种方式:用气体放电激励;光激励的第三种方式:用电流激励。光激励的第三种方式:用电流激励。第十二页,讲稿共五十五页哦、具有亚稳态的工作物质、具有亚稳态的工作物质 粒子数反转:利用外来激发打破热平衡使高能级的原子数粒子数反转:利用外来激发打破热平衡使高能级的原子数多
9、于低能级的原子数的这种情况多于低能级的原子数的这种情况 亚稳态:寿命比较长一点的激发态亚稳态:寿命比较长一点的激发态第十三页,讲稿共五十五页哦三能级结构三能级结构四能级结构四能级结构第十四页,讲稿共五十五页哦光学谐振腔的作用:光学谐振腔的作用:1 1)使受激辐射光放大过程能在有限长)使受激辐射光放大过程能在有限长 度的工作物质中持续进行,且在满度的工作物质中持续进行,且在满 足阈值条件下形成光振荡,产生激光。足阈值条件下形成光振荡,产生激光。2 2)对输出激光的方向性给予限定。)对输出激光的方向性给予限定。3 3)有选频作用。)有选频作用。3 3、激光谐振腔、激光谐振腔(激光器的第二大部分激光
10、器的第二大部分)第十五页,讲稿共五十五页哦b b、激光谐振腔的结构:、激光谐振腔的结构:基本激光系统基本激光系统部分反射镜部分反射镜全反射镜全反射镜激发能源激发能源激光束激光束激活激光介质激活激光介质激光器结构原理图激光器结构原理图第十六页,讲稿共五十五页哦光学谐振腔光学谐振腔输出输出全反射镜全反射镜(100%100%反射镜)反射镜)部分透光反射镜部分透光反射镜(98%98%反射)反射)光光学学谐谐振振腔腔激发态激发态原子原子基基态态实现粒子数反转实现粒子数反转分布的激活介质分布的激活介质辐射的光的位相、偏辐射的光的位相、偏振状态、频率、传播振状态、频率、传播方向是随机的。方向是随机的。第十七
11、页,讲稿共五十五页哦He-NeHe-Ne激光器的能级图激光器的能级图电子碰撞电子碰撞扩散扩散共振转移共振转移3=1152.3nm2=632.8nm2P1=3391nm3S2SE3E1能量能量(W)E00212019181716151S3PHe+Ne+He+Ne+第十八页,讲稿共五十五页哦基态基态R2:629.9nmR1:694.3nm2E4F24F1400nm(蓝蓝)550nm(绿绿)=310-3s50nm红宝石中红宝石中Cr3+能级能级4A2第十九页,讲稿共五十五页哦激光波长范围宽:激光波长范围宽:远红外远红外-X-X射线射线波长特点:波长特点:单一或可调单一或可调发光方式:发光方式:脉冲或
12、连续脉冲或连续功率范围:功率范围:1010-3-3-10-105 5W,脉冲峰值可达脉冲峰值可达10101313W激光器激光器种类种类繁多:按工作物质可分为:繁多:按工作物质可分为:气体激光器气体激光器,如:,如:He-NeHe-Ne激光器激光器固体激光器固体激光器,如:红宝石激光器,如:红宝石激光器半导体激光器半导体激光器,如:,如:GaAsGaAs激光器激光器染料激光器染料激光器,如:乙醇,苯类、丙酮、二甲基等,如:乙醇,苯类、丙酮、二甲基等本节介绍激光的产生、特性,对生物组织的作用本节介绍激光的产生、特性,对生物组织的作用及医学应用及医学应用第二十页,讲稿共五十五页哦一、激光的基本特性一
13、、激光的基本特性1、单色性好、单色性好2、方向性好、方向性好3、亮度高强度大、亮度高强度大4、相干性好、相干性好第二十一页,讲稿共五十五页哦1 1、单色性好、单色性好单色性的好坏反映了光能量在频谱上分布的单色性的好坏反映了光能量在频谱上分布的集中性。集中性。光谱线宽度是衡量单色性好坏的标志光谱线宽度是衡量单色性好坏的标志 KrKr灯:灯:605.7nm,605.7nm,谱线宽度谱线宽度=4.7=4.7*1010-4-4nmnmHe-NeHe-Ne激光:激光:632.8nm,632.8nm,谱线宽度谱线宽度=4.7=4.7*1010-8-8nmnm原因原因:受激辐射受激辐射,光子一致光子一致;谐
14、振腔选频谐振腔选频.应用应用:光的生物效应强烈地依赖于光的波长光的生物效应强烈地依赖于光的波长,因此激光良好的单色性在医学上具有重要因此激光良好的单色性在医学上具有重要的应用价值的应用价值.第二十二页,讲稿共五十五页哦第二十三页,讲稿共五十五页哦2、高度准直性、高度准直性(方向性好方向性好-激光的发散角小。激光的发散角小。)=25mrad(毫弧度)(毫弧度)lr (1km时光斑直径时光斑直径10m)激光器激光器LaserHe-Ne激光经纬仪激光经纬仪测月红宝石激光器测月红宝石激光器=4 10-5mradD=1.6kmr l 第二十四页,讲稿共五十五页哦方向性的好坏方向性的好坏反映了光能量在空间
15、分布的集中性。反映了光能量在空间分布的集中性。发散角是衡量光束方向性好坏的标志发散角是衡量光束方向性好坏的标志.探照灯:探照灯:3838万公里远月亮上,光斑直径万公里远月亮上,光斑直径10001000公里公里.单模激光:单模激光:=122/D,=122/D,发散角发散角1 1毫弧度毫弧度(mrad),(mrad),光斑直径光斑直径1 1公里公里.原因原因:受激辐射一致受激辐射一致;谐振腔选模谐振腔选模.应用应用:激光的方向性好就意味着可以把光束传播到很远激光的方向性好就意味着可以把光束传播到很远的距离而仍然确保足够的强度。的距离而仍然确保足够的强度。在医用范围内在医用范围内,如不考虑空气的吸收
16、,激光的强度几乎和距,如不考虑空气的吸收,激光的强度几乎和距离无关。激光在空间的高度集中离无关。激光在空间的高度集中,可聚焦成激光手术刀可聚焦成激光手术刀;加上单色性好加上单色性好,聚焦时无色散象差聚焦时无色散象差,可聚焦成微米级的激可聚焦成微米级的激光微束。例如国内已经制成激光微手术刀,可使激光束细光微束。例如国内已经制成激光微手术刀,可使激光束细到只有到只有1 1mm,可方便的对细胞施行切割或焊接手术。,可方便的对细胞施行切割或焊接手术。第二十五页,讲稿共五十五页哦3 3、亮度高强度大、亮度高强度大 亮度是光源在单位面积上,向某一方向的亮度是光源在单位面积上,向某一方向的单位立体角内发射的
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