激光器的工作原理.docx

1、激光器的工作原理激光器的工作原理 激光器工作原理 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 激光器广泛用于各种产品和技术，其种类之多令人惊叹。从CD播放机、牙钻、高速金属切割机到测量系统，似乎所有东西都有激光器的影子，它们都需要用到激光器。但是，到底什么是激光器呢？激光光束和手电筒光束的区别何在呢？ 1. 引言 2. 原子基础知识 3. 原子形成激光的核心原理 4. 激光器与原子的关系 5. 激光 6. 红宝石激光器 7. 三级激光器 8. 激光器类型 9. 激光器的波长 10. 激光器分类 11. 了解更多信息 12. 阅读所有物理学类文章 NASA供图

2、美国国家航空航天管理局兰利研究中心（Langley Research Center） 的光学损伤阀值测试装置有三部激光器：高能脉冲钕-钇铝 石榴石激光器、钛-蓝宝石激光器和谐振氦氖激光器。 原子基础知识 整个宇宙中大约只有100多种不同的原子。我们看到的所有东西都是由这100多种原子以穷极无限的方式组合而成。这些原子之间排列组合的方式决定了构成的物体是一杯水、一块金属或是汽水瓶中的泡沫！ 原子是永恒运动着的。它们不停地振动、移动和旋转，就连构成我们座椅的原子也是不断运动着的。固体实际上也在运动！原子有几种不同的激发状态，换言之，它们具有不同的能量。如果赋予原子足够的能量，它就可以从基态能量层级

3、上升到激发态能量层级。激发态能量层级的高低取决于通过热能、光能、电能等形式赋予原子的能量有多少。 下图可以很好地阐释原子的结构： 最简单的原子模型 由原子核和沿轨道旋转的电子组成。 简单原子由原子核（含有质子和中子）和电子云组成。我们可以把电子云中的电子想象成沿多个不同轨道环绕原子核运动。 原子形成激光的核心原理 想一想上一页中的原子结构图。即便以现代技术观察原子，我们也无法看到电子的离散轨道，但把这些轨道设想成原子不同的能级会对我们的理解有所帮助。换言之，如果我们对原子加热，处于低能量轨道上的部分电子可能受激发而跃迁到距离原子核更远的高能量轨道。 能量吸收： 原子可以吸收热能、光能、电能等形

4、式的能量。然后电子可以从低能 量轨道跃迁至高能量轨道。 电子跃迁至更高能轨道后，最终仍要回到基态。在此过程中，电子以光子（一种光线 粒子）的形式释放能量。您会发现，原子不断地以光子形式释出能量。例如，烤箱中的加热元件变成亮红色，其中的红色就是由于原子受热激发而释放的红色光子。观看电视屏幕上的图像时，您看到的其实是磷原子受高速电子激发所释放的各种不同颜色的光线。任何发光物体，包括荧光灯、煤气灯、白炽灯，都是通过改变电子轨道并释放光子来发光的。 激光器与原子的关系 激光器是控制受激原子的光子释放方式的设备。“Laser”是light amplification by stimulated emis

5、sion of radiation（受激辐射光放大）的简称。这一名称简要的描述了激光器的工作原理。 虽然激光器种类繁多，但它们都有一些基本特征。激光器中，激光介质须经过泵激使原子处于激发状态。一般来说，高强度闪光或放电可以泵激介质，进而产生大量激发状态的原子（含高能电子的原子）。而激光器要有效运行就必须要有大量处于激发状态的原子。一般来说，原子必须受激上升到基态以上两到三个能量层级。这就提高了粒子数反转的程度。粒子数反转是指处于激发态的原子和处于基态的原子之间的数量比。 激光介质受到泵激后，其中就包括一批带有激发态电子的原子。受激电子所含能量比低层级电子的能量高。就像电子可以吸收一定能量达到激

6、发态一样，电子也可以释放这种能量。如下图所示，电子只要向低层级跃迁，就会释放部分能量。释放的能量转化为光子（光能）的形式。发射出的光子具有特定的波长（颜色），这取决于释出光子时电子的能量状态。两颗拥有相同电子状态的原子会释放出相同波长的光子。 激光 激光和普通光区别很大。它具有以下特性： 发射的激光具有单色性。激光含有一种特定波长（即特定颜色）的光线。光线的波长由电子回到 低能轨道时释放的能量决定。 发射的激光具有良好的相干性。激光的组织结构较好，每个光子都紧跟其他光子运动。也就是说，所有光子的波前完全一致。 激光具有良好的指向性。激光光束紧密、集中且能量极高。相反，手电筒发出的光线朝多个方向

7、散射，光线能量弱，集中度低。 为了实现以上三个特性，需要经过一个称为受激发射的过程。这种现象不可能在普通手电筒中出现，因为它的原子是随机释放光子。而受激发射时，原子是有组织地发射光子。 原子释放的光子具有特定的波长，此波长取决于激发态和基态之间的能量差。如果光子（拥有一定能量和相位）碰到另一个原子，且该原子拥有处于相同激发状态的电子，即可引起受激发射。第一个光子可以激 发或引导原子发射光子，而后发射的光子（即第二个原子发射的光子）按与进入光子相同的频率和方向振荡。 激光器的另一个关键部件是一对反光镜，分别位于激光介质的两端。特定波长和相位的光子通过两端反光 镜的反射，在激光介质之间来回穿行。在

8、此过程中，它们会激发更多的电子由高能轨道向低能轨道跳跃，从而发射出更多相同波长和相位的光子，随后将产生“瀑布”效应，进而在激光器内迅速聚集起大量相同波长和相位的光子。激光介质某一端的镜面采用“半反射”镀层，也就是说它只会反射部分光线，而其他光线则可以穿透。穿透的光线就是激光。 红宝石激光器 您可在下一页旨在介绍简易红宝石激光器工作原理的插图中，了解所有这些激光器组件。 红宝石激光器包括类似相机闪光灯的闪光管、红宝石棒和两面反射镜（其中一面为半反射镜面）。红宝石棒是激光介质，闪光管是泵激源。 1. 未发射状态的激光器 2. 闪光管闪光并将光线射入红宝石棒。光线激发红宝石内的原子。 3. 其中的部

9、分原子释放出光子。 4. 部分光子沿红宝石轴的平行方向运动，因而在两块反光镜之间来 回反弹。它们经过红宝石晶体时，还会继续激发其他原子。 5. 单色、单相柱状光线通过半反射镜射出红宝石棒，形成激光！ 三级激光器 以下是真实的三级激光器的工作原理示意图。 下一节，我们将了解不同类型的激光器。 激光器类型 激光器分为许多不同种类。激光介质可以是固体、气体、液体或半导体。我们通常按照用于发出激光的介质对其进行分类： 固态激光器的发光材料分布在固态基质中（如红宝石激光或钕-钇铝石榴石激光）。钕-钇铝石榴 石激光器可以发出波长为1064纳米(nm)的红外激光，其中1纳米等于1x10-9米。 气态激光器主

10、要输出红色的可见光束，最常见的气态激光器包括：氦激光器和氦氖激光器。CO2激光器可以发射远红外能量，用于切割高硬度物质。 准分子(Excimer)激光器使用由氯、氟等活性气体和氩、氪、氙等惰性气体组成的混合物，其英语 名称取自“excited”（受激发的）和“dimers”（二聚体）两个单词。通电激发时，可产生准分子（即二聚体）。发射激光后，二聚体可产生紫外波段的光线。 染料激光器使用罗丹明6G等合成有机染料的溶液或悬浊液作为激光介质。染料激光器具有极为宽广的波长调节范围。 半导体激光器，有时也称为二极管激光器，属非固态激光器。这种电子设备通常体积小、功率低。它们可以内置到大型激光二极管阵列（

11、如激光打印机或CD播放机的写入源）中。 激光器的波长 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 1. 引言 2. 原子基础知识 3. 原子形成激光的核心原理 4. 激光器与原子的关系 5. 激光 6. 红宝石激光器 7. 三级激光器 8. 激光器类型 9. 激光器的波长 10. 激光器分类 11. 了解更多信息 12. 阅读所有物理学类文章 红宝石激光器（如前所述）属固态激光器，其释放的波长为694纳米。根据所需发射的波长（参阅下表）、功率、脉冲持续时间，可以选择其他激光介质。有些激光器功能非常强大，例如二氧化碳（CO2）激光器可以切割钢板。二氧化碳激光器如

12、此危险的原因在于其发射的激光处于光谱的红外和微波区域。红外辐射就是热量，因此二氧化碳激光器基本上可以熔化其对准的所有物体。 其他激光器，如二极管激光器，功率较弱，通常用于现在的便携式激光指示器。这些激光器通常能发出波长在630纳米至680纳米之间的红色光束。激光器广泛应用于工业和科研领域，例如，使用强激光激发其他分子，以观察其反应。 以下是一些常见的激光器及其激光波长： 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 1. 引言 2. 原子基础知识 3. 原子形成激光的核心原理 4. 激光器与原子的关系 5. 激光 6. 红宝石激光器 7. 三级激光器 8. 激光

13、器类型 9. 激光器的波长 10. 激光器分类 11. 了解更多信息 12. 阅读所有物理学类文章 根据可能造成的生理伤害，激光器可分为四个广泛的种类。每套激光设备都应具有以下四种标志之一： I级：这种激光器不会构成任何已知程度的伤害。 I.A.级：这是一个特殊的级别，指“不适宜用眼睛直接观看”的 激光器，比如超市使用的激光扫描器。此级别激光器的最高限定功率为4.0毫瓦。 II级：指低功率可见光激光器，其发射功率比I级高，但是辐射 功率不高于1毫瓦。人类对强光的自动防御反应可以保护人类不 受伤害。 激光警示标志 IIIA级：指中低功率激光器（连续波：1-5 mW），只有光束内视的情况下才会构成

14、危险。多数的笔状激光指示器都属于该级别。 IIIB级：指普通功率的激光器。 IV级：指高功率激光器（连续波：500毫瓦，脉冲波：10 J/cm2或漫反射极限值），任何情况下，无论直接还是间接观测都有危险，而且可能引发火灾或灼伤皮肤。IV级激光设备必须接受严格的控制。 Aufbau von Laseranlagen 激光设备的结构 Klassifizierung von Laseranlagen 激光设备的分类 Wellenl?ngen verschiedener Laser 不同波长的激光 0,090,20,40,60.81 357911 10-610-510-410-310-210-1 1

15、10110210 3104105 106 IR Strahlung 红外线Mikrowellen 微波 Sichtbares Licht 可见光 Absorptionsverhalten von Metallen 金属对激光的吸收性能 吸收率 波长 Technische Ausfhrungen von CO2- Resonatoraufbauvon CO2-Lasern Quergestr?mter, Hf-angeregter Laser 横流, 高频激励 Einsatzbeispiel: 3D-Konturschneiden应用实例: 3维轮廓切割 Diffusionsgekhlter C

16、O2-Laser扩散冷却 Quelle: bmb+f: Laser-Ein Schlssel aus Licht Prinzip des Excimer-Lasers 准分子激光器原理 Anwendungsbeispiel应用实例:Mikromaterialbearbeitung微加工 通过伦琴射线预电离激光气体 通过高压放电激励激光气体 Quelle: bmb+f: Laser -Ein Schlssel aus Licht 激光气体循环输送 Nd:YAG-Festk?rperlaser固体激光器 波长 活性物质 载体物质 效率 平均功率 全反镜 闪光灯输出镜闪光灯 YAG棒 双椭圆聚光腔

17、YAG棒 Diodengepumpter Festk?rperlaser 半导体激光泵浦固体激光 Khlung Dioden-Arrays半导体激光阵列 冷却 Nd:YAG-KristallYAG晶体 elektrischeVersorgung电源供应 Kollimieroptik光学准直 Arbeitsstrahl输出光束 Endspiegel全反镜Auskoppelspiegel 输出镜 HochleistungsLaserdiode (stackedarray) 大功率激光半导体阵列 Nd:YAG-Laser mit Faserkopplung 5 4 3 2 6 1 10 9 8 7

18、Lichtleitfasern zur激光束的Laserstrahlbertragung光纤传导 阶越型光纤 折射率n 光纤入口处的强度分布 光纤出口处的强度分布 梯度型光纤 折射率n Strahlfokussierung 光束聚焦 Linse透镜 Spiegelsystem反射镜 3D Laserstrahlbearbeitung mittels Scanner und CO2Laser 300025002000150010005000 500 1000 mm CO2激光通过扫描器进行3维加工 Bearbeitungsfeldgr?e:工作区域typische Parameter典型参数 2

19、000 Bearbeitungsfeldgr?e (Kantenma?) 工作区域大小 Laserstrahl-Kenngr?en激光束参数 Fokussierung von Laserstrahlen 激光束聚焦 光斑 透镜 a) Fokussierung im Sinne der geometrischen Optik理论上的几何光学聚焦 光束焦散面 b) Fokussierung unter Bercksichtigung der Welleneigenschaft des Lichtes考虑光线波长特性下的聚焦 Einfluss der Brennweite 影响焦距的因素 光束 透镜

20、 焦深对比 焦斑直径对比 Theoretische Modenstruktur bei rechtecksymmetrischen Nebenbedingungen 轴对称的理论模式结构 Theoretische Modenstruktur bei rotationssymmetrischen Nebenbedingungen 旋转对称的理论模式结构 Divergenzbeeinflussung束散 * Strahlaufweitung beim TEM00Strahl模式TEM00光束的发散 w/w0 发光曲面 渐面锥近圆 ?z? w(z)=w0?1+?w2? ?0? 2 1 2 w ?z?

21、w0 Beispiel: Me?laser HeNe(= 632.8 nm), w0= 0.4mm, z=100 m Verringerung der Divergenz 降低发散 w(z)632.8?10?6=5.04?10?4rad z?w0?0.4 w(z)=z?=105?5,04?10?4=50,4mm Einsatz eines Beamexpanders (10fach-Teleskopierung) ; w0=4mmMit z/10 = 10m 105?5,04?10?4 w(z)=5,04mm 10 激光位移传感器的工作原理 xx-12-13 12:44 ZLDS10X可定制激

22、光位移传感器 量 程: 21000mm（可定制） 精 度: 最高0.1%（玻璃0.2%） 分 辨 率: 最高0.03% 频率响应: 2K.5K.8K.10K 基本原理是光学三角法： 半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。 激光传感器原理与应用 激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。 激光和激光器激光是20世纪60年代出现的最重大的科学技术成就

23、之一。它发展迅速，已广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面。激光与普通光不同，需要用激光器产生。激光器的工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级E1,在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸收光子能量受激发而跃迁到高能级E2。光子能量E=E2-E1=hv,式中h为普朗克常数，v为光子频率。反之，在频率为v的光的诱发下，处于能级 E2的原子会跃迁到低能 级释放能量而发光，称为受激辐射。激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级（即粒子数反转分布），就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v的诱发光得到增强,并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生强大的受激辐射光，简

24、称激光。激光具有3个重要特性： （1）高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米； （2）高单色性，激光的频率宽度比普通光小10倍以上； （3）高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。 激光器按工作物质可分为4种： （1）固体激光器：它的工作物质是固体。常用的有红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器 (即YAG激光器)和钕玻璃激光器等。它们的结构大致相同，特点是小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到数十兆瓦。 （2）气体激光器：它的工作物质为气体。现已有各种气体原子、离子、金属蒸气、气体分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖

25、激光器和一氧化碳激光器，其形状如普通放电管，特点是输出稳定，单色性好,寿命长,但功率较小，转换效率较低。 （3）液体激光器:它又可分为螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中最重要的是有机染料激光器，它的最大特点是波长连续可调。 （4）半导体激光器：它是较年轻的一种激光器，其中较成熟的是砷化镓激光器。特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜于在飞机、军舰、坦克上以及步兵随身携带。可制成测距仪和瞄准器。但输出功率较小、定向性较差、受环境温度影响较大。 应用利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还

26、可用于探伤和大气污染物的监测等。 激光测长 精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一。现代长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的，其精度主要取决于光的单色性的好坏。激光是最理想的光源，它比以往最好的单色光源（氪-86灯）还纯10万倍。因此激光测长的量程大、精度高。由光学原理可知单色光的最大可测长度 L与波长和谱线宽度之间的关系是L=2/。用氪86灯可测最大长度为38.5厘米，对于较长物体就需分段测量而使精度降低。若用氦氖气体激光器，则最大可测几十公里。一般测量数米之内的长度，其精度可达0.1微米。 激光测距 它的原理与无线电雷达相同，将激光对准目标发射出去后，测量它的往返时间

27、，再乘以光速即得到往返距离。由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点，这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都是很关键的，因此激光测距仪日益受到重视。在激光测距仪基础上发展起来的激光雷达不仅能测距，而且还可以测目标方位、运运速度和加速度等，已成功地用 于人造卫星的测距和跟踪，例如采用红宝石激光器的激光雷达，测距范围为5002000公里,误差仅几米。目前常采用红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化镓激光器作为激光测距仪的光源。 激光测厚 利用三角测距原理，上位于C型架的上、下方分割有一个精密激光测距传感器，由激光器发射出的调制激光打到被测物的表面，通

28、过对线阵 CCD的信号进行采样处理，线阵CCD摄像机在控制电路的控制下同步得到被测物到C型架之间的距离，通过传感器反馈的数据来计算中间被测物的厚度。由于检测是连续进行的，因此就可以得到被测物的连续动态厚度值。 影响激光测厚精度的安装因素： 和其它传感器测厚一样，要实现精密测厚需要注意以下条件，否则再好的传感器也测不准。精密测厚，选精密激光位移传感器很重要，但如果两个传感器不能同步工作，安装不同轴，则根本测不准： （1）单激光位移传感器测厚 被测体放在测量平台上，测量出传感器到平台表面距离，然后再测出传感器到被测体表面间距，经计算后测出厚度。要求被测体与测量平台之间无气隙，被测体无翘起。这些严格

29、要求只有在离线情况能实现。 （2）双激光位移传感器测厚 在被测体上方和下方各安装一个激光位移传感器，被测体厚度D=C-(A+B)。其中，C是两个传感器之间距离，A是上面传感器到被测体之间距离，B是下面传感器到被测体之间距离。在线厚度测量用这种方法优点是可消除被测体振动对测量结果 * 。但同时对传感器安装和性能有要求。保证测量准确性的条件是：两个传感器发射光束必须同轴，以及两个传感器扫描必须同步。同轴是靠安装实现，而同步要靠选择有同步端激光传感器。 不同步将代来很大误差：如果被测体存在振动频率20HZ，振幅1mm，如果信号不同步延迟1ms，那么就会带来125?m误差。 安装使两个激光同轴，不但确

30、保被测体同一位置上的厚度，同时降低了被测体倾斜带来的误差。以被测体运动方向不同轴为例，当不同轴1mm，被测体倾斜2可带来35?m误差。 激光三角漫反射位移传感器用于测厚有明显优点： （1）非常小的测量光斑，是点光斑面积，它比面积型非接触电容、电涡流传感器需要的面积小很多，对被测体面积几乎无要求，适合测量非常小面积尺寸厚度； （2）较远的测量范围起始间距。它比非接触电容、电涡流传感器起始间距大很多。这样传感器可以远离被测体，免受碰坏，及被测体热辐射影响； （3）有很大的测量范围，这是其它传感器很难做到的； （4）与被测体材料无关，即金属非金属体，非透明有漫反射条件表面都能测。 （5）用激光测厚取代同位素测厚，可以消除对用户的放射性损害。 激光测振 它基于多普勒原理测量物体的振动速度。多普勒原理是指：若波源或接收波的观察者相对于传播波的媒质而运动，那么观察者所测到的频率不仅取决于波源发出 的振动频率而且还取决于波源或观察者的运动速度的大小和方向。所测频率与波源的频率之差称为多普勒频移。在振动方向与方向一致时多