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激光束传输与激光器件：激光原理与激光束的传输
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激光原理与激光束的传输与变换王 成激光与光子生物医学研究所上海交通大学主要参考书籍伍长征等。激光物理学。复旦大学出版社。 1989吕百达。激光光学光束传输变换与光腔物理。高等教育出版社。 2003朱箐。激光医学。上海科学技术出版社。 2003刘敬海，徐荣甫。激光器件与技术。北京理工大学出版社。 1995W.克希耐尔。孙文，姜泽文译。固体激光工程。科学出版社。 2003。本课主要内容光子和光子学激光的产生及其基本性质激光器工作原理和激光器件激光的传输与变换激光器的基本技术激光生物医学原理光子和光子学光子与电子的异同：不同点：电子是物质，光子是能量电子的质量是 9.1× 10-31kg、电荷是 1.6× 10-19k.光子没有质量也没有电荷电子有大小，光子没有大小相同点：都具有波长，具有波动性等光子和光子学光子学也可称光电子学，它是研究以光子代替电子作为信息载体和能量载体的科学，主要研究光子是如何产生及其运动和转化的规律。光子技术，主要是研究光子的产生、传输、控制和探测的科学技术。现在，光子学和光子技术在信息、能源、材料、航空航天、生命科学和环境科学技术中的广泛应用，必将促进光子产业的迅猛发展。生物医学光子学他是生物医学和光学交叉学科中最重要、最活跃的一个分支。这门课程是从光学的角度，研究生命科学中的光学现象、过程和规律，介绍生物医学领域所应用的光技术以及目前主要的研究课题。主要研究内容包括激光与生物组织的相互作用，组织中的光的传播，生物组织的光学特性，激光光动力治疗物理学等激光的产生及其基本性质1,光的波粒二象性光的波动性 ----光是横向电磁波。光波的波长 λ、长波速度 v与振动频率 v的关系v=λv光在真空中的速度为 3× 105km/s。在物质中的传播速度是不相同的。光波真空中的传播速度与物质中的传播速度比为物质的折射率n=c/v （ c为真空中的光速,v为物质中的光速）光的颜色是由光的波长决定的。从 380nm到 760nm (1nm=10-9m)之间为可见波段，其颜色分别为 380nm～ 430nm紫,430nm～ 485nm蓝,485nm～ 570nm黄,585nm～ 610nm橙、610～ 760nm红,其他小于 380nm的为紫外波段大于 760nm为红外波段，这些波段为不可见光波段光的粒子性1900年普朗克提出电磁辐射的能量子假设。1905年爱因斯坦发展了量子假说，提出了光量子理论，认为光在本质上是由确定能量的光子（光量子）组成。光子的能量与光的频率成正比。光的波粒二象性波粒二象性是一切物质所共有的特性。光的波动性，也不是惠更斯所刷的波，而是几率波。遵循统计规律。简单地说，大量光子显波动性，少量光子显粒子性，光在传播过程中主要表现为波动性，当光与物质相互作用时，主要表现为粒子性。2 激光的产生普通光源的发光 ―― 受激吸收和自发辐射常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个,受激吸收,过程。处在高能级（ E2)的电子寿命很短（一般为 10－ 8～ 10－ 9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（ E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为hυ=E2-E1这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。激光激光英文单词为,Laser,它是英文 LightAmplification by Stimulated Emission ofRadiation的缩写,意思是受激辐射的光放大。受激辐射和光的放大受激辐射的概念是爱因斯坦于 1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时，第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的基础。受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级 E2，当一个外来光子所带的能量 hυ正好为某一对能级之差 E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级 E2向低能级 E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。前面分析了产生激光的必要条件是受激辐射，而粒子数反转又是产生激光的一个条件，激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在,对实现粒子数反转是非常必须的。产生激光的第三个条件：形成粒子数反转的结构 -----原子能级系统二能级系统如果激光器运转过程中有关的能级只有两个，用有效的激励手段把处于下能级 E1的原子尽可能多地抽运到上能级 E2。设能级 E1和 E2上单位体积内的原子数分别为 N1和 N2，自发辐射、受激吸收和受激辐射的概率分别为 A21,W12和 W21。如果能级统计权重相等，因而 W12=W21=W。 E2能级上粒子数N2的速率方程为dN2/dt=W(N1-N2)-A21N2,当达到稳定时,dN2/dt=0，N2/N1=W/(W+A21)可见，不管激励手段如何强，（ A21+W）总是大于 W，所以 N2＜ N1。这表明，对二能级系统的物质来说，不能实现粒子数反转。三能级系统N1N2N3如果激励过程使原子从基态 E1以很大概率 W抽运到 E3能级，处于E3的原子可以通过自发辐射跃迁回到 E2或 E1。假定从 E3回到 E2的概率 A32大大超过从 E3回到 E1的概率 A31，也超过从 E2回到 E1的概率 A21，则利用泵浦抽运使 W＞W23或 W＞ W12时,E2和 E1之间就可能形成粒子数反转。E1E2E3四能级系统在外界激励下，基态 E1的粒子大量地跃迁到 E4，然后迅速转移到 E3。 E3能级为亚稳态，寿命较长。 E2能级寿命较短，因而到达E2上的粒子会很快回到基态 E1。所以在 E3和 E2之间可能实现粒子数反转。由于激光下能级不是基态，而是激发态 E2，所以在室温下激光下能级的粒子数很少，因而 E3和 E2间的粒子数反转比三能级系统容易实现。N1E1E2E3E4N2N3N4(快）(慢）产生激光的第四个条件激光器中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向杂乱无章。要使频率单纯，方向集中，就必须有一个 振荡腔 。这是产生激光的第四个条件。通信所用的半导体激光器就是利用半导体前后两个端面与空气之间的折射率不同，形成反射镜而组成振荡腔的。光学谐振腔结构谐振腔的作用(1) 使激光具有极好的方向性 ( 沿轴线 )(2) 增强光放大作用 ( 延长了工作物质 )(3) 使激光具有极好的单色性 ( 选频 )产生激光的第五个条件这些晶体和谐振腔都会使光子产生损耗。只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多得多时，既要产生相长的振荡，才能有放大作用，这是产生激光的第五个条件激光产生和激光器的组成灯泵浦的激光器结构图激光的特点激光与其他光源相比具有三大特点1 方向性好2 单色性好3 相干性好激光器谐振腔及其稳定条件谐振腔：不但为激光振荡提供正反馈，还起到限制激光振荡模式的作用，其作用不仅在于产生激光，更重要的是决定输出光束的质量。接下来分析谐振腔的结构。定义结构参数,221111RdgRdg 其中 R1,R2,d 分别为两个反射镜的曲率半径及镜间间距各种谐振腔结构g1=g2=1,R1=R2= ∞g1=g2~1,R1=R2＞＞ dg1=g2=0,R1=R2= dg1=g2=-1,R1=R2= d/2g1=1,g2=0,R1=∞,R2=d谐振腔的稳定条件它是衡量谐振腔的特性的首要因素，特别是对于增益系数小的介质，希望光束能在腔内更多地来回传播，以便获得足够大的增益。定义：把光束不逸出腔外的谐振腔体称为稳定腔。若光束仅仅往返几次便逸出腔外，这种腔体称为不稳定腔。腔的稳定条件：120 gg?1)1)(1(021 RdRd 10 12 gg即10 12 gg112?gg或112?gg 或 012?gg稳定腔非稳定腔界稳腔高斯光束及其传输变换高斯光束是亥姆赫兹方程在缓变振幅近似下的一个特解，它可以足够好地描述基模激光束的性质。使用高斯光束复参数表示和 ABCD定律能统一而又简洁地处理高斯光束在腔内、外的传输变换。麦克斯韦方程组和物质方程麦克斯韦方程组物质方程亥姆赫兹方程及其解稳态传输满足的亥姆赫兹方程其解有：1 平面波解E(x,y,z)=E0e-ikz其波阵面为垂直于波的传播方向的平面，振幅与所考虑的坐标无关。 在同一波阵面上振幅相等。如右图所示0),,(),,( 2 zyxEkzyxE2 球面波球面波振幅函数为E(x,y,z)=E0e-ikR/RR为观察点 (x,y,z)到传播中心的距离，同一等相面内振幅值与球面半径有关。如图所示Rz3缓变振幅近似下的亥姆赫兹方程的解 ― 高斯光束高斯光束的振幅其中,zRkrizrzEzrE2e x pe x p),(222000?为光束的束腰半径，为最小的光斑尺寸200 1Zzz 高斯光束的束宽 20200 21 kZ瑞利长度或共焦长度瑞利长度为高斯光束的准直范围，在这段长度内，高斯光束可以认为是平行的。所以，瑞利长度越长，就意味着高斯光束的准直范围越大，反之亦然。远场发散角00 lim zzz高斯光束远场发散角在数量级上等于束腰半径光束的衍射角，即已达到衍射极限。而且，高斯光束的远场发散角既包含了传输距离 z处的几何张角，也包含了衍射发散部分的贡献。高斯光束的相移01t a nZz?上式表征的是高斯光束在空间传输距离 z时相对与几何相移的附加相移综上所述：高斯光束在其轴线附近可以看作是一种非均匀高斯球面波，在传播过程中曲率中心不断变化，其振幅在横截面内为一高斯函数，强度集中在轴线及其附近，且等相面保持为球面。这就是基模高斯光束的基本性质。B e a m W a is tBasic parameters describing a Gaussian beamW a v e F ro n tCC e n te r o fC u rv a tu re02wRzO高斯光束的复参数表示高斯光束可以由 R(z),ω(z)和 z中任意两个即可确定，因此用复参数 q将这三个量联系起来。定义 q为211iRq这种表示是最简便、规范的高斯光束表示方法。矩阵光学当 光 线 通 过一个区间时,假 设 光 线进 入区间 前入射角 为 q 1，入射高度 为 y1，且离开区间后 出射角 为 q 2，出射 的 高度 为y2,因此可以 将 其互相 的关系 以下式表示：y2 =Ay1+ Bq 1q 2 =Cy1+ Dq 1上式可以用转移矩阵表示为22y其中DCBA 就称为轴对称光学系统的变换矩阵高斯光束的 ABCD定律高斯光束复参数 q2通过变换矩阵 的光学系统的变换遵守 ABCD定律光线通过多个串接的光学系统时，将系统的变换矩阵倒序相乘，即可得到整个光学系统的变换矩阵。 DC BADCqBAqq112高斯光束通过薄透镜时的变换设束腰半径为 w0的高斯光束投射在焦距为 f‘的薄透镜上，束腰与透镜的距离为 L，高斯光束的传输轴线与透镜光轴一致，可以证明，高斯光束经过薄透镜变换后仍为高斯光束。则可求出射高斯光束束腰半径 w’0及其与透镜的距离 L‘为：1／ w0＇ 2=1/w02 (1-L/f＇ )+1/f＇ (πw0/λ)2 1L‘ =f’ +(L-f‘ )f’ 2/(L/f‘ )2+(πw02/λ)22这是确定入射高斯光束与出射高斯光束经透镜变换后的基本关系式高斯光束的聚焦这是激光器实际应用中提出的一个重要问题。所谓聚焦，就是适当选用光学系统，以确定出射高斯光束 W 0 ＇的大小和位置（ L＇），使实现 W 0 ＇＜W0。1．当 f＇一定时,W 0 ＇随 L的变化而变化。由式（ 2）可知：（ 1）当 L＜ f‘时,W0’2随 L的减小而减小，因而当 L＝ 0即束腰 W0在透镜上，无论透镜焦距 f‘为多大，总有 W 0’ ＜ W0，即有聚焦作用。且 L‘＜ f’。当 f‘＜＜ πW02/λ 有W 0 ‘≈λ／ πW0f,L’≈f‘ （ 3）即束腰 W 0 ＇处在透镜焦面上，且透镜的焦距 f＇愈小,W 0 ＇愈小，聚焦效果愈好。（ 2）当 L＞ f＇时,W 0 ＇随 L增大而减小。当满足条件 L＞＞ πW02/λ，则有W 0 ＇ ≈f＇／ LW0 （ 4）可见 L愈大,f＇愈小，聚焦效果愈好。（ 3）当 L＝ f＇时,W 0 ＇达到极大值。由（ 2）式可得W 0 ＇＝ λ／ πW0f＇ （ 5）且有 L＇ =f＇，仅当 f＇＜ πW02／ λ时，透镜才有聚焦作用。f＇一定时，不论 L值为多大，只要满足条件f＇＜ πW02／ λ （ 6）可实现 W 0 ＇＜ W0，即有聚焦作用。2,L一定时,W 0 ＇随 f＇而变化的情况。对一定的 L值，只有当其焦距 f＇＜ R（ L）／ 2时，透镜才能对高斯光束起聚焦作用,f＇愈小，聚焦效果愈好。 R（ L）表示高斯光束到达透镜表面上的波阵面的曲率半径。总之，为使高斯光束获得良好聚焦，通常采用短焦距透镜，使高斯光束束腰远离透镜焦点或采取 L＝ 0等方法。高斯光束的准直在许多实际应用中经常需用光学系统来改善光束的方向性，即要压缩光束的发散角。这就是所谓的准直。1．单透镜对高斯光束的准直。腰斑大小为 W0的物高斯光束的发散角为：θ=λ/πW0通过焦距为 f＇的透镜后，像高斯光束的发散角为：θ‘=λ/πW 0 ’当 W 0 ＇＞ W0时将有 θ＇＜ θ，因此 W 0 ＇愈大，则 θ＇愈小，有较好准直效果。当 L＝ f＇时,W 0 ＇达到极大值，则：W 0 ＇＝ λ/πW0f＇此时 θ＇ =λ/πW0＇ =W0/f＇由上式可知，当透镜的焦距 f＇一定时，若入射高斯光束的束腰处在透镜前焦面上（ L＝ f＇），则 θ＇达到极小，且 f＇愈大，即透镜焦距愈长,θ＇愈小，准直效果愈好。同时也与 W0的大小有关,W0愈小，则像高斯光束方向性愈好。激光器件The Ruby Laser世界上第一台激光器就是红宝石激光器。红宝石是在 Al2O3中掺有少量（ 0.05%） Cr2O3的红色晶体。其中的铬离子参与产生激光的过程。基态上的离子吸收光子被激发到 4F带，离子在 4F能级上的寿命很短，迅速通过无辐射跃迁降落到 2E能级,2E能级的寿命较长，它和基态之间很容易形成粒子数反转。 2E能级分裂为两个能级，但其间有着极快的热弛豫过程，多数离子处于下能级，因而会产生694.3 nm激光。红宝石激光器是一个三能级激光器。因为基态是通常情况下粒子数布居最多的能态，所以要想在高能级和基态之间形成粒子数反转就需要非常有效的泵浦。闪光灯大约打开 1ms，大约 0.5ms后受激发射从红宝石棒一端射出。一般观察到的输出为一个尖峰序列，每个尖峰宽度大约为 1微秒。这种尖峰序列的输出一般是应该避免的。通常采用 Q调制的方法。开始，通过一个放置在激光介质和反射镜之间的器件将光的通路阻断，此时，损耗很大，光无法产生振荡尽管已经产生足够的粒子数反转。如果阻断被迅速去除，则光得到放大，并产生一个巨脉冲。一般使用偏振的改变来阻断光路。巨脉冲功率可超过 108W，脉宽为 ns量级。四能级激光器在四能级激光系统中，终态能级不是基态能级。第三能级应具有较长的寿命，从而粒子可以在那里集聚。 4能级应该尽量减少粒子的布居。某些系统中,4能级和基态的距离很近，此时需要对系统进行冷却。在很多稀土元素系统上成功的实现了激光振荡。常用的 Nd:YAG激光器，即掺钕钇铝石榴石。最常用的波长是 1064nm。泵浦闪光灯和激光介质棒分别位于椭圆焦点处。另一类钕激光器是钕玻璃激光器，即在硅酸盐或者磷酸盐玻璃中掺入Nd2O3制成。一般输出波长为 1060nm，采用特殊手段选模后输出可以为1370nm。钕玻璃激光器工作频率不能太高，因为它的导热性能不好。而YAG激光器的导热性能较好，可以高重复频率运行或者连续运转。常用的 Nd:YAG激光器为脉宽 10ns，单脉冲能量 1J，工作频率 10Hz。其输出面并非为半透半反镜，而是一个很小的反射镜来提供反馈，而输出则来自这个反射镜的周围。激光输出功率和电源提供的功率之间的比例是很低的，对于常用的 YAG激光器只有 2%。使用与 Nd:YAG介质吸收频率相符合的二极管激光器作为激发光源则可以有效地提高功率转换比例。Pulsed Gas Lasers也可以使用气体作为激光介质。N2分子激光器氮分子激光器是以脉冲放电的方式激励的。管道内通过氮气，近来也出现了封闭式的氮分子激光器。从基态向激发态 C跃迁的几率要比向 B跃迁的几率大很多，所以会在 B,C间形成粒子数反转。但是 C的寿命远小于 B，所以粒子数反转只能在激励开始的很短时间内形成，过后激光振荡将自行终止，这类激光器称为自终止激光器。通常使用 Blumlein电路来产生快速的放电。氮分子激光器脉宽大约 10ns，单脉冲能量大约几个 mJ，输出波长为337.1nm，重复率可以超过 100Hz。氮分子激光器增益高，粒子数反转持续时间短，即使不使用谐振腔也可以得到放大的自发辐射（ ASE）。通常在一端使用全反射镜，另一端使用高透射的窗口。准分子激光器准分子是一种在激发态结合为分子，在基态离解为原子的不稳定缔合物。跃迁发生在束缚的激发态和排斥的基态之间。准分子跃迁到基态以后立即解离。意味着只要激发态存在分子，就处于粒子数反转状态。由于下能级不是确定的能级，跃迁是宽带的，所以准分子激光器常常可以调谐运转。准分子可由异类或者同类原子构成。常见准分子激光器如,KrF,249nm；XeCl,308nm； ArF,193nm。准分子激光器普遍采用电子束或者快速放电泵浦。准分子激光器中常加入 He,Ne等惰性气体，其作用是降低电子温度，以便产生更多的激发态粒子，避免产生过多离子。与缓冲气体的碰撞还可以使高振动能级的准分子向低振动能级弛豫。准分子激光器脉冲能量可以达到几百 mJ，平均输出功率可以超过 100W。铜蒸气激光器需要加热至高温来产生足够的铜蒸气。输出波长为 510nm和 578nm。工作频率可以达到 10kHz。平均功率超过 10W。如果将铜换为金，则可以得到 628nm的输出。The He-Ne LaserHe-Ne激光器是最早研制成功的气体激光器。激光介质为 He和 Ne（比例为 5:1），压强大约为 1torr。通过放电来泵浦。在放电过程中，快速电子与 He原子碰撞，将 He原子激发。由于He原子的两个激发态与 Ne原子4s和 5s能级的能量几乎相同，所以 Ne通过与 He的碰撞而被激发的几率很大。从而在 4s,5s和 3p,4p之间形成粒子数反转。由于 p态相对于 s态的寿命很短，所以粒子数反转可以维持，从而产生连续的激光发射。究竟哪条谱线形成激光振荡依赖于两侧反射镜对波长的选择。有时需要在腔内加入吸收室对某一波长进行吸收。He-Ne激光器的输出功率在毫瓦量级。He-Ne激光器的结构医疗上常用的是输出功率 5~50mw的连续激光，主要波长是 632.8nm，用作,光针,和照射的工具，对溃疡的执教有较好的疗效 。Gaseous Ion Lasers在气体离子激光器中，粒子数反转在氩或者氪离子的激发态上实现。使用直流放电进行泵浦。氩离子激光器在离子激光器中的效率最高，输出波长较多，而且光谱都在可见光波段，使可见光区域最强的激光器，蓝绿光谱易被血红蛋白吸收，所以氩离子激光器对生物质血效果最好。在医学上用它作,光刀,来进行手术和照射治疗，尤其在上下消化道出血时，可以用光纤导入内镜进行止血等非手术治疗。激光跃迁发生在 3p44p和 3p44s之间，前者寿命大约 10-8秒，后者寿命大约 10-9秒。由于 4p和 4s分别有子能级，所以连续工作的氩离子激光器可以有 9条蓝绿光谱线。其中,488nm和 514.5nm谱线最强。如果使用蓝绿波段高反射的反射镜，则所有这些谱线都会同时出现。通过使用棱镜，可以选择其中某个波长。如果放电电流足够大，则可能在双电离氩离子上产生激光，光谱范围位于紫外 300~386nm。氪离子激光器与氩离子激光器构造基本相同，激光介质为氪气，其产生的谱线除了蓝绿光以外在红外和紫外波段都有。激光跃迁上能级粒子数集聚主要有三种途径,a，基态氩离子与电子碰撞直接激发到 4p态； b，先激发到高于 4p的其他能级，然后通过级联辐射跃迁至 4p； c，基态氩离子激发至低于 4p的亚稳态后再被激发到 4p。Tunable LasersDye Lasers很多有机染料可以被用作激光介质。其中最常见的是若丹明 6G（ Rhodamine 6G），溶于甲醇或者乙二醇。跃迁上下能级由于和溶剂的相互作用而分裂为连续的能带。分子被激发到上能带后迅速无辐射弛豫到上能带的最低能级，并由此向基态各能级跃迁，产生荧光辐射。辐射荧光曲线不随激发光源的改变而改变。如果将充有染料溶液的小室放置于激光腔内，并提供足够的泵浦能量，则可以放出激光。如果使用宽带激光反射镜，受激辐射在荧光发射曲线顶点的周围几十个?附近发生。可以把反射镜用光栅代替。激发辐射带宽降低到 0.5?。通过转动光栅，可以让激光在整个荧光发射带范围内调节。泵浦可以用闪光灯来实现，得到的激光脉宽 1ms，峰值功率大概几 kW，重复频率 1Hz。也可以用固定波长激光器，例如氮分子激光器，准分子激光器，铜蒸气激光器或倍频后的 Nd,YAG激光器。几种典型装置为了得到高的能量，同时保证线宽很窄、光束质量很高，需要采用振动和放大两级结构。通过使用各种染料，脉冲染料激光器工作范围可以从 320到 1000nm。对准分子激光泵浦的染料激光器，能量转换效率可以到 10~20%。而对于倍频后的 Nd,YAG激光器，则可以达到 40%。染料激光器脉冲运转较容易，而连续运转比较困难。主要问题是三重态布居数的增加造成的吸收损耗会使激光无法起振。脉冲泵浦时，可以在三重态集聚足够的粒子数之前产生激光。要想达到连续泵浦，则必须去掉三重态分子。可以在溶液中加入某种三重态猝灭剂，可以有效地使三重态分子无辐射跃迁到基态。连续的染料激光器往往使用氩离子或者氪离子激光器泵浦。目前可以覆盖的光谱范围为 375~950nm。使用染料射流来让染料高速通过激活区。Tunable Solid-State Lasers某些固体激光器的增益曲线范围较宽，因此可以在某个范围内调谐。例如钕玻璃激光器可以在 1.0~1.1mm范围调谐。钛宝石（ Ti,Al2O3）激光器可调谐范围为 660到 1100nm。不使用激光泵浦的可调谐固体激光器引起人们广泛的兴趣。倍频以及受激拉曼散射等可以用来进一步扩展调谐波长。Tunable CO2 Lasers二氧化碳激光器是最有效地气体激光器，功率转换率达到 20%。工作波长位于 10mm附近，很多工作用的是固定波长的二氧化碳激光器。因为与加入的 N2分子的碰撞,(001)模式充分布居。由放电使得氮分子布居于第一振动能级。由此形成与低能级 (100),(020)之间的粒子数反转。激光发射可能在子转动能级间发生，并形成位于 10.2~10.8mm和 9.2~9.7mm的几个光谱带。其中最强的谱线为 10.59mm。可以使用光栅来选择其一为输出波长。如果使用同位素分子 13CO2，则可以增加可选的波长。二氧化碳激光器也可以工作于高气压（ 1个大气压到 10个大气压）。在较高气压下，谱线加宽，不同的振转谱线溶和在一起，从而可以在该波段范围内连续调谐激光。工业上使用的二氧化碳激光器输出功率最高可以达到几十千瓦的量级。Semiconductor Lasers典型半导体激光器介质是掺杂 GaAs。激光是从 p型掺杂和 n型掺杂的介质之间发出。外加电场使得电子和空穴都向中间靠近，从而在导带形成相对于价带空穴的粒子数反转。可以产生能量相当于带隙能量的受激发射光子。半导体激光器可以做的非常小，典型尺寸小于 1mm。半导体激光器可以用于红光，特别是红外波段。多数介质需要在使用的时候进行冷却,GaAs则可用于室温。通过改变温度，可以在 800到900nm之间调谐激光器。使用几种不同的介质，可以覆盖红外光谱波段 40mm左右的范围。很多研究工作力图在可见光波段实现半导体激光器,半导体激光器可以工作在脉冲或者连续方式。连续工作时输出功率可以达到 1W或者更多。现在已经成功的实现了红色半导体激光倍频到蓝绿色光范围。半导体激光的能量转换效率非常高，可以达到 80%。光强可以通过改变电压而快速的变化（可以高达 1010Hz），因此在光通讯方面有重要的应用价值。激光技术倍频、混频 （波长扩展）调制 （加载信号或强度调制）调 Q （输出高峰值功率的光脉冲）锁模 （获得超短光脉冲）选模 （获得单横模）Nonlinear Optical Phenomena可以使用非线性光学现象来扩展某种激光器的光谱范围。倍频某些晶体在强激光穿越的时候会产生非线性光学效应。激光穿越介质时，其内的电偶极矩随着外场振荡，从而放出辐射。在外场较弱的时候，电偶极子振动与外场同频。而当光很强时，会产生谐波：由第二项可得因为 c(2)经常很小，所以要求 E0很大。经常使用的倍频晶体是 KDP,KPB。 KDP的能量转换效率较高,KPB较低。BBO是一种新倍频晶体，具有很高的能量转换效率，逐渐取代 KPB。( 1 ) ( 2 ) 2 ( 3 ) 3P E E Ec c c( 2 ) 2 2 ( 2 ) 22 0 01s i n ( 1 c o s 2 )2P E t E tc? c使用倍频技术，可以得到大约 200nm的短波激光。Nd,YAG泵浦染料激光器倍频曲线。倍频实例 倍频器珀尔贴元件共振内腔倍频的 473nm蓝光激光器红外光直接倍频混频倍频可以看作是两个相同波长的混频。对两个不同的激光频率，还可以进行和频和差频。则当进行差频时，需要红外波段透明的介质。1 1 2 2c o s c o sE E t E t( 2 ) 2 2 2 22 1 2 1 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 21 1 1( ) c o s 2 c o s 2 c o s ( ) c o s ( )2 2 2P E E E t E t E E t E E tc和频实例 1输出滤光片腔镜单管图 1-2 P,N,Kean 折叠腔和频 459nm蓝色激光器激光调制与调 Q激光器激光调制方法激光调 Q激光调制把欲传输的信息加载于激光辐射的过程称为激光 调制 。把完成这个过程的装置成为激光调制器，激光在此起,携带,低频信号的作用。具体的调制方式可分为：内调制和外调制。内调制 指加载调制信号在激光振荡过程中，最简单的办法是通过控制激光器的电源来调制输出的激光强度，还有就是在激光腔内放置调制元件，用信号控制调制元件屋里特性的变化，以改变谐振腔的参数，从而改变激光的输出特性。外调制 是在加载调制信号在激光形成以后进行。具体方法是在激光谐振腔外的光路上放置调制器。调制方式机械调制通常用压电陶瓷的长度随所加电压的高低而伸缩的原理实现激光调频。普克尔电光调制利用电光晶体的线性电光效应对偏振的激光进行强度的调制。克尔电光调制利用晶体折射率变化与电场强度的平方成正比（克尔效应）的关系对激光进行强度调制。干涉调制通过周期移动干涉仪的一个反射镜，使之在干涉仪中产生有规律的周期变化，从而获得周期变化的干涉来实现调制。还有,声光调制,磁光调制 和 电源直接调制 等方式。激光调 Q为了提高激光输出功率和能量，通过 Q开关技术压缩激光脉冲的时间宽度，可以极大地提高激光功率。Q开关技术也叫激光调 Q技术，就是通过改变激光器的 Q值，即改变激光腔中的损耗值,Q值小，腔内损耗大，激光振荡不能建立，亚稳态粒子数不断积累，建立很高的粒子数反转,Q值大，腔内损耗小，激光振荡迅速建立，激光能量雪崩式地增加，到达很高的峰值功率。一般调 Q激光器的脉宽在纳秒量级，峰值功率在兆瓦量级以上。把这种光脉冲叫巨脉冲。andQ2?激光腔的 Q值a为腔的单程损耗,n为介质折射率,d为腔长。Q脉冲形成过程实现 Q开关技术手段转镜式 Q开关 －－机械式电光 Q开关磁光 Q开关声光 Q开关－－ 超声波在均匀介质中产生介质的折射率周期变化，使光束产生衍射，通过调整超声波频率实现调 Q染料 Q开关－－ 利用染料的可饱和吸收（吸收系数随光强的增加而减小）调 Q需要腔内激光为偏振光，利用晶体的电光和磁光效应调 Q激光锁模技术激光锁模技术是让激光器中发生振荡的各个模之间建立稳定的相位关系，发生相位,干涉,,形成脉冲宽度极窄，功率极高的激光技术。虽然调 Q技术对激光在时间域内进行了压缩，但只压缩到纳秒量级，锁模技术可以使激光脉宽压缩到飞秒量级，峰值功率也比调 Q的高几个数量级。锁模基本原理普通的激光器是多纵模振荡的,各个纵模的振幅和相位都是彼此独立无关的。若激光器同时发生 n个模式振荡，锁模后光脉冲将缩窄 1/n，功率提高 n倍。使各个振荡模式相位关系稳定一致的做法是：在共振腔内放置像信号发生器那样的,主动,外激励调制器（电光，声光调制器）－－主动锁模，放可饱和吸收染料,被动,调制器－－被动锁模。三个纵模锁模后的相位关系选模－－单横模激光器激光器一般以多横模运转，光束质量低，能量不均匀。为了获得亮度高、光斑内的光强分布较均匀，、激光束发散角小的高质量激光束，应尽量使激光在基横模－－单模下运转。主要应用到激光精密定向、激光全息、远程测距、激光制导、激光加工等场合。横模选择实质上是设法抑制谐振腔内的高阶模振荡。选模主要在固体激光器上应用。选模方式稳定腔的选模小孔选模－－基模光束细、激光能量低。望远镜选模－－目镜焦距短，对高斯束有较强的汇聚或发散作用，使高阶模的发散角增大，而基模的发散角减小，若工作物质的孔径与基模相当，高阶模遭到强烈的损耗，只有基模振荡。到达选模的作用。非稳腔的选模利用非稳腔的高损耗特性选模，光束总是放大的，腔内光束总是充满整个激活介质，实现单模运转。激光与组织的相互作用生物组织的光学特性激光的生物效应激光的生物刺激作用生物组织的光学特性生物组织对激光的辐射作用的反应与激光波长的吸收过程有关。在近紫外、可见光和近红外光谱区，生物组织的颜色对激光具有选择性吸收的特性。激光作用皮肤：受到皮肤的反射、吸收、散射和透过。300～ 1000nm激光传入皮肤的辐射能中的 99％被组织的外 3.6mm层吸收。激光的生物效应凡激光和生物组织相互作用后所引起的生物组织方面的任何改变，都称为激光的生物效应 。主要包括：热效应电磁场效应压力和冲击效应光化学效应靶组织生物组织界面激光与生物组织相互作用原理图散射入射光反射吸收透射1,光化学效应3,光热效应2,光机械效应4,非线性效应散射热效应组织在几毫秒时间内温度到达 45～ 50℃,并持续 1分钟左右，这使蛋白质破坏，细胞损坏。电磁效应激光能量较高时，产生强的电磁能，这种电磁场由量子、原子与分子的直接作用会产生激励、振动、热和自由基等效应，引起生物组织的损伤。压力和冲击效应聚焦激光束焦点能量短时间内转换为热能，受照面上物质蒸发，组织热膨胀等现象。这些物理变化产生压力作用，进而会产生冲击波损伤组织。光化学效应光可以激发大分子的组织产生荧光或磷光等现象，一些物质可以在激光的辐照下辅助治疗疾病。激光的生物刺激作用较高能量的激光会产生热效应和其它一些非热效应损伤组织，但在较低能量的激光辐照下能促进一些疾病的康复。在生物场理论分析中认为，机体是一个巨大的晶体，其由结构复杂的导电区，膜电导区中的代谢过程，能维持一定的自由电荷密度。激光的共振作用下将使生物等离子体恢复稳定，使之回到正常能层。这个理论尚无定论，但临床效果明显。激光安全注意人员眼睛安全皮肤安全激光分类安全措施人眼结构人眼对光谱的选择吸收人眼主要由角膜，瞳孔，透镜，晶状体，视网膜等组成，大部分是水。形成一个屈光的光学系统，焦点在视网膜上，透光范围是 400～ 900nm，红外光谱被眼睛中的水份吸收，角膜能吸收紫外光谱，皮肤对光的吸收和反射对波长 315～ 400的近紫外激光,400～700nm的可见激光和 700～ 1400nm的红外激光，皮肤颜色深浅明显地影响激光能量的吸收，皮肤颜色浅的能反射较多的激光，而吸收较少，肤色深的反射激光较少，吸收较多，波长小于 300nm的短紫外和 3000nm以上的红外激光无论肤色深浅吸收都较高。激光器分级I级激光器脉冲,10－ 9～ 0.25s发射时间内能量低于 1.25mJ连续,8h内输出功率小于 0.8mW，远红外 &400mW 或 4000mJII级激光器脉冲：可见光 0.25s发射时间内能量低于 1.25mJ连续,8h内输出功率小于等于 1mWIII级激光器III－ A输出中等功率。 400～ 700nm，连续 &5mW；脉冲 &2.5W/cm2。其它波段不超过 I级最大输出极限的 5倍。III－ B输出中等功率。连续 &0.5W,单脉冲 &10J/cm2Ⅳ 级激光器连续 (8h):&0.5W脉冲：单脉冲 &31mJ/cm2或 10J/cm2激光防护措施充分照明封闭激光系统加强激光安全教育使用激光防护镜防护眼镜.CO2激光防护镜Nd:YAG激光防护镜可见激光防护镜共聚焦显微镜共居焦显微成像技术的特点在于：它用点光源照明，并在成像的焦平面上设置探测针孔，使得探测器所成的像与样品的检测点相对于显微目镜来说是共焦点，从而排除了来自样品检测点以外的干扰光，将处于焦平面上的被检测样品的像非常清楚地呈现在处在共焦平面的探测器上。这种独特的共聚焦光学成像系统使共聚焦显微镜的横向分辨率比普通光镜明显提高，而且共聚焦显微镜具有优良的深度识别能力，具备较好的纵向分辨率。激光共聚焦扫描技术平行的激光束通过光束分离器后进入目镜，目镜采集到部分球状散射的荧光释放光并使这些光成为平行的光束，此外还采集被反射的激光，这些激光的强度要比荧光强度大 3-7倍。采集回来的光束再次通过光束分离器，光束分离器将大部分激光反射回激光源处，并允许大部分荧光束通过光束分离器，一面平面镜将荧光束反射到释放光栅处，光栅选择很窄范围波长的光通过，并将剩余的激光激发光全部反射回去。共聚焦的工作特点体现在探测目镜和开了一个针孔大的孔的光线挡板上，探测目镜将平行光聚集为很小直径的一束光之后，挡板上的小孔只允许聚焦的光线通过并将其余的光遮挡住。若发光点不在目镜焦点范围内，则光线将被探测目镜聚集于挡光板前，散射之后大部分光线被遮挡了，只有焦点范围内的光线才能有效地进入当光板的小孔被探测器检测到。对焦距范围的严格限制使得灰尘或近表面的小颗粒均不能成像被探测到，因而共聚焦扫描仪获得图象的信噪比要高于非共聚焦扫描装置。但另一方面，对焦距范围的严格限制要求载玻片摆放非常平稳，扫描运动过程中载样盒要保持在同一水平面上，偏差要小于焦距的范围，偏差小于 ± 10mm。这一要求增加了机械加工的精密度，使得加工工艺更加复杂，但这是保证获得最佳图象质量的有效途径之一。用绿激光共聚焦拍摄的干的人肺 1mm深的组织
课件名称：课件分类：物理课件类型：电子教案文件大小：1.57MB下载次数：7评论次数：4用户评分：8.3