第5章 现代高技术--激光技术

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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-α光束发散角=2α探照灯-35毫弧度=1度激光---10-2毫弧度激光的高方向性sr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

2、耳，几十焦耳，目前可达几千焦耳，几万焦耳时间，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：/λ或氪灯——10-6普通氦氖激光——10-12激光的相干

3、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——105千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0.1~1mm毫米波1~10mm厘米波1~10cm分米波0.1~1m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

4、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——受激辐射微波放大器（MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation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

5、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MM1960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0.7-0.8μm掺Cr3+的氟化锌钾激光器。输出波长780-850nm掺钕钇铝石榴石Nd:YAG106

6、4nm1047nm~1064nm:激光加工，切割，打孔，焊接等1540nm~2940nm:医学和通信近年来，研制出掺钛(Ti)蓝宝石激光器670nm~1100nm固体激光器常用于产生强激光，连续输出~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

7、，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。整个器件只有50mx150mx250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

8、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，多用于检测和干涉计量。离子激光器：以氩离子激光器为