激光原理与激光技术
激光原理与激光技术
激光原理与激光技术嘿，朋友们！今天咱就来聊聊激光原理与激光技术，这可真是个超级有趣又超级厉害的玩意儿啊！你说激光像啥？就好比一把超级精准的利剑，能在各种材料上雕刻出精美的图案，还能在医疗领域帮咱治病呢！想想看，医生拿着激光这把“利剑”，精准地切除肿瘤啥的，多牛啊！激光的原理呢，其实也不复杂。
简单来说，就是通过一些特殊的方法，让一群原子啊啥的一起放光，而且这些光还都朝着一个方向跑，这就形成了激光啦！就好像一群小伙伴，本来都乱哄哄的，突然有个指挥让他们都排好队朝一个方向走，那力量可就大了去了。
激光技术的应用那可真是广泛得很呐！在工业上，能用来切割、焊接，那效率，可比传统方法高多了。
你想想，要是还用老办法切割那些厚厚的钢板，得多费劲啊，还不一定切得好。
但有了激光，“唰”的一下就切好了，多厉害！在通信领域，激光通信那可是速度超快，信息传递得那叫一个迅速，就像千里马一样，嗖的一下就跑老远了。
还有啊，在科研上，激光也是大显身手。
科学家们用激光来研究各种微小的东西，探索那些我们肉眼看不到的奥秘。
这就好像给科学家们配上了一副超级放大镜，让他们能看清那些神秘的微观世界。
咱再说说激光表演，那可真是太酷炫啦！在演唱会上，那一道道激光在黑暗中穿梭，配合着音乐和灯光，简直让人陶醉其中。
这不是魔法是什么？哎呀，说了这么多，你是不是对激光原理与激光技术有了更深的了解呢？这玩意儿真的是给我们的生活带来了太多的改变和惊喜啊！它就像一个隐藏在现代科技中的小精灵，总是能在关键时刻跳出来，给我们带来意想不到的效果。
所以啊，大家可别小瞧了激光哦！它虽然看起来很神秘，但其实就在我们身边，默默地发挥着它的作用呢！让我们一起期待激光技术能给我们带来更多更棒的惊喜吧！原创不易，请尊重原创，谢谢!。
激光原理与技术习题答案
激光原理与技术习题答案激光是一种特殊的光，它具有高度的单色性、相干性、方向性和亮度。
激光技术是现代物理学的一个分支，广泛应用于通信、医疗、工业加工等多个领域。
为了更好地理解激光原理与技术，我们通常会通过习题来加深理解。
以下是一些激光原理与技术的习题答案，供参考。
习题1：解释激光的产生机制。
激光的产生基于受激辐射原理。
当原子或分子被外部能量激发到高能级后，它们会自发地返回到较低的能级，并在此过程中释放出光子。
如果这些光子能够被其他处于激发态的原子或分子吸收，就会引发更多的受激辐射，形成正反馈机制，最终产生相干的光束，即激光。
习题2：描述激光的三个主要特性。
激光的三个主要特性是：1. 单色性：激光的波长非常窄，频率非常一致，这使得激光具有非常纯净的光谱特性。
2. 相干性：激光束中的光波在空间和时间上具有高度的一致性，使得激光束能够保持稳定的光强和方向。
3. 方向性：激光束的发散角非常小，几乎可以看作是平行光束，这使得激光能够聚焦到非常小的点上。
习题3：解释激光在通信中的应用。
激光在通信中的应用主要体现在光纤通信。
光纤通信利用激光的高亮度和方向性，通过光纤传输信息。
光纤是一种透明的玻璃或塑料制成的细长管，激光在其中传播时损耗非常小，可以实现长距离、大容量的信息传输。
激光通信具有抗干扰性强、传输速度快等优点。
习题4：讨论激光在医疗领域的应用。
激光在医疗领域的应用非常广泛，包括激光手术、激光治疗和激光诊断等。
激光手术可以用于精确切除病变组织，减少手术创伤；激光治疗可以用于治疗皮肤病、疼痛管理等；激光诊断则可以用于无创检测和成像，提高诊断的准确性。
习题5：解释激光冷却的原理。
激光冷却是利用激光与原子或分子相互作用，将它们冷却到接近绝对零度的过程。
当激光的频率略低于原子或分子的自然频率时，原子或分子吸收光子后会向激光传播的反方向运动，从而损失动能。
这个过程被称为多普勒冷却。
通过这种方法，可以实现对原子或分子的精确控制和测量。
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
激光原理与技术
激光，全称为“光电子激射”，是一种具有高度相干性、高能量密度和直线传播特性的光。
激光技术作为一种重要的现代科技应用，已经在医疗、通信、制造、军事等领域得到广泛应用。
本文将从激光的原理和技术两个方面来进行介绍。
激光的原理主要基于激光器的工作原理，激光器是产生激光的装置。
常见的激光器有气体激光器、固体激光器、半导体激光器等。
激光器的工作原理是利用受激辐射将外界能量转化为光能，然后通过光放大器放大，最终形成激光。
其中，受激辐射是指原子或分子受到外界光的作用，从基态跃迁到激发态，然后在受到外界光的作用下，从激发态跃迁回基态并释放出光子。
这一过程是激光产生的基础。
激光技术主要包括激光加工、激光医学、激光通信等多个方面。
激光加工是指利用激光对材料进行切割、焊接、打孔等加工过程。
激光医学则是利用激光技术进行医疗治疗，如激光手术、激光美容等。
激光通信则是利用激光进行通信传输，具有传输速度快、信息容量大等优点。
除此之外，激光雷达、激光测距、激光制导等技术也在军事领域得到了广泛应用。
总的来说，激光技术作为一种重要的现代科技，已经在各个领域得到了广泛应用。
随着科技的不断进步，相信激光技术在未来会有更加广阔的发展空间，为人类社会带来更多的便利和进步。
激光原理及应用
激光原理及应用近年来，激光技术已经渗透到我们的日常生活中。
无论是医疗、军事、电子、半导体等行业，都离不开激光技术的应用。
那么，什么是激光？激光有哪些应用呢？本文将从原理和应用两个方面，为您介绍激光技术。
一、激光的原理激光是光的一种，它具有单色性、相干性和高直线性。
从物理学的角度来理解，激光是利用物质放射出能量的过程，其放射过程是在一定的能级结构下进行的。
1.激光的放大原理激光的放大来自于物质在两个能级之间跃迁的辐射。
一般来说，能够产生激光的有两种：一种是固体激光，包括了晶体激光、玻璃激光等；另一种是气体激光，包括了He-Ne激光、氩离子激光等。
它们放出的光线波长不同，普遍在几百纳米到几微米之间。
放大过程中，光线进入放大器后，通过能级结构跃迁过程向加入能量，从而放大了光线，使它得到了更高的能量。
而放大过程的根本机理在于，多个光子通过能级跃迁后，将激励一个带有更高能量的光子，使其跃迁至更高的能级状态，从而实现了对光线的放大。
2.激光的无衰减传输激光具有无衰减传输的特性，这意味着，激光传输距离可以远达几百公里，甚至上千公里。
这一特性在通信、军事等领域得到了广泛应用。
3.激光的相干性激光具有非常高的相干性，它的相位一致性很高，不同光束之间的相位差异非常小，因此可以形成干涉图案。
在光学干涉仪、激光测量、光学成像等领域得到了广泛应用。
二、激光的应用激光在医疗、半导体、电子、军事等领域中都有广泛应用。
下面将从医疗、制造业、军事三个方面介绍激光的应用。
1.激光在医疗领域中的应用激光在医疗领域的应用极为广泛。
激光可以通过切割、钻孔、焊接等方式，帮助医生完成手术。
同时，激光还可以用于治疗、美容等，如激光去斑、激光祛痘、激光除皱等。
激光治疗相较于传统的手术方式来说，具有创伤小、恢复快、无出血等优点。
2.激光在制造业领域中的应用激光在制造业领域的应用也是非常广泛的。
激光可以对金属、陶瓷、玻璃等材料进行细微加工，如切割、钻孔、打标等。
激光原理与激光技术教学设计
激光原理与激光技术教学设计前言激光技术是一种先进的现代化技术，在现代产业和科学中具有重要的应用价值。
而教学设计是一种很重要的教育方法和教学手段，在教学实践中具有重要的作用。
因此，我们有必要设计一些科学合理的教学方案，以帮助学生更好地理解激光原理和激光技术。
激光原理激光的原理是通过激活物质的原子或分子外层电子，使其处于高激发态，当电子返回到基态时，通过放出能量的方式释放出来，这个释放出来的能量就是激光能量。
激光运用于制造、医疗、研究和科研等领域。
激光技术激光技术是一种采用激光做为源对物质进行加工、实验、研究以及其他的各种应用技术。
激光技术目前被广泛用在材料加工、医学、仪器、通讯、半导体、节能等诸多领域。
激光技术在教学设计中的应用针对激光技术的特性，我们可以进行一些科学合理的教学设计，以提高学生的学习效果。
课程结构激光技术的内容非常广泛，我们可以根据不同的学习目标，对激光技术进行模块化设计。
例如，我们可以将激光的应用分为医学、工程制造、通讯、科研等模块，对每个模块逐一进行介绍，以达到更好地教学效果。
助教设备在教学现场使用激光设备，对展示激光的性质和特性非常有帮助。
例如，展示激光照射颜色不同的物体时，不同颜色的物体被照射后，反射的颜色是相同的，这样的实验可以帮助学生更好地理解激光的特性。
实际操作激光技术是一个实践性非常强的学科，通过实际操作可以帮助学生更好地理解激光技术的工作原理。
例如，在教授光纤通讯技术时，可以实际搭建光纤通讯系统，帮助学生了解光纤通讯的原理和技术。
总结激光技术是一种先进技术，在现代工业和科学中具有广泛的应用价值。
激光技术在教学设计中应用也非常广泛，通过一些科学合理的教学设计，可以提高学生的学习效果。
在教学实践中，我们应该充分利用激光技术的特性，采用多种多样的教学方法，让学生更好地理解激光原理和激光技术。
光电子技术课件二激光原理和技术
其他非线性光学效应简介
光学整流
光学整流是指利用非线性光学效应将交流光信号转换为直 流电信号的过程。它在光通信、光计算等领域有潜在应用 。
光学参量振荡（OPO）
OPO是一种基于非线性光学效应的频率转换技术，可以实 现宽调谐范围、高效率的激光输出。它在激光雷达、光谱 学等领域有广泛应用。
四波混频（FWM）
工作原理
通过电流注入半导体芯片，使芯片内的电子和空穴复合并释放出能 量，形成激光振荡并输出激光。
特点
具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，广泛应用于通信、 工业加工等领域。
03
激光束特性及参数测 量
激光束空间分布特性
高斯光束
基模高斯光束是激光束的 典型空间分布形式，具有 中心光强最大、向外逐渐 减小的特点。
相位调制与解调方法
相位调制
通过改变激光束的相位来加载信息。这通常使用电光调制器（如Pockels效应调制器）来实现。
相位解调
从接收到的激光信号中提取相位变化的信息。常见的方法包括使用干涉测量技术，如Mach-Zehnder干涉仪或 Michelson干涉仪。
05
非线性光学效应在激 光技术中应用
二次谐波产生（SHG）原理及应用
02
激光器结构与工作原 理
固体激光器
固体激光器的构成
特点
通常由激光工作物质、泵浦源、光学 谐振腔等部分组成。
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。
工作原理
通过泵浦源提供能量，使激光工作物 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 并输出激光。
新型高功率高能量密度激光技术
随着新型激光材料、新型激光器等技术的不断发展，高功率高能量密度激光技术将不断取 得新的突破。
最新激光原理-激光技术教学讲义ppt
图21.1. -73 Q开关激光脉冲建立过程
在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值(Qo)状态，故阈值很 高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至 t0时刻， 粒子数反转达到最大值△ni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下 降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此△ni >>△nt(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质 存储的能量在极短的时间
设三个振动频率分别为ν1 、 ν2 、 ν3 的三个光波沿同一方向传播，
且有关系式： ν3=3ν1，
ν2= 2ν1 , E1 = E 2 =E3 = E0
若相位未锁定，则此三个不
E(t)
v3=3v1, v2=2v1， 初相位无 规 律
E0
-E0
I(t)
v2 v3
v1
同频率的光波的初位相 1 、 2 、 3 彼此无关，如左图， 由于破坏性的干涉叠加，所
可以推得总光强：
N 2
E
2 m
该式说明了平均光强是各个纵模光强之和,每
个脉冲的宽度 约为：
1
q
假如各个模的振幅及相位都固定，也可推得输出脉冲的峰值功率
正比于
N
2
E
2 0
，因此，由于锁模，峰值功率增大了N倍。
每个脉冲的宽度
窄的锁模脉冲。
1 1 , 可见增益线宽愈宽，愈可能得到
N q
二、锁模的基本原理 先看三个不同频率光波的叠加：Ei = E0cos(2π νi t+ i ) i=1,2,3
21世纪的激光技术与产业的发展将支撑并推进高速宽带海量的光通信以及网络通信并将引发一场照明技术革命小巧可靠寿命长节能半导体led发光将主导市场此外将推出品种繁多的光电子消费类产品如vcddvd数码相机新型彩电掌上电脑电子产品智能手机手持音响播放设备摄影投影和成像办公自动化光电设备如激光打印传真和复印等以及新型的信息显示技术产品如crtlcd及pdpfedoel平板显示器等并进入人们的日常生活中
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光盘存储器原理—激光刻蚀与读出
17
偏振光显微镜
18
激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）
19
激光控制核聚变
20
天文台（激光导航星）
来自纳层 的反射光 （高度约 100km) 最大高度 约35km
来自空气 分子的 Rayleigh光
21
激光测距与激光雷达
22
激光切割
波阵面为一系列同心圆的波是球面波
球面简谐波方程：
U0 r U cos t r c
球面波的复数表示法：
U 0 i t kr U e r
32
光子
在真空中一个光子的能量
h
式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J•s。
光子的具有运动质量
33
12
中国第一台激光器（1961）
13
激光技术发展简史之二
各种激光器的开发:
工作物质：固体，气体，染料，化学，离子，原 子，半导体，X射线 输出功率：大功率，低功率
工作方式：短脉冲，脉冲，超短脉冲，连续 输出稳定性：稳频率，稳功率，稳方向
14
我国激光器研究情况
激光器的第一台 红宝石激光器（我国第一台) He-Ne激光器 掺钕玻璃激光器 GaAs同质结半导体激光器 CO2分子激光器 研制成功时间 1961年11月 1963年7月 1963年6月 1963年12月 1965年9月 研 制 人 邓锡铭、 王之江 邓锡铭等 干福熹 王守武 王润文等
T
c l0 在真空中 各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同 l c υ υ l (l 0 )
29
单色平面波
(1) 平面波
波阵面或等相位面：光波相位相同的空间各点所连成的面
平面波：波阵面是平面 实际生活中无穷远处传来的光，透镜前焦点上光源通过透 镜形成的光束可以看成平面波 (2) 单色平面波：具有单一频率的平面波 准单色波：实际上不存在完全单色的光波，总有一定的 频率宽度，如 称为准单色波。
生物和医学应用
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激光技术涉及的学科
物理（光学） 精密加工（光学谐振腔的制作） 光学加工（光学镀膜、光学装调） 电子技术（激光电源、控制电路） 应用技术基础（数学方法、误差理论）
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光学基本概念
波动性：传播过程 具有频率、波长、偏振 粒子性：光与物质相互作用 具有能量、动量、运动质量
光波是电磁波 振动的电场； 振动的磁场 l 光与大多数探测器作用时，主要是电矢量起作用，故把电 矢量称作光矢量
激光原理与激光技术
1
学习目的与具体要求
目的：掌握激光原理和激光技术有关知识，学习 理论结合实际应用高技术的某些方法。
2
基本知识介绍
普通光源是光的自发辐射。
特点：多波长、任意方向、 不相干。
普通光源向四面八方辐射, 光线分散到4p球面度的立体 角内.
3
激光
激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （Laser）。 激光是光的受激辐射。
光子的动量
h m 2 2 h mc2 c c
h h 2p h h P mcn0 n0 n0 n0 k c l 2p l 2p
光的能量就是所有光子能量的总和。当光与物质(原子、分 子)交换能量时，光子只能整个地被原子吸收或发射。
理论基础： 爱因斯坦的光子学说 (1905)； 波粒二象性(1909) 辐射理论(1917)：提出 了受激辐射的概念，预 测到光可以产生受激辐 射放大。
Einstein
7
激光技术发展简史之一
理论基础： R.C.Tolman指出： 具有粒子数反转的介 质具有光学增益（产 生激光的基本条件之 一）（1924）。
~ 复振幅 U : 代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在 ~ 空间的分布 U U 0 exp ikz
光强：单位时间内通过垂直于光传播方向单位面积的 光波能量。光强与光矢量大小的平方成正比，即 I U 2
2 U0 1 2 2 1 T 2 I T U dt 1 U 0 cos2 (t kz)dt T 2 T T 2 T 1
27
光的波粒二象性
光波是横波，有偏振方向，激光本质上讲是偏振光---偏振 方向有时随时间变化
y Ey E (1)线偏振光 Ex x (2)自然光 传播方向 z
28
光速、频率和波长三者的关系
(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。
(2)光速 c 2.998 108 m / s 3108 m / s (3)频率：光矢量每秒钟振动的次数 1 (4)三者的关系
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激光技术发展简史之三
激光应用技术
信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算， 光隔离器 检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维 形状 激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型 医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼 科手术，激光血照仪，视光学测量 科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激光光 谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过 程等等
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激光技术发展简史之一
美国休斯公司实验室一位从事 红宝石荧光研究的年轻人梅曼 在1960.5.16利用红宝石棒首 次观察到激光；
梅曼在7月7日正式演示了世 界第一台红宝石固态激光器；
他在Nature(8月16日)发表了 一个简短的通知。
Maiman
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激光技术发展简史之一
Maiman的第一台激光器
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单色平面波
理想的单色平面波
单色平面波的表示---行波方程
z 2p t 2p z U U 0 cos t U 0 cos l c T
单色平面波的复数表示
U U 0 exp i t kz U exp(it )
Tolman
8
激光技术发展简史之一
实验基础：
Prokhorov和 H.Townes分别 独立报导了第一 个微波受激辐射 放大器(Maser) （1953）
Prokhorov
Townes
9
激光技术发展简史之一
1958年Townes和 Schawlow抛弃了尺度必 须和波长可比拟的封闭 式谐振腔的老思路，提 出利用尺度远大于波长 的开放式光谐振腔实现 Laser的新想。 Schawlow
激光的特点：单色性好,方 向性好；相干性好；亮度高.
基本沿某一条直线传播,通 常发散角限制在10-6球面度 量级的立体角内.
4
激光
辐射跃迁： 受激吸收； 自发辐射； 受激辐射
5
激光
粒子数反转
激光原理就是要研究光 的受激辐射是如何在激 光器内产生并占主导地 位而抑制自发辐射！
6
激光技术发展简史之一