激光原理简要讲解
激光入门知识讲解
激光入门知识一、激光产生原理1、普通光源的发光--受激吸收和自发辐射普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。
激发的过程是一个"受激吸收"过程。
处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。
辐射光子能量为hυ=E2-E1这种辐射称为自发辐射。
原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。
由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。
在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。
于是在上、下两个能级上的原子数密度比为N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。
因为E2>E1，所以N2《N1。
例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20℃时，kT≈0.025eV，则N2/N1∝exp（－400）≈0可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。
一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。
2、受激辐射和光的放大由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。
电子能量由主量子数n(n=1,2,…）决定。
但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。
激光原理与应用讲教学课件
激光设备应在指定的、安全的场所使用，并确保该场所没有其他人 员或物体受到激光的潜在危害。
规定操作流程
使用激光设备前，必须阅读并理解操作手册，并按照手册中的步骤 进行操作。任何违反操作流程的行为都可能导致严重的后果。
定期检查和维护
激光设备应定期进行检查和维护，以确保其处于良好的工作状态，并 消除任何潜在的安全隐患。
亮度高
激光的能量密度很大，亮 度高，可以在很短的时间 内集中很大的能量
激光的分 类
按工作物质分类 气体激光器、液体激光器、固体激光 器、化学激光器和自由电子激光器等
按输出波长分类
远红外激光器、近红外激光器、可见 激光器、紫外激光器、X射线激光器 和超短激光器等
材料加工
01
02
利用激光的高能量密度，实现金属和非金属材料的切割、 焊接、打孔等。
应用：汽车制造、航空航天、电子制造。
03
04
激光快速成型
利用激光制造三维物体，具有速度快、精度高、成本低 等优点。
05
06
应用：产品原型制造、医疗器械制造。
04 激光技术的前沿 与展望
高功率激光技 术
总结词
高功率激光技术是目前激光领域的前沿技术之一，是推动激光技术进步的重要力 量。
激光原理与应用教学课件
contents
目录
• 激光原理概述 • 激光原理的基本概念 • 激光器件及应用 • 激光技术的前沿与展望 • 激光安全与防护
01 激光原理概述
激光的产生
激光是受激辐射光放大的简称，是原子或分子中的电子在吸收能量后，从低能级跃 迁到高能级，再从高能级回落到低能级时，释放的能量以光子的形式放
详细描述
光纤激光器利用光纤作为增益介质，具有体积小、散热效果好、易于维护等优点。同时，光纤激光器的光束质量 也优于传统固体激光器，能够实现更远距离的传输和更好的聚焦效果。目前，光纤激光器已经被广泛应用于工业、 医疗、军事等领域。
激光原理及应用PPT课件
激光治疗
通过激光照射病变组织，达到治 疗目的，如激光治疗近视、祛斑
等。
激光手术
利用激光进行微创手术，具有出 血少、恢复快、精度高等优点， 如激光心脏手术、激光眼科手术
等。
激光诊断
利用激光光谱技术对人体组织进 行检测和分析，为疾病诊断提供
依据。
军事国防领域应用
激光雷达
利用激光雷达进行目标探测、识别和跟踪，具有高分辨率、抗干 扰能力强等特点。
微型化与集成化
发展微型激光器，实现与其他光电器件的集成，推动光电子集成技 术的发展。
新型激光技术
研究新型激光技术，如光纤激光器、化学激光器等，拓展激光器的 应用领域。
高功率、高效率、高稳定性挑战
高功率激光器
提高激光器的输出功率，满足高能激光武器、激光聚变等领域的 需求。
高效率激光器
优化激光器的能量转换效率，降低能耗，提高激光器的实用性。
02
03
工作原理
通过激励固体增益介质 （如晶体、玻璃等）中的 粒子，实现粒子数反转并 产生激光。
特点
结构紧凑、效率高、光束 质量好。
应用领域
工业加工、医疗、科研等。
气体激光器
工作原理
利用气体放电激励气体分子或原子， 使其产生能级跃迁并辐射出激光。
特点
应用领域
激光切割、焊接、打孔等工业应用。
输出功率大、光束质量好、效率高。
激光原理及应用PPT课 件
contents
目录
• 激光原理基本概念 • 激光技术发展历程及现状 • 激光器类型及其特点分析 • 激光在各领域应用案例分析 • 激光安全问题及防护措施探讨 • 未来发展趋势预测与挑战分析
激光原理基本概念
激光原理
dn2 = −A21n2 dt
自发跃迁爱因斯坦系数
− t
n2 = n20e− A21t = n20e τs 1 τs = A21
dn2 1 A21 = − dt n2
原子在E2能级上平均寿命
ns µs
如果某激发态能级的寿命相对其它能级长得多，则 称此能级为亚稳态能级。 10
(2.1.3)
8πν P = 3 Vdν ν c
黑体辐射普朗克公式-单色能量密度
8πhν3 ρν = nν E = c3 1 e
hν KT
(2.1.4)
−1
7
§2.1 激光的基本理论 光与物质相互作用的三个过程：
为简化问题， 为简化问题，我们只考虑原子的 两个能级E2和E 1并有 E2—E 1 = hν 两个能级 单位体积内处于两能级的原 子数分 别用n2和n1，如图所示。
26
§2.3 谱线加宽和线型函数 线型函数
为频率的函数。 自发辐射功率P (ν ) 为频率的函数。设总的辐射功率为P0,有：
+∞
P0 =
−∞
∫ P(v)dν
(2.3.1)
% 引入 线型函数 g (ν ,ν 0 ) (给定了光谱线的轮廓或形状) ： 给定了光谱线的轮廓或形状) P (ν ) % (ν ,ν 0 ) = g (2.3.2)
E2 − E1 ) KT
式中， 分别为能级E 式中，f2和f1分别为能级 1和E2的统计权重 3.在热平衡状态下 n1 （或 n2）应保持不变。
17
§2.1 激光的基本理论
4. A21 、B21 、B12 的相互关系：
爱因斯坦三系数之间的关系 B21f2 = B12f1
激光原理概述课件
高强度激光产生的噪声可能对听力造 成损害。
激光安全标准与等级
国际标准
激光产品的安全等级按照
IEC 60825系列标准进行
划分，分为Class
1、
Class 2、Class 3等不同等
级。
国内标准
我国参照国际标准制定了 相应的激光产品安全标准 ，如GB 7247系列标准。
行业标准
不同行业根据自身特点制 定相应的激光安全标准， 如医疗行业、工业加工行 业等。
手段。
激光技术应用
医疗领域
激光在医疗领域的应用包括手术、美 容、眼科治疗等，具有创伤小、恢复 快的优点。
科研领域
激光在光谱分析、量子通信、光学陷 阱等领域发挥着重要作用，推动了科 学研究的进步。
工业领域
激光在加工、焊接、打标等领域的应 用提高了生产效率和产品质量。
军事领域
激光在武器制导、通信加密、防御系 统等方面具有重要的应用价值。
放大
当有大量原子处于激发态时，它们释放出的光子会相互作用并产生更多的光子， 形成光的放大效应。
激光器的基本组成
01
02
03
激活介质
激光器中的工作物质，通 常是气体、液体或固体， 它能实现光的受激辐射放 大。
泵浦源
为激活介质提供能量，使 其中的原子或分子被激发 到高能级。
谐振腔
由反射镜构成，用于选频 、共振和放大，使特定波 长的光在两个反射镜之间 来回反射并不断放大。
激光原理概述课件
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
• 激光原理简介 • 激光产生原理 • 激光特性与技术 • 激光安全与防护 • 未来激光技术展望
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。
激光原理知识点总结
激光原理知识点总结激光的产生原理激光是一种与常规光具有本质不同的光。
它是通过一种叫做“受激辐射”的过程产生的，这是量子力学的一种结果。
激光的产生原理主要涉及三个主要过程：光的激发、光的放大和光的辐射。
首先是光的激发。
激光的产生需要通过能量输入来激发原子或分子的能级。
当外界能量激发物质的能级时，原子或分子的电子会从低能级跃迁到高能级，形成“受激辐射”所需的激发态。
然后是光的放大。
在受激辐射的过程中，当一个光子与处于激发态的原子或分子碰撞时，它会与其相互作用，导致后者释放出另一个同频率、同相位和同偏振的光子，并回到低能级。
这个新的光子与已有的光子具有相同的频率、相位和偏振，因此它们会在相互作用的同时相互放大，形成一支激光光束。
最后是光的辐射。
当受激辐射的过程一直不断地发生时，光子会在光学共振腔中来回反射，产生一支具有高度相干性、高亮度和高直线度的激光光束。
这种光具有很强的聚焦能力和穿透能力，因此在很多领域有着广泛的应用价值。
激光的特点激光具有以下几个主要特点：1.高度相干性。
激光光束的波长一致、频率一致、相位一致，因此具有很高的相干性。
这使得激光在干涉、衍射和频谱分析等方面具有很大的优势。
2.高亮度。
激光的辐射强度非常集中，因此具有很高的亮度。
这使得激光可用于制备高清晰度的成像系统和高精度的测量装置。
3.高直线度。
激光的传播路径非常直线，几乎不具有散射，因此具有很高的直线度。
这使得激光在通信、激光雷达和光刻等领域有着广泛的应用。
激光器件的工作原理和应用激光器件是产生激光光束的重要设备，其工作原理一般基于受激辐射过程。
目前常用的激光器件主要包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器和光纤激光器。
气体激光器是将气体放电或者由光泵浦的气体装置转变成激光的光源。
其中最著名的就是氦氖激光器。
使用稳态直流电源或者交变电源将氦气充入放电管，并保持一定的氦气气压。
然后用电子束或者泵浦光源来使得氦原子激发至高能级，然后在碰撞的作用下通过受激辐射作用形成激光光束。
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"。
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激光发展历史
1、激光发明理论基础可以追溯到1917年，著名的物理学家 爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用的时候发现，除了受 激吸收和自发辐射跃迁过程外，还存在受激辐射跃迁过程。 2、1960年7月，世界第一台红宝石固态激光器问世，标志了 激光技术的诞生。 3、1961年2月（A.Javan）研制成了He—Ne混合气体激光器 1962年，美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化镓（GaAs ）半导体激光器运转的报道。 4、仅1961—1962年间世界各国发表的激光方面的论文达200 篇以上。 5、1963年建立了激光的半经典理论。对激光的频率特性和 功率特性进行了比较完善的探讨。
增益介质
3、谐振腔的作用
(1).限定光的方向
(2).选择光振荡的频率 （驻波条件） (3). 延长增益介质
激光器的应用及前景
激光的出现带动了多学科的发展，如量子光学、量 子电子学、激光光谱学、非线性光学、集成光学、海洋光 学等等。这里我们只列举一些与日常生活相关的激光应用 科学的发展。
激光器的应用及前景
谐振腔
增益介质
使光得以放大， 并输出激光。
全反 射镜
激励能源
部分 反射镜 (99)
激光器基本原理
（一）自发辐射 受激辐射 1、自发辐射
原子在没有外界干预的情况下 , 电子会由 处于激发态的高能级 E2自动跃迁到低能级 E1, 这种跃迁称为自发跃迁.由自发跃迁而引起的 光辐射称为自发辐射。
E 2 E1 h
激光原理简介
报告人：朱兆雨 学号：20165229025 日期：2017.6.12
主要内容
01
02
激光发展历史
激光器基本原理
03 激光器的应用及前景
激光发展历史 LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) ——辐射的受激发射的光放大 激光是20世纪 的四项重大的 发明之一
自 发 辐 射
E2
.
E2
E1
。
E1
发光前
.
发光后
h
激光器基本原理 2、受激吸收
原子吸收外来光子能量h, 并从低能级E1跃迁到高能级E2, 且E2-E1=h , 这个过程称为受激吸收。
E2
E1
.
h
E2
E1
受激吸收
.
。
吸收后
吸收前
激光器基本原理 3、受激辐射
原子中处于高能级 E2的电子 , 会在外来光子 ( 其频率恰好满 足 h=E2-E1) 的诱发下向低能级 E1 跃迁 , 并发出与外来光子一样
E2
.. .. .
E2 E1
N2
E2
...... ....... ..
E2 E1
N2Biblioteka E1。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 N1
E1
。 。 。 。 。
粒子数反转分布
N1
粒子数的正常分布
激光器基本原理 从外界输入能量（如光照,放电等） , 把低能级 上的原子激发到高能级上去, 这个过程叫做激励（也 叫泵浦-pump）.
C.H.Townes
A.M.Prokhorov
The Nobel Prize in Physics 1964
N.G.Basov
汤斯1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微 波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几乎同时在量子电子学的基 础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以上工作 导致了激光器的发明。
E3
激发态 。
E2
.
亚稳态
E1
.
。
基态
红宝石中铬离子能级示意图
激光器基本原理 2、光学谐振腔 激光的形成
光在粒子数反转的工作物质中往返传播，使谐振腔内的 光子数不断增加,从而获得很强的光,这种现象叫做光振荡。
加强光须满足驻波条件
.
l
lk
2
激光光束
全反射镜
部分透光反射镜 光学谐振腔示意图
激光器基本原理
激光发展历史
5、1965年实现了铌酸锂光学参量振荡器，借助半经典理论 预言了锁模效应的存在。 6、1966年研制成了固体锁模激光器获得了超短脉冲。 7、1967年研制成了Ｘ射线激光器。 8、1970年研制成了准分子激光器。 9、1977年研制成了红外波段的自由电子激光器（FEL） 10、1984年研制出光孤子激光器（SL） 11、1961年8月，中国第一台红宝石激光器问世。中国科学 院长春光学精密机械研究所研制成功。 12、1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统——神光装置 ，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功。 神光I、神光II、神光III
激光发展历史
1986 神光I 装置的两路激光系统
激光器基本原理
产生激光的必要条件
激 光 构 造 三 要 素 1. 实现粒子数反转 ——工作物质 ２.使原子被激发 ——激励能源 ３.要实现光放大 ——光学谐振腔
激光器基本原理
1. 基本构成部分 谐振腔，增益介质，激励 能源。 2. 激光的形成 光束在谐振腔内 来回振荡，在增 益介质中的传播
激光测距、激光雷达、激光制导、 激光通信、激光武器
激光器的应用及前景
战略反导激光武器
激光武器
激光器的应用及前景
激光拦截
激光制导
激光技术在军事的应用除上述几个方面外，还包括：激光侦
察、激光核聚变、激光计算机、激光陀螺等。
请老师批评指正！
(1)激光光盘制作技术 (2)激光医学
激光以其特有的优越性能解决了许多传统医学的难题。 激光治疗最早用于眼科，对视网膜剥离眼底血管病变、 虹膜切开、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治疗。
(3)光纤通信
(4)激光艺术
激光器的应用及前景
（5）激光在环境方面的应用
利用激光绘制灾害图, 激光检测大气含量
（6）激光在军事方面的应用
特征的光子, 这叫受激辐射。
由受激辐射得到的放大了的光是相干光，称之为激光。
E2
.
h
E2
。
E1
发光前
E1
.
h h
受激辐射的光放大 示意图
发光后
激光器基本原理 （二）激光原理
1、粒子数正常分布和粒子集居数反转分布
N1>N2表明 , 处于低能级的电子数大于高能级的电子数，这种 分布叫做粒子数的正常分布。N2>N1叫做粒子集居数反转，简 称粒子数反转或称集居数反转。