光电子技术——激光

《光电子技术——激光》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、光子学在创造科学技术的最新记录激光技术§1.激光的基本原理§2.激光技术应用简介§3.激光技术的前景激光技术是人类探索自然和改造自然的强有力工具。与电子电力技术、自动化测控技术的完美结合，激光技术能够更好的为人类创造美好生活。（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的缩写。1960年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实验室中做成了第一台红宝石(Al2O3:Cr)激光器。我国于1961年研制出第一台激光器，从此以后，激光技术得到了迅速发展，引起了科学技术领域的巨大变化。“激光”（LASER）一词是受激辐射光放大40多年来，激光技

2、术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。§1.激光的基本原理按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中，原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。光子与物质原子相互作用过程中，存在三种类型的跃迁。即：吸收、自发辐射和受激

3、辐射。E1E3E2受激辐射处于激发态的原子，在其发生自发辐射前，若受到某一外来光子的作用，而且外来光子的能量恰好满足，原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。如图所示。这一过程被称为受激辐射。Lightorlaser无辐射跃迁E1E2hvE1E2hvhv受激辐射示意图这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的，而且受激辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外来光子具有完全相同的状态。在受激辐射过程中，输入一个光子，可以得到两个状态完全相同光子的输出。并且这两个光子可再作用于其他原子上，产生受激辐射

4、，而获得大量特征完全相同的光子。这便是受激辐射的光放大。下图就是受激辐射光放大的示意图。受激辐射的特点是：hvhvhvhvhvhvhv输入输出光放大示意图产生激光的必要条件（1）选择具有适当能级结构的工作物质，在工作物质中能形成粒子数反转，为受激辐射的发生创造条件；（2）选择一个适当结构的光学谐振腔。对所产生受激辐射光束的方向、频率等加以选择，从而产生单向性、单色性、强度等极高的激光束；（3）外部的工作环境必须满足一定的阈值条件，以促成激光的产生。这些阈值条件大体包括：减少损耗，加快抽运速度，促进（粒子数）反转等。像工作物质的混合比、气压、激发条件、激发电压等等。Lightorlaser无

5、辐射跃迁激光器简介目前激光器的种类很多。按工作物质的性质分类，大体可以分为气体激光器、固体激光器、液体激光器；按工作方式区分，又可分为连续型和脉冲型等。其中每一类激光器又包含了许多不同类型的激光器。按激光器的能量输出又可以分为大功率激光器和小功率激光器。大功率激光器的输出功率可达到兆瓦量级，而小功率激光器的输出功率仅有几个毫瓦。如前所述的He-Ne激光器属于小功率、连续型、原子气体激光器。红宝石激光器属于大功率脉冲型固体材料激光器。激光的特性1.单向性极好：普通光源向四面八方发射能量，其能量分布在全空间4立体角内。而激光则是沿一条直线传播，能量集中在其传播方向上。其发散角很小，一般为10

6、-5～10-8球面度。若将激光束射向几千米以外，光束直径仅扩展为几个厘米，而普通探照灯光束直径则已经扩展为几十米。激光的单向性是由受激辐射原理和谐振腔的方向选择作用所决定的。激光这种良好的单向性可用于定位、测距、导航等。2.单色性极强：从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到的单色光的谱线宽度约为10-2纳米，单色性最好的氪灯（86Kr）的谱线宽度为4.7×10-3纳米。而氦氖激光器发射的632.8纳米激光的谱线宽度只有10-9纳米。若从多模激光束中提取单模激光，再采取稳频技术措施，还可以进一步提高激光的单色性。利用激光良好的单色特性，可以作为计量工作的基准光源。例如，用单色、稳频激光器作为

7、光频计时基准，它在一年内的计时误差不超过1微秒，大大超过原子钟的计时精度。600800400λnm荧光光谱图普通光源荧光光谱，谱线宽度约为：150nm3.高亮度：光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿单位立体角所发射的能量，普通光源的亮度相当低，例如，太阳表面的亮度比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。而一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。激光器的输出功率并不一定很高，但由于光束很细，光脉冲窄，光功