激光的基本知识.ppt

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1、激光器的基本知识一、激光的起源激光又名镭射(Laser)，它的全名是“辐射的受激发射光放大”（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）某些物质原子中的粒子受光或电的激发，由低能级的原子跃迁为高能级的原子，当高能级原子的数目大于低能级原子的数目时，就发射出位相、频率、方向等完全相同的光，这种光叫做激光。1960年5月15日，在休斯公司的一个研究室里，年轻的美国物理学家梅曼正在进行一项重要的实验。他的实验装置里有一根人造红宝石棒。突然，一束深红色的亮光从装置中射出，它的亮度是太阳表面的4倍！这是一种完全新型的光，科

2、学家渴望多年而自然界中并不存在的光，它被命名为Laser，是英文“受激辐射光放大"大缩写，这就是激光。产生激光的装置被称为激光器。激光和激光器的问世，被称为20世纪最重大的科学发现之一。1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器。它标志着激光技术的诞生。自发辐射跃迁定义：发光粒子从高能级E2自发跃迁到低能级E1,并发射一个频率为的光子。E2E1受激辐射跃迁定义：处于高能级E2的发光粒子在光子诱发下,跃迁到低能级E1,并发射一与诱发光子同一光子态的光子。E1E2受激吸收跃迁定义：处于低能级E1的发光粒子吸收了光子后,跃迁到高能级E2。E1E2二、激光的特点

3、亮度大单色性好方向性强相干性好方向性强：激光几乎是一束定向发射的平行光，其发射角很小，可在1〃以下。用红宝石激光器将直径为1mm的光束射向月球，通过380000km的距离，月球上的光斑直径仅有1.6km而普通探照灯（光束直径约为0.3m）射出1km，光斑直径就有10m。亮度大：目前，功率极大的激光，其亮度可达到太阳亮度的100亿倍以上。若用透镜将起会聚，可得到每平方厘米1万亿瓦的功率密度。因此，它可在极小的局部范围内产生几百万摄氏度的高温，几百万个大气压的高温和几十亿伏特每米的强电场。单色性好：单一频率的光是理想的单色光。激光近乎单一频率。例如氦氖激光器输出激光

4、的中心波长λ=632.8nm，激光谱线的线宽△v=10-4Hz；普通光源中单色性最好的氪灯，λ=605.7nm，而△v=104---106Hz。相干性好：激光的线谱宽度极窄，相应在空间的分布也不随时间的变化，其相干长度可达到100km，而普通单色光的相干长度只有米的量级。激光横向相干面积也很大，其光截面的各个部分都是相干波源。2、泵浦源(光泵、放电管)对激光工作物质进行激励以形成粒子数反转3、谐振腔(半反镜与全反镜)(1)维持激光振荡(2)改善激光质量如单色性、方向性(1)激活粒子(分子、原子、离子)发光(2)基质寄存激活粒子的材料1、激光工作物质三、激光器构造四、本征

5、纵模频间隔相邻两个纵模的频率间隔2、计算证由驻波条件：光波从腔内某一点出发，经过往返一周的传播后，再回到原来的位置上时应与出发时同相位，也就是说光波往返一周的的位相延滞等于2pi的整数倍。数学表达式为：1、定义其中：得本征纵模的频率为由上式可得：该式的物理意义是，当谐振腔长度给定后，它只能对频率满足该式的激光模式提供正反馈，使之产出振荡。满足这个谐振条件的驻波场或本征纵模有无数多个。q表示对应模序数q的本征纵模频率。由本征纵模的频率可得到相邻两个本征纵模之间的频率间隔应为：GmG0()TGt两红线之间的频率间隔为：五、激光器的分类1、工作物质形态---可以分为气

6、体、固体、半导体、液体、等2、工作方式---连续工作和脉冲工作3、激光技术---调Q激光器、锁模激光器、倍频激光器、可调谐激光器、单模和多模激光器等气体激光器:以气体或金属蒸气为发光粒子一般固体激光器：由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却滤光系统四个主要部分组成（1）氦-氖(He-Ne)激光器六、典型激光器1、气体激光器氦一氖气体激光器：原子激光器类，1961年实现激光输出，多采用连续工作方式，输出功率与放电毛细管长度有关；输出激光方向性好，（发散角达1mrad以下），单色性好（可小于20Hz），输出功率和波长能控制得很稳定He-Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光

7、管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成，放电管是He-Ne激光器的心脏，是产生激光的地方，放电管通常由毛细管和贮气室构成。放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转，产生激光跃迁的是Ne气，He是辅助气体，用以提高Ne原子的泵浦速率最强的谱线有三条：0.6328m（红色）、3.39m和1.15m，常用的为0.6328m四能级系统氦氖激光器（四能级系统）E1E2E3E4E1E2E3E4(10-8s)(10-3s)He-Ne激光器的基本结构形