激光原理系历史发展.ppt

1.4 典型激光器介绍 He-Ne激光器 封离式CO2激光器结构示意图 1.4 典型激光器介绍 二氧化碳激光器 下图是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。 1.4 典型激光器介绍 与产生激光有关的CO2分子能级图 分段石墨结构Ar+激光器示意图 1.4 典型激光器介绍 Ar+离子激光器 Ar＋激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。如下图所示为石墨放电管的分段结构 。 1.4 典型激光器介绍 1.4 典型激光器介绍 气体激光器的输出特性 输出功率大 ---气体激光器容易实现工作物质的大体积均匀分布，且工作物质的流动性好，因此能获得很大功率输出。例如高功率电激励CO2激光器连续输出功率已达数万瓦以上 。 效率高 ---大部分的气体激光器既能连续工作又能脉冲工作。目前，CO2激光器的电光转换效率已达到25％，而 CO激光器在低温条件下可达到50％。 谱线范围宽 ---目前有数百种气体和蒸气可以产生激光，已经观测到的激光谱线近万余条，谱线覆盖范围从亚毫米波到真空紫外波段，甚至 X射线、射线波段。 光束质量优---工作物质均匀一致保证了气体激光束的优良光束质量，在光束的相干性、单色性方面优于固体、半导体激光器，如He-Ne激光的单色性很高，Δλ很容易达到10-9～10-11nm，其发散角只有l～2毫弧度。 自由电子激光器 1.自由电子激光器的工作物质是自由电子束，它和普通激光器的根本区别在于：辐射不是基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁。 自由电子激光器的工作原理 磁韧致辐射 带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用会作加速运动，从而产生辐射，当速度接近光速的电子作圆周运动时，将会辐射出光子： 切伦科夫辐射 当电子在介质中运动时，如果它们的速度比光在介质中的相速度大，电子也会产生光辐射，其波长随着电子速度而变化，虽然光很弱，但却是单色性很好的辐射光 。 1.4 典型激光器介绍 1.4 典型激光器介绍 2.自由电子激光的特点 高功率：平均功率可达到 1MW； 高效率：理论效率可达到50%； 宽波长可调谐范围：原则上输出波长可以覆盖从微波、红外、可见光到真空紫外波，甚至到X射线整个谱区。 3.目前，自由电子激光器仍处于试验阶段，离实际应用尚有相当一段距离。 1.4 典型激光器介绍 化学激光器 1.化学激光器是指基于化学反应来建立粒子数反转而产生受激辐射的一类激光器。化学激光器的工作物质可以是气体或液体，但目前大多数是用气体。 2.化学激光器具有如下三方面的特点 将化学能直接转换成激光。 输出的激光波长丰富。 高功率、高能量激光输出。 * 武汉市全市最高峰每日电能的平均功率消耗约4x109W;全中国电能消费年平均功率约为1.3x1014W；太阳的总辐射功率为3.826×1026 W，太阳辐射到地球上的功率约为1.740x1017W，然而这是全光谱的，如果按照激光的波长变化范围1nm，而太阳全部辐射能量均匀分布在可见光波段200-20，000nm之间，则太阳在激光波长范围内辐射出的功率约为3.826×1022 W，而辐射到地球上的总功率分配在激光波长范围内的约为1.740x1013W。 * 2009年2月9日第一次课结束 * 相空间：可以表示一个系统所有可能状态的空间，每个可能的状态对应相空间中的一个点； 1.2激光产生的机理 受激吸收（Stimulated Absorption） 如果黑体原子和外加电磁场之间的相互作用 只有自发辐射这一种，是无法维持腔内的稳定 电磁场的，因此爱因斯坦预言，黑体原子必然 存在着一种受外加电磁场激发而从低能级向高 能级跃迁的过程。 处于低能级E1的一个原子，在频率为 的辐射场作用（激励）下，受激地向E2能级跃迁并吸收一个能量为 的光子，这一过程称为受激吸收，用受激吸收跃迁几率 描述： 受激跃迁与自发跃迁不同，其跃迁几率不仅与原子性质有关，而且与外加电磁场 成正比，因此唯象的将其表示为： 其中B12称为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，它只与原子性质相关。 1.2激光产生的机理 受激辐射（Stimulated Emission） 与受激吸收跃迁类似，黑体原子同外 加电磁场之间还存在另一种受激相互作 用，一个处于高能级E2的原子在频率为 的电磁场作用下，受激地跃迁到E1 能级，并放出一个能量为 的光子， 该过程被称为受激辐射跃迁。 可以用受激辐射跃迁几率W21来描述受激辐射过程中高能级原子数变化的规律： 受激辐射跃迁机率同样与外加电磁场和原子特性相关： 1.2激光产生的机理 1.2.3跃迁几率之间的相互关系 当黑体处于确