激光产生与原理.pptx

《激光产生与原理.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光产生与原理.pptx（25页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、一、激光的产生原理1、普通光源发光-受激吸收和自发辐射1）受激吸收（简称“吸收”）处在低能级E1的原子受到等于E2-E1的外来能量时，吸收这一能量跃迁到高能级的过程。E2E1h第1页/共25页2)自发幅射E2E1E3L1处在高能级（E2）的原子，即使没有任何外界的激励，总是自发地跃迁到低能级（E1），并且发射一个频率为，能量h=E2-E1的光子的过程。自发幅射的光是非相干光第2页/共25页(2)亚稳态能级：不满足选择规则的能级(寿命：）2、受激发射和光的放大(1)自发辐射的选择规则：电子从高能态向低能态的跃迁只能发生在角动量量子数 相差 的两个状态之间(3)受激幅射：（1917年爱因斯坦提出）

2、处在高能级上（E2）的原子，受到能量恰为h=E2-E1的外来光子的激励（或诱发，或剌激）从而跃迁到低能级E1，并发射一个与外来光子“一模一样”的光子的过程。第3页/共25页E2E1外来光子受激幅射光子与外来光子频率相同、相位相同、偏振方向和传播方向相同。特点：受激幅射中，光子成倍增长，产生了光放大。受激幅射产生的光子与入射光子是完全相干的；第4页/共25页(4)激光的产生过程粒子数反转状态E1E2E3E4E1E2能量且粒子数正常分布是：激光是受激幅射的光，但实际中还存在自发幅射和吸收，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。第5页/共25页3、粒子数反转：产生激光的必要条件粒

3、子数反转状态E1E2怎样才能实现粒子数反转呢？1）提供足够的能量；2）原子在激发态多“呆”一会；3）减小损失，不断放大。二、激光简史和我国的激光技术1917年，爱因斯坦提出受激辐射第6页/共25页1961年8月，我国第一台红宝石激光器在长春光机所研制成功1964年，汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫分享诺贝尔物理学奖1987年6月，大功率脉冲激光系统-神光装置，在上海光（学精密）机（械研究）所研制成功1959年，汤斯提出制造红宝石激光器的建议1958年，汤斯和肖洛发表红外与光学激射器，巴索夫和普罗霍罗夫发表实现三能级粒子数反转和半导体激光器建议1960年，加州休斯实验室的梅曼制成了第一台红宝石激光器第7

4、页/共25页三、激光器的结构1、工作介质：产生激光的原子系统或可以实现粒子数反转的气体、液体或固体所谓能级合适是指存在“亚稳态能级”，即存在激发态寿命=10-3秒左右的能级（一般原子系统的激发态寿命只有10-8秒）E1E2E3激发能量亚稳态能级第8页/共25页产生激光的能级系统（例）（1）三能系统（2）四能级系统三能级系统四能级系统红宝石激光器铷玻璃激光器第9页/共25页2、激励源(泵浦或抽运)：用来实现和维持粒子数反转。有电激励，光激励，热激励，化学激励等激励-从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从低能态跃迁到高能态能级以实现粒子数反转的过程（又称“激发”、“抽运”或“泵浦”）。1）光泵抽运

5、如红宝石激光器粒子数反转状态E1E2E1E2第10页/共25页红宝石激光器红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石晶体，它发出的激光是脉冲激光，波长为694.3nm.。全反射镜半透射镜红宝石棒。脉冲灯红宝石激光示意图激光器发展的主要方面（1）扩展了激光的波长范围.（2）激光的功率大大提高.（3）激光器已能实现小型化.第11页/共25页2）电子碰撞-如氩离子激光器电子3）化学反应如氟化氘激光器等。4）共振转移如He-Ne激光器。-NeHe-NeHe-第12页/共25页氦氖气体激光器氦氖激光器输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、成本低等优点氦和氖的原子能级示意图基态亚稳态氦氖632.8nm123全反

6、射镜部分反射镜AK第13页/共25页要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的构造：全反射镜半反射镜实物图原理图激光工作物质3、光学谐振腔第14页/共25页激光工作物质全反射镜半反射镜工作原理：out光放大原理第15页/共25页四、激光器的种类1、固体激光器：器件小、坚固、使用方便、输出功率大2、气体激光器：结构简单、造价低，操作方便，介质均匀光束质量好且能长时间稳定工作He-Ne激光器简介：最早(1961)制成且应用最广泛。激光波长为632.8纳米(氖原子发出)，采用电激励。高压电源使气体放电，氦激发，能量传递给氖，四能级系统4、半导体激光器：体积、质量小，寿命长，结构简单而坚固3、液体激光器：

7、输出波长连续可调，覆盖面宽第16页/共25页激光器分类表气体类型增益介质波长峰值功率脉冲长度He-NeAr633nm488nm1mw10mw连续波连续波CO2200w10.6m连续波10.6m5Mw20ns半导体GaAs840nm10mw连续波固体染料化学准分子红宝石(QS)694nm100Mw10nsNd:YAG(QS)1.06m50Mw20ns1.06mNd:YAG50w连续波Nd:玻璃Rh6G（ML）10Tw1.06m11pw10Kw600nm30fsHF50Mw3m50nsArF10Mw20ns193nmCO2（TEA）第17页/共25页6.2激光的特性及应用一、激光的主要特性1、方向

8、性好-激光的发散角小。激光器LaserHe-Ne激光经纬仪测月红宝石激光器=0.031mrad=410-5mradD=1.6km=25mrad（毫弧度）(1km时光斑直径10m)第18页/共25页光源2亮度高、能量集中太阳1mWHe-Ne激光器大功率激光器SE光源亮度-单位面积、单位时间在垂直于光源表面的单位立体角内发射的能量。立体角定义：=S/r2SrP=1mW的氦-氖激光器的亮度约是太阳光的100倍第19页/共25页可使一切金属熔化可使一切非金属化为一缕青烟3）单色性好激光所包含的波长或频率范围极小一束普通的红光频率范围：Laser6328埃的He-Ne激光（中心频率（理论值，实际几赫兹）

9、第20页/共25页又如单色性最好的氪灯，其中心波长6057埃波长范围：He-NeLaser中心波长波长范围：4）相干性好相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。相干性越好则光场中各点光振动在频率、振动方向的一致性越好，相位的关联性也越好。相干性越好则光场中任取两点作光源所产生的干涉和衍射的条纹越清晰。第21页/共25页杨氏双缝干涉单缝双缝屏第22页/共25页Ir圆孔衍射注意：光的单色性越好，则其相干性也越好。二者是统一的.第23页/共25页1、激光测距、激光雷达和激光准直2、激光用于农业3、激光用于加工领域4、激光用于医疗领域5、激光通信6、激光与能源7、激光舞台与激光唱片8、激光用于物理学基础研究（用激光产生冲击波等）朱棣文等发明了用激光冷却原子的方法，并因此获得1997年诺贝尔物理学奖9、发展中的激光武器10、激光在测试中的运用二、激光的应用简介第24页/共25页感谢您的观看！第25页/共25页