光电子要点简介.pptx
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1、1梅曼第一台激光器的装置图梅曼第一台激光器的装置图2中国第一台红宝石激光器(中国第一台红宝石激光器(1961.91961.9)在在器器件件设设计计上上,梅梅曼曼用用螺螺旋旋管管氙氙灯灯照照射射,我我们们用用光光学学成成像像的的办办法法,只只用用了了一一支支较较小小的的直直管管氙氙灯灯,其其尺尺寸寸同同红红宝宝石石棒棒的的大大小小差差不不多多,用用高高反反射射的的球球形形聚聚光光器器聚聚光光,使使红红宝宝石石棒棒好好象象泡泡在在光光源源(氙氙灯灯)的的像像中中,所所以以效效率率很很高高,只只用用了了很很小小的的能能量量激激光光就就出出来来了了。这这里里要要强强调调一一点点,建建国国初初期期国国家
2、家在在科科学学学学发发展展方方面面采采取取了了正正确确政政策策,提提倡倡年年青青一一代代科科学学工工作作者者进进行行创造性的工作。创造性的工作。3尼尔斯尼尔斯玻尔玻尔(丹麦18851962)n原子结构学说,具有划时代意义的论文原子结构学说,具有划时代意义的论文论原子和分子结构论原子和分子结构 n1922年,玻尔获得诺贝尔物理奖。年,玻尔获得诺贝尔物理奖。n1975年,儿子阿基年,儿子阿基玻尔获得诺贝尔物理奖。玻尔获得诺贝尔物理奖。4E1E2E32.1激光的基本原理、特性和应用2.1.1玻尔假说玻尔假说:玻尔假说:1)原子存在某些定态,在这)原子存在某些定态,在这些定态中不发出也不吸收电些定态中
3、不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值只能采取某些分立的值E1、E2、En,而不能采取,而不能采取其它值。其它值。2)只有当原子从一个定态跃)只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态时,才发出迁到另一个定态时,才发出和吸收电磁辐射。和吸收电磁辐射。电磁辐射电磁辐射电磁辐射电磁辐射光电工程学院光电工程学院光电工程学院光电工程学院 林晓钢林晓钢林晓钢林晓钢5粒子数分布(波尔兹曼分布率)62.1.2三种跃迁过程E2E1(a)自发辐射)自发辐射E2E1(c)受激辐射)受激辐射E2E1(b)受激吸收)受激吸收 由由于于原原子子在在各各能能级级上上有有一一定定的的
4、统统计计分分布布,所所以以在在满满足足上上述述频频率率条条件件的的外外来来光光束束照照射射下下,两两能能级级间间受受激激吸吸收收和和受受激激辐辐射射这这两两个个相相反反的的过过程程总总是是同同时时存存在在,相相互互竞竞争争,其其宏宏观观效效果果是是二二者者之之差差。当当吸吸收收过过程程比比受受激激辐辐射射过过程程强强时时,宏宏观观看看来来光光强强逐逐渐渐减减弱弱;反反之之,当当吸吸收收过过程程比比受受激辐射过程弱时,宏观看来光强逐渐加强。激辐射过程弱时,宏观看来光强逐渐加强。72.1.32.1.3粒子数反转和光放大粒子数反转和光放大n(1)当)当(N N2 2/N/N1 1)1 1时,粒子数按
5、时,粒子数按波尔兹曼正则分布。波尔兹曼正则分布。此时有此时有dNdN1212dNdN2121,宏观效果表现为光被吸收。,宏观效果表现为光被吸收。n(2 2)当当(N N2 2/N/N1 1)1 1时,高能级时,高能级E E2 2上的粒子数上的粒子数N N2 2大于低能大于低能级级E E1 1上的粒子数上的粒子数N N1 1,出现所谓的,出现所谓的“粒子数反转分布粒子数反转分布”情况。情况。形成激光的必要条件。形成激光的必要条件。此时有此时有dNdN2121dNdN12,宏观效果表现,宏观效果表现为光被放大,或称光增益。为光被放大,或称光增益。n能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。
6、能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。82.1.5 激光器的基本结构使入射光得到使入射光得到放大,是放大,是核心核心供给工作物质供给工作物质能量能量光光抽抽运运激光束光电工程学院光电工程学院光电工程学院光电工程学院 林晓钢林晓钢林晓钢林晓钢工作介质工作介质泵浦源泵浦源只让与反射镜轴向平行的光束只让与反射镜轴向平行的光束能在激活介质中来回地反射,能在激活介质中来回地反射,连锁式地放大。最后形成稳定连锁式地放大。最后形成稳定的激光输出。的激光输出。92.1.62.1.6激活介质的粒子数反转激活介质的粒子数反转 与增益系数与增益系数亚稳态基态激发态102.1.7 2.1.7 谐振与阈值谐
7、振与阈值M1(R1,T1)M2(R2,T2)LI1反射率分别反射率分别为为R1、R2,透射率分别透射率分别为为T1、T2 11形成激光的阈值条件(振幅条件)12形成激光的阈值条件(相位条件)n光来回反射一个循环,相位必须同相(光程差必须为波长的整数倍):132.1.7 2.1.7 谐振与阈值谐振与阈值n综上所述,形成激光的必要条件有两个:综上所述,形成激光的必要条件有两个:在激光器工作物质内的某些能级间实在激光器工作物质内的某些能级间实现粒子数反转分布现粒子数反转分布激光器必须满足阈值条件激光器必须满足阈值条件 142.1.82.1.8激光的纵模和横模激光的纵模和横模 n谐振腔的作用谐振腔的作
8、用:l使激光具有很好的方向性(沿轴线)使激光具有很好的方向性(沿轴线);l使激光具有极好的单色性(频率选择器);使激光具有极好的单色性(频率选择器);l增强光放大作用(延长了工作物质)。增强光放大作用(延长了工作物质)。15纵模形成示意图纵模形成示意图123162.1.82.1.8激光的纵模和横模激光的纵模和横模n激光的纵模:激光的纵模:光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。n激光的横模:激光的横模:激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布称为激光的横模。分布称为激光的横模。激光横模形成的主要因素是谐振腔两激光横模形成的主要
9、因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用。端反射镜的衍射作用。17横模的形成横模的形成L2a18激光横模变换演示仪激光横模变换演示仪192.1.82.1.8激光的横模激光的横模n用用接接收收屏屏观观察察激激光光器器输输出出光光束束屏屏上上形形成成的的光光班班图图形形。图图2-9是是激激光光的的几几种种横横模模图图形形,按按其其对对称称性性可可分分为为轴轴对对称横模图称横模图2-9(a)和旋转对称横模图和旋转对称横模图2-9(b)。轴轴对对称称 旋旋转转对对称称(a)TEM00(b)TEM10(c)TEM13(d)TEM11(e)TEM00(f)TEM03(g)TEM10202.1.82.1.8激光的横
10、模激光的横模 激激光光的的模模式式一一般般用用TEMmnk表表示示,TEM是是电电磁磁横横波波的的缩缩写写,k为为纵纵模模数数。在在轴轴对对称称横横模模中中,m,n分分别别表表示示光光束束横横截截面面内内在在x方方向向和和y方方向向出出现现的的暗暗区区(即即节节点点)数数,如如TEM13,在在x方方向向有有1个个暗暗区区,在在y方方向向有有3个个暗暗区区;在在旋旋转转对对称称横横模模中中,m表表示示沿沿半半径径方方向向出出现现的的暗暗环环数数,n表表示示圆圆中中出出现现的的暗暗直直径径数数。如如TEM03,图图中中无暗环,有三条暗直径。无暗环,有三条暗直径。212.1.9 2.1.9 几种典型
11、的激光器几种典型的激光器n一一种种是是从从激激活活介介质质的的物物质质状状态态分分类类。这这样样可可分分为为气气体体、液液体体、固固体体和和半半导体激光器。导体激光器。n气气体体激激光光器器的的单单色色性性强强,如如氦氦-氖氖激激光光器器的的单单色色性性比比普普通通光光源源要要高高1 1亿亿倍倍,而而且且气气体体激激光光器器工工作作物物质质种种类类繁繁多多,因因此此可可产产生生许许多多不不同同频频率率的的激激光光。但但是是,由于气体密度低,激光输出功率相应较小;由于气体密度低,激光输出功率相应较小;n固固体体激激光光器器则则正正好好相相反反,能能量量高高,输输出出功功率率大大,但但工工作作物物
12、质质种种类类较较少少,而而且且单色性差;单色性差;n液液体体激激光光器器的的最最大大特特点点是是激激光光的的波波长长可可以以在在一一定定范范围围内内连连续续变变换换。这这种种激激光光器特别适合于对激光波长有着严格要求的场合;器特别适合于对激光波长有着严格要求的场合;n半半导导体体激激光光器器的的特特点点则则是是体体积积小小、重重量量轻轻、结结构构简简单单,但但输输出出的的功功率率较较小小,单色性也较差。单色性也较差。n另另一一种种分分类类方方式式是是按按激激活活介介质质的的粒粒子子结结构构来来分分类类,可可以以分分为为原原子子、离离子子、分子和自由电子激光器。分子和自由电子激光器。n氦氦-氖激
13、光器产生的激光是由氖原子发射的;氖激光器产生的激光是由氖原子发射的;n红宝石激光器产生的激光则是由铬离子发射的;红宝石激光器产生的激光则是由铬离子发射的;n另另外外还还有有二二氧氧化化碳碳分分子子激激光光器器,它它的的频频率率可可以以连连续续变变化化。而而且且可可以以覆覆盖盖很很宽宽的频率范围。的频率范围。222.1.9 2.1.9 几种典型的激光器几种典型的激光器n1、固体激光器(、固体激光器(红宝石激光器红宝石激光器)n 固固体体激激光光器器一一般般采采用用光光激激励励源源。工工作作物物质质多多为为掺掺有有杂杂质质元元素素的的晶晶体体或或玻玻璃璃。最最常常见见的的固固体体激激光光器器有有红
14、红宝宝石石激激光光器器、钕钕玻玻璃璃激激光光器器、掺掺钕钕钇钇铝铝石石榴榴石石激激光光器器等等,固固体体激激光光器器输输出出能能量量高高,小小而而坚固,在激光加工、激光武器等方面有重要应用。坚固,在激光加工、激光武器等方面有重要应用。n 能量高,输出功率大,但工作物质种类较少,而且单色性差。能量高,输出功率大,但工作物质种类较少,而且单色性差。23举例:红宝石激光器举例:红宝石激光器 红红宝宝石石激激光光器器为为三三能能级级系系统统激激光光器器,如如图图所所示示,激激励励源源脉脉冲冲氙氙灯灯闪闪光光时时,处处于于基基态态的的Cr3+吸吸收收光光能能跃跃迁迁到到E3能能级级,这这是是光光抽抽运运
15、;处处于于E3能能级级的的粒粒子子寿寿命命很很短短(约约10-9s),很很快快通通过过无无辐辐射射跃跃迁迁方方式式到到达达E2能能级级,粒粒子子在在E2能能级级的的寿寿命命很很长长,达达310-3s,能能够够在在E2能能级级积积累累大大量量粒粒子子,在在E2和和E1两两能能级级之之间间形形成成粒粒子子数数反反转转,由由E2能能级级向向E1能能级级跃跃迁迁,产产生生受受激激辐射发出谱线。辐射发出谱线。E1E3E224n2、气体激光器、气体激光器 气气体体激激光光器器是是应应用用最最广广泛泛的的一一种种激激光光器器,气气体体激激光光器器一一般般采采用用电电激激励励源源,常常使使用用在在连连续续工工
16、作作方方式式上上。常常见见的的气气体体激激光光器器有有氦氦氖氖激激光光器器,CO2激激光光器器等等。气气体体激激光光器器效效率率较较高高,能能以以脉脉冲冲和和连连续续两两种种方方式式工工作作,常用于精密测量、全息照相等领域。常用于精密测量、全息照相等领域。25举例:氦氖激光器举例:氦氖激光器n氦氖激光器在两方面有里程碑意义氦氖激光器在两方面有里程碑意义:n一方面它第一次实现了连续性。一方面它第一次实现了连续性。固体激光器固体激光器都是脉冲型的,不适于一般使用。连续激光都是脉冲型的,不适于一般使用。连续激光束有很多好处,为应用开辟了广阔的道路。束有很多好处,为应用开辟了广阔的道路。n另一方面证明
17、了可以用放电方法产生激光。另一方面证明了可以用放电方法产生激光。只要在两种不同的工作介质中选定适当的能只要在两种不同的工作介质中选定适当的能级,就有可能实现光的放大,为激光器的发级,就有可能实现光的放大,为激光器的发展展示了多种渠道的可能性。展展示了多种渠道的可能性。26氦氖激光器氦氖激光器273、半导体激光器、半导体激光器n半半导导体体物物理理学学的的迅迅速速发发展展及及随随之之而而来来的的晶晶体体管管的的发发明明,使使科科学学家家们们早早在在5050年年代代就就设设想想发发明明半半导导体体激激光光器器,6060年年代代早早期期,很很多多小小组组竞竞相相进进行行这这方方面面的的研研究究。在在
18、理理论论分分析析方方面面,以以莫莫斯斯科科列列别别捷捷夫夫物物理理研研究究所所的的尼尼古古拉拉巴巴索索夫夫的的工工作作最最为为杰杰出出。足足够够可可靠靠的的半半导导体体激激光光器器则则直直到到7070年年代代中中期期才才出出现。现。n半半导导体体激激光光器器体体积积非非常常小小,最最小小的的只只有有米米粒粒那那样样大大。工工作作波波长长依依赖赖于于激激光光材材料料,一一般般为为0.60.61.551.55微微米米,由由于于多多种种应应用用的的需需要要,更更短短波波长长的的器器件件在在发发展展中中。据据报报道道,以以价价元元素素的的化化合合物物,如如ZnSeZnSe为为工工作作物物质质的的激激光
19、光器器,低低温温下下已已得得到到0.460.46微微米米的的输输出出,而而波波长长0.500.500.510.51微微米米的的室室温温连连续器件输出功率已达续器件输出功率已达1010毫瓦以上。但迄今尚未实现商品化。毫瓦以上。但迄今尚未实现商品化。n光光纤纤通通信信是是半半导导体体激激光光可可预预见见的的最最重重要要的的应应用用领领域域,一一方方面面是是世世界界范范围围的的远远距距离离海海底底光光纤纤通通信信,另另一一方方面面则则是是各各种种地地区区网网。后后者者包包括括高高速速计计算算机机网网、航航空空电电子子系系统统、卫卫生生通通讯讯网网、高高清清晰晰度度闭闭路路电电视视网网等等。但但就就目
20、目前前而而言言,激激光光唱唱机机是是这这类类器器件件的的最最大大市市场场。其其他他应应用用包包括括高高速速打打印印、自自由由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示,及各种医疗应用等。空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示,及各种医疗应用等。283、半导体激光器、半导体激光器n 以以半半导导体体材材料料为为工工作作介介质质的的,目目前前较较成成熟熟的的是是砷砷化化镓镓激激光光器器,发发射射840nm840nm的的激激光光。激激励励方方式式有有光光泵泵浦浦、电电激激励励等等。这这种种激激光光器器体体积积小小、质质量量轻轻、寿寿命命长长、结结构构简简单单而而坚坚固固,特特别别适适用用于于在在飞飞机机、车
21、车辆辆、宇宇宙宙飞飞船船上上使使用用。在在通通信信、测测距距和和雷雷达达等等应应用用方方面具有特殊的地位。面具有特殊的地位。冲电气工业株式会社(以下简称OKI)成功开发了能在-4085大温度范围内实现行业最高水准15mW输出光功率的FTTH用半导体激光器(OL4636L-ET)。294、液体激光器、液体激光器(染料激光器染料激光器)n 液液体体激激光光器器的的工工作作物物质质是是一一些些有有机机染染料料溶溶液液,如如若若丹丹明明、香香豆豆素素、碳碳化化青青等等,或或是是一一些些无无机机液液体体,如如掺掺钕钕离离子子的的三三氯氯氧氧化化磷磷等等,也也有有以以蒸蒸气气状状态态工工作作的的。液液体体
22、中中的的能能带带宽宽,发发出出的的激激光光波波长长范范围围宽宽达达0.05m。利利用用如如图图所所示示的的装装置置,调调节节光光栅栅衍衍射射角角,只只使使某某一一波波长长的的光光在在谐谐振振腔腔纵纵轴轴方方向向产产生生衍衍射射极极大大形形成成光光振振荡荡,并并最最后后输输出出,以以获获得得单单一一波波长长激激光光。因因此此,液液体体激激光光器器输输出出的的波波长长连连续续可可调调的的,其其输输出出功功率率较较高高且且稳定,制备简单,价格便宜。稳定,制备简单,价格便宜。30液体激光器液体激光器31光纤激光器光纤激光器双包层掺镱光纤双包层掺镱光纤泵浦泵浦激光管组激光管组耦合器耦合器过渡过渡光纤光纤
23、聚焦透镜聚焦透镜LD2LD1LD3LD组组驱动驱动电源电源分束激光分束激光LD5LD4LD6LD组组驱动驱动电源电源32光纤激光器光纤激光器332.1.10 2.1.10 激光的特性及应用激光的特性及应用 激光由于本身形成的特点,具有比激光由于本身形成的特点,具有比普通光源更为优良的性能。激光的特点普通光源更为优良的性能。激光的特点可以归结为三点:可以归结为三点:单色性单色性方向性方向性高强度高强度本质:高度的相干性本质:高度的相干性34激光的应用激光的应用n 激激光光的的应应用用非非常常广广泛泛,几几乎乎遍遍及及工工业业、农农业业、军军事事、医医疗疗、科科学学研研究究等等每每一一个个领领域域
24、。根根据据各各种种激激光光器器发发射射光光的的功功率率密密度度,相相干干性性、准准直直性性、单单色色性性的的不不同同,应应用用范范围围也也不不同同。例例如如,激激光光通通迅迅、激激光光测测距距、激激光光定定向向、激激光光准准直直、激激光光雷雷达达、激激光光切切削削、激激光光手手术术、激激光光武武器器、激激光光显显微微分分析析、激激光光受受控控热热核核反反应应等等,主主要要是是利利用用激激光光的的方方向向性性与与高高功功率率密密度度;而而激激光光全全息息、激激光光测测长长、激激光光干干涉涉、激激光光多多谱谱勒勒效效应应则则主主要要是是利利用用激激光光的的单单向向性性和和相相干干性性。当当然然,激
25、激光光的的几几方方面面的的特特性性往往往往不不能能截截然然分分开开,有有的的应应用用(如如非非线线性性光光学学)与与激激光光的的几几方方面面的的特特性性都都有有关关。下下面面就就一一些些方方面面的的应应用举例介绍。用举例介绍。35激光的应用激光的应用n激光测距激光测距 根根据据光光束束往往返返时时间间可可以以测测定定目目标标的的距距离离。然然而而普普通通光光束束的的发发散散角角较较大大,光光强强也也比比较较小小,距距离离大大小小,返返回回的的光光束束十十分分微微弱弱。巨巨脉脉冲冲红红宝宝石石激激光光器器可可在在20ns的的时时间间内内发发射射4J的的能能量量,脉脉冲冲功功率率达达2108W,而
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