《激光原理與技術(shù)》課件

《激光原理與技術(shù)》本課件將深入探討激光原理與技術(shù)，涵蓋激光發(fā)射原理、激光器種類、激光應用等方面，幫助你了解激光技術(shù)的前沿發(fā)展趨勢和未來應用前景。激光發(fā)射原理原子能級躍遷原子核外電子處于不同的能級，吸收能量躍遷到高能級，再躍遷回低能級時會釋放光子。受激發(fā)射當原子處于激發(fā)態(tài)時，受到光子的激發(fā)，會發(fā)射與激發(fā)光子相同頻率、相位和方向的光子。原子能級躍遷1基態(tài)2激發(fā)態(tài)3更高能級原子核外電子處于不同的能級，吸收能量躍遷到高能級，再躍遷回低能級時會釋放光子。光輻射的特性頻率光的頻率決定了光的顏色，例如紅色光頻率較低，藍色光頻率較高。相位光波的相位決定了光的干涉現(xiàn)象，例如兩束相位相同的波干涉后會增強，相位相反的波干涉后會減弱。偏振光的偏振方向決定了光的偏振特性，例如線偏振光的電場方向固定在一個方向上。受激發(fā)射光子激發(fā)光子與原子發(fā)生碰撞，將能量傳遞給原子。原子躍遷原子從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，釋放與激發(fā)光子相同頻率、相位和方向的光子。激光產(chǎn)生多個光子相互激發(fā)，形成高強度、單色性、方向性強的激光。光諧振器1反射鏡反射鏡將激光束反射回諧振腔，增強激光強度。2增益介質(zhì)增益介質(zhì)提供能量，使光子在諧振腔內(nèi)不斷被激發(fā)。3輸出耦合器輸出耦合器將部分激光束輸出，形成激光束。激光增益增益系數(shù)增益系數(shù)表示激光束在增益介質(zhì)中被放大的倍數(shù)。增益譜增益譜是激光增益隨頻率變化的曲線，決定了激光的頻率范圍。激光器的構(gòu)成泵浦源提供能量，將工作物質(zhì)激發(fā)到高能級。諧振腔由兩個反射鏡構(gòu)成，使激光束在腔內(nèi)多次反射，增強激光強度。工作物質(zhì)能級躍遷產(chǎn)生激光，例如固體、氣體、半導體、染料等。激光束的特性單色性激光束的光波頻率高度集中，顏色單一。方向性激光束的光波傳播方向高度一致，發(fā)散角很小。相干性激光束的光波具有相同的相位和頻率，能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。高能量密度激光束能量集中，單位面積上的能量很高。激光束模式1TEM00模式基模，光束能量集中在中心，具有最佳的方向性和聚焦性。2高階模式光束能量分布不均勻，方向性和聚焦性較差。激光器的調(diào)制1幅度調(diào)制改變激光束的強度。2頻率調(diào)制改變激光束的頻率。3相位調(diào)制改變激光束的相位。激光器的調(diào)頻固體激光器紅寶石激光器工作物質(zhì)為紅寶石晶體，發(fā)射紅色激光。Nd:YAG激光器工作物質(zhì)為摻釹釔鋁石榴石，發(fā)射近紅外激光。半導體激光器結(jié)構(gòu)緊湊體積小、重量輕，便于集成。效率高電光轉(zhuǎn)換效率高，耗電量低。應用廣泛廣泛應用于光纖通信、激光掃描、激光顯示等領域。氣體激光器氦氖激光器工作物質(zhì)為氦氖混合氣體，發(fā)射紅色激光。二氧化碳激光器工作物質(zhì)為二氧化碳氣體，發(fā)射紅外激光。染料激光器可調(diào)諧性通過改變?nèi)玖系姆N類和濃度，可以改變激光器的輸出波長。高能量密度能夠產(chǎn)生高能量密度的激光束，適用于科學研究和工業(yè)應用。飛秒激光器超短脈沖脈沖寬度小于10-15秒，具有極高的峰值功率。精細加工用于微納加工、材料改性、生物醫(yī)學等領域。激光的非線性效應1光學倍頻2光參量振蕩3自調(diào)制效應4自聚焦效應光學倍頻頻率翻倍將入射光的頻率加倍，例如將基頻光轉(zhuǎn)換為倍頻光。應用范圍廣泛應用于光學顯微鏡、激光測量、光譜分析等領域。光參量振蕩原理利用非線性介質(zhì)將泵浦光轉(zhuǎn)換為信號光和閑頻光。應用可實現(xiàn)激光波長轉(zhuǎn)換，用于光譜測量、生物醫(yī)學等領域。自調(diào)制效應1現(xiàn)象激光束在非線性介質(zhì)中傳播時，其強度會發(fā)生周期性變化。2應用可用于光信號處理、超快光學器件等領域。自聚焦效應現(xiàn)象激光束在非線性介質(zhì)中傳播時，會由于自身強度變化而發(fā)生聚焦。應用可用于激光微加工、激光焊接等領域。激光束可操控性偏轉(zhuǎn)通過光學元件改變激光束的傳播方向。聚焦使用透鏡將激光束聚焦到一個小的區(qū)域。整形通過光學元件改變激光束的形狀，例如形成矩形、圓形或其他形狀。激光在加工中的應用1激光切割用于金屬、非金屬材料的精確切割。2激光焊接用于金屬、塑料等材料的焊接，焊接質(zhì)量高，速度快。3激光表面處理用于金屬表面硬化、表面鍍膜等。激光在測量中的應用激光測距用于精確測量距離，廣泛應用于建筑、工程、軍事等領域。激光干涉測量用于高精度測量長度、位移、速度等，廣泛應用于精密制造、科學研究等領域。激光在通信中的應用光纖通信利用激光作為光源，通過光纖傳輸信息，具有帶寬大、傳輸速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。激光雷達利用激光測距和測速，用于導航、測繪、氣象監(jiān)測等領域。激光在醫(yī)療中的應用激光手術(shù)用于眼科手術(shù)、美容手術(shù)、腫瘤治療等，具有創(chuàng)傷小、恢復快、精度高的優(yōu)點。激光治療用于治療皮膚病、血管病、疼痛等，具有療效顯著、副作用小的優(yōu)點。激光在國防中的應用激光制導武器利用激光束引導導彈、炸彈等武器精確打擊目標。激光探測利用激光雷達探測目標距離、速度、形狀等信息，用于預警、偵察等。激光干擾利用激光干擾敵方武器系統(tǒng)，破壞敵方目標。激光技術(shù)的未來發(fā)展1超短脈沖激光進一步縮短激光脈沖寬度，實現(xiàn)更精確的微納加工和更高效的材料改性。2激光合成利用激光合成新型材料，例如超材料、二維材料等。3激光通信發(fā)展更高速、更安全、更穩(wěn)定的激光通信系統(tǒng)。