《激光原理与技术》课件 (4)
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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 。
周炳坤激光原理与技术课件光与物质相互作用
η
=1+
χ ′ (ω )
2
=1+
ne2
mε 0ω0γ
⋅
1
(ω0 − ω)γ −1
+
4(ω
− ω0 γ2
)2
β
=
χ′′(ω )
2
=
−
ne2
2mε 0ω0γ
⋅ 1+
1
4(ω − ω0 )2 γ2
折射率虚部与吸收相关，β 也称为消光系数
（4.2.24）
（4.2.25） （4.2.26） （4.2.32） （4.2.27）
电子的运动方程为：
mx + kx = 0
（4.2.1）
x + ω02 x = 0
式中： ω 0 =
k m
固有振动频率
（4.2.3）
其解为：
x ( t ) = x 0 e iω 0 t ——电子作简谐振动
（4.2.2）
电偶极子振荡时发出的电磁辐射场 E ∝ ex 即： E (t ) = E 0ei(ω0t +ϕ )
Δν = ΔE2 − ΔE1
h
这种加宽是由于量子力学效应产生的，称为自然加宽。相应为自然宽度、
自然轮廓
• 经典理论
辐射原子——电子阻尼振子
E (t) =
x e e −γ t 2
i 2πν0 ⋅t
0
t≥0
其中
−γ
x0e 2
t
0
为振幅，对
x(t)
t<0
作傅立叶变换：
（4.2.10）
∫ x (t ) = +∞ x (ν )e i 2πν t dν −∞
τs
=
激光原理、技术与应用课件：4_1_1 激光单纵模的选取
3. 三反射镜法：
➢如图4-3所示，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合 所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当透射率 的部分透射部分反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦 合
图4-3 三反射镜法
两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：
v短
c
2（L2
L3）
v长
c
2（L1
L2）
只有同时满足上面两个谐振条件的光才能形成振荡，故只 要选取L2 +L3足够小，就可获得单纵模输出。
和单纵模光束。 因此，设计和改进激光器的谐振腔，抑制多模，以获得单模输出是一个
重要课题
4.1.1 激光单纵模的选取
所谓激光纵模选择，就是通过使激光器只允许有一种 频率振荡，而其余的频率则均被抑制。
一、均匀增宽型谱线的纵模竞争
核心问题:与饱和效应相关的模式之间的竞争！
回顾思考: 试说明某个频率的光最终要成为激光的 纵模输出，它必须突破几个关口。
➢缺点: 标准具总会带来透射损失对低增益 的激光器(He— Ne激光器）不合适， 但对高增益的激光器（CO2激光器） 则很有效。
四、使用腔内插入F-P标准具法选纵模需要注意：
1. 选择合适的标准具光学长度，使标准具的自由光谱范围
与激光器的增益线宽相当。使在增益线宽内，避免存在
两个或多个标准具的透过峰。
第4章 激光的基本技术
激光技术:通过改变激光振荡或激光辐射的参数，来控制与改善
激光器输出特性（谐振腔控制或腔外控制），使之适合于某一
目的，而发展的各种技术。
调Q
能量 激光放大技术
锁模
峰值功率 短脉冲技术
增益开关
相干性
腔倒空
稳频 注入锁定技术
激光原理(课堂PPT)
二反射面组成的谐振腔的谐振频率 为入射光频率
(1)当 c 时: Gmax11r1r1 1r 2G r2sG 2s激－光原最理大与增技术益
(2)当
G
1 2
Gm
ax
时:
c
41l r1rr12rG 2G s2S
v
14
讨论：①可见，仅当入射光频率在谐振腔本征 频率附近时，才能得到有效放大。
② l、Gs、r 越大，
要求：入射光需在谐振腔本 征频率附近,保证频率匹配。
r1
r2
I0 P0
g>0 I
1
I
2
I
1
I束干涉处理
工作物质单程传 输的增益为:
经过复杂的推算后得:
GS
I
2
I1
I1
I
2
G 1r1r2G s 2 1 4 r1 r1 r2 1 G srs 2G i2 sn 2 lvvc
曲线的平坦部分对应于小信号工作区， 增益较小信号增益下降3dB所对应的输出
功率称作光放大器的饱和输出功率，它表
征光放大器的高功率输出能力。
激光原理与技术
图 掺铒光纤放大器的增益饱和特性
激光原理与技术
当泵浦光功率一定时，若光纤长度等 于最佳长度，则光放大器具有最大增益 G0，相应的最大输出光功率为Pm,由此 可求出Gm及相应的Pm和输入信号光 功率P0及泵浦光功率Pp的关系。
脉冲放大器输出能 量和长度的关系
三、功率增益与脉冲宽度变窄
激光原理与技术
激光原理与技术
2、最大输出光强
激光原理与技术
dI(z) gm 0
I(z)dz 1 I(z) Is
Im
Is
(
激光原理第四章
激光原理与技术
4.3输出功率与能量
一、连续或长脉冲激光器的输出功率 如果一个激光器的小信号增益系数恰好等于 阈值，激光输出是非常微弱的。实际的激光器 总是工作在阈值水平以上，腔内光强不断增加。 那么，光强是否会无限增加呢?实验表明．在 一定的激发速率下，即当g0(v)一定时，激光器 的输出功率保持恒定，当外界激发作用增强时， 输出功率随之上升，但在一个新的水平上保持 恒定。
hvP nV hvP V t EPt 1 1 21l
激光原理与技术
三能级系统须吸收的光泵能量的阈值为
EPt
hvP nV 21
对于脉冲宽度t0可与相比拟的情况，泵浦能量 的阈值不能用一个简单的解析式表示。但可以 用数字计算的办法求出EPt的值。实验说明，当 固体激光器的氖灯储能电容越大因而光泵脉冲 持续时间t0增长时，光泵的阈值能量也增大。这 是由于t0越长自发辐射的损耗越严重所致。
假设光束直径沿腔长均匀分布，则上式可 化简为
dNl f2 l Nl L' (n2 ) 21 (v, v0 )cNl , Rl dt f1 L ' Rl c
dN l 当 0 dt
0
腔内辐射场由起始的微弱的自 发辐射场增长为足够强的受激 辐射场。
n nt 21 (v, v0 )l
A21 (t t0 ) 2
结论：当t＝t0时,n2(t)达到最大值,当t>t0时,因 自发辐射而指数衰减。 1W13n t0 2 ( 2 1/( A21 S21 )), n2 (t ) A21 1W13
2
在整个激励持续期间n2(t)处在不断增长的非稳 定状态
激光原理与技术
如不采取特殊措施，以均匀加宽为主的固体 激光器一般为多纵模振荡。在含光陷离器的 环形行波腔内，光强沿轴向均匀分布，因而 消除了空间烧孔，可以得到单纵模振荡
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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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
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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
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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
激光原理与技术山西大学课件第四章
激光诊断
利用激光的特性，如光谱分析、荧光光谱等，对生物组织进行无损检 测和诊断，可有效检测病变组织、肿瘤等。
激光在军事领域的应用实例
激光制导
利用激光的定向性，为导弹或炮弹等制导武器提供精确的 目标定位信息，提高命中率和作战效能。
激光雷达
利用激光的反射和散射特性，对目标进行探测、识别和跟 踪，可广泛应用于侦察、预警、导航等领域。
于产品追溯、防伪鉴别等领域。
激光焊接
03
利用激光束的高能量实现金属或非金属材料的焊接，具有焊接
速度快、焊缝质量高、热影响区小等优点。
激光在医疗领域的应用实例
激光治疗
利用激光的生物效应，如光热作用、光化学作用等，对病变组织进 行照射治疗，可有效治疗多种皮肤病、眼科疾病等。
激光美容
利用激光的能量对皮肤进行美白、祛斑、去痘、除皱等美容处理， 具有无创、无痛、恢复快等优点。
利用半导体材料作为工作物质，产生激光。 常见的有镓砷磷（GaAs）激光器、铟镓砷磷 （InGaAs）激光器等。
02 激光技术基础
激光技术发展历程
激光原理的发现
1917年，爱因斯坦提出光的受 激发射理论，奠定了激光的理
论基础。
激光器的诞生
1960年，梅曼发明了第一台红 宝石激光器，标志着激ห้องสมุดไป่ตู้技术 的诞生。
医疗领域
激光技术可用于手术、治疗、诊断等，如眼 科手术、皮肤科治疗等。
军事领域
激光技术可用于激光武器、激光雷达等，提 高军事装备的科技水平。
激光技术的前景展望
新型激光器的研发
随着科技的不断发展，新型激光器如量子点激光器、超快激光器 等将不断涌现。
激光技术的应用拓展
随着技术的不断完善和应用领域的不断拓展，激光技术将在更多领 域发挥重要作用。
利用激光的特性，如光谱分析、荧光光谱等，对生物组织进行无损检 测和诊断，可有效检测病变组织、肿瘤等。
激光在军事领域的应用实例
激光制导
利用激光的定向性，为导弹或炮弹等制导武器提供精确的 目标定位信息，提高命中率和作战效能。
激光雷达
利用激光的反射和散射特性，对目标进行探测、识别和跟 踪，可广泛应用于侦察、预警、导航等领域。
于产品追溯、防伪鉴别等领域。
激光焊接
03
利用激光束的高能量实现金属或非金属材料的焊接，具有焊接
速度快、焊缝质量高、热影响区小等优点。
激光在医疗领域的应用实例
激光治疗
利用激光的生物效应，如光热作用、光化学作用等，对病变组织进 行照射治疗，可有效治疗多种皮肤病、眼科疾病等。
激光美容
利用激光的能量对皮肤进行美白、祛斑、去痘、除皱等美容处理， 具有无创、无痛、恢复快等优点。
利用半导体材料作为工作物质，产生激光。 常见的有镓砷磷（GaAs）激光器、铟镓砷磷 （InGaAs）激光器等。
02 激光技术基础
激光技术发展历程
激光原理的发现
1917年，爱因斯坦提出光的受 激发射理论，奠定了激光的理
论基础。
激光器的诞生
1960年，梅曼发明了第一台红 宝石激光器，标志着激ห้องสมุดไป่ตู้技术 的诞生。
医疗领域
激光技术可用于手术、治疗、诊断等，如眼 科手术、皮肤科治疗等。
军事领域
激光技术可用于激光武器、激光雷达等，提 高军事装备的科技水平。
激光技术的前景展望
新型激光器的研发
随着科技的不断发展，新型激光器如量子点激光器、超快激光器 等将不断涌现。
激光技术的应用拓展
随着技术的不断完善和应用领域的不断拓展，激光技术将在更多领 域发挥重要作用。
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。
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r0 ,0 1 2 3
r1,1
r11
TR1TLTR2 TL
r00
T
r00
A C
B D
r00
20
薄透镜与球面反射镜等效
f2
f1 1 f2
f1
r0 ,0
2
r1,13
L
往返周期单位
f2
f1
f1
R1 2
f2
f1
f2
R2 2
r11
1
1 f1
0 1
1 0
L
1
1 1
f2
0 1
1 0
L 1
r00
A C
1
n1
Ann1 Cn
Bn Dnn1
k为偶数
1 A D 1
2
此时为临界腔
Tn
1n1
Ann1 Cn
Bn
Dnn1
23
稳定判据
1 1 A D 1
2
1 A D 1
2
稳定腔 临界腔
1 A D 1 非稳定腔
2
• 适用任何形式的腔,只要能列出往返矩阵就能判断其稳定与否
稳定判据2 0 g1g2 1
B D
r00
T
r00
A 1 L f2
B
L 2
L f2
C
1 f1
1 f2
1
L f1
D
L f1
1
L f1
1
L f2
21
光线经n次往返参数变换为：
rn
n
T
n
T
r0
0
T
n
r0
0
An Cn
Bn r0
Dn
0
Tn
1
sin
Asinn
C
sinn
sin n
1
其中 arccos 1 A D
第二章 开放式光腔与高斯光束
Open resonator (cavity) and Gaussian beam
光子简并度
n E 1 hv hv e kT 1
n
8 h 3
B21
A21
W21 A21
c3
普通光源 =1m，当T=50000K，仅仅n 1 非相干光源
为了得到强相干光 —
n 1 W21
L 1
18
3. 空气与介质(折射率为2)的界面
入射 r0,0 出射 r,
1 sin0 2 sin '
10 2
r r0
1 2
0
r
A C
B
D
r0
0
T12
r0
0
1
T12
0
0
1
2
4. 薄透镜传输矩阵
r, r,
l
l
f
r r r l r l
r
1 l
1 l
提高某一个/几个模式的能量密度
光波模式的选择－谐振腔选模－模式损耗 光的受激辐射放大
光腔 模式
构成；分类；ABCD矩阵及应用；稳定条件
数学解法；模式特性（场分布、谐振频率、等相位 面、衍射损耗等）
高斯光束 高斯光束特性及在实际中的应用
1
2.1 光腔理论的一般问题 一、光学谐振腔的构成和分类 1. 开放式光学谐振腔（开式腔）
9
(五) 选纵模
1）.确定可起振纵模数目 Δq的因素 (1)荧光线宽 *( 自发发
射线宽): F 大则Δ q 大
∵*(只有)满足
0
1 2
F
q
0
1 2
F
的纵模 q 才能起振
腔中允许的纵模数 10
(2)腔长: L 越大则Δ q 越大
∵ q
1 L
*(
L大则
q小,
F 内可容更多个纵模)
例：L=30cm ，△vq=5×108Hz， 其中只有三个频率在原子
r
r － 光线离光轴的距离 z － 光线与光轴的夹角
傍轴光线 dr/dz = tan sin
正,负号规定:
>0
<0 <0
2. 自由空间区的光线矩阵
B
r0 ,0
r,
A
L
A处：r0, q0 B处：r’,q’
r r0 L0 0
自由空间 光线矩阵
r
A C
B D
r00
TL
r00
TL
1 0
2. 腔内损耗的描述 — 平均单程损耗因子
定义：无源腔内初始光强 I0 往返一次后光腔衰减为I1，则
I1 I0e2
I0
1 ln I0
2 I1
I1
由多种因素引起的损耗，总的损耗因子可由各损耗因子相加得到
I1
I e e e 21 22 23 0
I0e2
i 1 2 3
13
平均损耗因子也可以用 ' 来定义 2 ' I0 I1
25
(1)对称共焦腔：满足R1=R2=L，g1=g2=0, g1g2=0；
Tn
1n
0
0
1n
往返两次自行闭合 稳定腔
M1
最简单的光学谐振腔：激活物质+反射镜片 平行平面腔：法布里-珀罗干涉仪（F-P腔） 共轴球面腔：具有公共轴线的球面镜组成 在理论处理时，可以认为没有侧面边界(气体激光器)
根据几何逸出损耗分类 稳定腔－几何逸出损耗小， 多用于小功率激光器 非稳腔－几何逸出损耗大， 可获得大功率输出 临界腔－介于两者之间
2a
L
孔阑传输线 第一衍射极小值：
1.22
2a
0.61
a
L a
FP腔
d
d '
a L 2 a2 a L 2
2L
a
2L
0.61
a2
1.22
a2 L
1
a2 L
1 N
N 腔的菲涅耳数，表征衍射损耗大小，N，衍射损耗
是从一个镜面中心看到另一个镜面上可以划分的菲涅耳半波带 数，也是衍射光在腔内的最大往返次数
分立的本征态—
振荡频率和空间分布
腔内电磁场的本征态
麦克斯韦方程组 腔的边界条件
因此,腔的具体结构 2.腔模的基本特征包括
腔内可能存在的模式 （电磁场本征态）
1)、每个模的电磁场分布 E(x,y,z)，包括腔的横截面内的场分
布（横模）和纵向场分布（纵模）
2)、模的谐振频率
3)、每个模在腔内往返一次经受的相对功率损耗
2
2.闭腔：如某些固体激光器，具有侧面反射边界 半导体激光器
3.气体波导激光谐振腔：
n2 > n1， n2 > n3
4. 折叠腔，环形腔：由两个以上反射镜构成的腔
l3
l2
l1
开腔内插入透镜一类光学元件——复合腔
3
二、腔的模式 1. 腔的模式：光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态
谐振腔所约束的一定空间内存在的电磁场，只能存在于一系列qc2 L
基纵模的频率可以表达为： 1
c
2 L
谐振腔内q阶纵模的频率为基纵模频率的整数倍(q倍）
8
(三) 纵模频率间隔
νmnq
qc
2 L
(1) 腔内两个相邻纵模频率之差称为纵模的频率间隔
νmnq
qc
2 L
c
2 L
mn
νq
νq1
νq
c
2 L
(2)频率梳——纵模等距排列 *(在频率空间)
(四) 激光器中出现的纵模数
(2)氩离子激光器: λ=0.5145μm △vF≈6×108s-1 L=1m
△vq=1.5×108s-1 激光器多模输出
例:有一个谐振腔，腔长L=1m，求在1500MHｚ的 范围内所包含的纵模个数。
解：谐振腔相邻两个本征纵模之间的频率间隔为
vq
C
2 L
设折射率η=1，则
vq
C
2 L
3108 21
1.5108 Hz
r
1 f
r r 1 r
f
1 0
Tf
1
f
1
19
5.球面镜反射矩阵
r,
r,
R
r r
2
2 r 2 r
R
R
r CA
B D
r
1
TR
2
R
0 1
1 1
f
0 1
f R 2
薄透镜与球面反射镜等效
6.ABCD矩阵的应用－球面镜腔 球面镜腔中往返一周的光线矩阵（简称往返矩阵）
15
4.光子在腔内的平均寿命
设，初始光强I0，在腔内往返m次后，光强为Im，则
则在
Im I0 (e2 )m
t 时刻时，往返次数
I0e2m
m
t
2L'
c
2 t
t
则 t 时刻光强 I (t) I0e 2L' c I0e R
R
L'
c
腔的时间 常数
物理意义为
I ( R )
I0 e
腔内光子的平均寿命 R
7
（二） 纵模(纵向的稳定场分布) (1). 激光的纵模(轴模)：由整数q所表征的腔内纵向稳定场分布 (2). 纵模序数：整数q称为纵模的序数
q一般
具有
104-106
每个q值对应一个驻波
数量级
kL
2 2q k 2ν c
νmnq
qc
2 L
c
2 L
mn
qc
2 L
νmnq
qc
2 L
q阶纵模频率可以表达为： q