激光的基本原理及其特性
激光特性的原理和应用
激光特性的原理和应用1. 激光的基本原理激光（Laser）是一种具有高度的单色性、方向性、相干性和高亮度的光。
其产生是通过在放电、光化学或其他方法作用下，使得电子在特定能级间跃迁，从而产生了受激辐射现象。
激光的基本原理包括以下几个关键要素：•受激辐射: 受激辐射是激光产生的基础，即当一个激发态的原子或分子吸收外部光的能量后，将通过与一个低能量的处于发射态的原子或分子碰撞，从而引发原子或分子跃迁到较低能级的发射态，并释放出与输入的光相同频率和相位的激光光子。
•正反馈: 激光的产生需要一个正反馈放大机制。
在光学腔内，激光通过反射来不断增强，形成正反馈，从而产生一束高度聚焦的激光光束。
•增益介质: 激光器中的增益介质是能够提供激光放大的物质，如气体、半导体、固体等。
增益介质在光学腔中形成了一个反馈环路，使得激光光束不断增强。
2. 激光的特性激光具有很多独特的特性，使其在许多领域得到广泛应用。
以下是激光的一些主要特性：•单色性: 激光具有非常高的单色性，光纤激光器甚至可以实现单纯的单色输出。
这种单色性使得激光在通信、光谱分析等领域具有重要应用。
•方向性: 激光光束相对于一般光源来说更加聚焦和定向，因此具有很高的方向性。
这一特性使激光在激光打印、激光切割等领域有广泛应用。
•相干性: 激光的特殊构成使得光的波动有很高的相干性，这种相干性使激光在干涉、衍射等现象中表现出特殊的效果。
•高亮度: 激光的亮度一般要远高于一般光源，这使得激光在光束成像、激光雷达等领域具有广泛应用。
3. 激光的应用领域激光技术在许多领域都得到了广泛的应用，下面列举了其中一些主要领域：•医学: 激光在医学领域有着广泛的应用，如激光手术、激光美容、激光治疗等。
激光手术利用激光的高度聚焦和可操作性，在白内障摘除、近视矫正等眼科手术中得到了广泛应用。
•通信: 激光作为一种高度聚焦、方向性强的光源，被广泛应用于光纤通信。
激光通过光纤传输信息，具有高速率和低衰减的特点，因此在传输高速数据和长距离通信中具有重要意义。
激光的基本原理及其特性
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
•光的放大作用的大小通常用放大 光的放大作用的大小通常用放大 增益）系数G来描述。 （增益）系数G来描述。P8!
I ( z)
I (l ) I + dI I
dI = G ( z ) I ( z )dz
原子数按能级分布
热平衡时， 热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布
玻尔兹曼分布律: 玻尔兹曼分布律:
N2 −( E2 −E1 ) kT =e N1
E E2 E1 N1 N2 N
高 能 级 低 能 级
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
§1.2.1 二能级系统的三种跃迁
3-01光源、光波叠加.exe
3、光子简并度与激光的强度 、
激光的强度： 激光的强度：
I = cωv= nchv /η
光子简并度越大， 光子简并度越大，同一光子态的光的能量越大 激光的简并度是很高的， 激光的简并度是很高的，如He—Ne激光器 激光器
n = 4×10 ×
11
对于普通光源到目前为止还没有发现 n > 1 的
光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿 单位立体角所发射的能量 普通光源的亮度，太阳表面的亮度比蜡烛大30万 普通光源的亮度，太阳表面的亮度比蜡烛大30万 30 比白炽灯大几百倍。 倍，比白炽灯大几百倍。 普通的激光器的输出亮度， 普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大 10亿倍 亿倍。 10亿倍。 激光器的输出功率并不一定很高， 激光器的输出功率并不一定很高，但由于光束很 光脉冲窄，光功率密度却非常大。 细，光脉冲窄，光功率密度却非常大。
∴ B21 · ρ (ν21) · N1 >> B12 · ρ (ν21) · N2
激光的产生原理及其特性(精)
受激辐射:处在激发态能级上的原子，若有一个外来光子趋 近它，这原子就可能受了外来光子的“刺激”(或者称 “感应”)，从高能级En向基态Em跃迁而辐射出光子，这 个过程称做受激辐射，受激辐射产生的光子和外来光子有 完全相同的特征，就是它们的频率、位相、振动方向和传 播方向都相同,是特征完全相同的相干光.
激光的亮度高和方向性极好的特点，研究啦激光测距仪， 激光雷达和激光准直仪。 下面这个图就是用激光雷达来测量风速的装置
激光加工．在现代工业中，一些强 度大且熔点商的材料的使用相当普 遍。如果进行打孔或切割，用机械 方 法是很困难的。例如．加工手表中 的钻石轴承．是在比芝麻还要小的 钻石上打孔．要求误差不能超过头 发的l／20，目前使用激光来打孔， 比机械打孔的效率提高100倍。 在加工工业中，高功率的c 激光器可 用于打孔．切割与焊接等．通过微 机控制可以作复杂形状的切割． 而低功率的COz激光器可用于切割 塑料、陶瓷和纺织品等．切后边缘 比较平整，不需进一步处理。
激光通信．又叫做光纤通信．它是刺用比头发还细的玻璃纤 维来传播光信号的．光纤通信的优点是t频带 宽，通信容量大，传输速度快．一根光鲆可同时传送l0”路电 话和l0’套彩电节目．而一根普通导线只能同时通 2—3路电话．目前．应用光奸敖据传输速度为3．4Gblt／s， 而实验室试验光纤的速度已达16Gblt／s．整套大英百 科全书的内窖可在不到一秒的时J可内传送完毕．
澈光武器．叉名死光武器．它的子 弹是光子．速度是3xloIm／s．一旦 瞄准目标，几乎不用多少时间就可 把目标摧毁．激光武器的破坏作用 有两十方面．一是高能激光束的机 械破坏作用．使飞机或卫星的重要 部件穿 孔而损坏，二是激光的光学破坏作 用．凳胃陆军正在发展PL 一s激光 武器，可装到M —l6步枪上．它能 使敲 ^双目失明而丧失战斗力，还能探测 和破坏敲^的光学传感器．据 算， 飞机驾驶员被激光致盲lO-3Os，就 可 导承飞机坠毁．
激光的原理特性和应用
第二章激光与半导体光源激光的原理、特性和应用发光二极管与半导体激光器§2-1 激光的工作原理一、光的发射与光的吸收当原子从高能级向低能级跃迁时，将两能级之差部分以光子形式发射出去，称光的发射；当原子从低能级向高能级跃迁时，将吸收两能级之差部分的光子能量，称光的吸收。
光的发射和吸收过程满足相同的规律：两能级之差决定发射和吸收光子的频率光发射的三种跃迁过程1自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图；2 受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图；两种辐射过程特点的比较：自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光；受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向均与外来的光波相同，辐射的光波是相干光。
3 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受激辐射和受激吸收过程同时存在。
当吸收过程占优势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。
二、粒子数反转与光放大当一束频率为的光通过具有能级E1和E2（假定E2>E1)的介质时，将同时发生受激辐射和受激吸收过程，在dt时间内，单位体积内受激吸收的光子数为dN12，受激辐射的光子数为dN21 ，设两能级上的原子数为N1、N2（正常情况下N2> N1），有dN21/ dN12 =B N2/ N1，比例系数B与能级有关。
1、N2/ N1<1时，高能级E2上原子数少于低能级E1上原子数（称正常分布），有dN21 < dN12，表明光经介质传播的过程中受激辐射的光子数少于受激吸收的光子数，宏观效果表现为光被吸收。
激光的特性原理及应用
激光的特性原理及应用1. 激光的特性1.1 高度聚焦•激光具有高度聚焦的特性，能够将光束聚焦到非常小的区域，从而实现精确控制和切割。
•这种高度聚焦的特性使得激光在精密加工、医学手术等领域得到广泛应用。
1.2 单色性•激光是一种单色光，具有非常狭窄的光谱宽度。
•这种单色性使得激光在光谱分析、光通信等领域有着重要的应用。
1.3 高度相干•激光的光波是高度相干的，相位差非常稳定。
•这种高度相干的特性使得激光在干涉测量、全息术等领域有着重要的应用。
1.4 高度定向•激光具有非常强的定向性，能够沿着一定的方向传播。
•这种高度定向的特性使得激光在激光雷达、激光测距等领域有着广泛的应用。
2. 激光的原理2.1 激光的产生•激光的产生基于受激辐射的原理，通过在材料中注入能量来激发材料中的原子或分子。
•受激辐射使得材料中的原子或分子跃迁到一个较高的能级，当它们返回到低能级时，会释放出光子。
2.2 激光的放大•放大是激光产生的重要一步，通过在材料中引入反射镜和半透镜来实现。
•当光通过反射镜时，一部分光会被反射回去，一部分光会穿过半透镜并被放大。
这样反复进行放大，就形成了一个激光束。
2.3 激光的反馈•激光的输出需要保持一定的相干性，这就需要在光路中引入反馈机制。
•通过在激光器内部或外部引入光学元件，可以将一部分光线重新注入激光介质，使其继续放大并保持稳定输出。
3. 激光的应用3.1 工业加工•激光在工业加工中有着广泛的应用，可以实现对各种材料的切割、焊接和打孔等操作。
•其高度聚焦的特性使得激光能够实现高精度的加工，提高生产效率和质量。
3.2 医学应用•激光在医学领域有着广泛的应用，如激光手术、激光治疗等。
•激光的高度聚焦和精确控制的特性使得它成为医学手术中的重要工具。
3.3 光通信•激光在光通信中起着重要的作用，可以实现高速、高带宽的数据传输。
•其单色性和高度相干性使得激光光纤成为现代通信系统中不可或缺的组成部分。
13.1,13.2激光的原理,特点,应用
一、方向性好
发散角是衡量光束方向性好坏的标志，方向性表明光能量 在空间分布上的集中性。普通光源发出的自然光向四面八方射 出，而激光由于受激辐射的光子行进方向相同以及谐振腔对腔 内离轴光子的淘汰作用，使得只有沿轴方向的光波才能输出， 因而有很好的方向性。激光束的发散角一般在10-4～10-2 rad， 与普通光束比相差10～104倍。这一特性被用作精密长度的测量， 准直、目标照明、通讯和雷达等方面。
二、亮度高、强度大 亮度高、
亮度是衡量光源发光强弱程度的标志，表明光源 亮度 发射的光能量对时间与空间方向的分布特性。激光 器由于其输出端发光面积小、光束发散角小、输出 功率大，而使其亮度高，尤其是超短脉冲激光的亮 度可比普通光源高出1012～1019倍。因此激光器是目 前世界上最亮的光源。 对同一光束，强度 强度与亮度成正比。激光极高的亮度加之 强度 方向性好而能被聚焦成很小的光斑，故激光的强度比普 通光大得惊人。目前激光的强度可达1017w.cm-2，而氧炔 焰的强度不过为103w.cm-2。故可用于制造激光武器以及 工业上的打空、切割、焊接等。临床治疗中的手术刀及 体内碎石。还有望用于实现受控热核聚变。
激光通信和激光冷却正在开发和利用中。
第三节 激光的医学应用
医学是激光的首批应用领域。1961年世界上第一台医 用激光器---红宝石视网膜凝固机在美国问世，至80 年代末已建立较为系统、完整的理论体系。于是， 一门新的交叉学科——激光医学便逐渐形成了。目 前它包括激光医学基础、临床检测诊断与治疗、医 学生物学用激光器械与技术、激光的安全与防护等 四部分内容。
3. 光化作用 生物大分子吸收激光光子的能量受激活
而引起生物组织内一系列的化学反应称之为光化反应。
4. 电磁场作用 激光是电磁波，激光对生物组织的
激光成像的基本原理
激光成像的基本原理
激光成像是一种高分辨率的成像技术，利用激光器产生的高能光束，将物体表面反射或散射的光信号捕捉并重建成图像。
下面将详细介绍激光成像的基本原理。
一、激光的特性
激光是一种单色光，具有高亮度、高方向性、高相干性等特点。
这些特性赋予了激光成像技术高分辨率、高精度的较强优势。
二、激光成像原理
1. 激光照射
激光束通过扫描系统，照射到被成像物上，被照射的表面会和激光产生相互作用，造成反射或散射。
2. 光探测
接收反射或散射的光信号，将光信号转化成电信号。
一般利用光电探测器进行光信号的转换。
3. 信号处理
将产生的电信号进行放大、滤波、数字化等处理，以便进行图像重建。
4. 图像重建
在计算机处理后，将处理好的图像信号还原成图像。
图像处理主要包
括激光束的扫描、光信号的探测以及信号处理等过程。
三、激光成像技术的优缺点
优点：
1. 分辨率高：激光束具有较小的波长，可以在微观级别上进行成像，
分辨率极高。
2. 精度高：采用激光束经过物体扫描的方式进行成像，精度高，误差小。
3. 适用范围广：激光成像技术广泛应用于工业制造、医学、生物学等
各个领域中。
缺点：
1. 昂贵：激光器等设备价格高昂。
2. 安全性问题：高能量、高亮度的激光束会对人体造成伤害，需要严
密的安全措施。
3. 依赖性较强：激光成像技术对环境要求高，需要较为理想的实验条
件。
总之，激光成像技术作为一种高分辨率成像技术，可以在微观级别上进行成像，广泛应用于工业制造、医学、生物学等领域。
激光工作原理
激光工作原理激光（Laser）是指一种具有高单色性、高亮度的光，其产生的过程是通过激发原子、分子或固体晶体中的电子能级跃迁而实现的。
激光在现代科技应用中具有广泛的用途，例如激光切割、激光雕刻、激光治疗等。
本文将为您详细介绍激光工作的基本原理。
一、激光的产生过程激光的产生过程主要包括三个步骤：激发、增强和产生。
1. 激发阶段：在激光器中，通过能量输入（如电能、光能等）使得介质处于激发态。
能量的输入可以通过电磁场激发，或者通过光束与物质相互作用实现。
激发态能级的能量高于基态，电子处于非稳定状态。
2. 增强阶段：在激发态的电子中，由于受到外部的刺激，电子会跃迁到更高的激发态。
这些电子在激发态之间的跃迁中释放出更多的能量，从而形成了一种能量逐渐积累的过程。
这个阶段又被称为能量积累阶段。
3. 产生阶段：当能量积累达到一定程度时，激发态的电子跃迁到基态会产生一束特定波长的光子。
这个光子与入射的光子频率或介质中的其他光子频率相同，达到了相干和放大的效果，从而形成了激光。
二、激光的基本原理激光的产生基于基本的量子物理原理，主要包括受激辐射、光学谐振腔和增益介质。
1. 受激辐射：受激辐射是激光产生的基本物理现象。
当一个激发态的原子或分子遇到一个与自身激发态频率相同的光子时，会从高能级跃迁到低能级，并产生与原始光子具有相同频率和相位的新光子。
2. 光学谐振腔：光学谐振腔是激光器中的重要组成部分，用于放大和反射光。
光学谐振腔包括两个镜片，一个是激光输出镜，另一个是高反射镜。
激光光线在两个镜片之间多次反射并逐渐增强。
当增强光线达到一定强度时，激光输出镜会允许一部分光线通过，形成激光束的输出。
3. 增益介质：增益介质是能够提供激光放大过程所需能量的物质。
常见的增益介质包括激光二极管、气体（如二氧化碳）、固体（如Nd:YAG晶体）和液体等。
在这些介质中，通过激发能级跃迁和相应的补偿机制，能量得以积累并产生激光。
三、激光的特性激光具有一些独特的特性，使其在科学研究和工程应用中得到广泛应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
表1.1
1 u Aui
i
二.受激跃迁
(一)受激吸收
ρ
W1u B1u
dNu dn ( ) ab - W1u N1 dt dt ab
(二)受激辐射
Wu1 Bu1
dNu dn ( ) st Wu1 Nu dt dt st
8 2 h h IS 2 c Au1 u u1 u
Au1
8h 3 Bu1 3 c
u1
c2 8
2
Au1
G u1N u1
受激辐射截面
1.3.3 产生激光的充分条件
如果在增益介质的有效长度内光强可以从 微小信号增长到ＩＳ，则对激光来说是充分 的． 求有效长度
三.Einstein辐射系数之间的关系
当三种过程都存在时 , N u 总变化率为
dNu dNu dNu dNu ( ) sp ( ) ab ( ) st dt dt dt dt
简并度
B1u g1 Bu1 g u 或B1u gu Bu1 g1
Au1
8h 3 Bu1 3 c
1.2.2 激光产生的必要条件
光强的增长可表示为由受激跃迁引起的光子数净增 量与单个光子能量的乘积
[I ( z dz) I ( z)]dA ( Nu Bul N1 B1u )hdAdz
I c
dI h ( N u Bul N1 B1u ) Idz c
I I 0e
Gz
gu h G ( N u N1 ) Bu1 g1 c
激光产生的必要条件 激光产生的充分条件 谱线加宽 谱线加宽下的增益系数 激光器的速率方程
• 1.7
连续与脉冲工作
• 1.8
• 1.9
粒子数反转分布条件
激光放大的阈值条件
• 1.10 均匀加宽激光器的模竞争和频率牵引
• 1.11 激光器的输出特性
• 1.12 激光器的泵浦技术
1.1 激光的特性
单色性
1.2.1 二能级系统的三种跃迁 一、自发辐射 二、受激跃迁 三、Einstein辐射系数之间的关系
一.自发辐射
Eu E1 h
dN u ( ) sp Au1 N u dt
N u (t ) N u 0 e Aul t N u 0 e
t
u
蓝宝石
u
1 Aul
园柱形增益介质，假设介质中已经实现了反转粒子分布
Nul Nu
设光辐射起源于介质一端长度为l的区域
• 单位时间内由自发发射产生的总辐射能
( A l ) Nu Au1h
d A 4 4L2
• 令光强经介质放大后达到饱和光强
1 A GL ( A l ) N u Au1 h e Is 2 A 4L
高亮度
• 定义:光源在单位面积上,向某一方向的单位立体角内发射 的光功率. • 截面为A的光源单色亮度
P B A ( ) 2
• 一束脉宽为纳秒量级的脉冲激光,其亮度可达1018 W/cm2.sr,它比太阳表面的亮度2*103 W/cm2.sr要高15个数 量级
1.2 激光产生的必要条件
• 第7章 激光频率技术
参考书目
⑴ 俞宽新等编著，《激光原理与技术》 北京工业大学出版社 ⑵ 周炳琨等编著，《激光原理》 国防工业出版社 ⑶ 陈玉清等编著，《激光原理》 高等教育出版社 ⑷ 李相银等编著，《激光原理技术及应用》 哈尔滨工业大学出版社
教学组织方式与学时分配
• 利用多媒体授课
教学内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第六章 第七章 课时 12 8 7 4 8 6
总计
45
考核方式
考试
• 平时(出勤+作业+平时表现) • 实验 • 期末考试 20% 30% 50%
第 1章
• 1.1
• 1.2 • 1.3 • 1.4 • 1.5 • 1.6
激光的基本原理及特性
激光的特性
学习目的
• 通过学习掌握激光的基本原理及工作特性, 谐振腔理论,典型激光器,半导体激光器,激 光调Q技术和锁模技术,频率变换等.
课程内容
• 第1章 激光的基本原理及特性 • 第2章 光学谐振腔理论 • 第3章 典型激光器
• 第4章 半导体激光器
• 第5章 激光调制技术
• 第6章 调Q技术与琐模技术
光强等于单位截面的能量
• 设
1 l G
e
GL
4L 2 ( ) da
• 例1.1 已知某激光工作物质增益系数为Ｇ ＝100m-1，长度Ｌ＝0.08m求满足产生激 光充分条件的da.
e GL ( 4L 2 ) da
方向性
相干性
高亮度
单色性和时间相干性
光源单色性的量度:频带宽度Δν • 时间相干性：光源中同一辐射源在不同时 间辐射出的光束之间的相干性． • 光波的相干时间: c 1
2
• 谱线宽度越窄,或单色性越好,相干时间越长,即时 间相干性越好. 普通光源:谱线宽度1014Hz的量级 单模稳频气体激光器： 10３Hz以上的量级
dNu 1 B I Wu N u ( u1 ) dt u c
Nu Wu Bu1 I 1 u c
Wu
• 稳态时
Aul
Bul
• 小信号情况
N u Wu u
• 随光强Ｉ的增长，Ｎu减小，
• 使Ｎu 减小为小信号值的１／２时的光强为饱和光强
Bu1 I s 1 c u
• 其中
Hale Waihona Puke 方向性与空间相干性 方向性
• 普通光源:4π • 激光:毫弧度 衍
D
空间相干性
相干面积
2 2衍 （ ） D
发光面上不同点在同一时间内发出辐射的相干性.
Ac (
2 )
相干长度 Lc c c
c 2
2
相干体积 Vc Ac Lc 1 ( ) 2 c
gu N u1 N u N1 g1
• 辐射放大 Nu1 0 • 产生激光的必要条件： • 工作物质处于粒子数反转分布状态
• 增益介质：
1.3 激光产生的充分条件
• 1.3.1.饱和光强的概念
• 饱和光强ＩＳ • 饱和长度ＬＳ
• 1.3.2 饱和光强的简单计算
• 当光通过增益介质时，上能级粒子数的变化率为