激光技术及工程
唐霞辉
激光加工国家工程研究中心
专著《激光焊接金刚石工具》
专著《高功率横流CO2激光器及应用》 专著《光机电一体化手册》
完善的
产学研
基地博士点博士点武汉光电国家实验室（筹）武汉光电国家实验室（筹）博士后流动站博士后流动站激光技术国家重点实验室
激光技术国家重点实验室国家重点学科
国家重点学科激光加工国家工程研究中心
激光加工国家工程研究中心华工科技产业股份有限公司
华工科技产业股份有限公司
激光加工国家工程研究中心
全国首批49个工程中心之一，我校最早第一个
激光器的基本结构
任何激光器都由工作物质、激励系统和光学谐振腔三个基本部分。
1.1.1 工作物质
激光器核心部分，它是一种用来实现粒子数反转和产生光的受激辐射作用的物质体系，可以是固体(如晶体、玻璃等)、气体(原子气体、离子气体、分子气体等)、半导体及液体(有机或无机液体)等材料。
CO
2
激光器的工作物
质由CO
2、N
2
、He等气体按一定比例混合而成，通过CO
2
分子振转能级的跃
迁而产生激光。
Nd3+：YAG激光器的工作物质是钇铝石榴石晶体(Y3Al5O12)。
激光器基本组成原理图
1）谐振腔的作用
激活介质实现了粒子数反转后，在激活
介质两侧加上一对平行的反射镜，使垂
直于反射镜的初始光子来回通过激活介
质，进一步“刺激”其他在亚稳态的粒子
发光，产生连锁反应，光子数目越来越
多，引起雪崩式光放大作用，在极短的
时间内由部分反射镜输出强激光，这一
对反射镜就构成了激光谐振腔。
在激光
谐振腔内，只有沿轴线附近传播的光才
谐振腔的作用能被来回反射形成激光，而其他方向传
播的光被逸出腔外。
因此，激光具有很
好的方向性。
谐振腔的形式
光学谐振腔可以按不同的方法分类，如分为球面腔和非球面腔、两镜腔和多镜腔、高损耗腔和低损耗腔、端面反馈腔和分布反馈腔、折叠腔和环形腔等。
由于各种复杂腔都可以化为等效的两镜腔，所以只讨论由两个反射镜构成的两镜腔。
常用的激光两镜腔的主要形式有平行平面腔、双凹腔和平凹腔。
(a) 平行平面腔(b) 双凹腔(c) 平凹腔
常用激光两镜腔的主要形式
平行平面腔——由两个平行平面反射镜组成，光学上称为法布里一珀罗干涉仪，简称为F—P腔，多用于固体激光器。
双凹腔——由两个凹面反射镜组成，其中一种特殊而常用的形式是共焦腔，由两个曲率半径相同的凹面反射镜组成，且两镜间距离等于曲率半径，两镜面与焦点重合，“共焦腔衍射。
损耗小，调整容易。
平凹腔——由一个平面反射镜和一个凹面反射镜组成，其中一种特殊而常用的形式是半共焦腔，相当于共焦腔的一半，因为光在腔内来回反射，因此，它在光学上与共焦腔是等价的。
无论哪种形式的谐振腔，两个反射镜中，至少有一个是部分透射，或者有某种耦合的机构，以便于使腔内激光输出。
激光束单色性
激光的单色性比普通光高 倍.1010
由于激光的单色性好，为精
密度仪器测量和激励某些化
学反应等科学实验提供了极
为有利的手段。
任何旋转对称的激光束具有三个参数特点：光腰位置、光束束腰半径和远场发散角(半角)。
高斯光束传输公式：
Z0：束腰位置； W0：束腰半径；
：远场发散角
（发散角～10 -4弧度）
一束激光射到～38万km 的月
球上，光斑的直径只有～2km
手电筒的光射到～m 处，扩展成很大的光斑。
利用激光准直
仪可使长为2.5km
的隧道掘进偏差不
超过16nm. 激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。
发散角小、聚焦光斑小，聚焦能力密度
高。
模式-----横模
除了纵向外，腔内电磁场在垂直于其传输方向的横截面内也存在稳定的场分布，称为横模。
不同的横模对应于不同的横向稳定光场分布和频率.
激光的模式一般用TEM mnq来标记，纵模系数q通常都不写出来，m，n为横模
阶数，m=n=0，即TEM00模称为基模。
对轴对称情况，m表示x方向暗区数，n表示y方向暗区数。
旋转对称时，一般用TEM pl表示，p表示径向节线数，即暗环数，l表示角向节线数，即暗直径数。
（a）模式花样（b）光场分布
模式花样及光场分布
矩形厄米高斯光束
圆形拉盖尔高斯光束
功率密度---亮度极高
激光是当代最亮的光源，只有氢弹
爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。
太阳光亮度大约是103瓦／(厘米2.球面
度)，而一台大功率激光器的输出光亮
度经太阳光高出7～14个数量级。
聚焦半径
焦深：
掌握聚焦半径、焦深与透镜焦距、光束本身参数的关系
r θ⋅≈f foc
腔尾镜来产生径向偏振光
时间特性
激光束可分为连续激光和脉冲激光
脉冲激光主要参数包括脉冲波形和宽度、脉冲频率、峰值功率、平均功率等参数。
光能量不仅在空间上高度
集中，同时在时间上也可
高度集中，因而可以在一
瞬间产生出巨大的光热。
在工业上，激光打孔、切割和焊接。
医学上视网膜凝结和进行外科手术。
在测绘方面，可以进行地球到月球之
间距离的测量和卫星大地测量。
在军事领域，可以制成摧毁敌机和导
弹的激光武器
激光光腔基本理论阅读
周炳琨《激光原理》
第二章 开放式光腔与高斯光束。