- 信息材料课件-固体激光材料 [兼容模式].pdf

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1、信号与系统信号与系统1一、激光与激光器信号与系统信号与系统21、激光及激光器概述?20世纪四大发明：?原子能原子能?计算机计算机?半导体半导体?激光器激光器?激光应用?通信通信：?激光武器激光武器?医学医学信号与系统信号与系统3?英文名英文名：LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)“镭射镭射”、“莱塞莱塞”?中文名中文名：1964年按照我国著名科学家钱学森建议将年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受光受激发射激发射”改称改称“激光激光”?“最快的刀最快的刀”?“最准的尺最准的尺”?“最亮的光最亮的光”奇异的激

2、光奇异的激光小学五年级语文课文小学五年级语文课文1、激光及激光器概述信号与系统信号与系统2、激光原理电光是如何转换的？4(a)：自发辐射自发辐射处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外并同时向外辐射出一个光子辐射出一个光子；宏观表现宏观表现：发光发光1221EEh=光子能量：信号与系统信号与系统2、激光原理电光是如何转换的？5(b)：受激吸收受激吸收处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸吸收一个光子收一个光子，跃迁到高能级态跃迁到高能级态；宏观表现宏观表现：光被吸收光被吸收信号与系统信号与系统2、

3、激光原理电光是如何转换的？6(c)：受激辐射受激辐射处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁跃迁到低能级态到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。宏观表现宏观表现：光被放大光被放大信号与系统信号与系统?自发辐射与受激辐射的区别自发辐射与受激辐射的区别2、激光原理电光是如何转换的？?自发辐射自发辐射：完全是一种随机过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过各发光原子的发光过程各自独立程各自独立，互不关联互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方规则

4、的射向四面八方，另外位相另外位相、偏振状态也各不相同偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一所以发射光的频率也不是单一的的，而有一个范围而有一个范围。?受激辐射受激辐射：原子可发出与诱发光子全同的光子原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅不仅频率频率（能量能量）相同相同，而且发射方向而且发射方向、偏振方向以及光波的偏振方向以及光波的相位都完全一样相位都完全一样。7信号与系统信号与系统?结论结论：受激辐射是产生激光的唯一渠道受激辐射是产生激光的唯一渠道。2、激光原理电光是如何转换的？8受激辐射占主导之必要条件受激辐射占主导之必要条件；受激辐射受激

5、辐射受激吸收受激吸收信号与系统信号与系统?实现受激辐射实现受激辐射受激吸收的方法受激吸收的方法：2、激光原理电光是如何转换的？9?使处在高能级的原子数目比处在低能级的多使处在高能级的原子数目比处在低能级的多粒粒子数反转子数反转；如何从技术上实现粒子数反转如何从技术上实现粒子数反转？信号与系统信号与系统?泵浦源泵浦源：用外界能量来激励工作物质用外界能量来激励工作物质，建立粒建立粒子数反转分布状态子数反转分布状态、使粒子从低能级抽运到高能级使粒子从低能级抽运到高能级态的装置态的装置?泵浦方式泵浦方式：光激励方式光激励方式，气体辉光放电或高频放气体辉光放电或高频放电方式电方式，直接注入电子方式直接注

6、入电子方式，化学反应方式还有化学反应方式还有热激励热激励、冲击波冲击波、电子束电子束、核能等方式核能等方式。2、激光原理电光是如何转换的？信号与系统信号与系统113、激光器的基本结构信号与系统信号与系统常用激光器由三部分组成常用激光器由三部分组成：工作物质工作物质泵浦源泵浦源光学谐振腔光学谐振腔激光激光工作物质工作物质激励能源激励能源谐振腔谐振腔1M2M 激光器结构示意图激光器结构示意图3、激光器的基本结构信号与系统信号与系统134、激光发生过程1.受激原子自发辐射出光子受激原子自发辐射出光子信号与系统信号与系统144、激光发生过程2.受激原子在光子照射下发生受激辐射受激原子在光子照射下发生受

7、激辐射信号与系统信号与系统154、激光发生过程3.光振荡光振荡：受激辐射光受激辐射光在反射镜反射下在反射镜反射下产生新的受激辐产生新的受激辐射射，使得谐振腔使得谐振腔内沿轴向的光骤内沿轴向的光骤然增加然增加，形成形成激激光光。信号与系统信号与系统165、激光的特点及应用1.方向性好方向性好：?发散角小发散角小：激光器发射的激光激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射天生就是朝一个方向射出出，光束的发散角极小光束的发散角极小，大约为大约为0.001rad，接近平行接近平行。1962年年，人类第一次用激光照射月球人类第一次用激光照射月球，地球距离月球的距地球距离月球的距离大约为离大约为38万公里万公

8、里，但激光在月球表面的光斑不到两公里但激光在月球表面的光斑不到两公里；信号与系统信号与系统175、激光的特点及应用1.方向性好方向性好：?亮度高亮度高：由于激光的发射能力强和能量的高度集中由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所所以亮度很高以亮度很高，它比普通光源高亿万倍它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度比太阳表面的亮度高几百亿倍高几百亿倍。亮度是衡量一个光源质量的重要指标亮度是衡量一个光源质量的重要指标，若将若将中等强度的激光束经过会聚中等强度的激光束经过会聚，可在焦点出产生几千到几万可在焦点出产生几千到几万度的高温度的高温。信号与系统信号与系统激光能量在时间和空间上高度集中激光能量在时

9、间和空间上高度集中，能在极能在极小区域产生几百万度的高温小区域产生几百万度的高温。激光加工激光加工、激光手激光手术术、激光武器等就利用激光武器等就利用了高亮度的特点了高亮度的特点。激光切割激光切割5、激光的特点及应用信号与系统信号与系统195、激光的特点及应用2.单色性好单色性好：?单色性好单色性好：光的颜色由光的不同波长决定光的颜色由光的不同波长决定，不同的颜色不同的颜色，是不同波长的光作用于人的视觉的不同而反映出来是不同波长的光作用于人的视觉的不同而反映出来。激光激光的波长基本一致的波长基本一致，谱线宽度很窄谱线宽度很窄，颜色很纯颜色很纯，单色性很好单色性很好。由于这个特性由于这个特性，激

10、光传递信息的容量大激光传递信息的容量大，实现光通信实现光通信。信号与系统信号与系统计量工作的计量工作的标准光源标准光源、激光激光通讯等利用了单通讯等利用了单色性好的特点色性好的特点。光缆光缆5、激光的特点及应用信号与系统信号与系统215、激光的特点及应用3.相干性好相干性好：?相干性是所有波的共性相干性是所有波的共性，但由于各种光波的品质不同但由于各种光波的品质不同，导致它们的相干性也有高低之分导致它们的相干性也有高低之分。普通光是自发辐射光普通光是自发辐射光，不会产生干涉现象不会产生干涉现象。激光不同于普通光源激光不同于普通光源，它是受激辐射它是受激辐射光光，具有极强的相干性具有极强的相干性

11、，所以称为相干光所以称为相干光。相干条件相干条件（Coherent Condition）：）：振动方向相同振动方向相同；振动频率相同振动频率相同；相位相同或相位差保持恒定相位相同或相位差保持恒定那么在两束光相遇的区域内就会产生干涉现象那么在两束光相遇的区域内就会产生干涉现象。信号与系统信号与系统激光具有很好的相干性激光具有很好的相干性。普通光源的相干长度约为普通光源的相干长度约为1 1毫米至几十厘米毫米至几十厘米，激光可达几十公里激光可达几十公里。全息照相全息照相、全息全息存储等就利用了相干存储等就利用了相干性好的特点性好的特点。5、激光的特点及应用信号与系统信号与系统23二、固体激光材料信号

12、与系统信号与系统常见激光器的种类?固体激光器固体激光器（晶体晶体、玻璃玻璃）?气体激光器气体激光器（原子原子、分子分子、离子离子）?液体激光器液体激光器（用在液体中能发出荧光的有机用在液体中能发出荧光的有机染料分子作为激活剂染料分子作为激活剂）?半导体激光器半导体激光器红宝石激光器红宝石激光器半导体激光器半导体激光器信号与系统信号与系统251、固体激光工作物质固体激光工作物质由基质材料和激活离子两部分组成。?基质材料：其作用主要是为激活离子提供一个适当的晶格场。决定工作物质的各种物理化学性质；?激活离子：发光中心，实际上是少量掺杂离子，称为激活离子。激光的波长主要取决于激活离子的内部能级结构。

13、信号与系统信号与系统1-1、基质材料1.基质晶体优点：热导率高、硬度高、荧光谱线较窄。缺点：光学质量和掺杂的均匀性较差。信号与系统信号与系统271-1、基质材料信号与系统信号与系统281-2、激活离子信号与系统信号与系统2、红宝石激光器?红宝石是在晶体氧化铝红宝石是在晶体氧化铝(Al2O3)中掺入少量的中掺入少量的Cr2O3，由由Cr3+部分取代部分取代Al3+而成而成，激活离激活离子子Cr3+。晶体颜色为淡红色晶体颜色为淡红色，它是刚玉的一它是刚玉的一种种。?能级结构能级结构：铬失去的三个电子跃迁形成高能铬失去的三个电子跃迁形成高能级电子级电子，在光的激发下可受激发射而发光在光的激发下可受激

14、发射而发光。29信号与系统信号与系统红宝石激光器的工作过程?红宝石棒两个端面精磨抛光红宝石棒两个端面精磨抛光，平行度在平行度在1（弧分弧分）以内以内，其中一个端面镀银其中一个端面镀银，成为全反射面成为全反射面，另一个端面平镀银另一个端面平镀银，成为透射率成为透射率10%的部分反射面的部分反射面。?激励能源是光源激励能源是光源螺旋形脉冲氙灯螺旋形脉冲氙灯（现经常采用直管氙现经常采用直管氙灯灯），），氙灯在绿色和蓝色的光谱段有较强有光输出氙灯在绿色和蓝色的光谱段有较强有光输出，这正这正好同红宝石的吸收光谱对应起来好同红宝石的吸收光谱对应起来。由氙闪光灯发出的光照由氙闪光灯发出的光照射到红宝石的侧面

15、射到红宝石的侧面，外有聚光器加强照射效果外有聚光器加强照射效果，闪光灯通闪光灯通常一次工作几毫秒常一次工作几毫秒，输入能量输入能量1000-2000J，闪光灯的大部闪光灯的大部分输入能量耗散为热分输入能量耗散为热，只有一部分变成光能为红宝石所吸只有一部分变成光能为红宝石所吸收收，并转移到其中并转移到其中Cr3+的相应能级上的相应能级上。当由氙灯输入的当由氙灯输入的能量超过激光器的阈值时能量超过激光器的阈值时，则每激励一次则每激励一次，就有一束相干就有一束相干光从红宝石的半镀银面射出光从红宝石的半镀银面射出，其波长为其波长为 6943 A（红光红光），谱线宽度小于谱线宽度小于0.1 A.信号与系

16、统信号与系统红宝石激光器特点?输出694.3nm波长的可见激光。光谱线宽0.010.1nm，光斑直径为36mm。易于接收和检测；?晶体升温时(大于50）时，荧光量子效率显著下降，谱线宽度增大，使激光输出水平下降甚至停振，故一般应采取冷却措施；?激发效率较低，不适合连续工作；?输出发散角较大，一般约为310mrad信号与系统信号与系统中国第一台激光器-“小球照明红宝石”激光器在当时激发方式上，比国外激光器具有更好的激发效率信号与系统信号与系统红宝石激光器医学应用红宝石激光器医学应用?皮肤科：用于照射治疗；?激光去痣和激光美白激光去痣和激光美白：红宝石激光器波长为红宝石激光器波长为694.3nm的的可见红光可见红光，这种波长的激光最不易被氧合血红蛋白吸这种波长的激光最不易被氧合血红蛋白吸收收，而黑色素对其吸收率较高而黑色素对其吸收率较高。?激光脱毛激光脱毛：临床常用其长脉冲模式临床常用其长脉冲模式，深入皮肤真皮层深入皮肤真皮层，破坏毛囊破坏毛囊，永久性去除身体多余毛发永久性去除身体多余毛发；信号与系统信号与系统34Thanks!