專題一激光技術(shù)第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日§1.激光的基本原理§2.激光技術(shù)應(yīng)用簡介§3.激光技術(shù)的基本內(nèi)容§4.激光技術(shù)的前景第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日背景介紹一、激光的發(fā)展簡史

1916年，愛因斯坦提出了“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎(chǔ)。

1958年，貝爾實驗室的湯斯和肖洛發(fā)表了關(guān)于激光器的經(jīng)典論文，奠定了激光發(fā)展的基礎(chǔ)。第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日

這兩次發(fā)明開創(chuàng)了傳統(tǒng)的固體激器和氣體激光器的時代，自此，激光走上了高速發(fā)展的道路。此后，半導(dǎo)體激光器、染料激光器、自由電子激光器都在相應(yīng)學(xué)科的支持下出現(xiàn)。特別是八十年代，隨著光電子學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，光纖激光器和孤子激光器相繼出現(xiàn)，將激光引入以光電子和微電子為主的信息時代。

1962年，He－Ne氣體激光器在美國貝爾實驗室研制成功。

1960年，美國人梅曼(T.H.Maiman)發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器。

Maiman第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日§1.激光的基本原理按量子力學(xué)，原子只能穩(wěn)定地存在于一系列能量不連續(xù)的定態(tài)中，原子能量的任何變化（吸收或輻射）都只能在某兩個定態(tài)之間進(jìn)行,稱之為躍遷。光子與原子相互作用中，存在三種躍遷。即：受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。E1E3E2第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日

處于基態(tài)E1的原子，沒有外來影響時狀態(tài)不變。如有一個外來光子，能量為hv，與該原子發(fā)生相互作用。且，E2為原子的某一較高的能量狀態(tài)——激發(fā)態(tài)。則原子就有可能吸收這一光子，而被激發(fā)到高能態(tài)去。這一過程被稱之為原子吸收。注意:只有外來光子的能量hv恰好等于原子的某兩能級之差時，光子才能被吸收。受激吸收

E1E3E2圖1-1原子吸收示意圖hvE1E3E2第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定,它們在激發(fā)態(tài)停留的時間非常短（數(shù)量級約為10-8s），會自發(fā)地返回基態(tài)去，同時放出一個光子。這種自發(fā)地從激發(fā)態(tài)躍遷至較低的能態(tài)而放出光子的過程，叫做自發(fā)輻射。

原子在激發(fā)態(tài)的平均停留時間稱之為激發(fā)態(tài)的壽命。hv圖1-2自發(fā)輻射示意圖E1E3E2自發(fā)輻射第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日自發(fā)輻射的特點是：與外界作用無關(guān)，各原子的輻射都是獨立進(jìn)行的。因而所發(fā)光子的頻率、位相、傳播方向等都不同。發(fā)出的光的波列是不相干的。例：霓虹燈，充惰性氣體，管兩端加高電壓激發(fā)氣體原子，當(dāng)它們從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)時，便放出五顏六色的光。其頻率復(fù)雜，發(fā)光各向都有，位相不同——普通光源的自發(fā)輻射。第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日受激輻射處于激發(fā)態(tài)的原子，在自發(fā)輻射前，若受到一外來光子的作用，而且其能量恰好滿足，原子就有可能從E2躍遷至E1，同時放出一個與外來光子狀態(tài)完全相同的光子。——受激輻射。

Lightorlaser無輻射躍遷E1E2hvE1E2hvhv圖1-3受激輻射示意圖第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日是在外界光子的刺激下發(fā)生的，而且輻射出的光子，與入射光子具有相同的頻率，相同的初相，相同的傳播方向等。即狀態(tài)完全相同。受激輻射過程中，輸入一個光子，可輸出兩個完全相同光子。這兩個光子可再作用于其他原子上，產(chǎn)生受激輻射，從而獲得大量完全相同的光子——受激輻射光放大。受激輻射的特點是：hvhvhvhvhvhvhv輸入輸出圖1-4光放大示意圖E2E1N2N1全同光子h第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日產(chǎn)生激光的基本條件原子在各能級上的分布服從玻爾茲曼分布，即低能級上的原子數(shù)多，能級越高原子數(shù)越少！光通過物質(zhì)時，受激吸收占優(yōu)勢。通常，物質(zhì)中原子的三種躍遷同時存在，哪種躍遷占優(yōu)勢取決于高低能級的原子數(shù)。

第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日A必須從外界輸入能量，使粒子躍遷到高能級上去。這一過程稱為：“激勵”或“泵浦”（Pump）。B工作物質(zhì)內(nèi)必須存在亞穩(wěn)態(tài)能級。10-8秒幾毫秒能級基態(tài)激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)不是所有物質(zhì)都有亞穩(wěn)態(tài)能級不是一切物質(zhì)都可以作為激光器的工作物質(zhì)。（1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要使受激輻射占優(yōu)勢，必須使處在高能級的原子數(shù)多于低能級的原子數(shù)——粒子數(shù)反轉(zhuǎn)如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的兩種系統(tǒng)(a)三能級系統(tǒng)紅寶石激光器光激勵光抽運無輻射躍遷第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日(b)四能級系統(tǒng)抽運激勵無輻射躍遷第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日（2）光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔，是在激光器兩端，面對面地裝上兩塊反射率很高的平面鏡，一塊鏡對光全反射，另一塊對光大部分反射，少部分透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。反射鏡激勵源工作物質(zhì)激光諧振腔第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日

反射鏡可使光沿工作物質(zhì)軸線在反射鏡間來回反射，每經(jīng)過一次工作物質(zhì)光放大一次，被反射的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光在諧振腔內(nèi)來回振蕩，獲得雪崩式地放大，從部分反射鏡面輸出，得到激光。激勵能源全反射鏡部分反射鏡激光受激輻射源于自發(fā)輻射，自發(fā)輻射包含較大范圍的波長，它們被放大后，導(dǎo)致了非單一波長的光輸出。在反射鏡上鍍一層膜，只對某個波長的光才能來回反射，其它的光經(jīng)過一次反射鏡時就逸出腔外。第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日光學(xué)諧振腔的作用：1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；2.增強(qiáng)光放大作用（延長了工作物質(zhì)）；3.使激光具有極好的單色性——選頻第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日（3）閾值條件在諧振腔內(nèi)，除了有光的增益，還存在工作物質(zhì)對光的吸收、散射以及反射鏡的吸收和透射等造成的各種損耗，只有當(dāng)光在諧振腔內(nèi)來回一次所得的增益大于損耗時，才能形成激光。增益大于損耗的條件稱為閾值條件。在設(shè)計諧振腔時，可以使特定波長的光滿足閾值條件，形成激光輸出。第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日激光器的組成組成：工作物質(zhì)、泵浦源、光學(xué)諧振腔激光工作物質(zhì)激勵能源諧振腔激光器結(jié)構(gòu)示意圖第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日按輸出方式分：脈沖輸出連續(xù)輸出半導(dǎo)體激光器按工作物質(zhì)：氣體激光器固體激光器液體激光器自由電子激光器激光器的分類把金屬離子摻入晶體或玻璃基質(zhì)中原子氣體、分子氣體和離子氣體有機(jī)染料溶液和無機(jī)化合物溶液半導(dǎo)體材料第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日紅寶石激光器氦氖激光器氬離子激光器染料激光器第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日激光的特性1.單向性極好：普通光源向四面八方傳播，能量分散。而激光沿一直線傳播，能量集中。

定位、測距、導(dǎo)航…

例如，若將激光束射向幾千米以外，光束直徑僅擴(kuò)展為幾個厘米，而普通光束直徑則已經(jīng)擴(kuò)展為幾十米。

２.相干性好：光的干涉、衍射實驗、全息照相、激光光譜…

第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日３.單色性極強(qiáng)：從普通光源（如鈉燈、汞燈、氪燈等）得到的單色光的譜線寬度約為10-2納米，而氦氖激光器發(fā)射的激光的譜線寬度只有10-9納米。

可作為計量工作的基準(zhǔn)光源。例如，用單色、穩(wěn)頻激光器作為光頻計時基準(zhǔn)，它在一年內(nèi)的計時誤差不超過1微秒，大大超過原子鐘的計時精度。第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日４.高亮度：光源亮度是指光源單位發(fā)光表面在單位時間內(nèi)沿單位立體角所發(fā)射的能量。普通光源的亮度相當(dāng)?shù)停柋砻娴牧炼缺认灎T大30萬倍，比白熾燈大幾百倍。而一臺普通的激光器的輸出亮度，比太陽表面的亮度大10億倍。激光的能量高度集中—在直徑極小的區(qū)域內(nèi)（10-3mm）產(chǎn)生幾百萬度的高溫。Ｐ＝1kw的CO2激光器發(fā)出的激光聚焦后，幾秒鐘內(nèi)就可以將5cm厚的鋼板燒穿。金屬鉆孔、焊接、切割、表面熱處理、表面氧化…第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日1993年五月，德國不來梅射線技術(shù)研究所所長澤玻特教授來華講學(xué)帶來一幅漫畫，漫畫的意思是：一個小偷潛入一家銀行，利用一臺小型便攜式激光器，從容地打開保險柜鎖，將里面的財務(wù)洗劫一空，然后再將鎖焊上而沒有留下任何痕跡。1.方向性好、亮度高能量集中，功率密度高。2.工具與工件無機(jī)械接觸，可加工傳統(tǒng)方法無法加工的特殊材料。3.激光加工精度高，速度快，切割、焊接、表面處理激光加工原理：不透光的介質(zhì)吸收光能，光能轉(zhuǎn)換成熱能而對材料進(jìn)行加工。第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日激光工作物質(zhì)全反射鏡半反射鏡激光工作原理：out光放大原理第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日激光測距原理：主要構(gòu)造：激光發(fā)射器；電源和顯示裝置。激光接收器；記時器電源放大器光電轉(zhuǎn)換器距離顯示器Laser激光發(fā)射器；激光接收器；射向目標(biāo)來自目標(biāo)參考光第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日死彈--19枚衛(wèi)星跟蹤測距儀激光測距第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日空間激光通信Laser第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日激光光纖通信50m100m皮心子（石英）光導(dǎo)纖維光纜光放大器光纜鄭州傳導(dǎo)原理：全反射第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日“魟魚”激光致盲武器第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日§2.激光技術(shù)應(yīng)用簡介(錄象片)

一激光分成兩部分：直接照射到底片上的叫參考光；另一部分經(jīng)物體表面散射的光也照射到照相底片，稱為物光。參考光和物光在底片上各處相遇時將發(fā)生干涉，底片記錄的即是各干涉條紋疊加后的圖像。全息照相的拍攝原理全息照相第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日§3.激光技術(shù)的基本內(nèi)容3.1激光調(diào)Q技術(shù)3.2超短脈沖技術(shù)3.3激光放大技術(shù)3.4模式選擇技術(shù)第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日調(diào)Ｑ的基本原理通常的激光器諧振腔的損耗是不變的，一旦光泵浦使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到或略超過閾值時，激光器便開始振蕩，于是激光上能級的粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級不能積累很大的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，只能被限制在閾值反轉(zhuǎn)數(shù)附近。這是普通激光器峰值功率不能提高的原因。既然激光上能級最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的限制，那么，要使上能級積累大量的粒子，可以設(shè)法通過改變（增加）激光器的閾值來實現(xiàn)，就是當(dāng)激光器開始泵浦初期，設(shè)法將激光器的振蕩閾值調(diào)得很高，抑制激光振蕩的產(chǎn)生，這樣激光上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便可積累得很多。3.1調(diào)Q技術(shù)第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日

當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累到最大時，再突然把閾值調(diào)到很低，此時，積累在上能級的大量粒子便雪崩式的躍遷到低能級，于是在極短的時間內(nèi)將能量釋放出來。由于此時的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)>>閾值時粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，因此受激輻射增強(qiáng)非常迅速，產(chǎn)生一功率很高的窄脈沖。改變激光器的閾值是提高激光上能級粒子數(shù)積累的有效方法。

Q值稱為品質(zhì)因數(shù)，它定義為:

Q=2πυ0×

(腔內(nèi)存儲的能量/每秒損耗的能量）Q值與諧振腔的損耗成反比，要改變激光器的閾值，可以通過改變諧振腔的Q值(或損耗δ)來實現(xiàn)——調(diào)Q技術(shù)第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日超短脈沖技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了主動鎖模、被動鎖模、同步泵浦鎖模、碰撞鎖摸、加成脈沖鎖模、耦合腔鎖模、自鎖模階段。３.２超短脈沖技術(shù)模：在腔內(nèi)獲得振蕩的幾種波長稍微不同的波型。第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日縱模（軸模）

在兩反射鏡間沿軸進(jìn)行的光束，由于腔長L與光波波長的比是一個很大的數(shù)目，所以必然有數(shù)不清不同波長的光波，能符合加強(qiáng)反射的條件，2nL=kλ例如：L=800nm,n=1,則k=1時,對應(yīng)λ1=1600nm;k=2,λ2=800nm;k=3,λ3=533nmυ1=1.875×1014,υ2=3.75×1014,υ3=5.625×1014

第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日橫模除了嚴(yán)格平行光軸的光束(基模）以外，總有一些偏離光軸的光束，雖然經(jīng)多次反射也未偏出腔外，并符合加強(qiáng)反射的條件；因而，在某一θ方向存在著加強(qiáng)干涉的波長。垂直腔軸的截面所產(chǎn)生的不同橫模的光場強(qiáng)度第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日先看三個不同頻率光波的疊加：若相位未鎖定，則此三個不同頻率的光波的初位相

1、

2、

3彼此無關(guān)，如左圖，由于破壞性的干涉疊加，所形成的光波并沒有一個地方有很突出的加強(qiáng)。輸出的光強(qiáng)只在平均光強(qiáng)基礎(chǔ)上有一個小的起伏擾動。3E02/2鎖模的基本原理第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日若設(shè)法使1=2=3=0，就會出現(xiàn)一系列周期性的脈沖，當(dāng)各光波振幅同時達(dá)到最大值處時，就周期性地出現(xiàn)了極大值。第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日1.主動鎖模：在激光腔內(nèi)插入一個調(diào)制器，調(diào)制器的調(diào)制頻率應(yīng)精確地等于縱模間隔，這樣可以得到重復(fù)頻率為f＝c/2L的鎖模脈沖序列。鎖模的方法2.被動鎖模：在諧振腔中插入可飽和吸收染料來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗．滿足鎖模條件時，就可獲一系列鎖模脈沖。第45頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日4.同步泵浦鎖模如果要通過周期性地調(diào)制諧振腔的增益來實現(xiàn)鎖模，則可以采用一臺主動鎖模激光器的脈沖序列泵浦另一臺激光器來獲得。這種方式就是同步泵浦鎖模。3.自鎖模：當(dāng)激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)能夠保持各個振蕩縱模頻率的等間隔分布，并有確定的初相位關(guān)系，不需要在諧振腔內(nèi)插入任何調(diào)制元件，就可以實現(xiàn)縱模鎖定的方法。第46頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日一、概述利用己介紹的調(diào)Q或鎖模技術(shù)，可以獲得極高的峰值功率(109～1012w)。其峰值功率之所以大得驚人，是由于把能量壓縮在極短暫的時間內(nèi)釋放出來的緣故。但是這種高峰值功率激光器實際上所輸出的能量往往不一定很大。因此，為了獲得性能優(yōu)良的高能量激光，應(yīng)用激光放大技術(shù)則是一種最佳方法。

3.4激光放大技術(shù)第47頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日

激光放大器與激光器基于同一物理過程(受激輻射的光放大)，其主要區(qū)別是激光放大器沒有諧振腔。激光放大器要求工作物質(zhì)具有足夠的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，以保證光脈沖信號通過它時得到的增益大于介質(zhì)內(nèi)部各種損耗。