第六章 激光过程动力学
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光动力学疗法课件
金属配合物类光敏剂
这类光敏剂具有较高的光敏活性和较低的光毒性，因此被认为是较为理 想的光敏剂。但是，其合成难度较大，成本较高，还需要进一步研究和 改进。
光敏剂的选择与应用
根据治疗疾病的类型和部位选 择合适的光敏剂，以确保治疗 效果和安全性。
在选择光敏剂时，需要考虑其 光敏活性、光毒性、稳定性、 溶解性、合成成本等多个因素 。
激光照射与剂量控制
激光照射
使用特定波长的激光照射病变部位，确保光束均匀覆盖，避免过度照射或遗漏。
剂量控制
根据病变部位和病情，控制激光照射的剂量和时间，以达到最佳的治疗效果，同 时避免对周围正常组织造成损伤。
治疗效果的评估与后续处理
治疗效果评估
通过定期检查和评估，了解光动力学 疗法的效果，如ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ情改善情况、病变 部位变化等。
原理
光敏剂在特定波长的光照射下，吸收 光能并转化为化学能，引发一系列光 化学反应，产生具有杀伤力的活性氧 物质，从而破坏病变组织。
发展历程与现状
发展历程
光动力学疗法自20世纪80年代初 开始研究，经过几十年的发展， 已经成为一种成熟的治疗方法， 广泛应用于多种疾病的治疗。
现状
目前，光动力学疗法已经成为治 疗肿瘤、血管病变、皮肤疾病等 领域的重要手段，尤其在肿瘤治 疗方面取得了显著疗效。
VS
疗效比较
比较光动力学疗法与其他传统治疗方法的 疗效，有助于评估其优势和局限性，促进 其在临床上的广泛应用。
提高治疗效果与降低副作用的策略
优化光照参数
光照参数如光剂量、波长、脉冲方式等对光 动力学疗法的治疗效果具有重要影响。通过 优化光照参数，可以提高治疗效果并降低对 正常组织的损伤。
精准靶向治疗
这类光敏剂具有较高的光敏活性和较低的光毒性，因此被认为是较为理 想的光敏剂。但是，其合成难度较大，成本较高，还需要进一步研究和 改进。
光敏剂的选择与应用
根据治疗疾病的类型和部位选 择合适的光敏剂，以确保治疗 效果和安全性。
在选择光敏剂时，需要考虑其 光敏活性、光毒性、稳定性、 溶解性、合成成本等多个因素 。
激光照射与剂量控制
激光照射
使用特定波长的激光照射病变部位，确保光束均匀覆盖，避免过度照射或遗漏。
剂量控制
根据病变部位和病情，控制激光照射的剂量和时间，以达到最佳的治疗效果，同 时避免对周围正常组织造成损伤。
治疗效果的评估与后续处理
治疗效果评估
通过定期检查和评估，了解光动力学 疗法的效果，如ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ情改善情况、病变 部位变化等。
原理
光敏剂在特定波长的光照射下，吸收 光能并转化为化学能，引发一系列光 化学反应，产生具有杀伤力的活性氧 物质，从而破坏病变组织。
发展历程与现状
发展历程
光动力学疗法自20世纪80年代初 开始研究，经过几十年的发展， 已经成为一种成熟的治疗方法， 广泛应用于多种疾病的治疗。
现状
目前，光动力学疗法已经成为治 疗肿瘤、血管病变、皮肤疾病等 领域的重要手段，尤其在肿瘤治 疗方面取得了显著疗效。
VS
疗效比较
比较光动力学疗法与其他传统治疗方法的 疗效，有助于评估其优势和局限性，促进 其在临床上的广泛应用。
提高治疗效果与降低副作用的策略
优化光照参数
光照参数如光剂量、波长、脉冲方式等对光 动力学疗法的治疗效果具有重要影响。通过 优化光照参数，可以提高治疗效果并降低对 正常组织的损伤。
精准靶向治疗
激光与物质相互作用课件
激光操控
利用激光的能量和方向性，实现对微观粒子的精 确操控，如光镊技术等。
激光与物质相互作
03
用的实验技术
激光光谱技术
原子光谱技术
利用激光激发物质中的原子，测量原子能级的跃迁，从而分析物 质成分和结构。
分子光谱技术
通过测量分子振动和转动能级的跃迁，分析物质的分子结构和化学 键信息。
非线性光谱技术
激光与物质相互作
02
用的应用
激光在材料加工中的应用
激光切割
利用高能激光束对材料进行精确 切割，具有高精度、高效率的特
点。
激光焊接
通过激光束将材料熔化并连接在 一起，常用于金属材料的焊接。
激光打标
利用激光束在材料表面刻写文字 、图案等标识，具有高清晰度、
耐久性好。
激光在医学领域的应用
激光治疗
利用激光的生物效应，如光热作用、 光化学作用等，对病变组织进行治疗 。
折射
当激光进入不同介质时， 会发生折射现象，改变光 的传播方向。
激光与物质相互作用的物理过程
光致电离
激光能量足够高时，能够 使物质中的电子从原子或 分子中完全剥离出来，形 成离子。
热效应
激光能量被物质吸收后， 会导致物质局部温度升高 ，产生热效应。
光化学反应
激光能量可以激发物质分 子到激发态，进而发生光 化学反应。
致。
单色性
激光的波长范围非常窄，具有很高 的单色性，有利于精确控制和操作 。
高强度
激光的功率密度非常高，可以在短 时间内对物质产生强烈的相互作用 。
物质对激光的响应
01
02
03
吸收
物质对激光的能量进行吸 收，将光能转化为热能或 其他形式的能量。
利用激光的能量和方向性，实现对微观粒子的精 确操控，如光镊技术等。
激光与物质相互作
03
用的实验技术
激光光谱技术
原子光谱技术
利用激光激发物质中的原子，测量原子能级的跃迁，从而分析物 质成分和结构。
分子光谱技术
通过测量分子振动和转动能级的跃迁，分析物质的分子结构和化学 键信息。
非线性光谱技术
激光与物质相互作
02
用的应用
激光在材料加工中的应用
激光切割
利用高能激光束对材料进行精确 切割，具有高精度、高效率的特
点。
激光焊接
通过激光束将材料熔化并连接在 一起，常用于金属材料的焊接。
激光打标
利用激光束在材料表面刻写文字 、图案等标识，具有高清晰度、
耐久性好。
激光在医学领域的应用
激光治疗
利用激光的生物效应，如光热作用、 光化学作用等，对病变组织进行治疗 。
折射
当激光进入不同介质时， 会发生折射现象，改变光 的传播方向。
激光与物质相互作用的物理过程
光致电离
激光能量足够高时，能够 使物质中的电子从原子或 分子中完全剥离出来，形 成离子。
热效应
激光能量被物质吸收后， 会导致物质局部温度升高 ，产生热效应。
光化学反应
激光能量可以激发物质分 子到激发态，进而发生光 化学反应。
致。
单色性
激光的波长范围非常窄，具有很高 的单色性，有利于精确控制和操作 。
高强度
激光的功率密度非常高，可以在短 时间内对物质产生强烈的相互作用 。
物质对激光的响应
01
02
03
吸收
物质对激光的能量进行吸 收，将光能转化为热能或 其他形式的能量。
第六章 激光过程动力学
物理与光电信息科技学院
《激光原理与技术》
主讲教师：陈建新、朱莉莉、陈荣
chenjianxin@ 福建师范大学物理与光电信息科技学院
(第六章）
物理与光电信息科技学院
《激光原理与技术》
第六章
态的过程；
激光过程动力学
在第五章中，我们认为激光的产生是一个稳
d BR N ( 1) R dt dN BP BR N 2 N dt
BR A21 / P rad / P
P为激光腔体和跃迁线宽内的自发辐射总模数
(第六章）
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《激光原理与技术》
d 0 令 dt
《激光原理与技术》
激光稳态振荡的建立
稳态激光振荡建立所需的时间 ：
腔内光强从最初(t=0)的噪声信号 I 0 至达到稳 态振荡值 I ss 所需的时间，记为：T B
1。不计饱和相应的分析
2。考虑到饱和相应的更精确分析
(第六章）Leabharlann 物理与光电信息科技学院
s [(r 1) (r 1) 2
4r P ] P 2
(第六章）
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(第六章）
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《激光原理与技术》
单模激光器在阈值区域具有以下特点： 1. 振荡模的腔内光子数突然大幅度提高并达到自发辐 射总模数数量级。 2. 激活介质内激光跃迁上、下能级间的原子集居数先 随泵浦强度线性增大，直至被限制于阈值水平。 3. 光谱迅速变窄，使输出信号的频宽突然从宽带的自 发辐射频宽压缩到一个（或几个）激光模的单色辐 射。 4. 输出光束的空间方向性突然改善。 5. 输出光束统计特性的变化：从基本上是高斯无规则 噪声到相干振幅稳定的振荡。 总之，在泵浦的阈值区域，激光器腔内光场经历了从自发辐射荧 光到相干激光振荡的急剧变化
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主讲教师：陈建新、朱莉莉、陈荣
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第六章
态的过程；
激光过程动力学
在第五章中，我们认为激光的产生是一个稳
d BR N ( 1) R dt dN BP BR N 2 N dt
BR A21 / P rad / P
P为激光腔体和跃迁线宽内的自发辐射总模数
(第六章）
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d 0 令 dt
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激光稳态振荡的建立
稳态激光振荡建立所需的时间 ：
腔内光强从最初(t=0)的噪声信号 I 0 至达到稳 态振荡值 I ss 所需的时间，记为：T B
1。不计饱和相应的分析
2。考虑到饱和相应的更精确分析
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4r P ] P 2
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单模激光器在阈值区域具有以下特点： 1. 振荡模的腔内光子数突然大幅度提高并达到自发辐 射总模数数量级。 2. 激活介质内激光跃迁上、下能级间的原子集居数先 随泵浦强度线性增大，直至被限制于阈值水平。 3. 光谱迅速变窄，使输出信号的频宽突然从宽带的自 发辐射频宽压缩到一个（或几个）激光模的单色辐 射。 4. 输出光束的空间方向性突然改善。 5. 输出光束统计特性的变化：从基本上是高斯无规则 噪声到相干振幅稳定的振荡。 总之，在泵浦的阈值区域，激光器腔内光场经历了从自发辐射荧 光到相干激光振荡的急剧变化
第六章 激光过程动力学概要
dI I I2 dt
令
I (t ) K I ss
腔内光强达到稳态值的K倍所需的时间为
TBK K I ss I 0 ln( ) K 1 I0 1
(第六章）
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《激光原理与技术》
2.考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间 腔内光强达到稳态值的K倍所需的时间为
《激光原理与技术》
激光稳态振荡的建立
稳态激光振荡建立所需的时间 ：
腔内光强从最初(t=0)的噪声信号 I 0 至达到稳 态振荡值 I s。考虑到饱和相应的更精确分析
(第六章）
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《激光原理与技术》
2.考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间 令
dI 0 dt
得到： 振荡模的稳态腔内光强 R I ss I s (1 0 ) m 解方程得到
I 0 I ss e rt I (t ) I ss I 0 (e rt 1)
0 I (t ) I 0 exp ( m R )t
(第六章）
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《激光原理与技术》
1.不计饱和效应的稳态激光振荡建立所需的时间
0 r m /R
为激光器的泵浦超阈度。
腔内光强随时间变化规律：
0 I (t ) I 0 exp ( m R )t
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(第六章）
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第六章
态的过程；
激光在医学中的应用 ppt课件
ppt课件
32
HDP测定
ppt课件
33
HDP测定癌
ppt课件
34
光动力学疗法在皮肤科的应用
ppt课件
35
什么是光动力学疗法？
ppt课件
36
过程:特定波长的激光照射使组织吸收的光敏 剂受到激发，而激发态的光敏剂又把能量传 递给周围的氧，生成活性很强的单态氧。单 态氧和相邻的生物大分子发生氧化反应，产 生细胞毒性作用，进而导致细胞受损乃至死 亡。 光动力疗法的作用基础是光动力效应。
ppt课件
17
介入式激光诊治仪器 He-Ne激光血管内照射治疗仪； 其他激光源内照射治疗仪 激光手术器械 激光显微手术器； LASIK用角膜板层刀
ppt课件
18
激光治癌 激光角膜矫正术 激光治疗心血管症
ppt课件
19
激光多普勒技术在生物检测 中的应用
ppt课件
20
二、激光多普勒测量的基本原理
ppt课件 5
在活组织中激光照射，除热效应外，还有如下 非热效应：
电磁场效应
强场对组织的激励、振动和自由基作用等。
压力和冲击波效应
如脉冲激光在焦点处功率密度达1018W/cm2,可产生可 观的一次压力。
光化效应
不同生物对不同的激光波长具有选择性吸收。
ppt课件
6
释放生物效应
对有机染料的光子激活作用，它决定了选择性吸收。
如用不同荧光染色剂在激光的辐射下对光的吸收。 1、一般可以诊断恶性肿瘤，如食道癌，胃癌的早期诊断。 由于癌细胞与正常细胞对荧光染色剂的吸收有很大区别， 一般癌细胞的吸收较强，所以在一段时间后癌细胞中的荧 光染色剂还有相当数量，而正常细胞中已很少有荧光染色 剂，当激光照射时，对激光的荧光图会有很大的差别。 2、可以用于恶性肿瘤的治疗。 如：丫啶撜能被癌细胞所吸收，而对正常细胞很少吸收甚 至不吸收，当激光照射时产生光化学反应，达到杀死癌细 胞的目的。这种效应也称为趋光性效应。
光动力学化学动力学和光热治疗的原理
光动力学化学动力学和光热治疗的原理1. 光动力学化学动力学（Photodynamic Therapy, PDT）首先，患者会接受一种含有光敏剂的药物，这种药物可以在体内积累在异常细胞中。
光敏剂主要分为亲水性或脂水性。
亲水性光敏剂可吸附在细胞膜、胞浆和核中，脂水性光敏剂可主要吸附在细胞核内。
在接受药物后，光敏剂会被异常细胞所吸收和积累，形成肿瘤和其他异常细胞所特有的化学反应物。
接下来，经过一定时间的等待，光敏剂会被选择性地激活。
激活的方式是通过特定波长的激光照射异常细胞，这是由于光敏剂只对特定波长的光敏感。
当激光照射到异常细胞上时，光敏剂会转换为活性态，产生一系列化学反应。
这些反应包括产生活性氧化物，如一氧化氮和过氧化氢，以及释放质子和电子等。
最后，产生的活性氧化物会对异常细胞内的蛋白质、脂质和核酸等分子发生氧化反应，从而破坏异常细胞的结构和功能。
这种破坏作用会导致异常细胞的死亡和坏死，从而达到治疗的效果。
2. 光热治疗（Photothermal Therapy, PTT）光热治疗是一种利用光敏剂吸收光能产生热效应来治疗疾病的方法。
它采用特定波长的激光照射含有光敏剂的病灶区域，使光敏剂吸收激光能量并产生热量。
热量的增加会引起病灶区域的温度升高，从而导致异常细胞的死亡和坏死。
光热治疗的原理主要依赖于光敏剂的选择和光敏剂对特定波长光的吸收能力。
在特定波长的激光照射下，光敏剂能够吸收光的能量，并将其转化为热能。
这种转化过程是非线性的，即光强越高，吸收的能量越多，热量的产生也越高。
当光敏剂吸收的光能量达到一定程度时，热量的产生将会导致病灶区域的温度上升，并造成异常细胞的损伤。
在光热治疗中，光敏剂的选择也是关键因素之一、具有良好吸收特定波长光的光敏剂能够增加治疗的效果。
此外，光敏剂的局部积累和选择性激活也能够提高治疗的效果。
光热治疗主要用于治疗肿瘤和其他热敏性疾病。
相比传统的放疗和化疗方法，它具有许多优势，如局部治疗、无毒副作用、选择性损伤等。
电极过程动力学第六章半导体光电化学基础
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.曲弯不带能故 ,域区荷电间空无场电无内体导半时此 ,势电荷电零即也bf �� .势电极电的时在存荷电剩过无中体导半 - bf
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布分势电的层荷电间空变改要主变改的势电极电 �
1 � ,衡平达 液解电触接态状路开 1,CS�� 相体� -面表�
础基学化电光体导半
章六第
体缘绝、体导半、属金 �类分的体固质性电导据根 级能征特的体导半
p2O d3iT
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带价 带导 4.1 sAaG 21.1 iS
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3
2OiT
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数参征特的区荷电间空体导半
。示表hpj用�差之流电的态暗与照光下位电一同在�流电光 了大增流电极阳的内围范位电定一在极电PaG-n 了大增流电极阴的内围范位电定一在极电PaG-p 时照光 �系关位电�流电的极电PaG-n和PaG-p中液溶4OS2H L/lom 50.0示表1.2.5图
学力动移转荷电的上极电体导半
。布分量能 的定一呈级能原还化氧�响影用作境环和子分剂溶受于由����央 中的者二RE和OE于位级能imreF的系体原还化氧����能组重剂溶 为��2 =)R��O�(为差量能的者二�RE级能态原还于高OE级能态化氧 ����态子量的占未是O态化氧而�态子量的占已是R态原还中其�态 子量域定的上�子分或�子离在缚束是级能的系体原还化氧中液溶 �同不级能子电的体固与����征特的级能原还化氧中论理rehcsireG
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布分势电的层荷电间空变改要主变改的势电极电 �
1 � ,衡平达 液解电触接态状路开 1,CS�� 相体� -面表�
础基学化电光体导半
章六第
体缘绝、体导半、属金 �类分的体固质性电导据根 级能征特的体导半
p2O d3iT
p3P s4aG
带价 带导 4.1 sAaG 21.1 iS
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Ve/gE的料材极电体导半的用常 顶带价 级能imreF 底带导
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数参征特的区荷电间空体导半
。示表hpj用�差之流电的态暗与照光下位电一同在�流电光 了大增流电极阳的内围范位电定一在极电PaG-n 了大增流电极阴的内围范位电定一在极电PaG-p 时照光 �系关位电�流电的极电PaG-n和PaG-p中液溶4OS2H L/lom 50.0示表1.2.5图
学力动移转荷电的上极电体导半
。布分量能 的定一呈级能原还化氧�响影用作境环和子分剂溶受于由����央 中的者二RE和OE于位级能imreF的系体原还化氧����能组重剂溶 为��2 =)R��O�(为差量能的者二�RE级能态原还于高OE级能态化氧 ����态子量的占未是O态化氧而�态子量的占已是R态原还中其�态 子量域定的上�子分或�子离在缚束是级能的系体原还化氧中液溶 �同不级能子电的体固与����征特的级能原还化氧中论理rehcsireG
激光光谱学PPT课件PPT课件PPT学习教案
激光光谱学PPT课件PPT课件
会计学
1
激光光谱学参考书： 《激光光谱学原理和方法》黄世华 编著 其它参考书目： 1．《激光光谱学的基础和技术》W. Demtroder（戴姆特瑞德）著；黄潮 译 Chap. 1－3。 2．《光的量子理论》R. Loudon 著；于良 等译 Chap. 1，3，8，9。 3.《近代量子光学导论》彭金生 李高翔 著 Part. I Chap. 1，2；Part. II, Chap.1 4．《量子力学》 曾谨言 编著 Chap. 11，量子跃迁 5．《光学》 赵凯华 钟锡华 著 Chap. 2，4，5，8，9 6．《超短脉冲激光器原理及应用》 J. 赫尔曼；B. 威廉 著 Chap.1－4，8，9 7.《激光物理学》 邹英华 编著 Chap. 1，4，6－10 8．《 Laser and Electro-Optics 》Christophor C. Davis Chap. 1，2，6，23， 9.《概率论与数理统计》 10.《电动力学》 曹昌淇 著 11.《Electricity and Magnetism》Berkeley Physics Course Vol.2, E. M. Purcell Chapter. 6，7，9，10。
Wif
2π
|
f
| H | i |2 δ
(E f
Ei )
第14页/共74页
根据d 函数的性质，上式也可以写为：
Wif
2π 2
|
f
| H | i |2δ
(ω
ω fi )； δ (ω ) 1δ (ω )
式中设微扰是由能量的光子引起的， fi = (Ef - Ei)/
(1) 吸收：i fi f , 吸收引起终态 f 布居N f 变化
会计学
1
激光光谱学参考书： 《激光光谱学原理和方法》黄世华 编著 其它参考书目： 1．《激光光谱学的基础和技术》W. Demtroder（戴姆特瑞德）著；黄潮 译 Chap. 1－3。 2．《光的量子理论》R. Loudon 著；于良 等译 Chap. 1，3，8，9。 3.《近代量子光学导论》彭金生 李高翔 著 Part. I Chap. 1，2；Part. II, Chap.1 4．《量子力学》 曾谨言 编著 Chap. 11，量子跃迁 5．《光学》 赵凯华 钟锡华 著 Chap. 2，4，5，8，9 6．《超短脉冲激光器原理及应用》 J. 赫尔曼；B. 威廉 著 Chap.1－4，8，9 7.《激光物理学》 邹英华 编著 Chap. 1，4，6－10 8．《 Laser and Electro-Optics 》Christophor C. Davis Chap. 1，2，6，23， 9.《概率论与数理统计》 10.《电动力学》 曹昌淇 著 11.《Electricity and Magnetism》Berkeley Physics Course Vol.2, E. M. Purcell Chapter. 6，7，9，10。
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第14页/共74页
根据d 函数的性质，上式也可以写为：
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ω fi )； δ (ω ) 1δ (ω )
式中设微扰是由能量的光子引起的， fi = (Ef - Ei)/
(1) 吸收：i fi f , 吸收引起终态 f 布居N f 变化
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0 I (t ) I 0 exp ( m R )t
(第六章）
物理与光电信息科技学院
《激光原理与技术》
1.不计饱和效应的稳态激光振荡建立所需的时间
0 r m /R
为激光器的泵浦超阈度。
腔内光强随时间变化规律：
0 I (t ) I 0 exp ( m R )t
激光的突变的过程。
(第六章）
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《激光原理与技术》
激光振荡的建立
下面将对考虑到自发辐射后激光器阈值区域的 特性作进一步的分析。通过激光器振荡模腔内光子 数对泵浦速率的变化说明激光器在阈值区域激光形 成时从自发辐射荧光到激光的突变过程
(第六章）
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《激光原理与技术》
激光振荡的建立
采用如下的激光系统模型：单模均匀加宽激光器，二 能级系统，腔内光子总数为 (t ) ，上能级原子总数为 N2（t），平均寿命为 2 ，能级衰减率为 2 1 / 2 ， 并具有稳定可调的泵浦速率 RP，原子离开下能级的弛 豫速率很快，使得该能级的总原子数 N1 (t ) 0 ，介质中 总的粒子数反转数 N (t ) N 2 (t ) ，谐振腔损耗所致 (t ) 的衰减速率为 R 。该系统的速率方程可简单表示成
dN ， 0 可求得速率方程的稳态解 dt
1.低于阈值时的稳态解
2.高于阈值时的稳态解
(第六章）
物理与光电信息科技学院
《激光原理与技术》
1. 低于阈值时的稳态解
N s N s
N s N t
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R
BR
1 N t 1 N s 1 rrad s 1 2P
K I ss I 0 ln( ) K 1 I0 1
TBK
当 K 1 ，即 I (t ) I ss 时， TBK 。 这就意味着，由于饱和效应的存在腔内光强要经 过很长时间才能达到其稳态值。
(第六章）
物理与光电信息科技学院
《激光原理与技术》
总光子数
s 值随高于阈值的泵浦速率线性增大，并且与 可见， 腔内总的自发辐射模数P具有同一数量级，即约为 108 ~ 1010 量级。 (第六章）
rad s ( ) P(r 1) 2
物理与光电信息科技学院
《激光原理与技术》
3.阈值区域的精确结果
为简化计而假设 2 rad ，其结果为
(第六章）
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《激光原理与技术》
由以上两式可知：
s
RP 2 N s rad N P( t r 1) BR N s 2 N s
N s
R
s s Nt BR s 1 s 1
N s N t（或精确地 （1）高于阈值，即 s 1 时， 说是略低于 N t ）。 （2）高于阈值，即 r 1 且 N s N t时，腔内稳态
激光过程动力学
为了对激光振荡的基本原理有更深入和精确地描述， 必须分析激光器的动力学过程。
激光振荡的建立 脉冲激光器的尖峰振荡效应 激光器调Q技术原理 激光器锁模技术 激光器半经典理论概述
(第六章）
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《激光原理与技术》
激光振荡的建立
分析将激光器泵浦接通并使激活介质中的集
居数密度反转瞬间达到足够大的数值时，激 光器从自发辐射噪声到建立稳态的相干激光 振荡所需的时间；
激光振荡建立的阈值区域从自发辐射荧光到
激光的突变的过程。
(第六章）
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《激光原理与技术》
激光稳态振荡的建立
在t=0时刻，激光器内光子总数的速率方程：
TB )
R
r 1
ln(
稳态激光振荡建立的过程示意图
可见，稳态激光振荡建 立所需的时间TB与激光 器的泵浦超阈度r有关。
(第六章）
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《激光原理与技术》
2.考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间 腔内振荡模光强的增长速率可以表示为：
m (t )
RP N s RP 2 2 BR s
R
式中
N t
BR
( R / rad ) P
表示不计自发辐射贡献时激光器的阈值集居数反转
(第六章）
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《激光原理与技术》
从以上两式可看出： N s 1 s R N t N s 1 BR N s RP 1 N s RP 2 rrad s 2 BR s 1 2P （1）当低于阈值，即 N s Nt 时， s 值通常很小 约为零； （2）当低于阈值，只要 s P ，式中饱和项可忽 略，N s 就正比于泵浦速率RP，即
d 1 Va BR n dt R
m (t ) Va BR n
R
1
表示激光器工作物质中受激跃迁所引起的 振荡模光子数的瞬时相对增长速率 表示腔损耗所导致的振荡模光子数 的瞬时相对衰减速率
d m (t ) R dt
《激光原理与技术》
1.不计饱和效应的稳态激光振荡建立所需的时间 激光器介质中的光强较弱，不计介质中的原子 集居数密度反转或增益的饱和相应，腔内光强
0 的增长速率近似为常数，记为： m
由腔内光强随时间变化的速率方程
dI m (t ) R I (t ) dt
得到，腔内光强随时间变化规律：
2.考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间 将
1 I (t ) I ss 2
所需的时间视为激光振荡建立所需的时间
求解
I 0 I ss e rt I (t ) I ss I 0 (e rt 1)
得到
TB
1
ln(
I ss I 0 I ) R ln( ss ) I0 r 1 I0
(第六章）
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《激光原理与技术》
脉冲激光器的尖峰振荡效应
“尖峰”现象
利用快速响应的光电检测器和脉冲示波器，
可以发现典型的脉冲红宝石激光器自由振荡 的输出脉冲是由一系列无规则尖峰组成的；
四能级系统的激光器也存在类似的尖峰开启
改写为：
r 1 I (t 与光电信息科技学院
《激光原理与技术》
1.不计饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间
达到稳态振荡光强 Iss所需的时间可以 由下式近似求得：
I ss I 0 exp(
即：
TB
r 1
R
I ss ) I0
s [(r 1) (r 1) 2
4r P ] P 2
(第六章）
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《激光原理与技术》
(第六章）
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《激光原理与技术》
单模激光器在阈值区域具有以下特点： 1. 振荡模的腔内光子数突然大幅度提高并达到自发辐 射总模数数量级。 2. 激活介质内激光跃迁上、下能级间的原子集居数先 随泵浦强度线性增大，直至被限制于阈值水平。 3. 光谱迅速变窄，使输出信号的频宽突然从宽带的自 发辐射频宽压缩到一个（或几个）激光模的单色辐 射。 4. 输出光束的空间方向性突然改善。 5. 输出光束统计特性的变化：从基本上是高斯无规则 噪声到相干振幅稳定的振荡。 总之，在泵浦的阈值区域，激光器腔内光场经历了从自发辐射荧 光到相干激光振荡的急剧变化
《激光原理与技术》
激光稳态振荡的建立
稳态激光振荡建立所需的时间 ：
腔内光强从最初(t=0)的噪声信号 I 0 至达到稳 态振荡值 I ss 所需的时间，记为：T B
1。不计饱和相应的分析
2。考虑到饱和相应的更精确分析
(第六章）
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0 m
代入腔内光强随时间变化的速率方程 dI m (t ) R I (t ) dt 得到，腔内光强随时间变化规律：
dI 0 0 ( m R ) I ( m / Is )I 2 dt
(第六章）
I (t ) 1 Is
物理与光电信息科技学院
P352给出典型的氦氖激光器稳态振荡建立过程的实验曲线
(第六章）
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《激光原理与技术》
激光振荡的建立
分析将激光器泵浦接通并使激活介质中的集
居数密度反转瞬间达到足够大的数值时，激 光器从自发辐射噪声到建立稳态的相干激光 振荡所需的时间；
激光振荡建立的阈值区域从自发辐射荧光到
N s RP 2
(第六章）
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《激光原理与技术》
激光振荡的建立
2.高于阈值时的稳态解
s 1
RP 2 N s rad Nt s P( r 1) BR N s 2 N s
s s N s Nt BR s 1 s 1 R
物理与光电信息科技学院
《激光原理与技术》
主讲教师：陈建新、朱莉莉、陈荣
chenjianxin@ 福建师范大学物理与光电信息科技学院
(第六章）
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《激光原理与技术》
第六章
态的过程；
激光过程动力学
在第五章中，我们认为激光的产生是一个稳
《激光原理与技术》
2.考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间
0 m R
激光器振荡模光强的未饱和净增长速率
饱和系数
0 m / Is
腔内光强随时间变化规律：
dI 0 0 ( m R ) I ( m / Is )I 2 dt
(第六章）
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《激光原理与技术》
1.不计饱和效应的稳态激光振荡建立所需的时间
0 r m /R
为激光器的泵浦超阈度。
腔内光强随时间变化规律：
0 I (t ) I 0 exp ( m R )t
激光的突变的过程。
(第六章）
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《激光原理与技术》
激光振荡的建立
下面将对考虑到自发辐射后激光器阈值区域的 特性作进一步的分析。通过激光器振荡模腔内光子 数对泵浦速率的变化说明激光器在阈值区域激光形 成时从自发辐射荧光到激光的突变过程
(第六章）
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《激光原理与技术》
激光振荡的建立
采用如下的激光系统模型：单模均匀加宽激光器，二 能级系统，腔内光子总数为 (t ) ，上能级原子总数为 N2（t），平均寿命为 2 ，能级衰减率为 2 1 / 2 ， 并具有稳定可调的泵浦速率 RP，原子离开下能级的弛 豫速率很快，使得该能级的总原子数 N1 (t ) 0 ，介质中 总的粒子数反转数 N (t ) N 2 (t ) ，谐振腔损耗所致 (t ) 的衰减速率为 R 。该系统的速率方程可简单表示成
dN ， 0 可求得速率方程的稳态解 dt
1.低于阈值时的稳态解
2.高于阈值时的稳态解
(第六章）
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《激光原理与技术》
1. 低于阈值时的稳态解
N s N s
N s N t
s
R
BR
1 N t 1 N s 1 rrad s 1 2P
K I ss I 0 ln( ) K 1 I0 1
TBK
当 K 1 ，即 I (t ) I ss 时， TBK 。 这就意味着，由于饱和效应的存在腔内光强要经 过很长时间才能达到其稳态值。
(第六章）
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总光子数
s 值随高于阈值的泵浦速率线性增大，并且与 可见， 腔内总的自发辐射模数P具有同一数量级，即约为 108 ~ 1010 量级。 (第六章）
rad s ( ) P(r 1) 2
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3.阈值区域的精确结果
为简化计而假设 2 rad ，其结果为
(第六章）
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由以上两式可知：
s
RP 2 N s rad N P( t r 1) BR N s 2 N s
N s
R
s s Nt BR s 1 s 1
N s N t（或精确地 （1）高于阈值，即 s 1 时， 说是略低于 N t ）。 （2）高于阈值，即 r 1 且 N s N t时，腔内稳态
激光过程动力学
为了对激光振荡的基本原理有更深入和精确地描述， 必须分析激光器的动力学过程。
激光振荡的建立 脉冲激光器的尖峰振荡效应 激光器调Q技术原理 激光器锁模技术 激光器半经典理论概述
(第六章）
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激光振荡的建立
分析将激光器泵浦接通并使激活介质中的集
居数密度反转瞬间达到足够大的数值时，激 光器从自发辐射噪声到建立稳态的相干激光 振荡所需的时间；
激光振荡建立的阈值区域从自发辐射荧光到
激光的突变的过程。
(第六章）
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激光稳态振荡的建立
在t=0时刻，激光器内光子总数的速率方程：
TB )
R
r 1
ln(
稳态激光振荡建立的过程示意图
可见，稳态激光振荡建 立所需的时间TB与激光 器的泵浦超阈度r有关。
(第六章）
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《激光原理与技术》
2.考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间 腔内振荡模光强的增长速率可以表示为：
m (t )
RP N s RP 2 2 BR s
R
式中
N t
BR
( R / rad ) P
表示不计自发辐射贡献时激光器的阈值集居数反转
(第六章）
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从以上两式可看出： N s 1 s R N t N s 1 BR N s RP 1 N s RP 2 rrad s 2 BR s 1 2P （1）当低于阈值，即 N s Nt 时， s 值通常很小 约为零； （2）当低于阈值，只要 s P ，式中饱和项可忽 略，N s 就正比于泵浦速率RP，即
d 1 Va BR n dt R
m (t ) Va BR n
R
1
表示激光器工作物质中受激跃迁所引起的 振荡模光子数的瞬时相对增长速率 表示腔损耗所导致的振荡模光子数 的瞬时相对衰减速率
d m (t ) R dt
《激光原理与技术》
1.不计饱和效应的稳态激光振荡建立所需的时间 激光器介质中的光强较弱，不计介质中的原子 集居数密度反转或增益的饱和相应，腔内光强
0 的增长速率近似为常数，记为： m
由腔内光强随时间变化的速率方程
dI m (t ) R I (t ) dt
得到，腔内光强随时间变化规律：
2.考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间 将
1 I (t ) I ss 2
所需的时间视为激光振荡建立所需的时间
求解
I 0 I ss e rt I (t ) I ss I 0 (e rt 1)
得到
TB
1
ln(
I ss I 0 I ) R ln( ss ) I0 r 1 I0
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脉冲激光器的尖峰振荡效应
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利用快速响应的光电检测器和脉冲示波器，
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四能级系统的激光器也存在类似的尖峰开启
改写为：
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1.不计饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间
达到稳态振荡光强 Iss所需的时间可以 由下式近似求得：
I ss I 0 exp(
即：
TB
r 1
R
I ss ) I0
s [(r 1) (r 1) 2
4r P ] P 2
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单模激光器在阈值区域具有以下特点： 1. 振荡模的腔内光子数突然大幅度提高并达到自发辐 射总模数数量级。 2. 激活介质内激光跃迁上、下能级间的原子集居数先 随泵浦强度线性增大，直至被限制于阈值水平。 3. 光谱迅速变窄，使输出信号的频宽突然从宽带的自 发辐射频宽压缩到一个（或几个）激光模的单色辐 射。 4. 输出光束的空间方向性突然改善。 5. 输出光束统计特性的变化：从基本上是高斯无规则 噪声到相干振幅稳定的振荡。 总之，在泵浦的阈值区域，激光器腔内光场经历了从自发辐射荧 光到相干激光振荡的急剧变化
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激光稳态振荡的建立
稳态激光振荡建立所需的时间 ：
腔内光强从最初(t=0)的噪声信号 I 0 至达到稳 态振荡值 I ss 所需的时间，记为：T B
1。不计饱和相应的分析
2。考虑到饱和相应的更精确分析
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0 m
代入腔内光强随时间变化的速率方程 dI m (t ) R I (t ) dt 得到，腔内光强随时间变化规律：
dI 0 0 ( m R ) I ( m / Is )I 2 dt
(第六章）
I (t ) 1 Is
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激光振荡的建立
分析将激光器泵浦接通并使激活介质中的集
居数密度反转瞬间达到足够大的数值时，激 光器从自发辐射噪声到建立稳态的相干激光 振荡所需的时间；
激光振荡建立的阈值区域从自发辐射荧光到
N s RP 2
(第六章）
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激光振荡的建立
2.高于阈值时的稳态解
s 1
RP 2 N s rad Nt s P( r 1) BR N s 2 N s
s s N s Nt BR s 1 s 1 R
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《激光原理与技术》
主讲教师：陈建新、朱莉莉、陈荣
chenjianxin@ 福建师范大学物理与光电信息科技学院
(第六章）
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第六章
态的过程；
激光过程动力学
在第五章中，我们认为激光的产生是一个稳
《激光原理与技术》
2.考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间
0 m R
激光器振荡模光强的未饱和净增长速率
饱和系数
0 m / Is
腔内光强随时间变化规律：
dI 0 0 ( m R ) I ( m / Is )I 2 dt