典型激光器及其应用.ppt

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1、光电子技术Photoelectronic TechniquePhotoelectronic Technique 1.4 1.4 1.4 1.4 典型激光器及其应用典型激光器及其应用典型激光器及其应用典型激光器及其应用主讲：主讲：主讲：主讲：周自刚周自刚周自刚周自刚 助教：助教：助教：助教：范宗学范宗学范宗学范宗学21 1、激光器应用、激光器应用v工业工业加工，测量，快速成型，准直，光刻，光盘加工，测量，快速成型，准直，光刻，光盘v通讯通讯半导体激光器，放大器半导体激光器，放大器v航天航天测距测距v军事军事雷达，制导，测距，制盲雷达，制导，测距，制盲v医学医学手术刀，眼科，皮肤科，结石，血管，光

2、镊手术刀，眼科，皮肤科，结石，血管，光镊v科研科研3工业工业4工业工业5工业工业6工业工业7工业工业8医学医学9航天航天10军事军事测距，敌我识别，通信，制导11科研科研12科研科研132 2、激光器分类、激光器分类v激光工作介质固体激光器(光纤激光器）气体激光器半导体激光器染料激光器自由电子激光器v化学组成原子激光器分子激光器离子激光器自由电子激光器准分子激光器v激光运转方式激光运转方式连续连续脉冲脉冲单脉冲单脉冲重复频率重复频率准连续准连续v激光调制方式自由运转调Q锁模143 3、常见激光器、常见激光器v1 CO2激光器v2 He-Ne激光器v3 Ar离子激光器v4 准分子激光器v5 染料

3、激光器v6 自由电子激光器15（1 1）CO CO2 2激光器激光器v属于气体激光器，分子激光器v波长 911um，最常见10.6umv效率高v光束质量好v功率范围大（几瓦几万瓦）v运行方式多样v结构多样16COCO2 2激光器工作原理激光器工作原理17COCO2 2激光器的激发机理激光器的激发机理上能级的激发上能级的激发下能级的激发下能级的激发弛豫过程弛豫过程辅助气体辅助气体N2 CO He Xe H2 H2O18COCO2 2激光器类型激光器类型v封离型纵向激励CO2激光器v高功率轴快流CO2激光器v高功率横流CO2激光器v横向激励高气压CO2激光器（TEA）v波导CO2激光器19COCO

4、2 2激光器运行方式激光器运行方式20（2 2）He-NeHe-Ne激光器激光器v气体原子激光器气体原子激光器v输出谱线：输出谱线：632.8nm，1.15um，3.39um，以，以632.8nm为最常见。为最常见。v功率在功率在mW级，最大级，最大1Wv光束质量好，发散角可小于光束质量好，发散角可小于1mradv单色性好，带宽可小于单色性好，带宽可小于20Hzv稳定性高稳定性高半外腔式氦氖激光管结构半外腔式氦氖激光管结构布儒斯特窗布儒斯特窗毛细毛细管管阳阳极极阴极阴极部部分分反反射射镜镜全反射全反射镜镜布儒斯特窗布儒斯特窗21He-NeHe-Ne激光器工作原理激光器工作原理能能级级图图22H

5、e-NeHe-Ne激光器工作特性激光器工作特性v谱线竞争（谱线竞争（3.39um3.39um谱线的抑制）谱线的抑制）v输出功率的稳定性输出功率的稳定性v稳频输出稳频输出内腔式氦氖激光管结构内腔式氦氖激光管结构出光端出光端毛细管毛细管阳极阳极阴极阴极部分反射镜部分反射镜全反射镜全反射镜23（3 3）Ar Ar离子激光器离子激光器24ArAr离子激光器工作原理离子激光器工作原理25ArAr离子激光器工作特性和结构离子激光器工作特性和结构26（4 4）准分子激光器准分子激光器v准分子指在激发态能够暂时结合成的不稳定分子（准分子指在激发态能够暂时结合成的不稳定分子（Excimer）v高重复率高重复率v

6、可调谐可调谐v量子效率高量子效率高v波长短，紫外到可见区波长短，紫外到可见区主要的准分子激光器主要的准分子激光器27准分子激光器工作原理准分子激光器工作原理跃迁过程跃迁过程泵浦要求泵浦要求电子束泵浦机理电子束泵浦机理脉冲放电泵浦机理脉冲放电泵浦机理28（5 5）染料激光器染料激光器v以某种有机染料溶解于一定溶剂中作为激活介质的激光器以某种有机染料溶解于一定溶剂中作为激活介质的激光器v波长可调谐，调谐范围宽波长可调谐，调谐范围宽v光谱分辨率高光谱分辨率高v结构简单结构简单v价格便宜价格便宜v稳定性差稳定性差29染料激光器的工作原理染料激光器的工作原理30染料激光器的工作方式染料激光器的工作方式v

7、脉冲染料激光器脉冲染料激光器闪光泵浦闪光泵浦激光器泵浦激光器泵浦v连续染料激光器连续染料激光器v波长调谐波长调谐光栅光栅棱镜棱镜F FP P双折射滤光片双折射滤光片31（6 6）自由电子激光器自由电子激光器v真空中自由电子通过与泵浦场（周期磁场或电磁场）相互作用产生激真空中自由电子通过与泵浦场（周期磁场或电磁场）相互作用产生激光。光。v高功率（高功率（MW）v高效率（理论上高效率（理论上50）v宽波长调谐范围（原则上从微波到宽波长调谐范围（原则上从微波到X射线）射线）32自由电子激光组成及类型自由电子激光组成及类型v组成组成高能电子加速器高能电子加速器摆动器摆动器光学谐振腔光学谐振腔v类型类型

8、v磁韧致辐射自由电子激光器磁韧致辐射自由电子激光器康普顿型自由电子激光器康普顿型自由电子激光器拉曼型自由电子激光器拉曼型自由电子激光器v切伦科夫辐射自由电子激光器切伦科夫辐射自由电子激光器电子加速器电子加速器摆动磁场阵列摆动磁场阵列全反射镜全反射镜输出镜输出镜电子束电子束l lW W自由电子激光器结构原理自由电子激光器结构原理33（7 7）半导体激光器半导体激光器法布里法布里-珀罗腔珀罗腔介电反射镜介电反射镜半导体激光器结构半导体激光器结构 34半导体激光器的基本结构和工作原理半导体激光器的基本结构和工作原理 GaAs激光器的结构半导体激光器工作的阈值条件 激光器产生激光的前提条件除了粒子数发

9、生反转还需要满足阈值条件 增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质 35（8 8）光纤激光器光纤激光器361.光纤通信对半导体激光器光源的要求 1）体积小、重量轻、电光转换效率高、可以直接调制、使用方便等优点，因此它非常适用于光纤通信之中。1）法布里珀罗（FP）激光器 2.作为通信光源的半导体激光器 2）光发射端机的工作原理 光发射端机框图 2）分布反馈（DFB）半导体激光器 3）分布反馈半导体激光器（DFB-LD）加电吸收型（EA）外调制器的集成光源 37一、光纤激光器的基本原理及其特点 1、基本原理：以纵向泵浦的光纤激光器的结构为例，如图9-5所示 图光纤激光器原理示意图 2、

10、特点：以纵向泵浦的光纤激光器的结构为例，如图所示 二、光纤激光器的分类及其应用 1、稀土类掺杂光纤激光器 2、光纤受激拉曼散射激光器 3、光纤光栅激光器 381.脉冲宽度极短 1fs=10-15秒(电子绕原子核半周的时间)微观世界超快过程的研究 物理 化学 生物学飞秒激光概念飞秒激光概念飞秒激光概念飞秒激光概念（9 9）飞秒激光器飞秒激光器39 2.峰值功率极高 10121015W10181021W/cm2 (E=1011V/cm 氢原子库仑场5109V/cm）极端物理条件 光压 1091012bars 磁场 109高斯 加速度 1021g(1022m/s2)温度 108 聚焦飞秒激光概念飞秒

11、激光概念飞秒激光概念飞秒激光概念40飞秒激光性能飞秒激光性能飞秒激光性能飞秒激光性能A、是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒，比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍B、具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，比目前全世界发电总功率还要多出百倍。C、能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。41振荡器输出参数：振荡器输出参数：平均功率平均功率 ：340mW重复频率重复频率 ：74MHz单脉冲能量单脉冲能量 ：4.6nJ光谱宽度光谱宽度 ：60nm脉冲宽度脉冲宽度 ：20fs42飞秒飞秒激光激光产生产生超快科学超快科学（探测某

12、些超快物理过程）（探测某些超快物理过程）物理物理 化学化学 生物学生物学超快技术超快技术 电子学（光电取样）电子学（光电取样）光通讯光通讯 成像成像 共焦显微共焦显微 OCT放大放大超快超强科学超快超强科学（创造一个极端物理条件）（创造一个极端物理条件）飞秒等离子体飞秒等离子体 强场下电子相对论运动强场下电子相对论运动 Schanneling相对论自聚焦相对论自聚焦 千兆巴激光压力千兆巴激光压力 尾场等离子体波尾场等离子体波未来新突未来新突破破未来新未来新突破突破 飞秒相干飞秒相干x射线及射线及x激光激光 （高次谐波，汤姆逊效应）（高次谐波，汤姆逊效应）x光显微术、印刷术、照相光显微术、印刷术

13、、照相 激光热核聚变快速点火激光热核聚变快速点火 激光粒子加速器激光粒子加速器 THz毫米波技术毫米波技术 云层放电云层放电 超高速计算机超高速计算机 超高速光通讯超高速光通讯 生物技术（合成生物分子）生物技术（合成生物分子）医学（医学（OCT）微加工技术微加工技术飞秒激光应用飞秒激光应用飞秒激光应用飞秒激光应用43在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域应用。应用应用应用应用 第一 能“征服老天爷征服老天爷”由于飞秒激光可以击穿大气，所以可用来制造放电通道，实现人工引雷，可避免飞机、火箭、发电厂等因雷击而造成的意外灾难性破坏。第二 能使“设备袖珍化设备袖珍化”一方面，利用飞秒激光能够有效地加速电子，使规模庞大的加速器设备小型化另一方面，在超精细微加工、高密度信息记录方面也为人类开辟了广阔的应用前景，制造超小卫星等。第三 能“开辟新能源开辟新能源”高功率飞秒激光与物质相互作用时，能够产生足够数量的中子，实现激光控制核聚变的快速点火，为人类实现新一代能源开发开辟了新途径。第四 能“超常探微化超常探微化”由于它具有快速、高分辨率的特性，医学上，在病变早期诊断、医学成像和生物活体检测、外科医疗等方面都有着不可替代的作用。44 当前还有哪些激光器，其基本原理和应用有哪些？请至少举出3种激光器。思考题思考题思考题思考题