激光和激光器ppt

激光和激光器激光技术、计算机技术、原子能技术、半导体技术，并列为二十世纪最重要的四大发现。是人类探索自然和改造自然的强有力工具。40多年来，激光技术与应用发展迅猛，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，激光雷达，激光制导，激光可控聚变，激光武器等等。激光技术概述激光及其产生1、概念：激光准确内涵是“受激辐射的光放大”。英文全称为LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation缩写为Laser，中文也常音译为“镭射”。2、产生机理：原子受激辐射后发生跃迁某些物质的原子中的粒子受光或电刺激，使低能级的原子变成高能级原子，在向低能态跃迁时辐射出相位、频率、方向等完全相同的光，这种光叫作激光。爱因斯坦在1916年提出受激辐射的概念。预言了受激辐射的存在和光放大的可能性。1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束1958年，美国科学家汤斯和肖洛发现了一种神奇的现象：当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。激光原理：物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光--激光。激光的发展史•1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。•1960年，美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器。•1961年A.贾文等人制成了He-Ne激光器•1962年R.N.霍耳等人创制了GaAs半导体激光器。•1965年，第一台可产生大功率激光的器件CO2激光器诞生•1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。梅曼和第一只激光器红宝石激光器激光的产生自然界存在两种不同的发光方式发光方式自发辐射受激辐射产生产生并加以放大激光普通光激光的产生原子：原子核、核外电子；电子在不同的轨道；不同轨道上电子能量不同，稳定性不同自发吸收：电子通过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶。自发辐射：电子自发的通过释放光子子从高能阶跃迁到低能阶。受激辐射：光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子。粒子数反转状态E1E2E3E4E1E2激光的产生粒子数反转状态激光的产生E1E2E3E4粒子数反转是受激辐射光放大的先决条件实现粒子反转通常实现粒子数反转要依靠两个以上的能级：低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵浦能级抽运到高能级。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发激光材料，称为电激励；也可用脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了使激光持续输出，必须不断地“泵浦”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。激光器由三部分组成：工作物质、激励源、谐振腔激光的特性单色性好相干性好亮度高方向性好单色性好、颜色极纯太阳光：波长0.76微米--0.4微米.对应的颜色共7种.所以太阳光谈不上单色性.单色光源：氪灯,氦灯,氖灯,氢灯等。波长虽然单一.但仍有一定的分布范围.如氪灯只发射红光.被誉为单色性之冠.波长分布的范围仍有10-5纳米.因此氪灯发出的红光.若仔细辨认仍包含有几十种红色.激光波长分布范围非常窄，颜色极纯.以输出红光的氦氖激光器为例.其光的波长分布范围可以窄到2×10-9纳米.是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二.光的颜色与波长相对应相干性好因为激光器产生的激光是频率相同，相位相同的光，它当然与其它是激光频率相同、相位差恒定，从激光器发出的光可以步调一致的向同一个方向传播。激光的线谱宽度极窄相应在空间的分布也不随时间变化，其相干长度可达100km。方向性好---发散角小激光器LaserD=1.6kmrl(1km时光斑直径10m)38万公里看似平行的探照灯高亮度、高能量密度•高亮度激光束经聚焦后，可产生几百万个单位的高温高压。千分之一秒内使任何金属汽化。•激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。现代的激光成了人们所幻想追求的“削铁如泥”的“宝剑”。激光灯——舞台演出、歌剧院、迪厅、酒吧、广告等场所香港维多利亚港湾灯光汇演激光全息技术光纤通讯•激光已经广泛应用于切割、焊接、打标、热处理、快速成型、涂敷和化学工业中。22激光焊接激光焊接具有焊接速度快，入射能量高的特点。因此可以得到焊缝窄，深熔深的焊接效果，另外焊接的热影响区和焊接热变形都小。CO2激光器最适合钢铁材料的焊接，Nd:YAG激光器在微型焊接方面有其独特的优势。激光熔覆航空发动机叶片25激光熔覆像用凿子凿石头一样用激光把原子从材料的表面凿出——或者更确切地说“熔化（Ablate）”是一项越来越受到欢迎的技术，可以用来制备精细结构以形成微米或是纳米机器。激光雕刻激光雕刻激光刻字激光打标纳米牛迄今为止世界上最小的牛。大小相当于红血球，它体长只有10微米，高7微米，精度为120纳米科学家希望，这只牛能拉着装有药物的车在血管中运动激光内雕刻现在已经用于手术治疗、肌肉组织焊接、牙科治疗、光镇痛和光针灸等。30激光雷达测距仪31激光在军事上的应用机载激光武器32美国政府将激光武器用于其国家导弹防御系统中，用来摧毁助推阶段的敌方导弹。33激光核聚变现代激光技术的发展前沿•实现大规模轻核聚变反应的一个重要条件，是要求有足够高的温度。•要利用核聚变解决能源问题，就要设法持续地、缓慢地实现轻核的聚变反应，这就是受控热核反应的设想，实现热核爆炸“爆炸”而释放能量，可能的加热方式有多种，其中一种就是激光核聚变，即将高功率的激光束聚焦后照射在由氘、氚或氘-氚制成的靶丸上产生高温高压，使氘、氚核发生聚合，同时释放出巨大的能量。一、激光核聚变的研究现代激光技术的发展前沿二、激光化学技术的发展激光化学技术是用激光来指挥化学反应。因为激光携带高度集中而均匀的能量，可精确地打在分子的键上，比如用不同波长的紫外激光，打在硫化氢等分子上，改变两激光束的相位差，则控制了该分子的断裂过程，也可利用改变激光脉冲波形的方法，十分精确和有效的把能量打在分子上，触发某种预期的反应。激光化学虽然尚处于起步阶段，但前景十分光明。现代激光技术的发展前沿三、激光医疗技术的发展激光医疗近期的研究重点包括：1、研究激光与生物组织之间的作用关系；2、研究弱激光的细胞生物学效应及其作用机制；3、深入开展有关光动力疗法机制、激光介入治疗；4、对激光光子技术中重要的、新颖的光子器件和仪器设置进行开发性研究，包括开发激光手术刀等。四、超快强激光技术超快超强激光主要是以飞秒激光的研究与应用为主，作为一种独特的科学研究的工具和手段，飞秒激光的应用可以概括为三个方面：飞秒激光在超快领域、超强领域和超微细加工中的应用。现代激光技术的发展前沿特点：1、飞秒激光是我们人类目前在实验条件下能够获得的最短脉冲，它的精确度是±5微米;2、飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的瞬间功率可达百万亿瓦，比全世界的发电总功率还要多出上百倍;3、物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，气态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变成等离子体;4、飞秒激光具有精确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦到比头发的直径还要小的多的超细微空间区域;5、用飞秒激光进行手术，没有热效应和冲击波，在整个光程中都不会有组织损伤。激光器：能发射激光的装置，利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器：利用一个高强闪光灯管，来刺激红宝石1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。1965年，第一台可产生大功率激光的器件CO2激光器诞生。1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。2013年，南非科学与工业研究委员会国家激光中心研究人员开发出世界首个数字激光器，开辟了激光应用的新前景。激光器激光器的基本结构激光器的基本结构由工作物质、泵浦源（外界激励源）和光学谐振腔三部分构成。工作物质是激光器的核心,是激光器产生光的受激辐射放大作用源泉之所在。泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源。工作物质类型不同,采用的泵浦方式不同。光学谐振腔则为激光振荡的建立提供正反馈,起到光放大作用，并使激光产生很好的方向性和单色性。谐振腔的参数会影响输出激光束的质量。•激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，非常广泛。激光工作介质•为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。激励源谐振腔光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。对激光器有不同的分类方法，一般按工作介质的不同来分类，在可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。另外，根据激光输出方式的不同又可分为连续激光器和脉冲激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大，还可以按发光的频率和发光功率大小分类。激光器的种类用固体激光材料作为工作物质的激光器。一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，除了前面介绍用红宝石和玻璃外，常用的还有钇铝石榴石（YAG）晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射1060nm的近红外激光。固体激光器一般连续功率可达100W以上，脉冲峰值功率可达10W。但由于工作介质的制备较复杂，所以价格较贵。固体激光器1960年7月7日梅曼等人制成了第一台红宝石激光器，这也是世界上第一台激光器。•固体激光器多采用光泵浦,即以光为激励源，在小型长寿命激光器中，可用半导体发光或太阳光为激励源，一些新的激光器也有采用激光激励的。另外，固体激光器由于光源的发射光谱中只有一部分为工作物质所吸收，加上其他损耗，因而能量转换效率不高，一般在千分之几到百分之几之间。•固体激光器的波长覆盖范围主要位于可见光—近红外波段,激光谱线数千条,具有输出能量大(多级钕玻璃脉冲激光器,单脉冲输出能量可达数万焦)、运转方式多样等特点。器件结构紧凑、牢固耐用、易于与光纤耦合进行光纤传输。•固体激光器主要应用于工业、国防、科研、医学等领域,如激光测距、材料加工、激光医疗、激光光谱学、激光核聚变等方面。•固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化，包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作物质，提高激光器的转换效率，增大输出功率，改善光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长工作寿命等。气体激光器气体激光器是利用气体为工作物质产生激光的器件。常用电激励方式，在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。气体激光器结构简单、造价低，操作方便，工作介质均匀，光束质量好以及能长时间较稳定地连续工作。是目前品种最多、应用最广泛的一类激光器，市场占有率达60%。氦氖激光器是