陈鹤鸣激光原理共103页文档
第1章陈鹤鸣激光原理ppt课件
或
单色型最好的普通光源氪同位素86， / 106
氦氖激光器， / 1010 ~ 1013
5
3. 相干性好 相干条件：振动方向相同、频率相同、相位差恒定。
激光：相干光
普通光源：非相干光
普通光源是发光中心的自发辐射过程，不同发光中心发出 的波列，或同一发光中心在不同时刻发出的波列相位都是随 机的。
S
(
)2
—光束平面发散角
对于普通光源，只有当光束发散角小于某一限度，光束才
具有明显的空间相干性。
对于激光来说，所有属于同一个横模模式的光子都是空间 相干的，不属于同一个横模模式的光子则是不相干的。
空间相干性的演示
9
4. 高亮度
亮度：光源的明亮程度，主观量
光源在单位面积、单位频带宽度、单位立体角内发射的光功率
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5. 激光在国防科技领域的应用 激光作为武器在军事上应用的形式千变万化，但是基本上
可以分为三个主要部分：追踪、寻的系统（即正确判定攻击 目标的位置和性质的系统）；发射实施摧毁性打击的高能激 光系统；辅助的控制和通信系统。
激光摧毁导弹
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激光制导
激光武器是利用高能量密度激光束代替子弹的新型武器， 是武器装备发展历程中继冷兵器、火器和核武器等之后又一 个重要里程碑。它以光束作战的迅速反应能力，外科手术式 杀伤的高效作战方式。以及特别适合于反卫星和破坏敌方信 息系统，使其成为新一代主战兵器。
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6. 激光在科学技术前沿问题中的应用 ➢ 光谱分析是研究物质结构的重要手段，激光技术与经典光 谱学相结合形成的激光光谱学，具有频率、空间和时间上的 高分辩率，可以进一步揭示物质的微观结构。 ➢ 激光诱导的惯性约束核聚变是产生可控核聚变的一种途径。 ➢ 激光束照亮了超微世界，它呈现的超快或超窄脉冲（时间 域）帮助人们了解微观世界中的原子、分子结构。 ➢ 激光可以作为光学镊子应用于分子生物学领域中对微生物、 染色体、细胞等微粒的操作。 ➢ 激光化学也是激光的重要应用领域。
激光原理及应用课件—陈鹤鸣第12章 激光与物质的相互作用
增加。
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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12.4.3 液体、固体的光化学反应
一般而言，液体中的反应效率比气体中的要小（这里 额效率是指量子吸收量，用单个光子的反应比例表 示）。这是因为能量迁移造成了驰豫，产生了再复合 的逆反应。
光子的能量一部分用于光解离，一部分转变为热能。 一旦产生解离，周围的溶质争相返回形成再复合，称 为“回笼效应”，这也是溶液等物质的量子吸收量变 小的另一个原因
热反应是正向反应； 激光引起的光化学反应通过有效地进行分子（原子）选 择、反应场或空间的选择以及微粒子操作等方式，即使 在不升高温度的情况下也可以发生
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12.4.1 激光切断分子
切断分子的第一步是使分子吸收光，称之为激励光子。 切断分子的首要条件使分子具备的能量要大于解离能， 因此激光切断分子的过程也称为光解离反应。
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1. 直接解离
由于处于分子结合间的电子偏离位置不同，从而 形成结合和反结合轨道的电子状态。在结合轨道存 在极小的能量值。相反，反结合轨道对于分离态来 说是比较稳定的轨道。在激光作用下，分子一旦被 激励到反结合轨道，分子结合键便会瞬间断裂，这 就是直接解离。
在解离过程中，光激励时间非常短，只有飞秒级， 因此，电子在接收能量的过程中，相对较重的原子 核处于近似静止的状态。切断结合键的激光光子能 量必须大于分离能。
使材料处于松散状态，致使材料蒸发。 光化学效应蒸发的必要条件：光子的能量 > 分子的结合能。
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12.4 激光诱导化学过程
半导体芯片是经过了许多的薄膜加工过程制作而成的。在 热分解、等离子体、离子束等能源作用下，分子首先被分 解，然后再重新组合制成薄膜，这一过程分别称为热过程、 等离子体过程等。如果使用激光，薄膜可以做得更微细、 杂质含量更少。而这一过程是从化学反应开始的，称为激 光诱导化学过程。
激光原理及应用陈鹤鸣
激光原理及应用陈鹤鸣激光原理及应用。
激光，全称为“光电子激发放射”，是一种具有高度相干性和定向性的光，具有独特的物理特性和广泛的应用价值。
激光的产生原理是基于受激辐射过程，通过受激辐射产生的光子在光学谐振腔中来回反射，从而形成一束高度相干的激光。
激光具有单色性、方向性、相干性和高能量密度等特点，因此在各个领域都有着重要的应用价值。
在科学研究领域，激光被广泛应用于光谱分析、光学显微镜、激光干涉仪等领域。
通过激光的单色性和高能量密度，科学家们可以对物质的结构和性质进行精确的研究和分析。
激光显微镜可以实现对微小结构的高分辨率成像，为科学研究提供了重要的工具。
在工业生产中，激光被广泛应用于激光切割、激光焊接、激光打标等领域。
激光切割技术可以实现对各种材料的精确切割，具有高效、精准、无污染等优点，被广泛应用于金属加工、电子器件制造等领域。
激光焊接技术可以实现对材料的精确焊接，具有热影响小、焊缝美观等优点，被广泛应用于汽车制造、航空航天等领域。
激光打标技术可以实现对材料的精确标记，具有速度快、效果好等优点，被广泛应用于食品包装、医疗器械等领域。
在医疗领域，激光被广泛应用于激光治疗、激光手术等领域。
激光治疗技术可以实现对疾病的精确治疗，具有创伤小、疗效好等优点，被广泛应用于皮肤病、眼科疾病等领域。
激光手术技术可以实现对组织的精确切割，具有出血少、愈合快等优点，被广泛应用于眼科手术、整形美容等领域。
总的来说，激光作为一种具有独特物理特性和广泛应用价值的光源，已经成为现代科技发展和生产制造的重要工具。
随着科技的不断进步和创新，相信激光在更多领域将会有更广泛的应用，为人类社会的发展进步做出更大的贡献。
第4章陈鹤鸣激光原理高斯光束
一、 高斯束的自再现变换与稳定球面腔
高斯光束被匹配反射镜作自再现变换这一事实在谐振腔理 论中有重要意义。
如果将高斯束的两个等相位面用相同曲率半径的球面反射 镜来代替，则构成一个稳定腔，而且由于该光束被腔的两个 反射镜作自再现变换，所以它将成为腔的自再现模。
反之。对任意稳定腔而言，只要适当选择高斯束的光腰位 置及大小，就可使它成为该稳定腔的本征模。
腰斑大，光束发散角小，发散得慢。
1. 单透镜准直
0
2 0
,
0
0F
(l F )2 f 2
0
2
1
02
(1
l F
)2
1 F2
(0
)2
原则上说，不可能用单透镜将高斯光束转换成平面波。
l
F
时，
0
达到极大值
0
达到极小值
0(max)
0
F，0(min)
2 0
20
F
0
0
F
0
02
f
0 F F
f 1 时，有较好的准直效果。 F
0 0，l l
1. 利用透镜实现自再现变换 当透镜的焦距等于高斯光束入射在透镜表面上的波面曲率
半径一半时，透镜对该高斯光束作自再现变换。
F 1 R(l) 2
2. 球面反射镜的自再现变换
当入射在球面镜上的高斯束波面曲率半径等于球面镜的曲 率半径时，在反射时高斯光束的参数不发生变化。
4.4 高斯束的匹配
R2
AR1 CR1
B D
（3）经过球面镜反射
R2
AR1 CR1
B D
A C
B D
1 2
R
0 1
第2章陈鹤鸣激光原理
1
Ani
如果同时存在非辐射跃迁，则寿命也缩短。
2.2.2 受激吸收
E2
h
E1
吸收前
吸收后
h E2 E1
受激吸收跃迁几率：
W12
( dn12 dt
)st
1 n1
W12 B12
与原子本身性质和辐射场能量密度有关
B12 ：受激吸收跃迁爱因斯坦系数
只与原子本身性质有关
2.2.3 受激辐射
对激光工作物质的要求：尽可能在其工作粒子的特定能级 间实现较大程度的粒子数反转；使这种反转在整个激光发射 作用过程中尽可能有效地保持下去。
2.4.3 泵浦源
作用：对激光工作物质进行激励，将激活粒子 从基态抽
运到高能级，以实现粒子数反转。
泵浦方式：
气体激光器气体放电激励示意图
1. 光泵浦； 2. 气体放电激励 3. 化学激励 4. 电子注入
I 0 —— z 0 处的初始光强
②大信号增益系数：
g0 g(I)
I(z) 1
Is
I s ——饱和光强（决定于增益介质的性质）
I(z) Is
g(I) g0
进一步讨论可知，增益系数还与光的频率有关。
（2） 损耗系数
dI(z) 1
dz I(z)
损耗因素：衍射、散射、透射、吸 收等
激发态
非辐射跃迁
泵浦
E2
亚稳态 （激光上能级）
产生激光
E1
基态 （激光下能级）
红宝石中铬离子能级图
Energy
E3
Laser Radiation
E2 Fast transition
Abs. E1
N
激光在其他领域的应用
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（2）探针存储
探针存储是基于原子刻度上的操作。它基本上是一 个穿孔卡片系统，但在原子的尺度上，在某个特定 点的原子的特性表示二进位的0或二进位的1。
探针存储的优点:
1）用于便携式装置最理想 ； 2）不工作时没有电力消耗； 3）极小空间内获得极高容量。
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蛋白质存储器的优点:
1）基于蛋白质建立，批量生产的成本很低。 2）可以在很宽的温度范围内工作，温度范围比半 导体存储器大得多的。 3）不同的页可以并行存取。 4）非挥发性，能作为内存和大容量存储器。
蛋白质存储器有待解决的问题：
1）把蛋白质凝聚在一起的聚合胶化体分解的速度比蛋 白质本身还要快。蛋白质能抵抗激光，但是胶化体在一 会儿之后就分解了，这是蛋白质存储器的主要障碍。
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2
13.1.1 激光存储
1. 光盘存储 CD（Compact Disk）
第一代光盘存储 光源： GaAlAs半导体激光器 波长： 0.78 um 容量： 640ＭＢ
第二代光盘存储 光源： GaAlInP半导体激光器 波长： 0.65 um 容量： 4.7GＢ
第三代光盘存储 光源： GaN半导体激光器
以光的形式比较，而不必取回它。 (3) 没有移动部份，因此有较快的存取速度。 (4) 非挥发性，能作为内、外存储器。
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3．激光存储新技术
（1）蛋白质存储
基于从细菌中抽取的Bacteriorhodopsin。 Bacteriorhodopsin是一个能以多种化学状态存在的 有机分子，每种状态有不同的光吸收率，因此比较容 易检测出分子处于哪一种状态。通过选择两种状态， 一种为二进位的0，另一种为二进位的1，可使用这种 特性作为存储装置。
激光原理课后习题-陈鹤鸣-赵新彦精选全文完整版
1.3 什么是时间相干性和空间相干性？怎样定义相干时间和相干长度?时间相干性：光场中同一空间点在不同时刻光波场之间的相干性，描述的是光束传播方向上的各点的相位关系，与光束单色性密切相关。
空间相干性：光场中不同的空间点在同一时刻的光场的相干性，描述的是垂直于光束传播方向的平面上各点之间的相位关系，与光束方向性密切相关。
相干时间t c，即光传播方向上某点处可以使不时刻光波场之间有相干性的最大时间间隔。
相干长度L c指的是可以使光传播方向上两个不同点处的光波场具有相干性的最大空间间隔。
二者实质上是相同的。
L c=t c∙c=C∆ν1.4 为使He-Ne激光器的相干长度达到1Km，它的单色性∆λ/λ0应是多少？L c=C∆ν⁄=1Km ∆ν=3×105Hz∆λλ0=∆νν0=∆νc∙λ0=6.328×10−112.3 如果激光器和微波激射器分别在λ=10μm、λ=500nm和ν=3000MHz输出1W连续功率，问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？W=Pt=nhν当λ=10μm时， ν=cλ=3×1013Hz n=5.03×1019当λ=500nm时，ν=cλ=6×1014Hz n=2.51×1018当ν=3000MHz时，n=5.03×10232.4 设一对激光能级为E2和E1(f2=f1),相应频率为ν（波长为λ），能级上的粒子数密度分别为n2和n1，求：（1）当ν=3000MHz，T=300K时n2n1⁄=？（2）当λ=1μm，T=300K时n2n1⁄=？（3）当λ=1μm，n2n1⁄=0.1时，温度T=？（1）E2−E1=hν=1.99×10−24 J k b=1.38×10−23J K⁄n2 n1=f2f1e−(E2−E1)k b T=0.9995（2）同理得n2n1⁄=1.4×10−21（3）同理得T =6.26×103K2.10 激光在0.2m 长的增益介质中往复运动的过程中，其强度增加了30%。
激光原理及应用课件—陈鹤鸣第7章 激光特性的控制与改善
e TEM00 模： g00ol r1r2 (1 00 ) 1
e TEM
模：
01
g01ol
r1r2 (1 01 ) 1
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
激光器以 TEM00
模单模运转
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横模选择原理
与横模阶数无关的损耗： 腔镜透射率，腔内元件吸收、散射损耗等
与横模阶数相关的损耗： 衍射损耗
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纵模选择方法
标准具透过率：
T (
)
(1
(1 R)2
R)2 4R sin2(
2
)
1
1 4R (1 R)2
sin 2 (
2
)
标准具透射峰对应的频率：
m
m
c
2d cos
m q
单纵模输出
2022/11/19
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m
osc
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纵模选择方法
3. 复合腔法
用一个反射干涉系统代替腔的一个端面反射镜， 则其组合反射率是频率的函数。
决定横模鉴别能力的因素：
10 00 、 d
2022/11/19
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10 / 00 值与菲涅耳数N的关系
10 00
随N增加而变大
d
随N增加而减小
2022/11/19
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横模选择方法
改变谐振腔的结构和参数：气体激光器 在一定谐振腔内插入附加选模元件：固体激光器
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7.2.2 稳 频 方 法
主动稳频技术：
选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光频率偏 离此特定的标准频率时，鉴别器产生一个正比于偏离量的误 差信号，此误差信号经放大后又通过反馈系统回来调节腔长， 使激光频率回到标准的参考频率上，达到稳频目的。