1、激光器系列實(shí)驗(yàn),張 權(quán) 中國(guó)科技大學(xué) 天文與應(yīng)用物理系,激光器系列實(shí)驗(yàn),1.簡(jiǎn)介 2.特征 3. 原理 4.系列實(shí)驗(yàn) 5.應(yīng)用,簡(jiǎn)介,激光(Laser)，原意是受激輻射放大所產(chǎn)生的光，它是英文（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)的縮寫，激光科學(xué)從它的孕育到初創(chuàng)和發(fā)展，凝聚了眾多科學(xué)家的創(chuàng)造智慧，其中美國(guó)物理學(xué)家C.H.Townes和A.L.Schawlow所做的開(kāi)創(chuàng)性工作尤為突出,他們量子電子學(xué)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)研究，導(dǎo)致了微波激射器和激光器的發(fā)明。,簡(jiǎn)介,世界上第一臺(tái)激光器是美國(guó)人梅曼(T.H.Maiman)在1960年

2、5月15日加州休斯實(shí)驗(yàn)室制成的紅寶石激光器，它是三能級(jí)系統(tǒng)，用紅寶石晶體做發(fā)光材料，用發(fā)光度很高的脈沖氙燈做激發(fā)光源，獲得了人類有史以來(lái)的第一束激光，波長(zhǎng)為694.3 nm.實(shí)現(xiàn)了湯斯和肖洛在1958年的預(yù)言。,T.H.Maiman,Townes,Charles Hard,1939年在貝爾電話實(shí)驗(yàn)室作技術(shù)工作，1948年在哥倫比亞大學(xué)任教。3年后他產(chǎn)生微波激射的想法，用氨氣作放大介質(zhì)，于1953年12月造出第一臺(tái)微波激射器。這一研究導(dǎo)致梅曼于1960年獲得激光。1967年任加里福尼亞大學(xué)教授，在該校開(kāi)創(chuàng)了射電和紅外天文學(xué)計(jì)劃，結(jié)果在恒星際空間發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的分子（氨和水）. 簡(jiǎn)介,湯斯（Townes

3、,Charles Hard ，1915年出生）美國(guó)物理學(xué)家，因?qū)α孔与娮訉W(xué)的研究和發(fā)明微波激射器，獲1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。他生于美國(guó)南卡羅來(lái)州的格林維爾，畢業(yè)于格林維爾的富爾曼大學(xué)，獲加州理工學(xué)院哲學(xué)博士學(xué)位。,激光的特征,激光的空間相干性和方向性 時(shí)間相干性和單色性 激光的高強(qiáng)度（相干光強(qiáng)）,激光的空間相干性和方向性,1.光束的空間相干性和它的方向 性是緊密聯(lián)系的 2.衍射極限 激光器的方向性分別為 氦氖為 固體激光器為 半導(dǎo)體激光器為,時(shí)間相干性和單色性,1.時(shí)間相干性 和單色性 存在簡(jiǎn)單的關(guān)系 即單色性越高，相干時(shí)間越長(zhǎng)。 2.無(wú)源光腔的模式頻帶寬度,時(shí)間相干性和單色性,一般來(lái)說(shuō)

4、單模穩(wěn)頻氣體激光器的單色性最好，一般在106-103赫茲 固體激光器的單色性較差，主要因?yàn)楣ぷ魑镔|(zhì)的增益曲線很寬，很難在單模下工作。 半導(dǎo)體激光器的單色性最差。,激光的高強(qiáng)度,由于激光的光子簡(jiǎn)并度極高，激光輸出的功率是很高的。提高輸出功率和效率是激光發(fā)展的重要課題。 如固體激光器的調(diào)Q和鎖膜技術(shù)的應(yīng)用，可使脈寬達(dá)到10-12秒。將一個(gè)千兆瓦級(jí)（109瓦）調(diào)Q激光脈沖聚焦到直徑為5微米的光斑上，可獲得1015瓦/厘米2的功率密度。,激光器的分類,對(duì)激光器有不同的分類方法，一般按工作介質(zhì)的不同來(lái)分類，在可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。另外，根據(jù)激光輸出方式的不同又可分為連

5、續(xù)激光器和脈沖激光器，其中脈沖激光的峰值功率可以非常大，還可以按發(fā)光的頻率和發(fā)光功率大小分類等。,激光器的分類,1、固體激光器 一般講，固體激光器具有器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn)。這種激光器的工作介質(zhì)是在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，有紅寶石和玻璃外，常用的有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價(jià)釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm的近紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達(dá)100W以上，脈沖峰值功率可達(dá)109w.,激光器的分類,2、氣體激光器 氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低；操作方便；工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好；以及能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的 特點(diǎn)。這也是目前品種最多、應(yīng)用

6、廣泛的一類激光器，占有市場(chǎng)達(dá)60左右。其中，氦氖激光器是最常用的一種。,激光器的分類,3、半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的。目前較成熟的是砷化鎵激光器，發(fā)射840nm的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻、硫化鋅等激光器。激勵(lì)方式有光泵浦、電激勵(lì)等。這種激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固，特別適于在飛機(jī)、車輛、宇宙飛船上用。在70年代末期，由于光纖通訊和光盤技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。,激光器的分類,4、液體激光器 常用的是染料激光器，采用有機(jī)染料作為工作介質(zhì)。大多數(shù)情況是把有機(jī)染料溶于溶劑中（乙醇、丙酮、水等）使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲

7、得不同波長(zhǎng)激光（在可見(jiàn)光范圍）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。它的優(yōu)點(diǎn)為輸出波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬因此也得到廣泛應(yīng)用。,激光的原理,1. 受激吸收和自發(fā)輻射 普通常見(jiàn)光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽(yáng)等發(fā)光）是由于物質(zhì)在受到外來(lái)能量（如光能、電能、熱能等）作用時(shí)，原子中的電子就會(huì)吸收外來(lái)能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過(guò)程是一個(gè)“受激吸收”過(guò)程。處在高能級(jí)（E2)的電子壽命很短（一般為10-810-9秒），在沒(méi)有外界作用下會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)（E1）躍遷，躍遷時(shí)將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為 h=E2-E1,激光原理,這種輻射稱為自發(fā)輻射。原子的

8、自發(fā)輻射過(guò)程完全是一種隨機(jī)過(guò)程，各發(fā)光原子的發(fā)光過(guò)程各自獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)，即所輻射的光在發(fā)射方向上是無(wú)規(guī)則的射向四面八方，另外初始位相、偏振狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級(jí)有一個(gè)寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的，而有個(gè)范圍。 在通常熱平衡條件下，處于高能級(jí)E2上的原子數(shù)密度N2，遠(yuǎn)比處于低能級(jí)的原子數(shù)密度低，這是因?yàn)樘幱谀芗?jí)E的原子數(shù)密度N的大小時(shí)隨能級(jí)E的增加而指數(shù)減小，即Nexp(-E/kT)，這是著名的波耳茲曼分布規(guī)律。于是在上、下兩個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)密度比為,激光原理,N2/N1exp-(E2-E1)/kT 式中k為波耳茲曼常量，T為絕對(duì)溫度。因?yàn)镋2E1，所以N2N1。例如，已知?dú)湓踊鶓B(tài)

9、能量為E113.6eV，第一激發(fā)態(tài)能量為E2= -3.4eV，在20時(shí)，kT0.025eV，則 N2/N1exp（400）0 可見(jiàn)，在20時(shí)，全部氫原子幾乎都處于基態(tài)，要使原子發(fā)光，必須外界提供能量使原子到達(dá)激發(fā)態(tài)，所以普通廣義的發(fā)光是包含了受激吸收和自發(fā)輻射兩個(gè)過(guò)程。一般說(shuō)來(lái)，這種光源所輻射光的能量是不強(qiáng)的，加上向四面八方發(fā)射，更使能量分散了。,激光原理,2、受激輻射和光的放大 由量子理論知識(shí)知道，一個(gè)能級(jí)對(duì)應(yīng)電子的一個(gè)能量狀態(tài)。電子能量由主量子數(shù)n(n=1,2,）決定。但是實(shí)際描寫原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除能量外，還有軌道角動(dòng)量L和自旋角動(dòng)量s，它們都是量子化的，由相應(yīng)的量子數(shù)來(lái)描述。對(duì)軌道角

10、動(dòng)量，玻爾曾給出了量子化公式Lnnh，但這不嚴(yán)格，因這個(gè)式子還是在把電子運(yùn)動(dòng)看作軌道運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上得到的。嚴(yán)格的能量量子化以及角動(dòng)量量子化都應(yīng)該由量子力學(xué)理論來(lái)推導(dǎo),激光原理,量子理論告訴我們，電子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)只能發(fā)生在l（角動(dòng)量量子數(shù)）量子數(shù)相差1的兩個(gè)狀態(tài)之間，這就是一種選擇規(guī)則。如果選擇規(guī)則不滿足，則躍遷的幾率很小，甚至接近零。在原子中可能存在這樣一些能級(jí)，一旦電子被激發(fā)到這種能級(jí)上時(shí)，由于不滿足躍遷的選擇規(guī)則，可使它在這種能級(jí)上的壽命很長(zhǎng)，不易發(fā)生自發(fā)躍遷到低能級(jí)上。這種能級(jí)稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。但是，在外加光的誘發(fā)和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級(jí)，并放出光子。這種過(guò)程是被“激”出來(lái)的

11、，故稱受激輻射。 受激輻射的概念是愛(ài)因斯坦于1917年在推導(dǎo)普朗克的黑體輻射公式時(shí)，第一個(gè)提出來(lái)的。,激光原理,他從理論上預(yù)言了原子發(fā)生受激輻射的可能性，這是激光的基礎(chǔ)。 受激輻射的過(guò)程大致如下：原子開(kāi)始處于高能級(jí)E2，當(dāng)一個(gè)外來(lái)光子所帶的能量h正好為某一對(duì)能級(jí)之差E2-E1,則這原子可以在此外來(lái)光子的誘發(fā)下從高能級(jí)E2向低能級(jí)E1躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點(diǎn)，就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是，入射一個(gè)光子，就會(huì)出射兩個(gè)完全相同的光子。這意味著原來(lái)光信號(hào)被放大這種在受激過(guò)程中產(chǎn)生并被放大的光就是激光。,激光原

12、理,3、粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 一個(gè)誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當(dāng)處在高能級(jí)的原子數(shù)目比處在低能級(jí)的還多時(shí)，受激輻射躍遷才能超過(guò)受激吸收，而占優(yōu)勢(shì)。由此可見(jiàn)，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級(jí)的數(shù)目比低能級(jí)上的多，這種情況，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級(jí)（基態(tài)）。因此，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。,激光器的組成,激光器的組成通常由三部分 1.工作物質(zhì) 2.諧振腔 3.泵浦源,激光器的組成,結(jié)構(gòu)圖,實(shí)物圖,Nd+3 :YAG晶體能級(jí)圖,系列實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,本實(shí)驗(yàn)中使用的固體激光器是YAG激光器。 YAG是指工

13、作物質(zhì)，它是摻釹釔鋁石榴石，化學(xué)式為Y3Al5O2 ,釹離子的濃度一般為 YAG為四能級(jí)系統(tǒng)。比紅寶石激光器的三能級(jí)系統(tǒng)更易實(shí)現(xiàn)激光輸出。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具體可分為如下幾點(diǎn)：,系列實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,1.全面認(rèn)識(shí)激光器 . 2.測(cè)量激光器的閾值. 3.測(cè)量激光器的輸入-輸出能量關(guān)系曲線. 4.測(cè)量不同泵浦能量的脈沖寬度與輸出光斑大小關(guān)系. 5.測(cè)量調(diào) Q激光器的閾值能量，脈沖寬度和不同Q延 遲下的輸出能量，找出最佳調(diào)Q延遲時(shí)間，并計(jì)算 出調(diào)Q激光器輸出平均功率. 6.觀察鎖膜脈沖的變化，找出最佳鎖膜腔長(zhǎng)，并用能 量計(jì)測(cè)出能量，計(jì)算單個(gè)脈沖的峰值功率和平均功 率.,實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù),1.YAG激光器,輸出波長(zhǎng):10

14、64nm 532nm 輸出能量:400mJ (1064nm , 不調(diào)Q) ;150mJ (1064nm ,調(diào)Q) ;50mJ(532nm ,調(diào)Q) 脈沖寬度:10ns調(diào)Q ;200s ,不調(diào)Q 光束發(fā)散角5mrad 重復(fù)頻率:1hz ;2Hz ; 單次 儲(chǔ)能電容:100 F 放電電壓:0.8Kv 觸發(fā)電壓:6Kv 調(diào)Q電壓:3.8Kv,實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù),2.能量計(jì),光譜響應(yīng)范圍:0.25m-11 m 敏感面積:20 探測(cè)器可承受最大平均功率密度:100Mw/cm2 響應(yīng)時(shí)間:0.4秒 分辨率:1 J,系列實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之一-波形對(duì)比,調(diào)Q后的脈沖波形,自由輸出的脈沖波形,激光器的應(yīng)用,由于激光具有方向性

15、好、亮度高、單色性好、相干性好等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，如激光測(cè)距、激光鉆孔和切割、地震監(jiān)測(cè)、光信息處理、光通信、激光手術(shù)等。而激光在軍事領(lǐng)域也得到最充分應(yīng)用，例如，激光致盲武器、激光防空武器、激光反衛(wèi)星武器、激光等離子武器、激光制導(dǎo)導(dǎo)彈、激光竊聽(tīng)器、激光沙盤等現(xiàn)代高技術(shù)武器都展現(xiàn)了激光的本領(lǐng)。,激光器的應(yīng)用,1.激光鉆孔機(jī),JJ-200型 Nd:YAG激光打孔焊接機(jī)適用于各種材料的打孔，金銀首飾的焊接及微型繼電器與電容器的氣密性封裝。該機(jī)能使用在生產(chǎn)線上，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。該機(jī)符合國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)。其光路設(shè)計(jì)為全封閉型，并帶有冷卻水溫、水流保護(hù)裝置及冷卻水過(guò)濾裝置。,激光器的應(yīng)用,2.激光醫(yī)學(xué),用于切除等手術(shù) 輸出：1w-30w,用于五官科的治療 輸出：1w-15 w,色素去除，皮質(zhì)切除 輸出：1w-30w,激光器的應(yīng)用,激光之所以能成為殺傷武