光电子第二章要点简介.ppt
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1、1,1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器它标志着激光技术的诞生,1961年研制出中国第一台红宝石激光器,最早提出激光理论的爱因斯坦,最早发现激光的汤斯红外与光学激射器,汤斯如何发现激光?,光电工程学院 林晓钢,2,梅曼第一台激光器的装置图,3,中国第一台红宝石激光器(1961.9),在器件设计上,梅曼用螺旋管氙灯照射,我们用光学成像的办法,只用了一支较小的直管氙灯,其尺寸同红宝石棒的大小差不多,用高反射的球形聚光器聚光,使红宝石棒好象泡在光源(氙灯)的像中,所以效率很高,只用了很小的能量激光就出来了。这里要强调一点,建国初期国家在科学学发展方面采取了正确政策,提倡年青一代
2、科学工作者进行创造性的工作。,4,尼尔斯玻尔(丹麦18851962),原子结构学说,具有划时代意义的论文论原子和分子结构 1922年,玻尔获得诺贝尔物理奖。1975年,儿子阿基玻尔获得诺贝尔物理奖。,5,2.1激光的基本原理、特性和应用玻尔假说,玻尔假说:1)原子存在某些定态,在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值E1、E2、En,而不能采取其它值。2)只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态时,才发出和吸收电磁辐射。,光电工程学院 林晓钢,6,粒子数分布(波尔兹曼分布率),7,三种跃迁过程,(a)自发辐射,(c)受激辐射,(b)受激吸收,由于原子在各能级上有一定
3、的统计分布,所以在满足上述频率条件的外来光束照射下,两能级间受激吸收和受激辐射这两个相反的过程总是同时存在,相互竞争,其宏观效果是二者之差。当吸收过程比受激辐射过程强时,宏观看来光强逐渐减弱;反之,当吸收过程比受激辐射过程弱时,宏观看来光强逐渐加强。,8,粒子数反转和光放大,(1)当(N2/N1)1时,粒子数按波尔兹曼正则分布。此时有dN12dN21,宏观效果表现为光被吸收。(2)当(N2/N1)1时,高能级E2上的粒子数N2大于低能级E1上的粒子数N1,出现所谓的“粒子数反转分布”情况。形成激光的必要条件。此时有dN21dN12,宏观效果表现为光被放大,或称光增益。能造成粒子数反转分布的介质
4、称为激活介质或增益介质。,9,2.1.5 激光器的基本结构,使入射光得到放大,是核心,供给工作物质能量,光抽运,激光束,光电工程学院 林晓钢,工作介质,泵浦源,10,激活介质的粒子数反转 与增益系数,11,2.1.7 谐振与阈值,M1(R1,T1),M2(R2,T2),反射率分别为R1、R2,透射率分别为T1、T2,12,形成激光的阈值条件(振幅条件),13,形成激光的阈值条件(相位条件),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):,14,2.1.7 谐振与阈值,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现粒子数反转分布激光器必须满足阈值条件,15
5、,激光的纵模和横模,谐振腔的作用:使激光具有很好的方向性(沿轴线);使激光具有极好的单色性(频率选择器);增强光放大作用(延长了工作物质)。,16,纵模形成示意图,1,2,3,17,激光的纵模和横模,激光的纵模:光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。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端反射镜的衍射作用。,18,横模的形成,19,激光横模变换演示仪,20,激光的横模,用接收屏观察激光器输出光束屏上形成的光班图形。图2-9是激光的几种横模图形,按其对称性可分为轴对称横模图2-9(a)和旋转对称横模图2-9(b)。,21,激光的横模,激
6、光的模式一般用TEMmnk表示,TEM是电磁横波的缩写,k为纵模数。在轴对称横模中,m,n分别表示光束横截面内在x方向和y方向出现的暗区(即节点)数,如TEM13,在x方向有1个暗区,在y方向有3个暗区;在旋转对称横模中,m表示沿半径方向出现的暗环数,n表示圆中出现的暗直径数。如TEM03,图中无暗环,有三条暗直径。,22,2.1.9 几种典型的激光器,一种是从激活介质的物质状态分类。这样可分为气体、液体、固体和半导体激光器。气体激光器的单色性强,如氦-氖激光器的单色性比普通光源要高1亿倍,而且气体激光器工作物质种类繁多,因此可产生许多不同频率的激光。但是,由于气体密度低,激光输出功率相应较小
7、;固体激光器则正好相反,能量高,输出功率大,但工作物质种类较少,而且单色性差;液体激光器的最大特点是激光的波长可以在一定范围内连续变换。这种激光器特别适合于对激光波长有着严格要求的场合;半导体激光器的特点则是体积小、重量轻、结构简单,但输出的功率较小,单色性也较差。另一种分类方式是按激活介质的粒子结构来分类,可以分为原子、离子、分子和自由电子激光器。氦-氖激光器产生的激光是由氖原子发射的;红宝石激光器产生的激光则是由铬离子发射的;另外还有二氧化碳分子激光器,它的频率可以连续变化。而且可以覆盖很宽的频率范围。,23,2.1.9 几种典型的激光器,1、固体激光器(红宝石激光器)固体激光器一般采用光
8、激励源。工作物质多为掺有杂质元素的晶体或玻璃。最常见的固体激光器有红宝石激光器、钕玻璃激光器、掺钕钇铝石榴石激光器等,固体激光器输出能量高,小而坚固,在激光加工、激光武器等方面有重要应用。能量高,输出功率大,但工作物质种类较少,而且单色性差。,24,举例:红宝石激光器,红宝石激光器为三能级系统激光器,如图所示,激励源脉冲氙灯闪光时,处于基态的Cr3+吸收光能跃迁到E3能级,这是光抽运;处于E3能级的粒子寿命很短(约10-9s),很快通过无辐射跃迁方式到达E2能级,粒子在E2能级的寿命很长,达310-3s,能够在E2能级积累大量粒子,在E2和E1两能级之间形成粒子数反转,由E2能级向E1能级跃迁
9、,产生受激辐射发出谱线。,25,2、气体激光器,气体激光器是应用最广泛的一种激光器,气体激光器一般采用电激励源,常使用在连续工作方式上。常见的气体激光器有氦氖激光器,CO2激光器等。气体激光器效率较高,能以脉冲和连续两种方式工作,常用于精密测量、全息照相等领域。,26,举例:氦氖激光器,氦氖激光器在两方面有里程碑意义:一方面它第一次实现了连续性。固体激光器都是脉冲型的,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。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。,27,氦氖激光器,28,
10、3、半导体激光器,半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明,使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器,60年代早期,很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面,以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉巴索夫的工作最为杰出。足够可靠的半导体激光器则直到70年代中期才出现。半导体激光器体积非常小,最小的只有米粒那样大。工作波长依赖于激光材料,一般为0.61.55微米,由于多种应用的需要,更短波长的器件在发展中。据报道,以价元素的化合物,如ZnSe为工作物质的激光器,低温下已得到0.46微米的输出,而波长0.500.51微米的室温连续器件输出功率已达10毫瓦以上。但迄今尚未实现商品化。光纤通信
11、是半导体激光可预见的最重要的应用领域,一方面是世界范围的远距离海底光纤通信,另一方面则是各种地区网。后者包括高速计算机网、航空电子系统、卫生通讯网、高清晰度闭路电视网等。但就目前而言,激光唱机是这类器件的最大市场。其他应用包括高速打印、自由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示,及各种医疗应用等。,29,3、半导体激光器,以半导体材料为工作介质的,目前较成熟的是砷化镓激光器,发射840nm的激光。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固,特别适用于在飞机、车辆、宇宙飞船上使用。在通信、测距和雷达等应用方面具有特殊的地位。,冲电气工业株式会社(以下简称OKI)成
12、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)。,30,4、液体激光器(染料激光器),液体激光器的工作物质是一些有机染料溶液,如若丹明、香豆素、碳化青等,或是一些无机液体,如掺钕离子的三氯氧化磷等,也有以蒸气状态工作的。液体中的能带宽,发出的激光波长范围宽达0.05m。利用如图所示的装置,调节光栅衍射角,只使某一波长的光在谐振腔纵轴方向产生衍射极大形成光振荡,并最后输出,以获得单一波长激光。因此,液体激光器输出的波长连续可调的,其输出功率较高且稳定,制备简单,价格便宜。,31,液体激光器,32,光纤激光器,33,光纤激光器,
13、34,2.1.10 激光的特性及应用,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。激光的特点可以归结为三点:单色性方向性高强度本质:高度的相干性,35,激光的应用,激光的应用非常广泛,几乎遍及工业、农业、军事、医疗、科学研究等每一个领域。根据各种激光器发射光的功率密度,相干性、准直性、单色性的不同,应用范围也不同。例如,激光通迅、激光测距、激光定向、激光准直、激光雷达、激光切削、激光手术、激光武器、激光显微分析、激光受控热核反应等,主要是利用激光的方向性与高功率密度;而激光全息、激光测长、激光干涉、激光多谱勒效应则主要是利用激光的单向性和相干性。当然,激光的几方面的特性往往不能截然分
14、开,有的应用(如非线性光学)与激光的几方面的特性都有关。下面就一些方面的应用举例介绍。,36,激光的应用,激光测距 根据光束往返时间可以测定目标的距离。然而普通光束的发散角较大,光强也比较小,距离大小,返回的光束十分微弱。巨脉冲红宝石激光器可在20ns的时间内发射4J的能量,脉冲功率达2108W,而发散角经透镜进一步会聚可小至5。利用这一束定向的强光束已经精确地测定了地球到月球之间的距离,在平均为4105km的距离上测量误差只有3m,这是以往其他方法无法实现的。,月球距离地球平均为384,401公里。这段距离约为地球赤道周长的10倍。月球轨道呈椭圆形,近地点平均距离为363300公里,远地点平
15、均距离为405500公里。,37,激光测距仪,法国HAP,38,激光的应用,激光加工 特征:1、热加工方法,可加工高熔点、高硬度材料。2、无接触加工,加工机可适当地与加工材料分离,因此,有可能对零件中复杂曲折的细微部分进行加工,在磁场中也能进行加工。3、多种材料的微细加工,可以较容易实现自动控制。能够对显像管这种被密封在透明容器里的产品进行修补、焊接。,39,激光的应用加工,激光切割 具有非接触加工、切缝非常窄、邻近切边的热影响区小等特点。加工对象按难易程度排列有布、木材、陶瓷、钢板、铝板、复合材料等。切割质量根据切缝宽度、切断面的粗糙度、热影响区大小等来评定。,40,激光防伪,一.第一代激光
16、防伪技术 第一代激光防伪技术是激光模压全息图像防伪标识。二.改进的激光全息图象防伪标识 由于第一代激光全息防伪标识已经完全失去了防伪功能,人们不得不开始对其进行改进。改进的方法主要有三种:第一种是采用计算机技术改进全息图象。第二种是研制成了透明激光全息图象防伪标识,身份证。第三种是反射激光全息图象防伪标识。三.加密全息图象防伪技术 加密的全息图象是采用诸如随机位相编码图象加密、莫尔编码图象加密、激光散斑图象加密这类光学图象编码加密技术,对防伪图象进行加密,得到不可见的或变成一些散斑的加密图象。四.激光光刻防伪技术 激光光刻防伪技术又称激光编码技术,也称激光“烧字”技术。由于激光编码机造价昂贵,
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