激光器件原理与技术
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用激光器是一种能够产生高度聚焦、具有高纯度、高单色性的光束的装置。
它的工作原理是通过将一些能量源输入到激光介质中，从而激发介质中的原子或分子跃迁到一个激发态，然后在受激辐射的影响下，将能量原子或分子从激发态跃迁到一个更低的能级，从而产生出高度聚焦、单色性良好的激光光束。
激光器可以应用于多个领域，下面将介绍一些典型的应用。
首先是激光器在医疗领域的应用。
激光可以用于低侵入性手术，如激光抛光、激光热凝固等，这些手术使用激光器可以减少创伤和出血，使手术更加安全和有效。
此外，激光还可以用于治疗皮肤病、眼科手术和癌症治疗等，因为激光可以精确地照射到目标组织，达到切除或破坏病变组织的目的。
其次是激光器在通信领域的应用。
激光可以用于光纤通信系统中的激光器发射端和接收端。
在激光器发射端，激光器产生的激光光束可以通过光纤传输数据，传输效率高、带宽大，可以满足高速数据传输的需求。
在激光器接收端，激光可以被光探测器接收并转换成电信号，进一步处理和传递。
激光器在光纤通信系统中发挥着非常重要的作用，是现代通信技术的关键。
另外，激光器还在制造业中有广泛的应用。
激光可以被用来切割、焊接、打孔、打标等。
比如，激光切割可以通过将高能量密度的激光束直接照射在材料上，使材料熔化、汽化，从而实现切割。
此外，激光打标可以将图案或文字刻在各种材料上，广泛应用于包装、饰品、汽车零配件等制造行业。
此外，激光器还应用于测距、测速、光谱分析等领域。
激光测距原理是通过发送激光脉冲并测量其返回时间来计算出物体与激光器的距离，被广泛应用于测绘、地质勘探、机械制造等领域。
激光测速原理是通过测量激光光束的多普勒频移来计算速度，被广泛应用于交通违章监控、车辆测速等。
激光光谱分析可以通过测量物质吸收、发射或散射激光光束的方式，获得物质的化学成分、构造和性质。
总的来说，激光器作为一种具有特殊光学特性的光源，被广泛应用于医疗、通信、制造业和科学研究等领域。
半导体激光的原理和应用
半导体激光的原理和应用引言半导体激光是一种重要的光学器件，具有广泛的应用领域。
本文将介绍半导体激光的工作原理及其在通信、医疗、制造业等领域的应用。
工作原理半导体激光的工作原理基于半导体材料的特性。
当电流通过半导体材料时，会激发出光子并形成发光。
具体工作原理如下：1.pn结构：半导体激光器的基本结构是由p型半导体和n型半导体组成的pn结构。
在pn结构中，p区和n区之间形成空间电荷区，也称为p-n 结。
2.电流注入：当通过pn结施加适当的电压，电子从n区向p区流动，形成电流注入。
这些电子与空穴在p区与n区之间复合，产生光子。
3.光反射：在激光器的两侧，通常会使用反射镜，以确保光子在激光器内部多次反射，增加激射效果。
4.放大效应：在光子多次反射后，激光器中的光子会被放大，形成激光束。
5.激光输出：当光子放大到一定程度时，会通过激光输出端口输出，形成一束聚焦强度高的激光。
应用领域半导体激光广泛应用于下述领域：1. 通信领域•光纤通信：半导体激光器的小体积、高效率和调制速度的优势，使其成为光纤通信中的关键元件。
它们被用于发送和接收信号，实现高速、稳定的数据传输。
•光纤传感器：半导体激光器可以用于光纤传感器中的光源，通过测量光的特性实现温度、压力和应变等参数的监测。
2. 医疗领域•激光眼科手术：半导体激光器可以用于激光眼科手术，如LASIK手术。
它们通过改变角膜的形状来矫正近视、远视和散光等眼科问题。
•激光治疗：半导体激光器可以用于激光治疗，如治疗疱疹病毒感染、减少毛囊炎症等。
3. 制造业领域•材料加工：半导体激光器用于材料加工，如切割、焊接和打孔等。
由于激光束的高能量密度和聚焦性，它们可以实现高精度的材料加工。
•激光制造：半导体激光器可以用于激光制造，如3D打印、激光烧结等。
它们可以实现复杂结构的制造，提高生产效率。
4. 科研领域•光谱分析：半导体激光器可以用于光谱分析，如拉曼光谱和荧光光谱。
它们可以提供高分辨率和高灵敏度的光谱结果，帮助科研人员研究物质的性质。
光纤激光器的基本结构和工作原理
光纤激光器的基本结构和工作原理一、光纤激光器的基本结构光纤激光器是一种利用光纤作为光学谐振腔的激光器。
它由光纤、泵浦光源、谐振腔和输出耦合器件组成。
1. 光纤：光纤作为光传输的介质，具有较高的光学质量和较低的损耗。
它通常由二氧化硅或氟化物等材料制成。
2. 泵浦光源：泵浦光源是提供激发能量的装置，常见的泵浦光源有半导体激光器、氘灯等。
泵浦光源通过能级跃迁将电能转化为光能，将光纤中的掺杂物激发至激发态。
3. 谐振腔：谐振腔是产生激光放大的空间，由两个反射镜构成，其中一个是部分透射的输出耦合镜。
谐振腔中的光纤被反射镜反射多次，形成光学谐振，增强光的幅度。
4. 输出耦合器件：输出耦合器件是将放大的激光从谐振腔中输出的装置，常见的输出耦合器件有反射镜、光栅等。
它通过调节输出耦合器件的透射率，实现激光的输出。
二、光纤激光器的工作原理光纤激光器的工作原理是基于激光的受激辐射过程。
其工作过程主要可以分为三个步骤：泵浦、光放大和激射。
1. 泵浦：泵浦光源产生的高能量光通过耦合装置输入光纤，激发光纤中的掺杂物（如铥、镱、铍等）的原子或离子跃迁到激发态，形成一个能级反转。
2. 光放大：光纤中的激发态粒子通过受激辐射过程，发射出与泵浦光源相同频率和相干相位的光子。
这些光子经过多次反射，在谐振腔中不断放大，形成光的增强。
3. 激射：当光的增益超过谐振腔的损耗时，光纤激光器开始产生激射。
激射的激光经过输出耦合器件，部分透射出光纤，形成激光输出。
光纤激光器的工作原理可以通过能级图来解释。
在泵浦过程中，泵浦光源提供的能量使得光纤中的掺杂物原子或离子跃迁到激发态。
在光放大过程中，激发态粒子通过受激辐射过程，发射出与泵浦光源相同频率和相干相位的光子。
这些光子通过多次反射，在谐振腔中不断受到增益介质的放大。
当光的增益超过谐振腔的损耗时，光纤激光器开始产生激射，形成激光输出。
光纤激光器具有很多优点，如小型化、高效率、高质量光束、稳定性好等。
激光原理与技术完整ppt课件
够存在于腔内的驻波(以某一波矢k为标志)称为电磁被的模式或光波模。一种模式是电
磁波运动的一种类型，不同模式以不同的k区分。同时，考虑到电磁波的两种独立的偏振，
同一波矢k对应着两个具有不同偏振方向的模。
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下面求解空腔v内的模式数目。设空腔为V=ΔxΔyΔz的立方体，则沿三个
坐标轴方向传播的波分别应满足的驻波条件为
第八章 激光器特性的控制和改善
8.1 模式选择 8.2 频率稳定 8.3 Q调制 8.4 注入锁定 8.5 锁模
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第九章 激光器件
9.1 固体激光器 9.2 气体激光器 9.3 半导体激光器 9.4 染料激光器
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第一章 激光的基本原理
本章概激光器基本原理。讨论的重点是光的相干性和光波模式的联系、光的受激辐
（1.1.4）
式中E0为光波电场的振幅矢量，ν为单色平面波的频率，r为空间位置坐标矢量，k为波
矢。而麦克斯韦方程的通解可表为一系列单色平面波的线性叠加。
在自由空间，具有任意波矢k的单色平面波都可以存在。但在一个有边界条件限制的
空间V(例如谐振腔)内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波。这种能
第六章 激光器的放大特性
6.1 激光放大器的分类 6.2 均匀激励连续激光放大器的增益特性 6.3 纵向光均匀激励连续激光放大器
的增益特性 6.4 脉冲激光放大器的增益特性 6.5 放大的自发辐射（ASE） 6.6 光放大的噪声
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第七章 激光振荡的半经典理论
7.1 激光振荡的自洽方程组 7.2 原子系统的电偶级距 7.3 密度距阵
二、光波模式和光子状态相格 从上面的叙述已经可以看出，按照量子电动力学概念，光波的模式和光子的状态是等
激光器及其原理简介
♦ Ne原子可以产生多条激光谱线, 图中标明了最强的三条:
0．6328μｍ 1．15 μm 3．39 μｍ
它们都是从亚稳态到非亚稳态、 非基态 之间发生的，因此较易实现粒子数反转。
§4 增益系数
激光器内受激辐射光 来回传播时，并存着
增益 损耗
增益——光的放大；
损耗——光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。
§6 激光的特性及其应用
★方向性极好的强光束 --------准直、测距、切削、武器等。
★相干性极好的光束 --------精密测厚、测角，全息摄影等。
例１．激光光纤通讯
由于光波的频率 比电波的频率高 好几个数量级，
一根极细的光纤 能承载的信息量， 相当于图片中这 麽粗的电缆所能 承载的信息量。
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
N2
− E2 − E1
= e kT
<1
N1
数量级估计：
T ～103 K；
kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
E 2-E 1～1eV;
N2
− E2 − E1
= e kT
−1
= e 0.086
≈ 10−5
<< 1
N1
但要产生激光必须使原子激发;且 N2 > N1, 称粒子数反转(population粒子数反转 一. 为何要粒子数反转 (population inversion)
从E2 E1 自发辐射的光，可能引起 受激辐射过程，也可能引起吸收过程。
⎜⎛ ⎝
dN 21 dt
⎟⎞ ⎠受激
=
B21ρ (ν
,T
)N 2
半导体激光器原理
半导体激光器原理
半导体激光器是利用半导体材料的特性产生激光束的一种器件。
它的工作原理基于半导体材料中电子能级的跃迁。
在激光器中，通常使用的半导体材料是由两种不同掺杂类型的半导体材料构成的PN结。
当外加电压施加在PN结上时，电
子从N区域流向P区域，而空穴则从P区域流向N区域。
当
电子和空穴在PN结的交界处重新结合时，会释放出能量。
这
能量释放的过程就是激光产生的基础。
在半导体材料中，能带结构可以分为价带和导带。
当材料处于基态时，电子填充在价带中，但是通过提供适当的能量，电子可以跃迁到导带中。
这个过程被称为光激发或电子激发。
在半导体激光器中，通过施加电压，使准确能量的电子跃迁至导带。
这个过程被称为激子的形成。
当电子从激子态跃迁回到基态时，会释放出光子。
这些光子经过多次反射和放大（通过增强光程），形成了强大的激光束。
为了增强激光的一致性和方向性，半导体激光器通常使用谐振腔。
谐振腔由两个反射镜构成，使得光以特定波长的形式在激光器内部反射。
其中一个反射镜是高反射镜，具有非常高的反射率，而另一个镜子是半透射镜，只有一小部分光能透过。
通过调节激光器的驱动电流和温度等参数，可以控制激光的频率和输出功率。
半导体激光器可以广泛应用于通信、医疗、制造和科学研究等领域。
光纤激光器的原理与应用
光纤激光器的原理与应用激光器是一种产生具有高相干性、窄谱线宽、高亮度和方向性良好的光束的器件。
其中，光纤激光器是一种以光纤为增益介质的激光器，其令人惊叹的稳定性、高效率和小尺寸使其在许多应用领域中发挥着越来越重要的作用。
一、光纤激光器的原理为了理解光纤激光器的原理，首先需要知道激光器是如何产生光束的。
激光器工作时，精心设计的激活剂被加入至玻璃管中，然后通电。
激活剂的状态变化会在一个非常短的时间内释放能量，这种能量可用于激发带电粒子，进而导致原子的激发，最终导致受激辐射产生激光。
在光纤激光器中，增益介质不是用玻璃管装载的气体或晶体，而是用光纤做增益介质。
增益介质在通过激光器过程中会发生受激辐射，在辐射过程中会释放能量，这个能量过量的爆发会使光纤内的电子获得激发，进而导致原子的激发以及光纤材料的激发。
这个过程引发了特定波长和相干性的光线的产生，同时这个光线通过光纤中的反射，最终得到滤除激光调谐腔产生激光输出。
二、不同类型的光纤激光器其中，光纤激光器可以根据激发方式和放大机制进行分类。
激发方式的不同可能导致在不同领域中的应用范围差异。
放大机制的不同可能会导致不同输出功率和效率的激光器。
1. 纳秒脉冲激光器典型的例子是Nd：YAG（钕掺杂氧化铝）激光器，它通过大于1纳秒的脉冲激光器产生激光。
这样的激光器可以产生非常高的峰值功率，但输出持续时间短。
2. 二极管泵浦激光器二极管泵浦激光器是一种高效激光器，通常用于做纤维光通信。
3. 光纤增益器光纤增益器通过扩展单束光线来实现放大，而无需在激光器中产生光线。
光纤放大器被广泛用于无线电遥控器实验、相关制备和光通信中。
三、光纤激光器的应用1. 通信系统光纤激光器是制造光通信系统所必需的核心设备。
光纤激光器对于高反射和光衰减可以进行优化，对于高速数据和光纤隔离能力也有显著优势。
2. 材料加工光纤激光器在放大器和眼镜品质点焊上是最广泛应用的激光器。
其高速斩割速度和卓越质量使其在快速减薄、包装和切割方面成为重要工具。
激光头原理
激光头原理激光头是一种利用激光技术进行信息读写的设备，广泛应用于光盘、激光打印机、激光扫描仪等领域。
激光头的工作原理是通过激光束对介质进行读写，从而实现信息的存储和传输。
激光头的原理涉及光学、电子等多个领域的知识，下面将对激光头的工作原理进行详细介绍。
首先，激光头的核心部件是激光二极管。
激光二极管是一种能够产生激光的半导体器件，其工作原理是通过电流激发半导体材料，使其产生光子，从而产生激光。
激光二极管的发光特性稳定，功耗低，体积小，是激光头的重要组成部分。
其次，激光头还包括透镜系统和光学传感器。
透镜系统用于调整激光束的焦距和聚焦点，保证激光束能够准确地照射到介质表面。
光学传感器则用于检测介质表面的反射光信号，从而实现信息的读取和写入。
激光头的工作原理可以分为读取和写入两个过程。
在读取过程中，激光头发出激光束照射到介质表面，介质表面的反射光信号被光学传感器检测并转换为电信号，通过信号处理电路进行解码，最终得到存储在介质中的信息。
在写入过程中，激光头同样发出激光束照射到介质表面，通过调节激光的功率和聚焦点，改变介质表面的物理状态，实现信息的写入。
除了读取和写入功能，激光头还具有定位和跟踪功能。
在信息读写过程中，激光头需要准确地定位介质表面，并跟踪介质表面的变化，以确保激光束能够准确地照射到目标位置。
这就需要激光头配备精密的定位和跟踪系统，以实现高精度的信息读写。
总的来说，激光头是一种利用激光技术进行信息读写的设备，其工作原理涉及激光二极管、透镜系统、光学传感器等多个组成部分。
通过激光束的照射和反射光信号的检测，激光头可以实现信息的存储和传输，具有高精度和高效率的特点。
激光头在光盘、激光打印机、激光扫描仪等设备中得到广泛应用，为信息技术的发展做出了重要贡献。
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1.2 激发与电离 e ′ + A ――― e + A′ （原子激发） e ′是高速电子，A是基态原子，e是低速电子，A′ 是激发态原子 高速电子碰撞基态原子后，原子吸收了电子的部分 能量跃迁到激发态，而电子的速度降低。 e′ + A ―――― e + A+ + △e （原子电离） 当碰撞的电子能量大于原子的激发能（电离能） 时，原子吸收电子的能量被电离，电子的能量降 低。
1.3 共振能量转移 A* + B ――― A + B* +/- △e A*是亚稳态原子。原子A和B碰撞时，亚稳态 的原子A的能量转移到了基态原子B上，使 得原子B处于了亚稳态，而原子A回到了基 态，同时伴有少量的能量吸收或释放
1.4气体放电的方式 图：
图中：D点以前， 非自持放电 （D点为气体放电的着火点） DE段： 辉光放电过渡区 EF段： 正常辉光放电区 （氦氖激光器，CO2激光器工 作区） FG段： 反常辉光放电区 GH段： 弧光放电过渡区 （G点为弧光着火电压点） H点以后： 稳定弧光放电区 （Ar+激光器工作区）
激光器件原理与设计
Laser Device Principle and Design
授课：戴 智 刚
教材： 刘敬海 徐荣甫 《激光器件与技术》，北京理工 大学出版社 参考书： 《激光器件原理与设计》，李适民，科学国防工 业出版社，1998 《固体激光器件》，吕百达，北京邮电大学出版 社，2002 《半导体激光器及其应用》，黄德修，刘雪峰， 国防工业出版社，1999 《激光技术》，蓝信钜，湖南科学技术出版社， 《激光原理》，周炳琨等级 典型的四能级系统 图： 共振转移： He原子的21S0和23S1态分别与Ne原子的3S﹑2S态靠得 很近 He + e* ――― He（21S0）+ e He + e* ――― He（23S1）+ e He（21S0）+ Ne ――― He + Ne（3S2)+0.048ev He（23S1）+ Ne ――― He + Ne（2S2)+0.039ev 电子碰撞激发：（与共振转移相比，此过程的激发速率要 小得多） e* + Ne ――― e + Ne（2S) e* + Ne ――― e + Ne（3S) 串级跃迁：Ne与电子碰撞被激发到更高能态，然后再跃 迁到2S和3S态，此过程贡献最小
二 氦氖激光器 2.1氦氖激光器的结构 氦氖激光器的三个主要组成部分分别选择如下： 工作物质： He-Ne气体（He为辅助气体），气压比 为5：1－7：1 谐振腔： 由于其增益较小，因此一般用平凹腔，平 面镜为输出镜，透过率约1％－2％，凹面镜为全反射镜 泵浦系统： 一般采用放电激励 激光管结构： 按谐振腔与放电管的放置方式分为内腔式 ﹑外腔式 ﹑半内腔式 按阴极及贮气室的位置不同分为 同轴式 ﹑旁轴式 ﹑ 单细管式 书上第八面都有相关的图片介绍
2.2 He－Ne激光器的特点 氦氖激光器的能级跃迁是一个四能级系统，比较复杂，能产 生的谱线很多，主要有 典型谱线： 632.8nm 1.15m 3.39m 其他谱线： 612nm 594nm 543nm 优点：1. 光束质量好 Θ＜1mrad 2.单色质量好，带宽＜22Hz 3.稳定性高 功率稳定（ ＜2％） 频率稳定（ ＜ 5×10-15） 4.在可见光区 东南大学研制出世界领先的氦氖激光器：这种新型高功率氦 氖激光器包含4支高功率氦氖激光管，其激光输出耦合单 股石英光纤 ，光纤末端输出的激光可用于辐照治疗病灶， 所用的光纤可以更换，以适合各种病症。激光功率可调， 并附有激光功率监视、检测装置和定时、报警装置。操作 使用简便，工作稳定，省电、无水冷，故便于推广。
第一章 绪论
1 激光发展的理论基础 阴极射线理论 早期对光传输的认识 喇曼效应的提出 爱因斯坦光量子理论和受激辐射理论 微波技术
2 激光技术的发展历史 激光工业上的应用 激光医学上的应用 激光测量技术 激光化学中的应用 （同位素分离) 激光在通信领域的应用 激光在军事领域的应用 激光对集成光路研究的影响 激光全息技术
3 激光器的研究发展历史
世界第一台激光器：红宝石激光器 1960年 美国 梅曼
我国第一台激光器： 1961年 长春光学精密机械研究所 此后10年，各种激光器相继研制出来 20世纪70年代，逐步走向市场 虽然从一诞生，就进入实用阶段，但最近研究发展缓慢
4各种激光器的简要介绍 气体激光器 （He－Ne ﹑CO2 ﹑Ar+ ﹑准 分子等等） 固体激光器（YAG ﹑红宝石﹑钕玻璃等等） 半导体激光器（特殊处：不是在有完整的理 论基础上而研制出来的） 染料激光器 （可调谐） 光纤激光器 飞秒激光器
一 气体激光器的基本知识 气体激光器的优点 1. 工作物质均匀性好，输出激光光束质量好 2. 谱线宽，从远红外到紫外 3. 输出功率大，转换效率高（电光转换） 4. 结构简单，成本低 1.1 气体放电基本原理 气体放电粒子种类： 1）中性粒子 CO2, He－Ne 2）带电粒子 Ar+ 3）激发粒子 A′ 碰撞规律： 气体放电中，带电粒子之间以及带电粒子与 中性气体粒子（分子或原子）之间进行着频繁的碰撞，有 了碰撞才有了电离和激光上下能级的激发和消激发。碰撞 分弹性碰撞和非弹性碰撞，碰撞后粒子的内能发生变化的 碰撞就是非弹性碰撞。气体原子（分子）的激发和电离过 程，都属于非弹性碰撞。
第二章 He－Ne气体激光器
回顾：激光器的基本结构 所有激光器的基本组成都包括三大部分： 工作物质： 激光器的核心 氦氖激光器的He －Ne气 Nd+3：YAG激光器中的Nd+3 谐振腔： 形成激光振荡的必要条件，还对 光束质量起着约束作用，分类有平平腔﹑ 平凹腔或稳定腔﹑非稳腔等 泵浦系统： 为实现粒子数反转提供外界能量， 激励方式有电激励 光激励 热激励 化学能 激励 核能激励