關于入職培訓激光的基本知識第1頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三提綱1.概論及激光發展史

2.激光特性及激光原理4.固體激光器5.氣體激光器6.激光技術3.衡量光束質量的參數第2頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發明。激光誕生的背景：具有理論基礎和生產實踐迫切需要。激光的發展不僅使古老的光學科學和光學技術獲得了新生，而且導致一門新興產業出現。激光使人們有效地利用前所未有的先進方法和手段，去獲得空前的效益和成果，從而促進了生產力的發展。1.概論及激光發展史

第3頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三激光的發展簡史第4頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三“受激輻射”理論的發展1917年愛因斯坦提出“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎。1950年，中學教師阿爾弗雷德·卡斯特勒同讓·布羅塞爾發明了“光泵激勵”技術。1951年，美國哥倫比亞大學的教授查爾斯·湯斯（Townes）對微波的放大進行了三年的研究，完善“受激輻射的微波放大”的理論，成功地制造出了世界上第一個“微波激射器”。1958年貝爾實驗室的湯斯教授和他的學生阿瑟·肖洛（Schawlow，諾貝爾物理獎的獲得者）把微波放大的技術應用于光波，奠定了激光發展的基礎。第5頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三激光器件的發展1960年，梅曼（T.Maiman）在量子電子學發展的成果基礎上發明了第一臺紅寶石激光器。1961年，德若凡發明了第一臺氣體激光器—氦氖激光器。1962年，半導體激光器誕生。1964年，帕特爾（C.Patel）發明了第一臺CO2激光器。第6頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三1965年，第一臺大功率二氧化碳激光器誕生。1967年，第一臺Ｘ射線激光器研制成功。1997年，美國麻省理工學院的研究人員研制出第一臺原子激光器。第7頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三以后的幾十年，各國都投入到激光器的研究之中，充足的資金和人力資源迅速推動著激光技術飛速進展。各種不同介質、不同形狀、不同功率、不同波長的激光器不斷出現。我國第一臺激光器（紅寶石）于1961年出世。激光應用遍及各個領域：工業、農業、醫學、生物、環境、軍事、日常生活等等。第8頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三激光，像電力一樣成為這個時代最重要的技術因素，對人們的生活方式產生重大影響：激光通信使我們在地球的每一個角落里都能準確迅速地進行信息交流；激光唱機使我們聆聽世界名曲的現場演奏；從科研到產業，從海洋到太空，工業到農業，從民用到軍事；激光的科學研究和技術應用實現著令人難以置信的奇跡。激光－－“解決問題的工具”

第9頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三固體激光器、全固態激光器氣體激光器半導體激光器染料激光器（液體激光器）化學激光器X射線激光器自由電子激光器等激光器的種類第10頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三光纖激光器半導體激光器He-Ne激光器薄片激光器倍頻Nd:YAG激光器第11頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三氣體激光器－－體積較大、壽命較長、高功率、價廉

化學激光器－－高功率、大體積

燈泵固體激光器－－光束好、高功率、壽命短、大體積

半導體激光器－－體積小、壽命長、光束差、功率低

全固態激光器－－體積小、壽命長、光束好、高功率各種激光器的特點第12頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三激光運轉的波長范圍遍布紅外、可見、紫外、X射線的所有區域激光波長第13頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三LASER—LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiation

“受激發射的輻射光放大”最初中文名叫做“鐳射”、“萊塞”1964年我國著名科學家錢學森建議將“光受激發射”改稱“激光”。2.激光特性及激光原理第14頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三2.1激光特性1.單色性激光是受激輻射，頻率寬度很窄第15頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三當兩列振動方向相同、頻率相同、相位固定的單色波疊加后，光的強度在疊加區域不是均勻分布的，而是一些地方具有極大值，一些地方具有極小值，從而產生光的干涉現象，即這兩列波具有相干性。在普通的光源中，光是自發輻射，彼此相互獨立，沒有恒定的相位關系。而激光是受激輻射，具有恒定的相位關系，因而激光具有良好的相干性2.相干性第16頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三

激光在諧振腔中經反射鏡多次反射振蕩，超過一定的閾值后輸出，只有沿諧振腔軸線的光才能得到放大，因而具有良好的方向性。3.方向性好第17頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三激光具有很高的能量。由于激光的空間相干性和方向性，經光學系統聚焦，可以產生極高功率密度，例如105~1013W/cm2的功率密度。在工業生產中，利用激光高能量特點進行打孔、切割和焊接。在醫學上、利用激光的高能量可進行外科手術。在軍事領域，激光武器可以摧毀敵機和導彈4.高能量（高功率密度）第18頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三2.2激光原理基本概念：不同的原子具有不同的能級結構。一個原子中最低的能級稱為基態，其余的稱為高能態，或激發態。原子從高能態E2躍遷到低能態E1時，會向外發射某個頻率為v的光輻射，滿足普朗克公式：

h=E1-E2=AE式中h為普朗克常數。反之，該原子吸收頻率為的輻射時，就會從低能態E1躍遷到高能態E2。第19頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三產生激光的5個條件1.受激輻射：首要條件，也是必要條件，但還不是充分條件。(上能級E2)(下能級E1)受激輻射吸收躍遷基態?E=E2–E1=h泵浦高能態自發輻射第20頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三如果讓這些受激光子一個一個地發射出來，是不能形成強大的能量的。（自發輻射）一般的，電子被激發到高能級后，在高能級上停留的時間是短暫的。而有些物質的電子處于第二能級E2的時間較長，僅次于基態能級E1。這個能級就叫做亞穩態能級。2.工作物質必須具有亞穩態能級第21頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三基態(下能級E1)受激輻射吸收躍遷?E=E2–E1=hν泵浦高能態(上能級E2)亞穩態第22頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三外來的光子能激發出光子，產生受激輻射，但也可能被低能級所吸收。在激光工作介質中，受激輻射和受激吸收這兩個過程都同時存在。在常溫下，吸收多于發射。選擇適當的物質，使其在高（亞）能級上的電子比低能級上的電子還多，即形成粒子數反轉，使受激發射多于吸收。3.粒子數反轉第23頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三激光器中開始產生的光子是自發輻射產生的，其頻率和方向雜亂無章。要使頻率單純，方向集中，就必須有一個諧振腔4.

諧振腔1激光

第24頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三激光工作物質和諧振腔都會使光子產生損耗。只有使光子在腔中振蕩一次產生的光子數比損耗掉的光子多得多時，才能有放大作用。5.增益大于損耗第25頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三高能態(上能級E2)基態(下能級E1)受激輻射(激光)

吸收躍遷?E=E2–E1=hν激發形成激光的五個條件1、受激輻射2、亞穩態能級3、粒子數翻轉4、諧振腔5、增益大于損耗第26頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三3.衡量光束質量的參數3.1激光束模式激光的模式用TEMmnq表示m,n為橫模的序數，q為縱模的序數基模(橫向單模)：m=n=0,其它的橫模稱為高階橫模方形鏡和圓形鏡的橫模圖形第27頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三對于方形鏡，m表示X方向的節線數，即X方向的暗紋數，n表示Y方向的節線數，即Y方向的暗紋數；如何判斷橫模第28頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三對于圓形鏡，m表示徑向節線數，即暗環數，n表示角向節線數，即暗直徑數(c)TEM02(d)TEM03(a)TEM00(b)TEM10第29頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三3.2遠場發散角基模高斯光束的發散角可由下式表示則基模高斯光束的遠場發散角為第30頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三理想情況下，均勻平面波聚焦后愛里(Airy)斑的寬度為：=1.22f/D;其中f——聚焦光學系統焦距，D——衍射孔徑3.3聚焦光斑尺寸第31頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三

束寬和發散角都可以通過使用聚焦光學系統來改變，但對于確定光束，其束腰寬度和遠場發散角的乘積是不變的，稱為光束參數乘積BPBP=0對于基模高斯光束BP0=0=0/0=/對于實際光束BP/BP越大，光束質量越差3.4光束參數乘積第32頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三M2因子稱為衍射極限倍數因子，其定義為：M2的倒數稱為K因子；對于實際光束，M21(K1)，M2越小，光束質量越高3.5M2因子和K因子第33頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三4.固體激光器1960年世界第一臺激光器—固體紅寶石激光器問世。中國科學院長春光機所1960年研制出中國第一臺激光器—紅寶石激光器。40余年來，固體激光器件及技術迅速發展，約百種工作介質可以產生激光。單脈沖激光能量高達上萬焦耳，平均輸出功率超過1000W，峰值功率達幾十太瓦(TW，1012W)。4.1引言第34頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三固體激光器的主要特點固體激光的輸出波段多在可見光區域或近紅外光區域，容易使用晶體倍頻，獲得可見光甚至紫外光波段；固體激光器輸出易于用普通光學元件傳輸，便于光纖傳輸；固體激光器結構緊湊、牢固耐用、使用維護方便，制作成本低；廣泛的用途。第35頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三4.2固體激光器的結構13

3固體激光器結構圖1、激光工作介質；2、全反射鏡3、泵浦光源；4、輸出耦合鏡；24激光輸出第36頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三4.3常用的激光工作介質固體激光工作介質由激活離子和基質材料兩部分組成。已實現激光躍遷的主要激活離子有：Ce3+、Pr3+、Nd3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、Sm2+、Dy2+、Tm2+、Co2+、Ni2+、V2+、Cr3+、U3+等。常用的基質材料主要有：Y3Al5O12晶體(釔鋁石榴石YAG);YVO4晶體;LiYF4晶體(氟化釔鋁LYF);Gd3Ga5O12晶體(釓鎵石榴石GGG);Al2O3晶體；磷酸鹽玻璃；硅酸鹽玻璃第37頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三Nd3+:YAG晶體Nd3+:YVO4晶體紅寶石Cr3+:α-Al2O3Nd3+:LiYF4晶體第38頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三惰性氣體放電燈：脈沖燈—氙燈；連續燈—氪燈激光二極管（LaserDiode）4.4常用的泵浦光源激光二極管氙燈第39頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三氣體激光器以氣體或蒸氣為工作物質，包括原子、分子、離子、準分子、或金屬原子蒸氣等激光器。氣體激光器躍遷譜線和相應的激光輸出波長范圍較寬，從真空紫外直至紅外區。5氣體激光器第40頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三原子氣體激光器：以惰性氣體（氦、氖、氬、氪、氙）、鹵素氣體或蒸氣（氯、碘、溴）等為工作介質。分子氣體激光器：以氣體分子和準分子為工作介質5.1氣體激光器的種類第41頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三原子氣體激光器氦氖激光器3.39、1.15、0.6328μm氙激光器3.507、2.026、3.507μm氧－碘原子激光器1.315μm氬離子激光器0.4880、0.5145μm氪離子激光器0.4762、0.5208、0.5682、0.6471μm氦鎘激光器0.4416、0.3250、0.5337、0.5378、0.6355、0.6360μm第42頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三He-Ne激光器第43頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三氬離子激光器第44頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三雙原子分子：CO激光器：5.4~5.7μm、N2分子激光器：0.3371μm、HF激光器：2.6~3.5μmDF激光器：3.6~5.0μm多原子分子：CO2激光器：P支10.6μm；R支9.4μm分子氣體激光器第45頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三5.2CO2激光器擴散冷卻式對流式橫流式快速軸流式按冷卻方式分類第46頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三擴散冷卻式CO2激光器1:輸出耦合鏡；2：陽極；3：進水口；4：回氣管；5：放電管；6：儲氣管；7：水冷管；8：陰極；9：全反鏡；10出水口第47頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三橫流式CO2激光器氣流方向4與激光諧振腔軸以及放電方向相互垂直1：密封殼體；2：輸出耦合鏡；3：高速風機；4：氣流方向5：熱交換器；6：陽極；7：折迭鏡；8：全反鏡；9：陰極第48頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三快速軸流式CO2激光器1：全反鏡；2：高壓放電區；3：輸出耦合鏡；4：放電管；5：高速風機；6：熱交換器；工作氣體沿放電管軸向高速流動，即氣流方向、電場方向及激光諧振腔三者方向一致第49頁，共59頁，2023年，2月20日，星期三6激光技術6.1品質因數Q的基本概念吸收損耗損耗系數δ反射損耗