激光原理与技术(10-11)
激光原理与激光技术
激光原理与激光技术激光（Laser，即Light Amplification by Stimulated Emissionof Radiation）原理是指利用原子、分子或离子等粒子通过受激辐射发射光子，从而引起其他粒子产生受激辐射的过程，从而使辐射出的光具有相干性、单色性和直线性等特点。
激光技术是基于激光原理的一种应用技术，广泛应用于科学研究、通信、医疗、材料加工、军事等领域。
它具有高度单色性、方向性和相干性等特点，能够产生高亮度、高纯度的单色激光束，并可以进行定向传输、聚焦和控制。
激光原理主要通过三个步骤来实现：激发、放大和光学反馈。
首先是激发过程。
将能量输入到激光介质中，使其处于一个激发态。
这可以通过电子束、光束或电流等方式来实现。
然后是放大过程。
在激发态下，原子、分子或离子等受激发射出来的光子会与其他处于低能级的粒子相互作用，导致这些粒子也被激发至高能级。
这个过程将光子从激光介质中放大，使其能量不断增加。
最后是光学反馈。
在放大过程中，要控制光的传播方向和放大程度，需要将部分放大的光子反馈回激光介质中，形成一个正反馈的光学腔。
这个腔可以是一个反射镜和光学波导等结构，它能够使激光束在垂直方向上相互干涉，进而形成一束单色、单一模式的激光。
激光技术可以广泛应用于科学研究。
激光器的单色性和方向性使得其在光谱学、光学干涉、光学光谱分析等领域有着重要应用。
例如，在拉曼光谱仪中，激光光源通过与样品相互作用，可以提供样品的分子振动信息。
激光技术在通信领域也有着重要的应用。
光纤通信使用激光器作为光源，激光器发出的激光信号可以在光纤中传输，并在接收端被转换为电信号。
激光技术的高方向性和低衰减特性使得光纤通信成为现代通信领域的重要技术。
医疗领域也广泛应用了激光技术。
激光可以用于激光手术、激光治疗以及激光检测等方面。
激光手术是通过高能量的激光束来以非接触、非侵入的方式切割、燃蚀或疏通病变组织。
激光治疗则是利用激光的光热效应和生物刺激效应来达到治疗目的。
激光原理与技术
激光的特性：方向性好、单色好、相干性好、亮度高。
由于谐振腔对光振荡方向的限制，激光只有沿腔轴方向受激辐射才能振荡放大，所以激光具有很高的方向性。
半导体激光器的方向性最差。
衍射极限θm≈1.22λD(λ为波长，D为光束直径)；激光是由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，所以单色性极好。
单模稳频气体激光器的单色性最好，半导体激光器的单色性最差；激光是通过受激辐射过程形成的，其中每个光子的运动状态（频率、相位、偏振态、传播方向）都相同，因而是最好的相干光源。
激光是一种相干光这是激光与普通光源最重要的区别；激光的高方向性、单色性等特点，决定了它具有极高的单色定向亮度。
相干性包括时间相干和空间相干，有时用相干长度L C=C∆V 来表示相干时间。
自发辐射：处于高能级E2的原子自发地向低能级跃迁，并发射出一个能量为hv=E2−E1的光子，这个过程称为自发跃迁。
自发辐射跃迁概率（自发跃迁爱因斯坦系数）A21=（dn21dt ）sp1n2=−1n2dn2dt（n2为E2能级总粒子数密度；dn21为dt时间内自发辐射跃迁粒子数密度）；受激辐射：在频率为v=(E2−E1)/h的光照激励下，或在能量为hv=E2−E1的光子诱发下，处于高能级E2上的原子可能跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与诱发光子的状态完全相同的光子，这个过程称为受激辐射跃迁W21=（dn21dt ）st1n2=−1n2dn2dt。
受激辐射跃迁与自发辐射跃迁的区别在于，它是在辐射场（光场）的激励下产生的，因此，其月前概率不仅与原子本身的性质有关，还与外来光场的单色能量密度ρv成正比，W21=B21ρv，B21称为爱因斯坦系数；受激吸收：处于低能级E1的原子，在频率为v的光场作用（照射）下，吸收一个能量为h v21的光子后跃迁到高能级E2的过程称为受激吸收跃迁，受激吸收恰好是受激辐射的反过程。
受激吸收跃迁概率W12=（dn12dt ）st1n1=1n1dn2dt，与上个概念类似，W12=B12ρv，B12称为爱因斯坦系数。
激光原理与技术
激光的光化学效应与光生物效应
光化学效应
激光能够激发化学反应，改变物质的化学性 质。光化学效应在光催化、光合成等领域具 有重要应用，如利用激光诱导化学反应合成 新材料。
光生物效应
激光对生物组织的作用，包括光热作用、光 化学作用和光机械作用等。光生物效应可用 于激光治疗、光遗传学等领域，如利用激光 进行视网膜修复、神经刺激等。
激光的特性
激光具有一系列独特的特性，如方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等。这些特性使得激光在科学研 究、工业生产、医疗诊断等领域具有广泛的应用价值。
02
激光器类型与技术
固体激光器
01
02
03
晶体激光器
使用掺杂有激活离子的晶 体作为工作物质，如 Nd:YAG激光器。
玻璃激光器
以玻璃为基质，掺入激活 离子制成的激光器，如钕 玻璃激光器。
变换特性
利用光学系统，如透镜组、反射镜、波片等，可以对激光束进 行变换，如扩束、缩束、旋转、偏振状态改变等。
激光束的聚焦与整形
聚焦特性
通过透镜或反射镜等聚焦元件，可以将激光束聚焦到极小的焦点上，实现高能量密 度的集中。聚焦后的激光束可用于切割、焊接、打孔等高精度加工。
整形特性
利用特定的光学元件或算法，可以对激光束进行整形，如生成特定形状的光斑、实 现均匀照明等。整形后的激光束可应用于光刻、显示等领域。
激光治疗
利用激光的生物刺激效应，对病 变组织进行照射，以达到治疗目
的。
激光手术
使用激光代替传统手术刀进行手 术，具有精度高、出血少、恢复
快等优点。
激光美容
通过激光照射肌肤，改善皮肤质 地、去除色斑、减少皱纹等。
激光通信技术
光纤通信
激光原理与技术实验指导书
《激光原理与技术实验指导书》实验报告广东技术师范学院电子与信息学院目录仪器要求与安全保护 (2)实验一、LD泵浦ND:YVO4固体激光器的基本概念与主要参数测量 (3)实验二、LD泵浦ND:YVO4固体激光器光斑尺寸的测量 (12)实验三、LD泵浦ND:YVO4固体激光器远场发散角的测量 (16)实验四、声光调Q技术实验五、HE－NE激光器谐振腔调节 (28)实验六、HE-NE激光器的模式分析 (31)仪器要求与安全保护1、仪器安装在干燥、无灰尘、通风良好、远离热源和强（电）磁场的地方。
2、工作温度： 10～15o C3、相对湿度：＜70%4、工作电源： 220V±15% 50HZ5、安全防护（1）使用 He-Ne 激光器时，“+”，“-”（正，负）极不要插（接）错（2）激光管的电流不要调的过高，否则容易击穿，烧毁管子。
（最好接厂方给定的最佳电流）（3）激光出光后，眼睛不要直接直射观察激光点，否则容易损坏眼睛。
（4）He-Ne 激光管都是玻璃制品，易碎，小心轻拿轻放。
调节螺钉不要拧的太紧。
6、日常维护（1）外腔（或半内腔）激光管，外部活动的谐振腔，不要弄脏布儒斯特窗面，不要沾上灰尘否则不出光。
（2）激光管不要放在潮湿的地方，长时间不用时，最好隔几天点燃一次（特别是夏天）时间 20～30 分钟。
（3）半导体泵浦激光器实验装置应注意防潮，放置于比较干燥的地方。
在不使用时请将仪器上盖盖好，端盖旋紧，防止灰尘进入仪器。
注意：1激光对人眼睛有伤害，注意眼睛不要直接对着光源。
2激光器的电源电压上千伏，注意小心，不要触摸。
实验一、LD 泵浦Nd:YVO 4固体激光器的基本概念与主要参数测量一、实验目的与要求1、掌握LD 泵浦Nd:YVO4固体激光器的基本概念与激光器的调节2、掌握连续激光器阈值概念及测量方法3、掌握连续激光器斜率效率及测量方法二、实验类型综合型三、实验原理及说明1. 普通光源的发光—受激吸收和自发辐射普通常见光源的发光（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。
精选ppt
9
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
精选ppt
5
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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6
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
精选ppt
4
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
激光原理与技术的名词解释
激光原理与技术的名词解释激光（Laser）是一种通过光的放大和受激辐射而产生的高度聚焦的、单色的、高能量的光束。
激光技术是一项重要的现代科学技术，广泛应用于医疗、通信、制造业等领域。
本文将从激光原理、激光器种类、激光应用等方面对激光技术进行深入解释。
激光原理是指通过特定的装置和工作介质来产生激光的物理过程。
激光原理的关键在于能级跃迁和受激辐射。
能级跃迁是指原子或分子在受到外界能量激发后，电子从低能级跃迁到高能级，然后再从高能级跃迁回到低能级释放出光子。
受激辐射是指在一个已经存在的光子的作用下，原子或分子激发态上的电子从高能级跃迁回到低能级，产生与外界光子一致的光子。
通过这种循环的过程，激光得以产生和放大。
根据激光器的工作方式和工作介质的不同，激光器可以分为气体激光器、固体激光器和半导体激光器。
气体激光器利用气体（如氦氖）放电时的原子或分子跃迁产生激光。
固体激光器则利用固体晶体（如钛宝石）中的掺杂物在激光器外加入能量时跃迁产生激光。
而半导体激光器是基于半导体材料的PN结构或异质结构，在电流作用下产生激光。
激光技术具有独特的特点和广泛的应用。
首先，激光具有高度聚焦的特点，可以实现对微小区域的精确加工和切割。
例如，在制造业中，激光切割可用于金属板材、塑料制品等的切割加工。
其次，激光具有高单色性，在通信领域中，激光器可以作为发射源，通过光纤传输信息。
另外，激光还可以用于医疗领域，例如激光手术刀可实现精确切割，激光治疗可用于皮肤病的治疗。
此外，激光还可以应用于测距、测速、材料分析等领域。
除了常见的激光器外，还有一些特殊种类的激光器。
例如，有色激光器是指通过改变激光输出波长，使激光具有红、绿、蓝等特定颜色的激光器。
这种激光器广泛应用于舞台灯光、激光显示器等领域。
另外，超快激光器是指脉冲宽度极短的激光器。
它具有很高的能量密度和短时间尺度，可用于材料表面改性、光学显微镜等领域。
激光技术的应用还在不断发展和创新。
激光原理与技术PPT课件
激光手术
阐述激光手术在眼科、神 经外科等领域的应用及优 势，如精度高、创伤小等 。
05
CATALOGUE
激光测量与检测技术
激光干涉测量技术
1 2
干涉测量原理
利用激光的相干性，通过干涉条纹的变化来测量 长度、角度等物理量。
干涉测量系统组成
包括激光器、分束器、反射镜、探测器等部分。
3
干涉测量技术应用
时间特性
激光束的时间特性包括脉冲宽度、重复频率和稳定性等。其中，脉冲宽度决定 了激光的峰值功率和能量，重复频率则影响了激光的平均功率。稳定性则是确 保激光束在长时间内保持一致性的关键因素。
激光束的调制与偏转技术
调制技术
通过对激光束进行幅度、频率或相位等调制，可以实现信息 的加载和传输。常见的调制方式包括振幅调制、频率调制和 相位调制等。这些调制技术使得激光束能够携带更多的信息 ，并在通信、传感等领域得到广泛应用。
对皮肤的危害
长时间或高强度激光照射皮肤， 可能导致皮肤烧伤、色素沉着、 皮肤癌等严重后果。
激光安全标准与防护措施
激光安全标准
国际电工委员会（IEC）和美国激光产品安全标准（ANSI）等制定了激光产品的 安全标准，包括激光等级分类、安全警示标识、使用说明等。
防护措施
使用激光产品时，应佩戴合适的防护眼镜或面罩，避免直接照射眼睛或皮肤；同 时，应在激光工作区域内设置明显的安全警示标识，提醒他人注意安全。
偏转技术
激光束的偏转技术主要是通过改变激光束的传播方向来实现 。常见的偏转方式包括机械偏转、电光偏转和声光偏转等。 这些偏转技术使得激光束能够灵活地指向目标，并在激光雷 达、光学扫描等领域发挥重要作用。
激光束的聚焦与整形技术
激光原理与技术PPT(很全面)
04
激光与物质相互作用
激光与物质相互作用的基本过程
激光束在物质中的传播
包括反射、折射、吸收和散射等现象。
激光与物质相互作用的机理
包括光热作用、光电效应、光化学效应等。
激光与物质相互作用的特点
如高能量密度、高亮度、高方向性等。
激光加工原理及应用
1 2
激光加工的基本原理
通过高能激光束对材料进行加热、熔化、汽化或 达到其他物理或化学变化，以实现加工目的。
应用领域
适用于气体、液体和固体等多种介质的流速测量，如风速测量、 血流速度测量等。
激光光谱分析技术
光谱原理
不同物质具有不同的光谱特征，通过测量物质的光谱信息可以分析 其成分和性质。
分析方法
包括激光拉曼光谱分析、激光荧光光谱分析等，可用于物质的定性、 定量分析。
应用领域
广泛应用于化学、生物、医学、环境等领域，如药物分析、环境监测 等。
液体激光器
染料激光器
使用有机染料作为增益介质，通过 泵浦光激发染料分子产生激光，具 有宽调谐范围和短脉冲输出能力。
液体激光核聚变
利用高功率激光束照射含有氘、氚 等聚变燃料的靶丸，实现核聚变反 应，是惯性约束聚变研究的重要手 段。
半导体激光器
边发射半导体激光器
电流注入半导体PN结，电子与空穴复 合释放能量形成激光输出，具有体积 小、效率高、寿命长等优点。
特性
方向性好，亮度高，单色 性好，相干性好。
应用领域
激光加工、激光测距、激 光雷达、激光通信、激光 治疗等。
02
激光器类型及技术
固体激光器
晶体激光器
使用掺杂稀土元素的晶体 作为增益介质，如Nd:YAG 激光器。
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w13
n2 经历的两种变化过程 1 0<t<t0 激励过程中 n2 t>t0 泵浦脉冲撤除 n2 2
t0
t
0 t t0
W13 0
1
n2
n2(t0)
A 21 1W13 t 1 e 2 n2 t A21 1W13
激光原理与技术
18
三种主要激光器的振荡阈值定性分析
1. 四能级系统激光器阈值低于三能级系统 四能级 n1 0, 只需抽运Dnt 粒子就可使 g>a 形成振荡 三能级 n1为基态, 至少要抽运 n/2 粒子, 且 n/2 >> Dnt
2. 三能级系统激光器损耗对光泵阈值影响不大，而四能级系统阈值能
212t s 激光原理与技术
17
三种主要激光器的振荡阈值
优良激光工作物质－荧光线宽较小 (钕玻璃&YAG比较)
激光器种类 F (Hz) ts (S) nt (cm-3) n2t(cm-3) F Ept/ V (J/cm3) Ppt/ V (W/cm3) 红宝石 3.3×1011 3×10－3 8.7×1017 ~9.5×1018 0.7 5 1600 钕玻璃 7×1012 7×10－4 1.4×1018 1.4×1018 0.4 0.95 1400 Nd:YAG 1.95×1011 2.3×10－4 1.8×1016 1.8×1016 1 4.9×10－3 21 He-Ne 1.5×109 7×10－9 109
从泵浦→阈值附近(尚未形成自激 振荡),可忽略受激辐射跃迁过程
n2 S21 A21 A21n2 A n 21 2 A21 2 S21 A21
n3S32 1nW13 1
其中 2 A21 A21 S21 表征E3能级向基态跃迁的荧光效率
dn2 f n2 2 n1 21 , 0 Nl n2 S21 A21 n3 S32 2 dt f1
1 S32 S32 A31 2 A21 A21 S21 t 2 t s
单位时间单位体积内， E2E1 跃迁的粒子数 n2t t 2 或 n2t t s 2 2 要维持 n2 n2t 需要 E3E2 粒子的跃迁补充 n2 t s 2 2 同样多的粒子数
激光原理与技术
21
1 均匀加宽激光器中的模竞争及自选模作用
纵模
g0
q
c 2 L
1 , 2 , 3 .....
g 0 gt
g th
l
1
2
2
3
...
...
满足阈值条件的几个模在振荡过 程中，由于增益饱和效应，别的 模被抑制下去，唯独剩下最靠近 中心频率的那个模，这种现象称 之为模竞争（mode competition）
n2
2
n2 完成增长过程达到稳定值,可按稳态处理 4 t0 < t2 短脉冲泵浦,时间极短,忽略SP
t
dn2 W13 n n2 1 dt
n2 t n1 exp1W13t
脉冲激光器与连续激光器 的特性既有差别又有联系。 8
光泵作用过程中, n2(t) 处于不断增长的非稳态
Ft s
h pV
F 21lt s
n2t /( Ft s )
E1
S10
n2t /(2t s )
－泵浦光子能量
E0
F 12 －总量子效率
激光原理与技术
16
短脉冲（t0<<t2）激光器的阈值泵浦能量
短脉冲激励：忽略自发辐射(A21)及无辐射跃迁(S21)，只考虑泵浦激励作用 对四能级系统： 若要使 n2=1 需吸收（泵浦）光子数 (1/1) 要使 n2=n2t 需吸收（泵浦）光子数 (n2t / 1 )
Nl c
LA dNl dt
Nl
c
t Rl
L c
L l L l
N l AL
dNl f l c n2 2 n1 21 , 0 cNl N l dt f1 L L
S21 A21
n1 n3 n
n3S32 1nW13 1
泵浦效率 1 S32 S32 A31 荧光效率
其中 1 S32 S32 A31 表征E3能级向E2能级无辐射跃迁的量子效率
2 A21 A21 S21
激光原理与技术
5
泵浦激励与高能级集居数
当单位体积吸收的泵浦光子数 > ( n2t / 1 ) 就能产生激光
短脉冲激光器 四能级
E pt h p n2tV
长脉冲或连续激光器
1
h pV
1 21l
Ppt
Ppt
h p ntV
12t s
h p nV
h pV
Ft s 21l
三能级
E pt
h p nV 21
激光原理与技术
激光器的处理方法
连续激光器－稳定工作状态(稳态)
各能级粒子数及腔内光子数密度达到稳定状态。
速率方程
代数方程
脉冲激光器－非稳定工作状态(非稳态)
泵浦持续时间短, 各能级粒子数及腔内光子数密度处于剧烈的变化 之中。根据泵浦持续时间t0 及激光上能级寿命t2 对脉冲激光器细分 短脉冲激光器(t0<t2 ) 未达到平衡,泵浦作用终止
阈值反转粒子数密度 阈值增益系数 阈值泵浦功率或能量（外部需提供的功率或能量）
集居数反转状态 谐振腔内的损耗
光信号的增强 光信号的减弱
振荡条件取决于增 益与损耗的大小
激光原理与技术
11
阈值反转粒子数密度
dNl dt
Va Al
N f n2 2 n1 21 , 0 vNl l f1 t Rl
脉冲激光器
W13(t) w13
短脉冲激光器 长脉冲激光器
增益特性
驰豫振荡效应 矩形脉冲激励
0
t0
t
0 t t0 t t0
W13 t W13 W13 t 0
激光原理与技术
4
泵浦激励与高能级集居数
E3 S3 E2 w13 A31 S3
1 2
1
dn3 n1W13 n3 S32 A31 dt
量正比于光腔损耗, 应保证腔内各光学元件质量, 减小各种损耗
激光原理与技术
19
三种主要激光器的振荡阈值定性分析
3. Ppt, Ept 与工作物质特性有关
, ,t
F 21
s
, F
Ppt
h pV
F 21t sl
F , 21 ,t s Ppt , Ept
v 2 A21 21 2 2 4 0 H
S32 W13 ,使 n3 0
A21 S21 w21 w12
nW13 n3 S32 A31 0 1
n1W13 n3 S32 A31 n3 S32 nS 3 32 S32 1 S32 A31
dn3 0 dt
E1
S31 S32 A31 S32
E2
S21 A21 W21 W12
n2t nt
频率为v0的模式
E1
S10
21 (v, v0 )l
E0
n2 t nt 21l
1 S32 S32 A31
2 A21 A21 S21 t2 t s
激光原理与技术
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四能级激光器阈值泵浦功率
1W13n
2
dn W13 0 2 n2 A21 2 n2 A21 S21 2 dt
n2 t n2 t0 e
t
A21
2
t t0
t0
其中当 t=t0 时 n2 最大
激光原理与技术
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泵浦激励与高能级集居数
3 t0 >>t2 (长脉冲泵浦) 激励时间足够长 1W13n n2 t A21 1W13
0 t t0
dn2 n1W131 n2 A21 2 n n2 W131 n2 A21 2 dt
其中 1 S32 S32 A31 表征E3能级向E2能级无辐射跃迁的量子效率
t t0 t t0
求解
激光原理与技术
6
泵浦激励与高能级集居数
W13(t)
非稳态, 数值解, 小信号微扰或其他近似方法
长脉冲激光器(t0>>t2) 泵浦作用时间较长，趋近稳态
连续激光器 可按稳态处理
激光原理与技术
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5.1 激光器的振荡阈值
激光原理与技术
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激光器的振荡阈值 (Oscillation Threshold)
振荡阈值(条件) － 产生激光振荡的最低限制条件
Va
VR
VR AL l
l
L
设腔内A处处相等
修 正
d N l Al N lAL l N Al N lAL l f c n2 2 n1 21 , 0 N l Al l dt f1 t Rl
• 不同模式(频率)具有不同的发射截面, nt , 0 值也不同
• 中心频率处阈值反转粒子数最低 0 nt 0
阈值反转粒子数密度
21l
0时的阈值反转粒子数密度
激光原理与技术
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阈值增益系数 gt
起振条件：
0 n , 0 nt , 0 g g t nt 21 21 , 0 l l • 阈值增益系数唯一地由单程损耗决定，当腔内损耗一定时，阈值增益系数为 一常数