第3讲 典型激光器介绍及光线传输矩阵
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新激光第三章典型激光器01PPT课件
02 激光原理概述
激光产生的基本原理
受激发射
当原子或分子吸收特定频率的光 子后，其电子从低能级跃迁至高 能级，当电子从高能级回落到低 能级时，会释放出与原光子频率
相同的光子。
光学共振腔
为了形成持续的激光输出，需要 一个光学共振腔来选择特定频率 的光子，并维持光子在其中的共
振。
泵浦机制
通过外部能量源（如电流或光泵 浦）为原子或分子提供能量，使 其从低能态跃迁至高能态，为受
激光与其他技术的结合
随着科技的不断发展，激光技术将与其他技术如人工智能 、物联网等结合应用，实现更高效、更智能的技术解决方 案。
05 结论
本章总结
01
02
03
04
理解了典型激光器的原理和结 构，包括气体、固体、染料和
半导体激光器等。
掌握了不同类型激光器的特点 和优缺点，以及它们在不同领
域的应用。
激光在科学研究领域的应用
激光光谱学
利用激光技术进行光谱分析，研究物质的分 子结构和化学性质。
激光显微镜
利用激光技术提高显微镜的分辨率和观察能 力，可观察微小生物和细胞结构等。
激光雷达
利用激光技术进行遥感测量和环境监测，具 有高精度、高分辨率等特点。
激光操控
利用激光能量对微观粒子进行精确操控，如 量子计算、量子通信等。
通信。
测量
由于激光的高亮度和方向性， 可以用于各种高精度测量，如 距离、角度、速度等。
加工
激光的高能量密度可用于各种 材料的加工，如切割、焊接、 打标等。
医学
激光可用于各种医学治疗和诊 断，如眼科手术、皮肤科治疗
、肿瘤治疗等。
03 典型激光器介绍
气体激光器
《激光器及光发射机》PPT课件
谐振腔由晶体的两个解理面构成。通常为双异质 结（DH）LD。 激光器实质上是一个受激发射的光振荡放大器。
编辑ppt
8
F-P LD基本工作原理
实现F-P LD激射工作的四个基本条件：
要有能实现电子和光场相互作用的工作物质 要有注入能量的泵浦源（光泵或者电泵浦） 要有一个F-P谐振腔 要满足振荡条件
工作物质（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAs和 InGaAsP）
外界供给能量满足粒子数反转（常采用电流注入法）
编辑ppt
12
2. F-P谐振腔
只有增益介质而无光学 反馈装置，便不能形成激光 将已实现粒子数反转分布 的系统置于严格平行的一对 反射镜之间便形成F-P谐振腔。 光在两个反射镜之间往返多 次过程中，得到放大。
按结构分类： F-P LD、 DFB LD、 DBR LD、 QW LD、 VCSEL
按波导机制分类：增益导引LD和折射率导引 LD
按性能分类：低阈值LD、超高速LD、动态单 模LD、大功率LD
编辑ppt
7
3.1.1 法布里-珀罗型激光器F-P LD
F-P LD是最常见最普通的LD. 由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成 in a Typical Fabry-Perot Laser
Spectral width and Linewidth at FWHM (Full Width Half Maximum)
编辑ppt
15
Output spectrum changes as power is applied
编辑ppt
13
3. 振荡条件
当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的 总损耗，经过谐振腔的选频作用，特定频率的光 波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，形成 激光（相干光）。
编辑ppt
8
F-P LD基本工作原理
实现F-P LD激射工作的四个基本条件：
要有能实现电子和光场相互作用的工作物质 要有注入能量的泵浦源（光泵或者电泵浦） 要有一个F-P谐振腔 要满足振荡条件
工作物质（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAs和 InGaAsP）
外界供给能量满足粒子数反转（常采用电流注入法）
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2. F-P谐振腔
只有增益介质而无光学 反馈装置，便不能形成激光 将已实现粒子数反转分布 的系统置于严格平行的一对 反射镜之间便形成F-P谐振腔。 光在两个反射镜之间往返多 次过程中，得到放大。
按结构分类： F-P LD、 DFB LD、 DBR LD、 QW LD、 VCSEL
按波导机制分类：增益导引LD和折射率导引 LD
按性能分类：低阈值LD、超高速LD、动态单 模LD、大功率LD
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7
3.1.1 法布里-珀罗型激光器F-P LD
F-P LD是最常见最普通的LD. 由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成 in a Typical Fabry-Perot Laser
Spectral width and Linewidth at FWHM (Full Width Half Maximum)
编辑ppt
15
Output spectrum changes as power is applied
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13
3. 振荡条件
当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的 总损耗，经过谐振腔的选频作用，特定频率的光 波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，形成 激光（相干光）。
典型激光器介绍
典型激光器的原理、特点及应用摘要：本文介绍了四种典型的激光器，固体、气体、染料和半导体激光器，并分别介绍了特点及应用。
关键词：典型激光器，原理和特点，应用一、引言自梅曼发明了第一台红宝石激光器至今，激光器得到了飞速发展，在激光工作物质方面也得到了很大的改进，激光器根据激活媒质可分为固体、气体、染料和半导体激光器。
各类激光器各有特色，并在相关的领域里发挥着重要的作用。
二、固体激光器固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器，基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。
最常采用的固体工作物质仍然是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：Y AG)等三种。
图1是固体激光器的基本结构示意图。
图1 固体激光器的基本结构示意图1．红宝石(Cr3＋：A12O3)红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。
它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋)，铬离子与激光产生有关的能级结构如图2所示。
它属于三能级系统，相应于图（1-3）的简化能级模型，其激发态E3为4F1和4F2能级，激光上、下能级E2和E1分别为2E和4A2。
它的荧光谱线有两条：R1线和R2线，在室温下对应的中心波长分别为694.3nm和692.9nm。
由于R1线的辐射强度比R2大，在振荡过程中总占优势，所以通常红宝石激光器产生的激光谱线均为R1线(694.3nm)。
红宝石激光器的优点是机械强度高，容易生长大尺寸晶体，容易获得大能量的单模输出，输出的红颜色激光不但可见，而且适于常用硅探测器探测。
红宝石激光器的主要缺点是阈值高和温度效应非常严重。
随着温度的升高，激光波长将向长波长方向移动，荧光谱线变宽，荧光量子效率下降，导致阈值升高，严重时会引起“温度猝灭”。
因此，在室温情况下，红宝石激光器不适于连续和高重复率工作，但在低温下，可以连续运转。
目前在医学方面和动态全息方面还有应用价值。
激光束传输与变换 第三讲
2
z const .
(1.4.29)
2 R( z )
2. 基模Gauss光束的场分布及传输特点
对于一个点波源(0,0,a)所发出的球 面波,其相位因子为
exp( ikR) exp{ik [( z a) ]
2 2 1/ 2
}
(1.4.30)
2. 基模Gauss光束的场分布及传输特点
式中p和q是光束的两个复参数，它们都是 z的函数。p表示复相移，q表示复曲率半 径。
1. 波动方程的基模解
将(1.4.4)式代入方程（1.4.3），可获得
z p i ln 1 q0
(1.4.10) (1.4.11) (1.4.12)
q z q0
q0 i
2 2
x
2 2
y
i 2k
z
0
(1.4.3)
1. Hermit－Gauss光束
• 利用
• 可获得
F
2
dq
i 1 1 1, , i 2 dz dz q q R dp
(1.5.2)
x
2
F
2
y
2
ik F ik F F 1 1 4 2 4 2 i 2k 0 x y 2 R x 2 R y z
2. 基模Gauss光束的场分布及传输特点
波面的曲率中心到束腰的距离是
R( z ) z z0 z
2
(1.4.33)
因此,Gauss光束等相位面的曲率中心并 不是一个固定点,它随着光束的传播而移 动.
2. 基模Gauss光束的场分布及传输特点
第3讲 典型激光器介绍及光线传输矩阵
能级
图
封离式CO2激 光器结构示意 图
12
3.1 典型激光器介绍
13
3.1 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 。
分段石墨结构Ar+激光器示意图
14
3.1 典型激光器介绍
15
3.1 典型激光器介绍
3、不同介质介面（平面）
ro ri 0
ro
0
1 2
ri
1
ro ro
0
0
1 2
ri ri
Байду номын сангаас
由近轴近似，折射定律可以写成
1 sin ri 2 sin ro 1 ri 2 ro
辐射不是基于原子分子或离子的束缚电子能级间的跃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由于这种辐射1947年在同步加速器上被发现的因而被命名为同步辐射synchrotronradiation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
➢ 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。
典型激光器简介
非均匀加宽可忽略，在整个温度范围内都以均匀加宽为主
21
钕玻璃的非均匀加宽由配位场的不均匀性引起，均匀加
宽则由玻璃网络体的热振动引起。二者所占比例因材料
而异。在室温下，1.06mm谱线非均匀加宽为120～
3600GHz，均匀加宽为60～225GHz。虽然非均匀加宽
大于均匀加宽，但由于交叉弛豫过程，钕玻璃的增益饱 和特性与均匀加宽工作物质相似。
光器比较容易获得大能量输出，适合于调Q
固体工作物质通常加工成圆棒状(或盘片状)，棒侧面磨毛。 对棒两端面的加工要求很高：两端面为垂直于棒轴向的平
行平面，平行误差在5″~10″之间；端面与棒轴向的垂直度
<1″；端面的平整度小于半个光圈。为避免端面反射和内部
寄生振荡，端面镀有增透膜
19
光圈：镜片和样板放在一起的时候会形成干涉条纹，成
10
应用：光纤通信、光存储、光信息处理、科研、医疗等 激光光盘、激光高速印刷、全息照相、办公自动化、激光 准直等等
1962年，第一台半导体激光器——GaAs激光器问世
11
(5) 化学激光器
通过化学反应实现粒子数反转产生激光辐射 工作物质：目前主要是气体，HF、DF、氧碘
激励：化学能，一般采用一些引发措施促成化学反应，光
②
分子激光器：跃迁发生在气体分子不同的振-转能级之间。 主要采用CO2、N2、O2、N2O、H2、H2O等气体分子。代 表CO2激光器
6
③
准分子激光器：分子激光器的一种。 准分子：在基态离解为原子而在激发态暂时结合成分子的 不稳定缔合物。 激光跃迁发生在束缚态和自由态之间。 采用的气体主要有XeF、KrF、ArF、XeCl、XeBr等 典型代表：XeF准分子激光器
第3讲_光线传输矩阵.
f>0，相对于凸透镜 f<0，相对于凹透镜
3.1 简单光学元件光线传输矩阵
3.不同介质介面（平面） 1 sin ri' 2 sin ro' ' ' 1ri 2ro ri’ ro ri
1 ' ' ro ri 2
ro’ ri ro
1 0 ro ri 1 ' ' ro 0 ri 2
1 2
3.1 简单光学元件光线传输矩阵
4.不同介质介面(球面)
ro ri
ri ri ' R ' ri ro ' R
2 ' 1
'
ro’ ri’ ri ro
2 1 1 ' r ri ri 2 R 2
' o
d A 1 f2 d ) f2 1 1 d C [ (1 )] f1 f 2 f2 d d d D [ (1 )(1 )] f1 f1 f2 B d (2
4.1 透镜波导光线稳定条件
rs 1 Ars Brs' ' rs 1 ' Crs Drs
rt ri dri ' r ' r ' i t
ro rt ro ' rt rt ' f
ro ri dri ' ro' ri ( d 1)ri ' 1 f f
d 1 d 1 1 f f
激光原理与技术·原理部分
第3讲 光线传输矩阵
3.0 光线的传播
典型激光器介绍大全(精华版)ppt课件
• 钛蓝宝石（钛宝石，Ti3＋：AL2O3） • Nd:YAG泵浦的Co2+:MgF2激光器。
敏化剂
• 在晶体中除了发光中心的激活离子外，再掺入一种或多种 施主离子，主要作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量， 并将吸收到的能量转移给激活离子。
• 双掺或多掺杂晶体生长困难，工艺复杂。
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27
1、红宝石的基本特性
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10
氦-镉激光器
以镉金属蒸气为发光物质，主要有两条连续 谱线，即波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝 光，典型输出功率分别为1～25mW和1～100mW。主 要应用领域包括活字印刷、血细胞计数、集成电 路芯片检验及激光诱导荧光实验等。
俄罗斯PLASMA公司的氦 镉激光器
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由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的 激光器。
特点：体积最小、重量最轻，使用寿命长，有 效使用时间超过10万小时。
输出波长范围：紫外、可见、红外 输出功率：mW、W、kW。
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14
DFB半导体激光器示意图
DBR半导体激光器示意图
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15
垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）
量子级联激光器(quantum cascade lasers, QCLs)
基于电子在半导体量 子阱中导带子带间跃 迁和声子辅助共振隧 穿原理的新型单极半 导体器件。
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16
光纤耦合（尾纤型-pigtail package）半导体激 光器件
ProLite型光纤耦合单发射激光器
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谱线已达数千种 (160nm~4mm)
工作方式：连续运转（大多数）
多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。
敏化剂
• 在晶体中除了发光中心的激活离子外，再掺入一种或多种 施主离子，主要作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量， 并将吸收到的能量转移给激活离子。
• 双掺或多掺杂晶体生长困难，工艺复杂。
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27
1、红宝石的基本特性
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10
氦-镉激光器
以镉金属蒸气为发光物质，主要有两条连续 谱线，即波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝 光，典型输出功率分别为1～25mW和1～100mW。主 要应用领域包括活字印刷、血细胞计数、集成电 路芯片检验及激光诱导荧光实验等。
俄罗斯PLASMA公司的氦 镉激光器
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由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的 激光器。
特点：体积最小、重量最轻，使用寿命长，有 效使用时间超过10万小时。
输出波长范围：紫外、可见、红外 输出功率：mW、W、kW。
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DFB半导体激光器示意图
DBR半导体激光器示意图
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垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）
量子级联激光器(quantum cascade lasers, QCLs)
基于电子在半导体量 子阱中导带子带间跃 迁和声子辅助共振隧 穿原理的新型单极半 导体器件。
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光纤耦合（尾纤型-pigtail package）半导体激 光器件
ProLite型光纤耦合单发射激光器
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谱线已达数千种 (160nm~4mm)
工作方式：连续运转（大多数）
多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。
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ro
ri
f ri f
ro
ro ri 0
1 f
ri
ri
ro ro
1 1
f
0 1
ri ri
f 0，相对于凸透镜 f 0，相对于凹透镜
24
3.3 简单光学元件光线传输矩阵
气体放电可采用直流或交流的连续放电、射频放电(高频放电)、脉冲放 电等形式。直流和交流放电又分为纵向放电和横向放电两种。
➢ 除放电激励外，还可用电子枪产生的高速电子去激励气体，使之跃 迁到高能级，这称为电子束激励。
9
3.1 典型激光器介绍
▪ 氦-氖(He-Ne)激光器
➢ He-Ne激光器可以分为内腔 式、外腔式和半内腔式三种， 如右图所示。
➢ 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。
19
激光原理与技术
第三讲（下） 光线传输矩阵
激光光学研究方法
激光光学着眼于研究激光的传播问题，即激光通过光学系统 和各种介质的传输变换，以及激光在光学谐振腔内的传播规律。
21
2、光线出射方向指向光轴上方r 0 指向光轴下方r 0
3、凸面反射镜R 0，凹面反射镜R 0。
4、凸折射面R 0，凹折射面R 0。
5、凹透镜f 0，凸透镜f 0
当入射光线与出射光线折射率相同时有：
6、发散球面波R 0，会聚球面波R 0
AD BC 1
▪ 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％。
3.2 光线传输矩阵
任意位置z的光线及光学系统 使用光 几何光学意义上的光线—— 0
可以用矩阵
ro ro
=
A C
表示
B D
ri ri
近轴光线近似
线矩阵：
的前提
光学元件绕光轴旋转对称 均匀介质
光线矩阵的符号规则
1、光线在光轴上方r 0，下方r 0。
➢ He-Ne激光器是典型的四能 级系统。
10
3.1 典型激光器介绍
▪ He-Ne激光器
11
3.1 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
与产 生激 光有
置在可供调节的腔片架
关的
上，最简单的方法是将
CO2
反射镜直接贴在放电管
分子
的两端。
➢ 分子（准分子）---产生激光作用的是没有电离的气体分子，所采用 的分子气体有： CO、N2、 O2、 CO2、N2O和水蒸气等；准分子激 光器的工作气体在常态下为原子，当受到激发时，可暂时形成寿命 很短的分子，称为准分子，这种分子也能产生激光。常采用的准分 子有：Ar2*、Xe2*、XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*、XeO*、 KrO*等。
25
3.3 简单光学元件光线传输矩阵
4、不同介质介面(球面)
g1 g2
ri R
ri
ri R
ro
ro
2 1 2 R
ri
1 2
ri
ro ri
1
ro ro
2 1 2 R
能级
图
封离式CO2激 光器结构示意 图
12
3.1 典型激光器介绍
13
3.1 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 。
分段石墨结构Ar+激光器示意图
14
3.1 典型激光器介绍
15
3.1 典型激光器介绍
d f
1
1 f
0
1
d
1
0
1
28
习题
1、如右图所示厚透镜，H1 和H2分别为 主平面，f 为厚透镜的等效焦距，请
分别用 h1 , h2 , f 和 R1 , R2 , d 写出
厚透镜的光线矩阵
2、现有一光学系统，其光线矩阵为M
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 。
17
3.1 典型激光器介绍
➢ 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
3、不同介质介面（平面）
ro ri 0
ro
0
1 2
ri
1
ro ro
0
0
1 2
ri ri
由近轴近似，折射定律可以写成
1 sin ri 2 sin ro 1 ri 2 ro
16
3.1 典型激光器介绍
▪ 自由电子激光器
➢ 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，由于这种辐射 是1947年在同步加速器上被发现的，因而被命名为同步辐射 （Synchrotron radiation）；
22
3.3 简单光学元件光线传输矩阵
1、通过厚度为d的均匀介质
ro
ri dri ro ri
ro ro
1 0
d 1
ri ri
23
3.3 简单光学元件光线传输矩阵
2、通过焦距为f 的薄透镜
ro ri
rt
rt ri ri d ri
ro
rt
f .rt f
rt
ri d ri ro rt
ro ri d ri
ro
ri f
d f
1
ri
1
M
1 f
d 1
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。
➢ 上海光源
全波段：从远红外到硬X射线连续可调 高强度：总功率为600千瓦； 优良的脉冲时间结构：其脉冲宽度仅为几十
皮秒，相邻脉冲间隔可调为几纳秒至微秒量 级；
18
3.1 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、红宝石激光器
红宝石是在三氧化二铝 Al2O3 中掺入少量的氧化铬 Cr2O3 生长成的
晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子 Cr3＋ ，它属于三能级系统。
3、掺钕钇铝石榴石(Nd 3+：YAG) 将一定比例的Al2O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，
呈淡紫色，它的激活粒子是钕离子 Nd 3+ ，它属于四能级系统。
▪ 固体激光器的基本特性
➢ 能量转换效率低，要经过电、光、原子、激光的途径来形成受激辐 射放大；
➢ 运行方式有连续、脉冲、调Q、放大、调制等； ➢ 输出光谱有数千条，覆盖了可见光、近红外光、紫外（利用晶体实
现倍频） ； ➢ 输出峰值功率极高（锁模）---太瓦、飞秒；
6
3.1 典型激光器介绍
Quantel Frequency-Doubled Nd-YAG
单脉冲能量：500mJ 脉冲宽度：5ns 峰值功率： 108W=0.1GW 重复频率：10Hz 平均功率：5W
7
3.1 典型激光器介绍
▪ 气体激光器的分类
➢ 原子---产生激光作用的是没有电离的气体原子，所采用的气体主要 是 氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体，有时也采用氯、溴、碘、氮、 硫、碳、氧等原子气体，或铯、镉、铜、锰、锡等金属原子蒸气。
激光原理与技术
第三讲（上） 典型激光器介绍
3.1 典型激光器介绍
▪ 固体激光器：红宝石、Nd:YAG ▪ 气体激光器：原子、分子、离子 ▪ 液体激光器：染料激光器 ▪ 新型激光器：光纤激光器、半导体激光器、自由电子激光器、
化学激光器
2
3.1 典型激光器介绍
固体激光器的基本结构与工作物质
1、固体激光器基本上都是由工作物质、 泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系 统构成的。右图是长脉冲固体激光 器的 基本结构示意图(冷却、滤光 系统未画出)。