激光原理与技术总结共34页
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
激光原理与激光技术完整演示文稿
第5页，共48页。
对参考标准频率的要求： （１）谱线中心频率的稳定性和复现性要好。 （２）线宽要窄。 （３）有足够的信噪比。 （４）谱线频率与受控激光器频率要匹配。
兰姆凹陷稳频利用激光本身的原子跃迁中心频率作为参考点，而原子跃 迁的中心频率易受放电条件等影响而发生变化，所以频率稳定性和复现性受 到局限。
饱和吸收稳频：采用外界参考频率标准进行稳频，如在谐振腔中放入一 个低气压的原子（分子）吸收管，气压很低，碰撞加宽很小，吸收线中心频率 的压力位移也很小，吸收管无放电作用，故谱线中心频率比较稳定，谱线宽度 较窄，所以在吸收线中心处形成一个位置稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为频 率的参考点，频率稳定性和复现性得到很大提高。
激光原理与激光技术完整演示 文稿
第1页，共48页。
激光原理与激光技术完整
第2页，共48页。
二、影响激光频率稳定的因素
激光振荡频率决定于原子跃迁中心频率 m 谐振频率 c ，谐
，谱线宽度 m ，谐振腔
通常情况下有： m c ，上式可简化为：
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基本思想：将传播方向相反而路径基本重合的两束泵浦光（或饱和光）与 探测光、穿过气体样品，当激光频率扫描到原子或分子的超精细能级的共振频 率时，根据多普勒效应，只有在探测光路径上速度分量为零的那部分原子或分 子由于其多普勒频移为零，才能同时与泵浦光和探测光发生共振相互作用，由 于较强的泵浦光使这部分原子在基态的数目减少，所以对探测光的吸收减少， 因而谱线呈吸收减弱的尖峰即超精细跃迁峰。
若激光器１相对于激光器２的稳定性很高，可以认为 1 0 （参考
激光原理及应用ppt课件
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
(1.1.10)
上述相空间体积元称为相格。相格是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。
光子的某一运动状态只能定域在一个相格中，但不能确定它在相格内部的对应位置。
于是我们看到，微观粒子和宏观质点不同，它的运动状态在相空间中不是对应一点而是
对应一个相格。这表明微观粒子运动的不连续性。仅当所考虑的运动物体的能量和动量
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。
整理ppt
7
（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， 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，
远远大于由普朗克常数h所标志的l量hv9和hk，以致量子化效应可以忽略不计时，
量子力学运动才过渡到经典力学运动。
从式(1.1.10)还可得出，一个相格所占有的坐标空间体积（或称相格空间体积)为
ΔxΔyΔz︾h3/（ΔPxΔPyΔPz）
（1.1.11）
激光原理总结
激光原理总结⼀共四章§Chapter 1爱因斯坦系数/激光产⽣条件/激光结构/激光优点1. ⾃发辐射: 上能级粒⼦，⾃发地从E2能级跃迁到E1能级，并辐射出光⼦2. 受激辐射: 上能级粒⼦，遇到能量等于能级差的光⼦，在光⼦激励下，粒⼦从E2能级跃迁到E1能级，并辐射出⼀个与⼊射光⼦完全相同的光⼦3. 受激吸收: 下能级粒⼦，遇到能量等于能级差的光⼦，在光⼦激励下，粒⼦从E1能级跃迁到E2能级，并吸收⼀个⼊射光⼦三个爱因斯坦系数：dn21=A21n2dt(⾃发辐射)dn′21=B21n2ρv dt(受激辐射)dn12=B12n1ρv dt(受激吸收)三个爱因斯坦系数的关系：A21 B21=8πhν3 c3B12g1=B21g2粒⼦数反转分布状态:dn′21 dn12=g1n2g2n1>1受激辐射⼤于受激吸收,打破波尔兹曼分布。
此时可称“得到增益”。
⽽普通情况下，受激辐射/⾃发辐射较⼩（计算参看讲义）。
总结：产⽣激光的基本条件是“粒⼦数反转分布和增⼤⼀⽅向上的光能密度”激光器的基本结构：1. ⼯作物质：增益介质/粒⼦数反转/上能级为亚稳态2. 激励装置：能源/光/电3. 谐振腔：反馈/光强/模式三能级系统：亚稳态寿命长，阈值⾼，转换效率低。
如红宝⽯激光器四能级系统：阈值低，连续运转，⼤功率。
如He-Ne激光器的优点：1. 相⼲性好：受激辐射的光具有相⼲性，相⼲长度L c=λ2Δλ，相⼲时间τ=L cc2. ⽅向性好：谐振腔3. 单⾊性好4. 亮度⾼：受激辐射的光强⼤§Chapter 2稳定性/模式分析/⾼斯光束腔的分类参考Ch2-P1光腔的稳定性条件：傍轴模在腔内往返⽆限多次不逸出腔外,数学形式如下g 1=1−L R 1,g 2=1−L R 20≤g 1g 2≤1按照稳定性得到三种腔♥0<g 1g 2<1稳定腔♥g 1g 2=0org 1g 2=1临界腔♥g 1g 2<0org 1g 2>1⾮稳腔 ♥ ♥ ♥ ♥♥ ♥ bbx ♥ nnx 图解法判断腔的稳定条件Ch2-P2⽤上述条件判断各种腔的稳定性，注意曲率R 的⽅向"凹⾯向着腔内时(凹⾯镜)，R >0；凸⾯向着腔内时(凸⾯镜)，R <0"。
2024版激光原理与技术PPT(很全面)
•激光基本原理•激光器类型及技术•激光束特性及控制技术目录•激光与物质相互作用•激光测量与检测技术•激光通信与信息处理技术•激光安全与防护技术光的自发辐射与受激辐射自发辐射原子或分子在没有外界作用下，由于自身能级的不稳定性而自发地从高能级向低能级跃迁，同时发射出一个光子的过程。
受激辐射原子或分子在外界光子的作用下，从高能级向低能级跃迁，同时发射出一个与入射光子完全相同的光子的过程。
区别与联系自发辐射是随机的，而受激辐射是确定的；自发辐射产生的光是非相干的，而受激辐射产生的光是相干的。
光放大当外来光信号通过激光工作物质时，受激辐射产生的光子与入射光子具有相同的频率、相位、传播方向和偏振状态，从而实现光信号的放大。
粒子数反转在激光工作物质中，高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数，形成粒子数反转分布。
实现方法通过泵浦源提供能量，使激光工作物质中的粒子被激发到高能级，形成粒子数反转分布。
粒子数反转与光放大产生条件特性应用领域030201激光的产生与特性晶体激光器玻璃激光器光纤激光器He-Ne 激光器CO2激光器以氦气和氖气作为工作气体，产生红色可见光激光，常用于精密测量和准直。
Ar+激光器染料激光器液体激光核聚变半导体激光器边发射半导体激光器面发射半导体激光器采用垂直腔面发射结构，具有低阈值电流、圆形光束和易于集成等特点，适用于光通信和光互连等领域。
激光束的传输与聚焦激光束的传输特性01激光束的聚焦原理02激光束的聚焦技术03介绍评价激光束质量的常用参数，如光束直径、发散角、光强分布等。
激光束质量评价参数阐述实验测量和数值模拟等方法在激光束质量评价中的应用。
激光束质量评价方法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。
激光束质量对应用的影响激光束的质量评价激光束的控制与整形激光束控制技术激光束整形技术激光束控制与整形的应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激光与物质相互作用的机理激光与物质相互作用的特点1 2 3激光加工的基本原理激光加工的应用领域激光加工的优势激光加工原理及应用利用激光的高能量密度和生物效应，对生物组织进行照射，以达到治疗疾病的目的。
激光的原理及技术基础
激光技术的发展趋势
高效化
提高激光器的输出功率 和能量转换效率，以满
足各种应用需求。
微型化
减小激光器的体积和重 量，使其更加便携和易
于集成。
智能化
结合人工智能和机器学 习技术，实现激光器的
智能控制和优化。
多波段化
开发多波段激光器，以 满足不同应用领域的特
殊需求。
未来激光技术的应用前景
01
02
03
04
在激光中，受激辐射通过共振腔的作 用得到放大，使得某一特定波长的光 得到增强，最终形成激光。
激光器的基本组成
激光器由工作物质、共振腔和泵浦源三部分组成。工作物质 是产生激光的物质，共振腔是维持和放大激光的装置，泵浦 源则提供能量使工作物质发生受激辐射。
通过调整共振腔的反射镜间距和角度，可以控制激光的波长 、模式和输出功率等参数。同时，通过改变泵浦源的功率， 可以调节激光的输出功率和模式。
激光武器
激光雷达侦查
利用高能激光束对目标进行打击，具有快速、 灵活、低成本等优点，可应用于反导、反卫 星等领域。
利用激光雷达对敌方目标进行高精度侦查和 定位，获取情报信息，为军事行动提供决策 支持。
04 激光的特性与优势
激光的特性
单色性
方向性
激光的波长范围非常窄，因此具有极高的 单色性。这使得激光在光谱分析、干涉测 量等领域具有广泛的应用。
02 激光技术基础
激光调制技术
直接调制
通过改变注入电流的大小来改变 激光的输出功率，适用于低频信 号的调制。
外部调制
使用一个外部装置来改变激光的 参数，如偏振态或相位，适用于 高速信号的调制。
激光放大技术
半导体激光放大器
激光原理与技术总结PPT课件
为常数，即 dn2 / dt dn1 / dt 0 (VI)变为：
n1W13 S32 A31
S32
B12 (n1
n2
)
n2
(
A21
S21 )
0
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该式应该对于任意大小 的均成立，
所以只有
B12(n1 n2，) 即0 时才
可以。这样由上式可得： n1 n2
T MN
（M:原子质量；MN:原子量）
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四、增益系数
增益系数： G u1 Nu1
受激辐射截面积： u1
c2
8
2
Au1
g( )
粒子数之差：
N u1
Nu
gu g1
N1
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五、速率方程
1.三能级系统（1,2能级产生激光）
⑴跃迁图
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⑵速率方程
S32
B12(n1 n2 ) n2 ( A21 S21)
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由于： dn2 dn1 dt dt
所以：
dn2 dt
dn1 dt
2
n1W13 S32 A31
S32
B12 (n1
n2 ) n2 ( A21
S21)
(VI)
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而要使入射光的能量密度等于出
dNl dt
(n2
f2 f1
n1) 21( , 0 )vNl
Nl
Rl
(IV)
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其中（II）式可以改写为
dn2 dt
n3S32
B12(n1 n2 ) n2 ( A21 S21)