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奇异的光----激光(雷射)

2021-01-15

激光的基本概念
  1、激光的载体--原子
  激光作为一种物质,依附于一个个原子而存在。
  电子围绕原子核旋转的动能和原子核吸引电子具有的位能构成了整个原子的能量,即原子的内能。在外力的作用下,如果电子和原子核的距离增大,则原子的内能增加。
  2、激光的形成
  (1)激发和跃迁
  激发:通过外力作用使原子由低能级过度到高能级的过程。
  跃迁:能力最低原理,原子总是力图使自己处于能力最低态,因此“千方百计”使自己由高能级向低能级转移。
  自发跃迁:没有受到外界的作用,仅由其本身运动的结果所导致的跃迁。
  无辐射跃迁:自发跃迁的能量转变为热能或其他形式的能量。
  自发辐射跃迁:自发跃迁的能量转变为光能。
  受激辐射跃迁:外来光子的带动使原子从高能级向低能级跃迁。
  受激辐射跃迁产生的光子跟外来的光子由着相同的特征:频率相同;相位相同;偏振方向相同;传播方向相同。
  (2)吸收与放大
  如果入射到原子上的光子频率满足hv=E2-E1的条件,则处于低能级E1的原子可能吸收这个光子的能量,被激发到较高能级E2上去。这样,就消失了一个光子,这就是受激吸收过程。
  (3)粒子数反转与激光的产生
  粒子数反转:热平衡情况下,处于高能级的原子密度总小于处于低能级的原子密度。如果有光子入射,使的不到受激放大的。为了实现光的放大,必须考虑原子的热运动没有达到平衡,整个体系不存在一个恒定温度的状态,以及非热平衡的原子体系。这时,体系的原子分布不在服从玻耳兹曼公式,某些上能级的原子密度可以大于某些下能级的原子密度。
  要想得到入射光子的放大,必须要满足粒子数反转的条件。
  3、激光器的构成
  (1)放大介质 (2)泵浦源 (3)反射镜与谐振腔 (4)振荡条件
  4、激光器的工作方式
  (1)连续激光
  激光泵浦源持续提供能量,在激光工作物质中长时间地建立粒子数反转的条件,长时间地产生激光输出,从而得到连续激光。连续激光的输出功率一般都比较低,适合于要求激光连续工作(如激光通信、激光手术等)的场合。
  (2)脉冲激光
  脉冲工作方式是指每间隔一定时间才工作一次的方式。
  脉冲激光器具有较大输出功率,适合于激光打标、切割、测距等。
  常见的脉冲激光器:固体激光器中的钇铝石榴石(YAG)激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器等。还有氮分子激光器、准分子激光器等。
  (3)巨脉冲激光
  在腔内人为的加入损耗,是其大于工作物质的增益,这时没有激光输出。但在泵浦源持续不断的激励下,激光上能级的原子数越来越多,得到了较大的粒子数反转。如果定义峰值功率为脉冲的能量除以脉冲的持续时间(脉宽),那么,在撤除人为加入的损耗情况下,就会在很短的时间内以极快的速度产生脉冲宽度窄、峰值功率高的脉冲激光,通常称为巨脉冲。
  Q开关技术:认为调节腔内损耗。Q=w 储存在谐振腔中的能量/每秒损失的能量
  Q开关激光器:采用Q开关技术的激光器。
  (4)超短脉冲激光
  4、激光的特点
  (1)良好的单色性
  (2)良好的方向性
  (3)高亮度
  (4)极好的相干性
  激光家族分类
  从工作物质的形态分:
  固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器等。
  一、固体激光器
  用掺如少量离子的晶体或玻璃作为工作物质的激光器叫固体激光器。
  特点:能量大、峰值功率高、结构较紧凑、牢固耐用等长处。
  一般说来,固体激光器的尺寸比气体激光器小,工作寿命比气体激光器长。
  二、气体激光器
  以气体或金属蒸气作为主要工作物质的激光器。
  分类:原子气体激光器、分子气体激光器和离子气体激光器。
  气体激光器时目前种类最多、输出激光波长最丰富、应用最广的一种激光器。
  特点:激光输出波长范围较宽;气体的光学均匀性较好,因此输出的光束质量好,其单色性、相干性和光束稳定性均好。导致了在精密计算、准直、通信、雷达、全息等方面的广泛应用。
  气体激光器一般用气体放电激励,在直流的激光管中,必须有一个放电的阴极和阳极。谐振腔一般采用稳定的球面腔,一端为全反射镜,另一端即输出端,为部分反射镜。
  三、半导体激光器
  半导体激光器:用半导体材料作为工作物质的激光器。
  半导体中产生激光的方法:P-N结注入式、电子束激发、光激发以及雪崩式击穿等。
  四、液体激光器
  激光工作物质式液体的激光器,称为液体激光器。主要包括螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器。
  目前应用比较广泛的是有机染料激光器。它以染料作为激光工作物质,装入染料盒中使用的染料,大多溶于乙醇、苯、水及其他溶剂中。激发手段主要包括采用巨脉冲的激光器或采用特种电源装置的闪光灯。
  染料激光器独特的输出特性:输出激光谱线宽;光束发散角小;激光输出波长颗移动(可调谐);某两种染料混合可以产生输出心波长的染料;激活离子密度大,增益系数高,可得

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