激光原理与技术课件ppt-课件
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激光原理与技术.ppt
* i
kT
)
n：体系单位体积内的单分子数。 21
过饱和体系中，所有与临界晶核相碰撞的分子都不 反射，成核率 I 等于在单位时间内气相分子（气固相转变）与临界晶核的碰撞次数
I
Z C Sn
* i
Zc：单位时间内，一个分子与临界晶胚单位面积表面 相碰的次数；S：一个临界晶胚的表面积。
由统计力学而知:
ZC
②重新拆散为单个分子。 晶胚:形成的小集团。
13
设小集团的形成是二分子过程，a1：一个气体分子；a2： 由两个气体分子连接而成的晶胚
‥‥‥
ai：由i个气体分子连结而成的晶胚。 它们的形成过程可用一连串的反应表示:
a1+a1 a1+ a2
a1+ai-1
a2 a3 ......
ai
注意：忽略了小集团之间相碰撞和几个分子之间同时 相碰撞的情况（出现的几率小）。
C1 C0
结论：只要C1＞C0，G＜0，过程就能自发进行。
8
（2）熔体中生长。 凝固温度下，相变过程中单位体积自由能的变化
gV S( T ) L ( T )
S（T）、L（T）：分别表示体系在凝固温度T时， 固液两相单位体积的自由能。 熔点温度TM，固-液两相平衡时有
S( TM ) L ( TM )
σ α S=σ β S+σ α β cosθ σ β S-σ α S=-σ α β cosθ
G非均
(4r 2
4 3
r
3
gV
)
f
(
)
f ( ) 1 (2 cos )(1 cos )2
4
体系状态不变时，θ 为常数，f（θ ）也为常数 。
2024年度激光原理及应用PPT课件
4
激光的相干性比普通光 强很多，可用于精密测 量和全息照相等领域。
激光器组成及工作原理
激光器组成
激光器一般由工作物质、激励源和光学谐振腔三部分组成。
2024/3/24
工作原理
在激励源的作用下，工作物质中的电子被激发到高能级，形 成粒子数反转分布。当这些电子从高能级跃迁到低能级时， 会辐射出与激励源频率相同的光子，并在光学谐振腔内得到 放大和反馈，最终形成稳定的激光输出。
激光雷达
测距、成像、识别等多元化应 用
激光显示
高清晰度、大色域、节能环保
激光制造
高精度、高效率、无接触加工
2024/3/24
10
激光器类型及其特
03
点分析
2024/3/24
11
固体激光器
01
02
03
工作原理
通过激励固体增益介质（ 如晶体、玻璃等）中的粒 子，实现粒子数反转并产 生激光。
2024/3/24
根据实际需要，还可选择佩戴耳塞、手套 等个人防护装备，以降低激光对其他部位 的危害。
2024/3/24
24
未来发展趋势预测
06
与挑战分析
2024/3/24
25
新型激光器研发方向探讨
2024/3/24
新型材料激光器
探索新型增益介质，如量子点、二维材料等，提高激光器的性能 。
微型化与集成化
发展微型激光器，实现与其他光电器件的集成，推动光电子集成技 术的发展。
1960年，美国物理学家 梅曼制造出第一台红宝 石激光器
现代激光技术突破与创新
光纤激光器
高功率、高效率、光束质量好
量子级联激光器
覆盖中红外到太赫兹波段
2024/3/24
激光的相干性比普通光 强很多，可用于精密测 量和全息照相等领域。
激光器组成及工作原理
激光器组成
激光器一般由工作物质、激励源和光学谐振腔三部分组成。
2024/3/24
工作原理
在激励源的作用下，工作物质中的电子被激发到高能级，形 成粒子数反转分布。当这些电子从高能级跃迁到低能级时， 会辐射出与激励源频率相同的光子，并在光学谐振腔内得到 放大和反馈，最终形成稳定的激光输出。
激光雷达
测距、成像、识别等多元化应 用
激光显示
高清晰度、大色域、节能环保
激光制造
高精度、高效率、无接触加工
2024/3/24
10
激光器类型及其特
03
点分析
2024/3/24
11
固体激光器
01
02
03
工作原理
通过激励固体增益介质（ 如晶体、玻璃等）中的粒 子，实现粒子数反转并产 生激光。
2024/3/24
根据实际需要，还可选择佩戴耳塞、手套 等个人防护装备，以降低激光对其他部位 的危害。
2024/3/24
24
未来发展趋势预测
06
与挑战分析
2024/3/24
25
新型激光器研发方向探讨
2024/3/24
新型材料激光器
探索新型增益介质，如量子点、二维材料等，提高激光器的性能 。
微型化与集成化
发展微型激光器，实现与其他光电器件的集成，推动光电子集成技 术的发展。
1960年，美国物理学家 梅曼制造出第一台红宝 石激光器
现代激光技术突破与创新
光纤激光器
高功率、高效率、光束质量好
量子级联激光器
覆盖中红外到太赫兹波段
2024/3/24
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
精选ppt
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
激光原理及应用ppt课件
• 声光调Q是一种广泛使用的 Q开关方式，其有重复频率高、性能可靠的优点。
激光调制前
激光调制后
4.机械运动系统
• 基片送入后，高精度伺服电机在微机的控制下转动振镜的角度；
• 激光束通过扫描镜的反射，由f-θ场镜聚焦到基片的边缘位置上；
• 在微机上通过专用的控制软件输入总的清边面积、激光束的行走速度 和需要重复的次数；
E2
E2
E1
E1
自发辐射跃迁
自发辐射光子
c. 受激辐射（激光）: 当频率为=ν（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅 速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都 相同的光子。
E2
E2
入射光子
E1
E1
受激辐射光子 入射光子
受激辐射跃迁 3-2 粒子数反转
(Top flat)
高斯
多元高斯
• 减少脉冲时间，高的峰值能量，更多的能量密度
Less pulse time, high peak power more energy density
能量密度=功率/频率/光斑面积
pulse
1.1uW/um=220W/20KHz/900um2
Hz
4.重叠率计算——Overlap
全反光镜
反光镜： （越75%
）
Shutter
激光器外形 接光纤
Q-Switch
晶体腔
功率计
激光器内部分解图（P4）
Q-Switch 半反镜
晶体腔 光纤耦合器
镜头聚焦原理——凸透镜
激光刻划原理——以P1为例
光斑
1.Beam Shaping （激光束形状）
• 一般的激光都为高斯分布的波形，即高斯光束，为实现特殊的制程需求，需要转变 成为扁平式波形的平顶光束，即Top Hat，通过透镜组改变光束质量和形状产生。
激光调制前
激光调制后
4.机械运动系统
• 基片送入后，高精度伺服电机在微机的控制下转动振镜的角度；
• 激光束通过扫描镜的反射，由f-θ场镜聚焦到基片的边缘位置上；
• 在微机上通过专用的控制软件输入总的清边面积、激光束的行走速度 和需要重复的次数；
E2
E2
E1
E1
自发辐射跃迁
自发辐射光子
c. 受激辐射（激光）: 当频率为=ν（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅 速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都 相同的光子。
E2
E2
入射光子
E1
E1
受激辐射光子 入射光子
受激辐射跃迁 3-2 粒子数反转
(Top flat)
高斯
多元高斯
• 减少脉冲时间，高的峰值能量，更多的能量密度
Less pulse time, high peak power more energy density
能量密度=功率/频率/光斑面积
pulse
1.1uW/um=220W/20KHz/900um2
Hz
4.重叠率计算——Overlap
全反光镜
反光镜： （越75%
）
Shutter
激光器外形 接光纤
Q-Switch
晶体腔
功率计
激光器内部分解图（P4）
Q-Switch 半反镜
晶体腔 光纤耦合器
镜头聚焦原理——凸透镜
激光刻划原理——以P1为例
光斑
1.Beam Shaping （激光束形状）
• 一般的激光都为高斯分布的波形，即高斯光束，为实现特殊的制程需求，需要转变 成为扁平式波形的平顶光束，即Top Hat，通过透镜组改变光束质量和形状产生。
激光原理与技术PPT精品文档
ONE KEEP VIEW 激光原理与技术PPT精品文档目录CATALOGUE•激光基本原理•激光器类型及工作原理•激光技术应用领域•激光技术发展趋势与挑战•激光安全与防护知识普及•总结与展望PART01激光基本原理激光产生条件粒子数反转高能级粒子数大于低能级粒子数，是产生激光的必要条件。
增益大于损耗增益介质中的受激辐射放大作用要大于各种损耗，才能实现光放大。
光学谐振腔提供正反馈，使受激辐射光在腔内多次反射、放大，形成稳定振荡。
激光发射过程泵浦过程通过外部能量输入（如光、电、化学等），使增益介质中的粒子从低能级跃迁到高能级，实现粒子数反转。
受激辐射过程处于高能级的粒子在外部光子的作用下，跃迁到低能级并发出与入射光子完全相同的光子，实现光放大。
光学谐振腔内的振荡过程受激辐射产生的光子在腔内多次反射、放大，形成稳定的光场分布和振荡模式。
功率激光的功率决定了其能量大小和输出能力，高功率激光具有更强的穿透力和加工能力。
稳定性激光的稳定性决定了其长期运行的可靠性和稳定性，对于高精度、高稳定性的应用尤为重要。
光束质量激光的光束质量决定了其聚焦能力和传输效率，优质的光束质量可以提高激光加工的精度和效率。
波长激光的波长决定了其颜色和应用领域，不同波长的激光具有不同的特性和用途。
激光特性参数PART02激光器类型及工作原理工作原理通过激励源（泵浦源）将能量传递给工作物质，使其产生粒子数反转分布，然后在谐振腔内通过受激辐射产生激光。
特点具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，广泛应用于科研、工业、医疗等领域。
构成由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成。
构成主要由放电管、反射镜和电源三部分组成。
工作原理在放电管中充入一定种类和压强的气体，通过高压放电激励气体分子或原子，使其产生受激辐射并放大，形成激光输出。
特点具有光束质量好、输出功率大、效率高、结构简单等优点，常用于高精度测量、光谱分析等领域。
构成主要由染料溶液、泵浦源和光学谐振腔三部分组成。
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。
周炳坤激光原理与技术课件第一章 激光的基本原理
1 Lc = cΔt = cτ c = c Δν
τ c 即相干时间。对波列进行
频谱分析的频带宽度：
I (ν0 )
I (ν )
1 Δν = Δt
I (ν 0 ) 2
Δν
Δν 是光源单色性的量度： 1 Lc = cΔt = c Δν
相干时间与频带宽度的关系为：
ν0
ν
（1.1.16）
τ c = Δt =
1 2
cπ ⎛ m 2 n2 q 2 ⎞ ωmnq = ⎜ 2 + 2 + 2 ⎟ η ⎝ 4a 4b l ⎠ 结论：不考虑偏振态的情况下，一组(m、n、q)值 对应一个模，求出(m、n、q)值的数目就可以得到 空腔中的模数
1 2
（二）、波矢空间和模密度 1、波矢空间 ——用 k x 、 y 、 z 作为坐标建立的空间称为波矢空间 k k
2
ν
k=
2π
λ
=
2πνη c
2πη dk = dν c
模密度 nν ——单位体积内在频率ν 处单位频率间隔内的模式数：
Nν 8πν 2η 3 = nν = Vdν c3
（*）
（三）、光子状态相格
光子的运动状态，受量子力学测不准关系制约——微观粒子 的坐标和动量不能同时准确测定，遵循测不准关系：
一维： 三维：
Δk z =
π
l
⎛ 2π ⎞ 且有： k = k + k + k = ⎜ ⎟ ⎝ λ ⎠ 2 ⎛ 2 ⎞ m2 n2 q2 = + 2 + 2 ⎜ 2 ⎜ λ mnq ⎟ ⎟ 4a 4b l ⎝ ⎠
2 2 2 x 2 y 2 z
ν mnq
c ⎛ m2 n2 q 2 ⎞ = ⎜ 2+ 2+ 2 ⎟ l ⎠ 2η ⎝ 4a 4b
激光原理与技术ppt课件2024新版
激光束的传输与变换
激光束的传输特性
探讨激光束在自由空间和光学系统中 的传输特性，包括光束的发散、聚焦 和像差等。
激光束的质量控制
阐述激光束质量评价的标准和方法， 以及提高激光束质量的措施和技术。
激光束的变换方法
介绍常见的激光束变换方法，如透镜 变换、反射镜变换和光纤传输等，并 分析它们的应用场景和优缺点。
激光原理与技术 ppt课件
目录
• 激光原理概述 • 激光技术基础 • 固体激光器 • 气体激光器 • 液体激光器与光纤激光器 • 激光技术的应用与发展趋势
01
激光原理概述
激光的产生与发展
01
1917年，爱因斯坦提出 “受激辐射”理论
02
03
1954年，美国物理学家 汤斯和肖洛提出激光原 理
1960年，梅曼制成世界 上第一台红宝石激光器
03
固体激光器
固体激光器的结构与工作原理
固体激光器的组成
工作物质、泵浦源、光学谐振腔
工作原理
通过泵浦源提供能量，使工作物 质中的粒子实现粒子数反转，然 后在光学谐振腔的作用下产生激
光振荡，输出激光。
光学谐振腔的作用
提供正反馈，使受激辐射光不断 放大，同时控制激光输出的方向
和质量。
固体激光器的性能特点
液体激光器与光纤激光器的性能特点及应用
液体激光器
主要应用于可调谐激光光谱学、生物 医学成像等领域。
光纤激光器
广泛应用于工业加工、通信、医疗等 领域，如激光切割、焊接、打标等。
06
激光技术的应用与发 展趋势
激光加工技术的应用与发展
激光切割
高精度、高效率的切割方法，广泛应用于金 属、非金属材料的加工。
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ε=hv
（1.1.1）
式中 h＝6.626×10-34J．s，称为普朗克常数。
（2）光子具有运动质量m，并可表示为
（1.1.2）
光子的静止质量为零。
（3）光子的动量P与单色平面光波的波矢k对应
（1
式中
n。为光子运动方向(平面光波传播方向)上的单位矢量。 4．光于具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。 5．光于具有自旋，并且自旋量子数为整数。因此大量光于的集合，
射以及光放大和振荡的基本概念。
1.1 相干性的光子描述
一、光子的基本性质 ·
光的量子学说(光于说)认为，光是一种以光速c运动的光子流。光子（电磁场量子）和
其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量等。它的粒子属性(能量，动量，质量等)和波动
属性(频率、彼矢、偏振等)密切联系，并可归纳如下：
（1）光子的能量ε与光波频率ν对应
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
放大器
6.3 纵向光均匀激励连续激光 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
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
下面求解空腔v内的模式数ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。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
Δx=mλ/2, Δy=nλ/2, Δz=qλ/2
式中mλq为正整数。而波矢k的三个分量应满足条件
k x=лm/Δx, ky=лn/Δy, kz=лq/Δz 每一组正整数m,n,q对应腔内一种模式(包含两个偏振)。
数 系数 数
4.4 典型激光器的速率方程 4.5 均匀加宽工作物质的增益系 4.6 非均匀加宽工作物质的增益 4.7 综合均匀加宽工作物质的增益系
第五章 激光振荡特性
5.1 激光器的振荡阈值 5.2 激光器的振荡模式 5.3 输出功率和能量 5.4 弛豫振荡 5.5 单模激光器的线宽极限 5.6 激光器的频率牵引
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
效的概念。下面将对这一点进行深入一步的讨论。 由于光的波粒二象性，我们可以用波动和粒子两种观点来描述它。 在激光理论中，光波模式是一个重要概念。按照经典电磁理论，光电磁波的运动规律
由麦克斯韦(C.Maxwell)方程决定。单色平面波是麦克斯韦方程的一种特解，它表示为
服从玻色—爱因斯坦统计规律。处于同一状态的光子数目是没有限制的， 这是光子与其它服从费米统计分布的 粒子(电子、质子、中子等)的重要区别。
上述基本关系式(1.1.1)相(1.1.3)后来为康普顿(Arthur Compton)散射实验所证实 (1923年)，并在现代量子电动力学中得到理论解释。量子电动力学从理论上把光的电磁 (波动)理论和光子(微粒)理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来，从而在理论上 阐明了光的波粒二象性。在这种描述中， 任意电磁场可看作是一系列单色平面电磁波(它们以波矢k为标志)的线性叠加，
第二章 开放式光腔与高斯光束
腔 2.1 光腔理论的一般问题
2.2 共轴球面的稳定性条件
2.12 高斯光束的自再现变换与稳定球面 2.13 光束衍射倍率因子 2.14 非稳腔的几何自再现波型
2.3 开腔模式的物理概念和衍射理论分析方
法 2.4 平行平面腔模的迭代解法
2.15非稳腔的几何放大率和自再现波型的能量
或一系列电磁被的本征模式(或本征状态)的叠加。但每个本征模式所具有的能量 是量子化的，即可表为基元能量hv的整数倍。本征模式的动量也可表为基元动 量hk1的整数倍。这种具有基元能量hv1和基元动量hk1的物质单元就称为属于第L
个本征模式(或状态)的光子。具有相同能量和动量的光子彼此间不可 区分，因而处于同一模式(或状态)。每个模式内的光子数目是没有限制的。
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
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
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
损耗
第三章 空心介质波导光谐振腔
3.1 空心波导光谐振腔的构成和特征
第四章 电磁场和物质的共振相互作用
4.1 电介质的极化
3.2 空心圆柱波导管中的本征模
4.2 光和物质相互作用的经典理论简介
3.3 圆波导本征模的传输常数和损耗特性
4.3 谱线加宽和线型函数
3.4 空心矩形介质波导管中的本征模 3.5 空心介质波导光谐振腔的反馈耦合损耗
（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 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。
激光原理与技术
第一部分 激光原理部分
第一章 激光的基本原理 第二章 开放式光腔与高斯光束 第三章 空心介质波导与谐振腔 第四章 电磁场和物质的共振相互作用 第五章 激光振荡特性 第六章 激光放大特性 第七章 激光振荡的半经典理论
第二部分 激光技术部分
第八章 激光特性的控制与改善 第九章 激光器件
第一章 激光的基本原理
1.1 相干性的光子描述 1.2 光的受激辐射基本概念
1.3 光的受激辐射放大 1.4 光的自激振荡 1.5 激光的特性
2.5 方形镜共焦的自再现模 2.6 方形镜共焦腔的行波场
2.7 圆形镜共焦腔
2.8 一般稳定球面腔模式特征
2.9 高斯光束的基本性质及特征参
数
2.10 高斯光束q参数的变换规律
2.11 高斯光束的聚焦和准直