激光原理与应用页

加 是一种“绿色”消洗工艺，并且清洁度远远高于化学清洗工艺；
工 技
（2）清洗的对利象范围很广。
术 （3）激光清洗适用于几平所有固体基材。
§.
（4）激光清洗可以方便地实现自动化操作，还可利用光纤将激光引入污染区， 操作人员只需远距离具有重要的意义。
7 7.6.2 激光弯曲
6
其 他 激
1. 激光弯曲是一种柔性成形新技术，它利用激光加热产生不均匀的温度场诱发热 应力代替外力实现金属板料的成形。
光
加
工
技
术
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7.6.1 激光清洗技术
第 1.激光洁洗技术是指采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、颗粒、锈斑 七 或者涂层等附着物发生瞬间蒸发或者剥离、从而达到洁净化的工艺过程。 章
激 2.与普通的化学清洗法和机械清洗法相比．激光清洗具有如下特征：
光 （1）它是一种完全的“干式”清洗过程，不需要使用清洁液或者其它化学溶液，

4
激光的相干性比普通光 强很多，可用于精密测 量和全息照相等领域。
激光器组成及工作原理
激光器组成
激光器一般由工作物质、激励源和光学谐振腔三部分组成。
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工作原理
在激励源的作用下，工作物质中的电子被激发到高能级，形 成粒子数反转分布。当这些电子从高能级跃迁到低能级时， 会辐射出与激励源频率相同的光子，并在光学谐振腔内得到 放大和反馈，最终形成稳定的激光输出。
激光雷达
测距、成像、识别等多元化应 用
激光显示
高清晰度、大色域、节能环保
激光制造
高精度、高效率、无接触加工
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10
激光器类型及其特
03
点分析
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11
固体激光器
01
02
03
工作原理
通过激励固体增益介质（ 如晶体、玻璃等）中的粒 子，实现粒子数反转并产 生激光。
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根据实际需要，还可选择佩戴耳塞、手套 等个人防护装备，以降低激光对其他部位 的危害。
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24
未来发展趋势预测
06
与挑战分析
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新型激光器研发方向探讨
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新型材料激光器
探索新型增益介质，如量子点、二维材料等，提高激光器的性能 。
微型化与集成化
发展微型激光器，实现与其他光电器件的集成，推动光电子集成技 术的发展。
1960年，美国物理学家 梅曼制造出第一台红宝 石激光器
现代激光技术突破与创新
光纤激光器
高功率、高效率、光束质量好
量子级联激光器
覆盖中红外到太赫兹波段
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h
Mc
图1 原子吸收光子动量减小
温度也就降低了。由于这种减速实现时必须考虑入射光子对运动原子的多普勒效 应，所以这种减速就叫多普勒冷却。
3.由于原子速度可正可负，就用两束方向相反的共振激光束照射原子（图2）。 这时原子将优先吸收迎面射来的光子而达到多普勒冷却的结果。
图2 方向相反的两束激光照射原子
图3 三维激光冷却示意图
5.朱棣文的三维激光冷却实验装置中，在
三束激光交汇处，由于原子不断吸收和随
机发射光子，这样发射的光子又可能被邻
近的其他原子吸收。一种捕获原子使之集
聚的方法是利用“原子阱”，这是利用电
磁场形成的一种“势能坑”，原子可以被
收集在坑内存起来。一种原子阱叫“磁
阱”4）。
10.2 激光冷却
第 十 章
激
光
在
科
学
技
术
前
沿
问
题
中
的
应 用
10
2
激
光
冷
却
§.
1. 20世纪80年代，借助于激光技术获得了中性气体分子的极低温（如，10–10K） 状态，实现了单个原子的操纵。这种获得低温的方法就叫激光冷却。 2.激光冷却的基本思想是：运动着的原子在共振吸收迎面射来的光子（图1）后， 从基态过渡到激发态，其动量就减小，速度也就减小了。速度减小的值为
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10.2 激光冷却
第 十 章
激
光
在
科
学
技
术
前
沿
问
题
中
的
应 用
10
2
激
光
冷
却
§.

s
2
s
3.在共焦腔中心(z＝0)的截面内的光斑有极小值，称为高斯光束的束腰半径
0
1 1 s 2 2
L
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3.3.1 高斯光束的振幅和强度分布
第 三 章 激 光 器 的 输 出 特 性
§
3 3 高 斯 光 束 传 播 特 性 .
图(3-8) 基模光斑半径随z按双曲线规律的变化
3.3.1 高斯光束的振幅和强度分布
第 三 章 激 光 器 的 输 出 特 性
§
3 3 高 斯 光 束 传 播 特 性 .
1. 基横模TEM00的场振幅U00和强度I00分布分别为：
2 x2 y 2 U 00 exp 1 2 2 s
I 00 U 00
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3.3.4 高斯光束的高亮度
第 三 章 激 光 器 的 输 出 特 性
§
3 3 高 斯 光 束 传 播 特 性 .
1. 亮度B:单位面积的发光面在其法线方向上单位立体角范围内输出去的辐射功率。 I B SΩ
2 ( z ) z z
2.由波动光学知道，在单色平行光照明下，一个半径为 r 的圆孔夫琅和费衍射角 (主极大至第一极小值之间的夹角) 0.61 r 。与上式相比较可知．高斯光束 半角远场发散角在数值上等于以腰斑0 为半径的光束的衍射角，即它已达到了衍 射极限。 3.共焦腔基模光束的理论发散角具有毫弧度的数量缀，它的方向性相当好。 4.由于高阶模的发散角是随着模的阶次的增大而增大，所以多模振荡时，光束的 方向性要比单基模振荡差。
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3.3.2 高斯光束的相位分布

图4 回笼效应
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图1 激光化学过程举例
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10.4.1 激光波长和离解能的关系
第 十 章
激
光
在
科
学
技
术
前
沿
问
题 中
10
的 应
4 激 光
用诱
导
化
学
过
程
§.
➢如果每一个分子的离解是由一个光子照射引起的，每1mol的分子所需要的离解 能就等于1mol光子的能量，因而1mol分子的离解能可用下式来表示
图3 激光波长和离解能示意图
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10.4.3 液体、固体的光化学反应
第 十 章
激
光
在
科
学
技
术
前
沿
问
题 中
10
的 应
4 激 光
用诱
导
化
学
过
程
§.
光子的能量一部分用于光解离，一部分转变为热。而一旦产生解离周围的溶质争 相返回形成再复合，称为“回笼”效应，这也是溶液等物质的量子吸收量变小的 另一个原因。如图4所示。
D0 (kJ/mol)
1.1963 105 λ(nm)
➢激光波长和离解能的关系示意图如图2所示。
图2 激光波长和离解能示意图
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10.4.2 激光切断分子
第 十 章
激
光
在
科
学
技
术前Biblioteka 沿问题 中
10
的 应
4 激 光
用诱
导
化

– 将组织的一部分切片在显微镜下进行病理诊断。
• 光学活检（optical biopsy）
第三十一页，编辑于星期六：十九点 二分。
生物体的光谱测量和诊断
Spectral measurement and diagnosis of organisms
• 临床病理诊断的活检（biopsy）
– 将组织的一部分切片在显微镜下进行病理诊断。
第十九页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的种类 Types of lasers
• 燃料激光器Fuel laser：
–1966年，人们第一次利用巨脉冲红宝石激光 器泵浦氯化铝酞化菁和花菁类燃料，获得了 受激辐射。此后，染料激光器得到了迅速的 发展。
–特点：输出激光波长可调谐，某些染料波长 的可调节宽度达上百纳米；激光脉冲的宽度 可以很窄（可达10-15秒量级）；输出功率大， 可与固体激光器比拟，并且价格便宜。
• 固体激光器Solid-state laser：
–以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃为工作物质。最 常采用的是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石 等三种。
–特点：输出能量大（可达数万焦耳），峰值功 率高（连续功率可达数千瓦），结构紧凑牢固 耐用。
第十八页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的种类 Types of lasers
第十四页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的组成
Composition of laser
产生激光的装置称为激光器。激光器主要 由三部分组成：激光工作物质、谐振腔和 激励源。
第十五页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的种类 Types of lasers
• 按工作物质
–固体激光器（如红宝石激光器） –气体激光器（如氦氖激光器） –液体激光器（如染料激光器） –半导体激光器（如砷化镓激光器） –自由电子激光器 –化学激光器（如氟化氢激光器）…

第 六 章 激 光 在 精 密 测 量 中 的 应 用
§
6.6.1 环形激光精密测角
1. Sagnac效应和角速度测量 环形干涉仪的sagnac效应如图6-37所示,干涉仪不动时,顺时针和反时针传播 一周所需时间相同,即
t=
6 6
当干涉仪转动时(转速ω ≠ 0 ),对于随着干涉 仪转动的观察者来说,两束光(顺时针和反时针) 传播的时间分别为 v v v 1 v 1 v v v L 1 t cw = ∫ dl + 2 (ω × r ) dl = + 2 ∫ (ω × r ) dl c c c c
在环行腔的情况下传播一圈的光程为L,即 ν = q 图6-38为环形激光器的示意图 3. 环形激光精密测角 时刻,环形激光器转过角θ,在这一段时 来表示
图6-38 环形干涉仪激光器系统示意图
6 6
. .
§ 基于上述拍频公式,如果从t1时刻到t2
6 间间隔内累计的拍频条纹数可以用转角 7
N =∫
t2
ห้องสมุดไป่ตู้
t1
4 S t2 4S ν dt = ω dt = θ Lλ ∫t1 Lλ
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第 六 章 激 光 在 精 密 测 量 中 的 应 用
§
6.6.2 光纤陀螺
1.光纤陀螺也是基于Sagnac效应.以长度为的光纤绕成直径为的由个圆圈组成的 光纤圈,其直径和圆面积可以分别表示为: L πD 2 L2 D= S= = πN 4 4πN 2 4ωSN LD = 光程差则可以表示为L = ω
L c
.
t ccw
§ 6 7 .
L 1 = 2 c c
v v v ∫ (ω × r ) dl

章
n2 n1 n阈
连 2. 如果下能级不是基态，并在常温下它就是一个空态，此时激励能源只要抽 续 运 n2 n阈的粒子到高能级E2上即可，这对激励能源的功率要求较低。这就 激 是常说的三能级系统和四能级系统。
光 器
3. 三能级和四能级系统的能级模型分别如图2和3所示。
的
E4
原
E3
理
E3
E2
E2
一、损耗
（一） 增益介质内部损耗
1. 当光穿过增益介质获得增益的同时，会因为内部损耗(由于成分不均匀、粒子数
第 二 章
密度不均匀或有缺陷而使光产生折射、散射等)的存在以相对速率a内 (称为内损耗
系数)而减小，则此时光在增益介质中的变化规律为：I I 0 exp[(G a内)z]
（二） 镜面损耗
连 续 激 光 器 的
A
理
1. 由于自发辐射，在z=0处有一束强度为
I
m
I1的入射光沿腔轴传播，此时由于腔内光 强很弱，则有：
I
2
I
m
§.
2
I I1 exp(G0 a内)z I1' r2I1 exp(G0 a内)L I1
I
2
5 2. I1'又经过增益介质进行放大，再传到M1时，I2
阈 值
I1" I1'exp(G0 a内)L r2I1 exp(G0 a内)2L I1
1. 当强度为I的光波射到镜面上，其中r1I(或r2I)反射回腔内继续放大，其它的部
分均为损耗，包括t1I(或t2I)、镜面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束扩散到
反射镜范围以外造成的损耗，用a1I(或a2I)表示
二、激光器内形成稳定光强的过程