第5章现代高技术--激光技术.ppt
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1、激光技术,二十世纪四大发明,半导体;,原子能;,计算机;,激光,1917 年 爱因斯坦提出了受激辐射理论; 1958年 肖洛和汤斯发表了红外线和光的微波激器; 1960年 梅曼制成了世界上第一台激光器红宝石激光器,单色性强;相干性强,激光的特性(重点),能量集中,高方向性,高强度,高亮度;颜色极纯-,光束发散角=2 ,探照灯-35毫弧度=1度,激光-10-2毫弧度,激光的高方向性,s,r,一台普通的红宝石激光器发出激光亮度,比太阳亮度高8个数量级(几千万倍) 连续发光激光器功率:几毫瓦,几百瓦,几瓦,十几瓦 目前可达几千瓦,几万瓦 脉冲激光器:毫焦耳,焦耳,几十焦耳,目前可达几千焦耳,几万焦耳
2、 时间,空间都得到压缩的激光,其功率密度比会聚的太阳光高几十亿倍!,激光的高强度和高亮度,激光的颜色极纯-单色性强,连续光谱-太阳光谱 线状光谱-霓虹灯 单一颜色谱线-激光,单色光,具有单一频率的光波称为单色光。,任何光源所发出的光波都有一定的频率(或波长范围,在此范围内,各种频率(或波长)所对应的强度是不同的。,波长所对应的波长范围越窄,光的单色性越好,谱线宽度:通常用强度下降到,的两点之间的波长范围 :,谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量,单色性: / 或 氪灯10-6 普通氦氖激光10-12,激光的相干性强,相干长度课件,相干长度:单色性越好,相干长度越长 普通光源几厘米 激光可达10
3、5千米,爱因斯坦受激辐射理论: 强调光的物质性;用量子观点预言受激辐射的存在和光放大的可能性。,激光的产生和原理,入射光,受激辐射光,原子受激辐射示意图,1 正常情况下,低能级的粒子数大于高能级的粒子数, 实现受激辐射条件实现粒子数反转。 2 光波的受激辐射比微波的受激辐射实现起来更困难。,可见光:400-750nm 微波:亚毫米波0.11mm 毫米波110mm 厘米波110cm 分米波0.11m,受激辐射理论的意义:对辐射理论的发展起了十分重要的指导作用。揭示了光能集中与放大的条件。为激光器的研制成功奠定了基础。,1954年美国物理学家汤斯研制成功波长为1.25厘米的氨分子振荡器受激辐射微波
4、放大器 (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation麦泽),激光器的问世,氨分子微波激射器原理示意图,氨分子源,聚焦器,谐振腔,1960年又成功地研制了固体麦泽,汤斯遇到的困难:振荡器的尺寸,光腔代替微波共振腔,肖洛提出创造性设想,肖洛提出-光腔代替微波共振腔,向各个方向自发辐射的光子,沿中心轴方向的辐射被受激放大,光在工作物质中反复传播被放大,激光器的组成:工作物质 泵辅源 光谐振腔,工作物质,聚光腔+M光谐振腔,M,M,1960年7月7日: 梅曼成功研制出第一台 红宝石激光器,1 工作物质 2 泵浦源 3 谐振腔,
5、激光器的结构(重点),激光器的种类,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,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。 输出方式-连续灯泵浦连续光 脉冲灯泵浦脉冲光 例如:可调谐的固体激光器 掺Cr3+的紫翠玉宝石激光器。输出波长0.7-0.8m 掺Cr3+的氟化锌钾激光器。输出波长780-850nm,掺钕钇铝石榴石 Nd:YAG 1064nm,1047nm1064nm:激光加工,切割,打孔,焊接等 1540nm2940nm:医学和通信 近年来,研制出掺钛(Ti)蓝宝石激光器670nm1100nm 固体激光器常用于产生强激光,连续
6、输出几千瓦, 脉冲输出几万焦耳,掺铒光纤激光器 在石英或玻璃光纤中掺入稀土离子,用半导体二极管或其他固体激光器作泵辅源也可产生可调谐激光。用掺铒光纤作成的光纤激光器,是光纤通信中不可缺少的部分。,光纤放大器(光纤激光器),由微型激光器芯片驱动的掺铒的光纤。 原理:当激光在光纤中传输时,光纤中的铒离子 受微型激光器发出的激光激发,经过能级 跃迁,不断把能量传递给光子,使得激光 在传输中所损耗的能量不断地得到补充, 经过数百千米甚至数千千米的行程后,被 减弱的光信号又恢复了活力 用途:通信,局域网,数字电视,宽带网络等,二极管激光器(半导体激光器) 半导体激光器发展很快,在微型化方面进展迅速。整个
7、器件只有50 m x 150 m x 250 m,比普通的米粒还小。 用于:光通信,光盘,激光打印,光计算机,微量气体探测等方面。,工作物质:砷化镓等半导体材料。 工作原理:砷化镓等半导体材料只允许电流沿着一个方 向流动。当穿过介质的光遇到一个被激发的 原子时,它将使这个原子以相同的波长和频 率释放能量,光在来回传播的过程中,不断 地被加强,直到从反射镜面上逃逸出去,形 成激光。,二极管激光器(半导体激光器),气体激光器,气体激光器 原子激光器,分子激光器,离子激 光器,准分子激光器。 原子激光器:以氦氖激光器为代表,这种激光器大 都是连续工作方式,输出功率在100毫 瓦以下,多用于检测和干涉
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