激光原理与技术
激光原理第九章
激光原理与技术
单位长度输出功率可达1KW／m以上。1 ～3kw的纵向快流CO2 激光器已广泛用于激 光加工。与大功率的横向流动激光器相比， 纵向快流CO2激光器中放电电流密度分布的 园对称性较好，具有更好的光束质量。
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4．横向流动CO2激光器
纵向快流CO2 激光器需要很高气体流速。 若使气体流流动方向与光轴垂直，由于气体通 道截面大，气体流动路径短，因此较低的流速 就能达到纵向快流同样的冷却效果。 在横向流动CO2激光器中，输出功率的电流 饱和效应不明显。最佳气体压强高达 1.3×104pa。高压强运转有利于提高输出功率 ，但碰撞使电子温度降低，必须在强电场中才 能维持足够高的电子温度。
激光原理与技术
2、封离型CO2激光器
放电过程中，一部分CO2 分子分解为CO和O ，如不抽去陈气，补充新鲜气体，则CO2含量减 少，CO含量增多，将导致输出功率下降。 因此，在封离型CO2 激光器中，加入催化剂促 使O和CO更新结合为CO2 ，并选用不与O2 气作 用的阴极材料料以保证激光器中有足够的氧气和 CO重新结合。通常加入少量H2O或H2 作催化剂 。封离型激光器的结构和输出功率的水平和纵向 漫流激光器相似，寿命巳超过数千小时至—万小 时。
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激光原理与技术
三、钕激光器 三价钕离子为激活粒子的钕激光器是使用最 广泛的激光器。Nd3+离子部分取代Y3Al5O12 晶体中Y3+离子称为掺钕亿铝石榴石(简称Nd ：YAG)。属四能级系统，有量子效率高、受 激辐射截面大的优点，阈值比红宝石和钕玻 璃激光器小得多，有高的热导率，易于散热 ，可以单脉冲运转，用于高重复率或连续运 转，Nd：YAG连续激光器的最大输出功率超过 1000w，每秒5000次的激光器的输出峰值功为 数千瓦，每秒几十次重复频率的调Q激光器的 峰值功率达几百兆瓦。
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。
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。
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(很全面)
激光束质量对应用的影响
分析激光束质量对激光加工、光通信、激光雷达等应用的影响。
激光束的控制与整形
激光束控制技术
探讨通过光学元件、机械装置等手段对激光束进行控制的原理和 方法。
激光束整形技术
介绍将激光束整形为特定形状（如平顶、环形等）的原理和方法， 以及整形后激光束的特性。
激光束控制与整形的应用
阐述激光束控制与整形在材料加工、生物医学、光通信等领域的应 用实例。
激光Байду номын сангаас眼睛的危害
激光束直接照射眼睛，可能导致视网膜烧伤、视力下降甚至失明。防护措施包 括佩戴合适的激光防护眼镜，避免直接观看激光束。
激光对皮肤的危害
激光照射皮肤可能导致烧伤、色素沉着、皮肤癌等。防护措施包括穿戴防护服 、使用防晒霜等。
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）和美国国家标准学会（ANSI）等制定了激光安全标准， 对激光产品的分类、标识、使用等做出了规定。
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。
激光手术
利用激光的高精度和可控性，进行微 创手术操作，如眼科手术、皮肤科手 术等。
生物医学成像
利用激光的高亮度和方向性，对人体 内部组织进行光学成像，以辅助医学 诊断和治疗。
05
激光测量与检测技术
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绪论
激 光——利用受激辐射的光放大
“LASER” stands for Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation
一、多方面的应用需求激励激光器的研究 (1)高的单色性和相干性要求 光纤通信、干涉计量、光全息、光谱分析等！ (2)高功率、高能量、高强度要求 激光核聚变、激光武器、非线性光学、激光加工等！ (3)好的方向性要求 准直、激光导航、激光雷达等！ (4)良好的时间分辨率 观测超快过程： (comp. : time scale of molecular vibrations ~ 100 fs time scale of electronic motion ~ 100 as)
2、能源上：激光核聚变！ 3、信息处理上：激光全息、光通信等。
4、医学上：激光美容、激光手术刀等。
5、军事上：制成激光雷达和各种激光武器！
致盲致眩武器、战术性武器（击毁装甲车、飞机、战术 导弹等）、战略性武器（可以摧毁远程导弹、洲际导弹 和卫星）。
美国波音公 司用于反导 的机载激光 武器系统。
6、工业上：激光准直、激光导航、激光打孔、光刻集成 电路等。
LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1960 T. H. Maiman first laser, made from a ruby crystal 1961 A. Javan et al. first gas laser (HeNe) 1961 E. Snitzer Nd3+:glass - laser (1.06 μm) 1962 several authors GaAs – diode laser (840 nm) 1964 C. K. N. Patel CO2 - laser (10 μm) 1964 J. E. Geusic et al. Nd3+: YAG-Laser (Y3Al5O12, 1.06 μm)
Major Pump Bands
1.7638 Ordinary Ray
1.7556 Extraordinary Ray
0.008 3 x 10-3 (Δn / %
Cr2O3) 3 ms at 300 K
5.0 Å at 300K
6.94.3 nm
404 nm and 554 nm
1964 W. B. Bridges Ar+ ion laser 1965 J. V. V. Kasper & G. C. Pimentel chemical laser (HCl, 3.8 μm) 1966 P. P. Sorokin & J. R. Lankard dye laser 1971 N. G. Basov et al. Xe2+ - excimer laser 1984 P.F. Moulton Ti-Sapphire laser (Ti3+:Al2O3)
三、与激光及激光应用有关的诺贝尔奖 Nobel prizes for lasers and laser applications
四、激光器的基本结构
激励源
五、激光器的典型应用 激光的产生有划时代意义！ 1、自然科学上：导致许多相关学 科的诞生和发展！
工作物质 谐振腔
非线性光学、激光光谱学、激光物理、激光化学、激光 生物学、激光的原子冷却和钳制等。
美研制步兵用激光武器
高能激光武器
“响尾蛇”AIM-9系列空空导弹
2015年美国空军将装备激光炮
用激光破坏威胁地球的小行星
用于侦查犯罪的袖珍激光器
激光-氧气切割金属
激光打孔
用激光检验路面质量的专用汽车
激光核聚变装置
半导体激光器
六、激光器的分类
工作物质形态 可以分为气体、固体、半导体、液体等
二、激光的发展简史 History of laser developments
1917 A. Einstein quantum mech. of radiation (spont. & stim. emission) 1954 C. H. Townes et al. first maser, implemented with NH3 molecules
工作方式 连续工作(CW or continuous wave lasers)和脉冲工作(Pulsed lasers)
激光技术 调Q激光器(Q-switched lasers)、锁模激光器(Mode locked lasers)、倍
频激光器(Frequency doubling lasers)、可调谐激光器(Tunable lasers)、 单模和多模激光器(Single-mode and Multi-mode lasers)等
2008
参考书目：
1、激光原理与技术，安毓英等编著；科学出版社 2010 2、激光原理， 盛新志，娄淑琴； 清华大学出版社 2010 3、激光器件，马养武等；浙江大学出版社 2001 4、激光技术，蓝信钜；科学出版社 2001 5、激光原理学习指导，高以智等编著；国防工业出版社 2006 6、Principles of Lasers，Orazio Svelto；Plenum Press 1998
激光原理与技术
• 课程内容（三部分） –激光原理 –激光器件 –激光技术
• 学时 –48学时
• 学分 –3.0学分
• 考核方法 –期末考试占80％ –平时成绩占20％ –学时短，不安排期中考试
• 课程要求 –不无故缺勤 –按时完成作业
教材：
激光原理，周炳琨等编著；国防工业出版社 2000, 2004，
… and many recent developments : e.g. single-cycle laser pulses, THz pulses, pulse shaping, generation of attosecond pulses, laser-based nuclear fusion, …
（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation） 1954 N. G. Basov & A. M. Prokhorov maser theory 1958 A. L. Schawlow & Ch. H. Townes laser theory 1959 G. Gould laser patent
第七章 激光器特性的控制与改善 –介绍激光器的各种调制技术、调Q与锁模技术、频 率变换技术
第九章 典型激光器和激光放大器 –介绍各种激光器的structure of ruby is similar to the one of corundum, i.e. a crystal of aluminum oxide (Al2O3), in which the small part of atoms of aluminum (about 0.05 %) is replaced with ions Cr +++, producing a 694.3 nm output.
七、课程内容安排 第一章 激光的基本原理
– 介绍激光的基础知识、特性及产生机理
第二章 开放式光腔与高斯光束 – 介绍开放式光谐振腔理论及高斯光束的传输规律
第四章 电磁场和物质的共振相互作用 –阐明其基本物理过程和主要理论分析方法，主要介 绍速率方程理论
第五章 激光振荡特性 –在速率方程理论的基础上分析激光器的工作特性
Physical and Optical Properties
Density
3.98 g/cc
Refractive index at 700 nm
Melting Point Young's Modulus MOR Compressive Strength Hardness
Thermal Expansion
(first) Ruby laser, T.H.Maiman(19272007), July, 1960, at the Hughes Research Laboratories
The word ‘laser’ has been generally accepted since about 1965
1961 R. J. Collins Q-switching 1965 H. W. Mocker & R. J. Collins passive modelocking in a ruby laser 1968 D. J. Bradley & A. J. F. Durrant synchroneous pumping 1971 H. Kogelnik & C. V. Shank distributed feedback(DFB) dye laser 1984 W. H. Knox et al. pulse compression 1985 D. Strickland & G. Mourou chirped pulse amplification 1991 D. E. Spence et al. Kerr lens modelocking …
20° to 50° C 20° to 200° C
at 0° C
Thermal Conductivity at 100° C
2040° C
345 Gpa
425 MPa
2.0 Gpa 9 Mhos, 2000
Knoop 5.8 x 10-6 / °
C 7.7 x 10-6 / °
C 46.02 W /
(m•K) 25.10 W /
(m•K)
Birefringence Refractive Index vs. Chromium Concentration Fluorescent Lifetime at 0.05% Cr2O3 Fluorescent Linewidth (R1)