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教育学激光技术与应用.pptx
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1、激光技术与应用复习相关知识知识分子原子原子核、电子物质结构能量概念能量是物质运动的一种度量。对应于物质的各种运动形式,能量也有各种形式,彼此可以互相转换,但总量不变。-能量守恒定律 光也是一种能量的表现形式复习相关知识知识光的概念光是人类眼睛可以看见的一种光是人类眼睛可以看见的一种电磁波电磁波,也称,也称可见可见光谱光谱。在科学上的定义,光是指所有的电磁波谱。在科学上的定义,光是指所有的电磁波谱。光是由光是由光子光子为为基本粒子基本粒子组成,具有组成,具有粒子性粒子性与与波动波动性性,称为,称为波粒二象性波粒二象性。光可以在。光可以在真空真空、空气、水、空气、水等透明的物质中传播。对于可见光的
2、范围没有一等透明的物质中传播。对于可见光的范围没有一个明确的界限,一般人的眼睛所能接受的光的个明确的界限,一般人的眼睛所能接受的光的波波长长在在400-700400-700纳米之间。人们看到的光来自于太阳纳米之间。人们看到的光来自于太阳或借助于产生光的设备,包括白炽灯泡、荧光灯或借助于产生光的设备,包括白炽灯泡、荧光灯管、激光器、萤火虫等。管、激光器、萤火虫等。复习相关知识知识折射率概念折射率是光学介质的一个基本参量。定义为光在折射率是光学介质的一个基本参量。定义为光在真空中的速度真空中的速度c c与在介质中的速度与在介质中的速度v v之比,因此他之比,因此他标志的是标志的是介质对光的一种特征
3、。n=c/v=sin i/sin r 由于光在真空中传播的速度最大,故其他媒质的由于光在真空中传播的速度最大,故其他媒质的折射率都大于折射率都大于1 1。复习相关知识知识一一 激光的特性激光的特性 方向性好方向性好 亮度高亮度高 单色性好单色性好 相干性好相干性好 方向性好方向性好 方向性好发散角小:传播相同距离时,光斑直径小光束发散角=2 探照灯-35毫弧度=1度激光激光-10-2毫弧度毫弧度激光的高方向性sr=2.44/D激光的高方向性气体激光器方向性最好固体激光器方向性其次半导体激光器较差单色性好单色性好激光的颜色极纯-单色性强连续光谱-太阳光谱线状光谱-霓虹灯单一颜色谱线-激光单色光单
4、色光具有单一频率的光波称为单色光。任何光源所发出的光波都有一定的频率(或波长范围,在此范围内,各种频率(或波长)所对应的强度是不同的。波长所对应的波长范围越窄,光的单色性越好谱线宽度谱线宽度:通常用强度下降到的两点之间的波长范围:谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量单色性:/或氪灯10-6普通氦氖激光10-12激光的颜色极纯-单色性强激光的颜色极纯-单色性强气体激光器单色性最好固体激光器单色性其次半导体激光器较差复习上节课内容我希望从课堂中学到什么?我如何做才能学到这些内容?我希望从课堂中学到什么?我如何做才能学到这些内容?课堂纪律的要求是什么?我能做到么?为什么?课堂纪律的要求是什么?我能做
5、到么?为什么?请回答物质的结构,请回答物质的结构,什么是能量守恒定律什么是能量守恒定律什么是光?什么是光?请画出电磁波谱,并标出各种射线的波长范围请画出电磁波谱,并标出各种射线的波长范围什么是折射率?折射率的数值通常在什么范围什么是折射率?折射率的数值通常在什么范围世界上第一台激光器是什么时候产生的,我国第一台激光世界上第一台激光器是什么时候产生的,我国第一台激光器是什么时候产生的?是什么激光器?器是什么时候产生的?是什么激光器?激光的四大特性是什么?激光的四大特性是什么?能量守恒定律能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转化或转
6、移的过程中,能量的总量不变。这就是能量守恒定律。高亮度高亮度光源的亮度B定义为光源单位发光表面S沿给定方向上单位立体角内发出的光功率P的大小 B=P/S激光的高亮度一台普通的红宝石激光器发出激光亮度,比太阳亮度高8个数量级(几千万倍)连续发光激光器功率:几毫瓦,几瓦,十几瓦、几百瓦,目前可达几千瓦,几万瓦脉冲激光器:毫焦耳,焦耳,几十焦耳,目前可达几千焦耳,几万焦耳时间,空间都得到压缩的激光,其功率密度比会聚的太阳光高几十亿倍!激光的高亮度高 亮 度高亮度激光束经聚焦后,可产生几百万个单位的高温高压。千分之一秒内使任何金属汽化。激光的相干性强激光的相干性强 什么是相干性 两列振动方向相同,频率
7、相同的单色光波叠加后,光的强度在叠加区域不是均匀分布,而是在一些地方有极大值,一些地方有极小值,这在叠加区域出现的强度稳定的强弱分布现象称为光的干涉现象。相干的产生光是电磁波波的迭加服从迭加原理 几个波在相遇点产生的合振动是各个波单独产生的振动的矢量和。迭量和原理实质上是表示波传播的独立性。相干的产生两个频率相同、振动方向相同的单色光波的迭加 I =4I cos /2 为相位差 当 为的偶数倍时 =+2m 光强达到最大 当 为的奇数倍时 =+(2m+1)光强达到最小相干的产生很显然相位差是由距离差引起的 =(2/)n(r r )n(r r )是光程差所谓光程,就是光波在某一种介质中所通过的几何
8、路程和这介质的折射率的乘积。采用光程概念的好处是,可以把光在不同介质中的传播路程都折算为在真空中的传播路程,便于相互进行比较。激光的相干性强激光的相干性强时间相干性沿光束传播方向上各点的相位关系相干长度为:L=ctc=c/光源的谱线宽度,tc为相干时间可见:单色性越高相干长度越长。激光的相干性强激光的相干性强空间相干性 沿垂直光束传播方向的波面上各点之间的相位关系空间相干以相干面积表示 S=(/)可见方向性越好空间相干程度越高激光的相干性强激光的相干性强相干长度:单色性越好,相干长度越长普通光源几厘米激光可达105千米激光的应用激光的应用 由于激光具有方向性好、亮度高、由于激光具有方向性好、亮
9、度高、单色性好、相干性好等特点而在许多领域单色性好、相干性好等特点而在许多领域得到广泛应用得到广泛应用激光的应用激光的应用:由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好、由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点而在许多领域得到广泛应用相干性好等特点而在许多领域得到广泛应用 测量领域测量领域 激光测长度、位移、速度、振动、外形等激光测长度、位移、速度、振动、外形等 通讯领域通讯领域 激光遥感、光纤通讯激光遥感、光纤通讯 医学领域医学领域 激光手术、激光祛斑激光手术、激光祛斑 军事领域军事领域 激光武器、激光制导激光武器、激光制导 科研领域科研领域 激光显微镜、激光引雷、驱雾、激光核聚变激
10、光显微镜、激光引雷、驱雾、激光核聚变 新闻出版新闻出版 激光照排、激光打印激光照排、激光打印 商业领域商业领域 条形码识别、激光防伪条形码识别、激光防伪 家庭娱乐家庭娱乐 激光视盘、激光投影、激光显示激光视盘、激光投影、激光显示 工业制造工业制造 激光制造、激光加工、快速成形激光制造、激光加工、快速成形复习上节课内容请回答物质的结构,请回答物质的结构,请画出电磁波谱,并标出各种射线的波长范围请画出电磁波谱,并标出各种射线的波长范围什么是折射率?折射率的数值通常在什么范围什么是折射率?折射率的数值通常在什么范围光的方向性用什么参数表示,激光的方向性是什么数量级?光的方向性用什么参数表示,激光的方
11、向性是什么数量级?光的单色性用什么参数表示,激光的单色性是什么数量级?光的单色性用什么参数表示,激光的单色性是什么数量级?光的亮度用什么参数表示,一台普通的红宝石激光器发出激光的亮度用什么参数表示,一台普通的红宝石激光器发出激光亮度,与太阳亮度比是什么数量级?光亮度,与太阳亮度比是什么数量级?什么是相干性?什么是相干性?什么是时间相干?时间相干与什么有关?什么是时间相干?时间相干与什么有关?什么是空间相干?空间相干与什么有关?什么是空间相干?空间相干与什么有关?光的相干用什么参数表示,普通光的相干参数是什么数量级光的相干用什么参数表示,普通光的相干参数是什么数量级?激光的相干是什么数量级?激光
12、的相干是什么数量级?什么是光程?什么是光程?什么是波的迭加原理?什么是波的迭加原理?说出三个激光应用的领域。说出三个激光应用的领域。复习上节课内容请回答物质的结构,请回答物质的结构,答:物质是由分子组成;分子是由原子组成;原子是由原子核、答:物质是由分子组成;分子是由原子组成;原子是由原子核、电子组成电子组成请画出电磁波谱,并标出各种射线的波长范围请画出电磁波谱,并标出各种射线的波长范围复习上节课内容什么是折射率?折射率的数值通常在什么范围?答:折射率是光在真空中的速度c与在介质中的速度v之比,因此他标志的是介质对光的一种特征。n=c/v=sin i/sin r 由于光在真空中传播的速度最大,
13、故其折射率都大于1。复习上节课内容光的方向性用什么参数表示,激光的方向性是什么数量级?答:光的方向性用光的发散角表示;单位是弧度,激光的发散角是在10 毫弧度数量级复习上节课内容光的单色性用什么参数表示,激光的单色性是什么数量级?光的单色性用什么参数表示,激光的单色性是什么数量级?答:光的单色性用:答:光的单色性用:/或或表示表示 激光的激光的/是在是在1010 谱线宽度谱线宽度谱线宽度谱线宽度:通常用强:通常用强 度下降到的度下降到的 两点之间的波长范围两点之间的波长范围 :复习上节课内容光的亮度用什么参数表示,一台普通的红宝石激光器发出激光亮度,与太阳亮度比是什么数量级?答:光的亮度是光源
14、单位发光表面S沿给定方向上单位立体角内发出的光功率P的大小 B=P/S一台普通的红宝石激光器发出激光亮度,比太阳亮度高8个数量级(几千万倍)复习上节课内容什么是相干性?什么是相干性?答:两列振动方向相同,频率相同的单色光波叠加后,答:两列振动方向相同,频率相同的单色光波叠加后,光的强度在叠加区域不是均匀分布,而是在一些地光的强度在叠加区域不是均匀分布,而是在一些地方有极大值,一些地方有极小值,这在叠加区域出方有极大值,一些地方有极小值,这在叠加区域出现的强度稳定的强弱分布现象称为光的干涉现象。现的强度稳定的强弱分布现象称为光的干涉现象。什么是时间相干?时间相干与什么有关?什么是时间相干?时间相
15、干与什么有关?答:时间相干是沿光束传播方向上各点的相位关系答:时间相干是沿光束传播方向上各点的相位关系 因为相干长度为:因为相干长度为:L=ctc=c/L=ctc=c/光源的谱线宽度,光源的谱线宽度,tctc为相干时间为相干时间 所以单色性越高相干长度越长。所以单色性越高相干长度越长。时间相干的参数是长度单位表示,时间相干的参数是长度单位表示,复习上节课内容什么是空间相干?空间相干与什么有关?答:空间相干是指沿垂直光束传播方向的波面上各点之间的相位关系 空间相干以相干面积表示 S=(/)所以方向性越好空间相干程度越高 空间相干的参数是面积单位表示。光的相干用什么参数表示,普通光的相干参数是什么
16、数量级?激光的相干是什么数量级?答:普通光源几厘米,激光可达10 千米复习上节课内容什么是光程?答:光程就是光波在某一种介质中所通过的几何路程和这介质的折射率的乘积。复习上节课内容什么是波的迭加原理?答:波的迭加原理:几个波在相遇点产生的合振动是各个波单独产生的振动的矢量和。迭加原理实质上是表示波传播的独立性。说出三个激光应用的领域。功率是指物体在单位时间内所做的功,即功率是指物体在单位时间内所做的功,即功率是描述功率是描述做功做功快慢的物理量。功的数量快慢的物理量。功的数量一定,时间越短,功率值就越大。求功率一定,时间越短,功率值就越大。求功率的公式为功率的公式为功率=功功/时间时间爱因斯坦
17、受激辐射理论:强调光的物质性;用量子观点预言受激辐射受激辐射的存在和光放大光放大的可能性。激光的产生原理激光的产生原理激光原理激光原理爱因斯坦理论:光是由一粒粒运动着的光子组成,每个光子具有确定的能量,它只能作为整体被吸收或产生,每一个光子的能量E与光的频率成正比 E=h 式中h为普朗克常数 h=6.625*10 焦耳秒激光原理激光原理电子围绕原子核运动,电子的轨道半径电子围绕原子核运动,电子的轨道半径 rn n=n h/me me 把把数数值带值带入得到上式入得到上式 rn n=n *0.5埃因此原子的能量不能因此原子的能量不能连续连续改改变变,只能是分立的,只能是分立的数数值值这这表明表明
18、电电子只能在某些确定的分立的子只能在某些确定的分立的轨轨道上道上运运动动能量最低的量子态称为基态,能量高于基态的量子态称为激能量最低的量子态称为基态,能量高于基态的量子态称为激发态发态激发态与基态的能量之差称为该激发态的激发能激发态与基态的能量之差称为该激发态的激发能把各个量子态的能级按一定比例画成图,叫做能级图把各个量子态的能级按一定比例画成图,叫做能级图氢元素能级图激光原理激光原理当原子从高能级Em跃迁到低能级En时发射光子与外界交换能量,发射光子的能量h就等于这两个能级的能量之差 h=Em-En同样,外来光子的能量h恰好等于两个能级的能量之差,原子就可以吸收这个光子的能量从低能级跃迁到高
19、能级激光原理激光原理每种元素在适当条件下加以激发都会产生他自己的特征光谱,特征的含义是:只要元素相同,产生的光谱就一样;元素不同,产生的光谱就不同。这说明光谱包含着有关原子结构的丰富信息。氢元素光谱图激光原理激光原理1.自发辐射。处于高能级E2 的一个原子自发地向E1 跃进,并发射一个能量为hV有光子,这种过程称为自发跃迁。由原子自发跃迁发出的光子称为自发辐射。自发跃迁是一种只与原子本身性质有关而与辐射场pv无关的自发过程。自发辐射光E2E1E2E1激光原理激光原理2.2.受激吸收。原子和辐射场相互作用只包含上述自发跃迁过受激吸收。原子和辐射场相互作用只包含上述自发跃迁过程,是不能维持辐射场的
20、稳定值的。因此,爱因斯坦认为,程,是不能维持辐射场的稳定值的。因此,爱因斯坦认为,必然还存在一种原子在辐射场作用下的受激跃迁过程,从而必然还存在一种原子在辐射场作用下的受激跃迁过程,从而第一次从理论上预言了受激辐射的存在。第一次从理论上预言了受激辐射的存在。处于低能态处于低能态E1E1的一个原子,在频率为的一个原子,在频率为v v的辐射场作用(激励)的辐射场作用(激励)下,受激地向下,受激地向E2E2能态跃迁并吸收一个能量为能态跃迁并吸收一个能量为hvhv的光子,这种的光子,这种过程称为受激吸收跃迁,应该强调,受激跃迁和自发跃迁是过程称为受激吸收跃迁,应该强调,受激跃迁和自发跃迁是本质不同的物
21、理过程,受激跃迁不仅与原子性质有关,还与本质不同的物理过程,受激跃迁不仅与原子性质有关,还与辐射的辐射的PVPV成正比。成正比。入射光E1原子吸收入射光子并跃迁至高能级E2E2E1激光原理激光原理3.受激辐射。受激吸收跃迁的反过种程就是受激辐射跃进。由原子受激辐射跃迁发出的光子称为受激辐射。入射光E2E1入射光受激辐射光E2E1受激辐射的特点结论:受激辐射产生的光子与受激辐射的特点结论:受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态。原来的光子具有完全相同的状态。结论:结论:受激辐射而得到的光是受激辐射而得到的光是相干光。相干光。一个光子激发一个粒子产生受激辐射,形成两个完全相同的光子,这两
22、个光子再去激发两个粒子,可以形成完全相同的四个光子,如此继续下去,完全相同的光子数目越来越多,强度越来越强,有完全相同的光子组成的光就是激光激光参数:字面上理解是可供参考的数据,它可以是常数值,它可以是一种变量,用来控制随其变化而变化的其他的量。简单说,参数是给我们参考的。复习上节课内容什么叫参数?什么叫参数?光具有哪两重性?光具有哪两重性?每个光子的能量如何表达?每个光子的能量如何表达?当电子围绕原子核运动时电子的运动半径如何表达,当电子围绕原子核运动时电子的运动半径如何表达,这一公式说明什么?这一公式说明什么?什么叫基态?什么叫激发态?什么叫激发能?什么什么叫基态?什么叫激发态?什么叫激发
23、能?什么叫做能级图?叫做能级图?什么叫什么叫特征光谱?它这说明什么?特征光谱?它这说明什么?什么是什么是自发辐射?自发辐射?什么是什么是受激吸收?受激吸收?什么是什么是受激辐受激辐射?受激辐射光子的状态如何?射?受激辐射光子的状态如何?一个紫外光光子是否可激发出一个黄光光子一个紫外光光子是否可激发出一个黄光光子反之一个黄光光子是否可激发出一个紫外光光子反之一个黄光光子是否可激发出一个紫外光光子辐射激发由于受激吸收而跃迁到激发态的原子回到基态时就可以发光。回到基态可以有两种途径直接回到基态,这是辐射的光子的频率与吸收的光子的频率一样。称为共振辐射。通过中间能级回到基态。如果在这个过程中发射辐射光
24、,那么它的频率必定比吸收的频率低,这种现象称为荧光激光原理激光原理原子吸收入射光子并跃迁至高能级E2E1入射光E1E2E3E3辐射光E1E2E3辐射光E1E2E3激光的产生机理式中e=2.718281828459 K为玻尔兹曼常数,T为绝对温度,由于受激辐射与n2成正比,受激吸收与n1成正比 受激辐射受激吸收,不可能实现光放大 要实现光放大,必须采取特殊措施,打破原子数在热平 衡下的玻耳兹曼分布,使n2n1。体系的这种状态称为粒子数反转。粒子数反转在热平衡情况下,任意两个高低能级上的粒子数分布服从玻尔兹曼统计规律,即:二二 激光的产生激光的产生1、粒子数反转、粒子数反转E1E2粒子数反转粒子数
25、反转产生激光的必要条件:实现粒子数反转。产生激光的必要条件:实现粒子数反转。激励(泵浦):实现粒子数反转的过程。激励(泵浦):实现粒子数反转的过程。具有亚稳态的原子结构,才能实现粒子数反转。具有亚稳态的原子结构,才能实现粒子数反转。红宝石激光器(三能级系统)红宝石激光器(三能级系统)E2E3E1E2E3E1(10-8s)E2E3E1(10-3s)氦氖激光器(四能级系统)氦氖激光器(四能级系统)E1E2E3E4E1E2E3E4(10-8s)(10-3s)激光工作物质能够形成粒子数翻转发光粒子,称之为激活粒子激活粒子可以是分子、原子、离子或电子空穴对为激活粒子提供寄存场所的材料称为基质。基质可以是
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