光电子技术电子课件-激光的产生和特性
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激光的产生原理及其特性课件
未来需要加强激光技术与其他领域的交叉融合，开拓新的应用领域，推动激光技术 的创新发展。
同时，需要加强激光技术的安全性和稳定性研究，确保其在应用过程中的安全可靠 。
THANKS
感谢观看
研发更高功率的激光器， 以满足工业、医疗和科研 等领域对高能量激光的需 求。
新型激光材料
探索新型激光材料，如有 机激光晶体、光子晶体等 ，以提高激光器的性能和 稳定性。
微型激光器
研究微型化、集成化的激 光器，用于微纳加工、光 通信和生物医疗等领域。
激光技术的改进与创新
新型调制技术
研究新型的激光调制技术，以提 高激光的传输效率和稳定性。
03
激光的应用
工业制造
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，广泛应 用于金属制品的焊接。
激光打标
在各种材料表面进行永 久性标记，广泛应用于
产品标识和防伪。
激光清洗
利用激光能量去除物体 表面的污垢、油渍等， 具有环保、高效的优点
高亮度
总结词
激光的亮度极高，远超过普通光源。
详细描述
由于激光的单色性和方向性，使得激光在单位面积上能够产生更高的亮度。这种高亮度特性使得激光 在科学研究、工业加工等领域具有广泛的应用，例如激光切割、激光焊接等。
相干性
总结词
激光的相干性极高，光波列整齐有序 。
详细描述
由于激光的频率单一、相位一致，因 此激光具有极高的相干性。这种特性 使得激光在干涉测量、全息成像等领 域具有广泛的应用。
光的干涉
光的干涉是指两束或多束光波在空间相遇时，由于光波的振 动相位关系而产生的加强或减弱的现象。在激光产生过程中 ，干涉作用使得光波能量在空间中形成有规律的分布，从而 形成稳定的干涉图案。
同时，需要加强激光技术的安全性和稳定性研究，确保其在应用过程中的安全可靠 。
THANKS
感谢观看
研发更高功率的激光器， 以满足工业、医疗和科研 等领域对高能量激光的需 求。
新型激光材料
探索新型激光材料，如有 机激光晶体、光子晶体等 ，以提高激光器的性能和 稳定性。
微型激光器
研究微型化、集成化的激 光器，用于微纳加工、光 通信和生物医疗等领域。
激光技术的改进与创新
新型调制技术
研究新型的激光调制技术，以提 高激光的传输效率和稳定性。
03
激光的应用
工业制造
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，广泛应 用于金属制品的焊接。
激光打标
在各种材料表面进行永 久性标记，广泛应用于
产品标识和防伪。
激光清洗
利用激光能量去除物体 表面的污垢、油渍等， 具有环保、高效的优点
高亮度
总结词
激光的亮度极高，远超过普通光源。
详细描述
由于激光的单色性和方向性，使得激光在单位面积上能够产生更高的亮度。这种高亮度特性使得激光 在科学研究、工业加工等领域具有广泛的应用，例如激光切割、激光焊接等。
相干性
总结词
激光的相干性极高，光波列整齐有序 。
详细描述
由于激光的频率单一、相位一致，因 此激光具有极高的相干性。这种特性 使得激光在干涉测量、全息成像等领 域具有广泛的应用。
光的干涉
光的干涉是指两束或多束光波在空间相遇时，由于光波的振 动相位关系而产生的加强或减弱的现象。在激光产生过程中 ，干涉作用使得光波能量在空间中形成有规律的分布，从而 形成稳定的干涉图案。
激光的基本原理及其特性课件
激光清洗
利用激光的强光束和冲击波去除物体 表面的污垢、油渍等，具有高效、环 保、无损伤等特点。
医疗美容
激光祛斑
利用激光的高能量将皮肤表面的色素 斑点去除，具有祛斑速度快、效果显
著、不留疤痕等特点。
激光脱毛
利用激光的高能量破坏毛囊的生长能 力，从而达到脱毛的效果，具有脱毛 效果好、速度快、安全可靠等特点。
高功率激光在工业、军事、医疗等领域有广泛应 用，如激光切割、激光雷达、激光武器等。
03 技术挑战
高功率激光器的稳定性和可靠性是技术挑战，需 要解决散热、光束质量等问题。
超快激光
01
02
03
超快激光的定义
超快激光是指脉冲宽度小 于某一阈值的激光器，通 常以皮秒或飞秒为单位。
应用领域
超快激光在科学研究ห้องสมุดไป่ตู้工 业制造、医疗等领域有广 泛应用，如光谱分析、微 纳加工、眼科手术等。
单色性好
总结词
激光具有极佳的单色性，其波长范围狭窄，光谱宽度极小。
详细描述
由于激光的频率高度单一，其光谱宽度非常狭窄，这意味着激光的光波波长范围非常稳定。这 种特性使得激光在光谱分析、精密测量等领域具有独特的优势。
亮度高
总结词
激光具有极高的亮度，其能量高度集中，亮度远高于普通光源。
详细描述
激光的亮度取决于其功率和光束面积的比值。由于激光的功率高且光束面积小 ，因此其亮度极高。这种特性使得激光在切割、焊接、打标等领域具有显著的 优势。
技术挑战
超快激光器的稳定性和重 复频率是技术挑战，需要 解决脉冲能量波动、脉冲 时间不稳定等问题。
光子晶体激光器
光子晶体激光器的定义
技术挑战
光子晶体激光器是一种基于光子晶体 原理的激光器，光子晶体是一种具有 周期性折射率变化的介质。
利用激光的强光束和冲击波去除物体 表面的污垢、油渍等，具有高效、环 保、无损伤等特点。
医疗美容
激光祛斑
利用激光的高能量将皮肤表面的色素 斑点去除，具有祛斑速度快、效果显
著、不留疤痕等特点。
激光脱毛
利用激光的高能量破坏毛囊的生长能 力，从而达到脱毛的效果，具有脱毛 效果好、速度快、安全可靠等特点。
高功率激光在工业、军事、医疗等领域有广泛应 用，如激光切割、激光雷达、激光武器等。
03 技术挑战
高功率激光器的稳定性和可靠性是技术挑战，需 要解决散热、光束质量等问题。
超快激光
01
02
03
超快激光的定义
超快激光是指脉冲宽度小 于某一阈值的激光器，通 常以皮秒或飞秒为单位。
应用领域
超快激光在科学研究ห้องสมุดไป่ตู้工 业制造、医疗等领域有广 泛应用，如光谱分析、微 纳加工、眼科手术等。
单色性好
总结词
激光具有极佳的单色性，其波长范围狭窄，光谱宽度极小。
详细描述
由于激光的频率高度单一，其光谱宽度非常狭窄，这意味着激光的光波波长范围非常稳定。这 种特性使得激光在光谱分析、精密测量等领域具有独特的优势。
亮度高
总结词
激光具有极高的亮度，其能量高度集中，亮度远高于普通光源。
详细描述
激光的亮度取决于其功率和光束面积的比值。由于激光的功率高且光束面积小 ，因此其亮度极高。这种特性使得激光在切割、焊接、打标等领域具有显著的 优势。
技术挑战
超快激光器的稳定性和重 复频率是技术挑战，需要 解决脉冲能量波动、脉冲 时间不稳定等问题。
光子晶体激光器
光子晶体激光器的定义
技术挑战
光子晶体激光器是一种基于光子晶体 原理的激光器，光子晶体是一种具有 周期性折射率变化的介质。
光电子技术激光原理 PPT
光的自发辐射、受激辐射、受激吸收
爱因斯坦在光量子理论的基础上,考虑了光和物质相互作用的模型(原 子的两个能级),引入了两个重要概念,同样得出了普朗克公式
•光的自发辐射
在没有外界作用的情况下,原子从 高能级E2向低能级E1的跃迁方式 有两种:无辐射跃迁和自发辐射跃
迁。
辐射出的光子能量:
h 21 E 2 E1
：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
激光的产生
▪当光与物质相互作用时,自发辐射、受激辐射和 受激吸收这三个过程是同时出现的,如何实现大 量原子的受激辐射产生激光?
激光产生必须具备的前提条件
集居数反转分布(粒子数反转分布)
激光产生的三个前提条件
1. 有提供放大作用的增益介质作为激光工作物 质,其激活粒子(原子、分子或离子)有适合于 产生受激辐射的能级结构;
2. 有外界激励源,使激光上下能级之间产生集居 数反转;
3. 有激光谐振腔,使受激辐射的光能够在谐振腔 内维持振荡。
光学谐振腔的构成
光学谐振腔的构成
最简单的光学谐振腔是在激活介质两端恰当地放置两个镀有高反射率的反射 镜构成。
常用的基本概念: 光轴:光学谐振腔中间垂直与镜面的轴线 孔径:光学谐振腔中起着限制光束大小、形状的元件,大多数情况下,孔径是激活物质的两个端面, 但一些激光器中会另外放置元件以限制光束为理想的形状。
感谢您的聆听！
光的自激振荡和激光谐振腔
▪ 光的自激振荡:光在增益介质内传播放大,总存在各种各样的 光损耗,当增益和损耗达到平衡时光强不再增加并达到一个 稳定的极限值。
▪ 只要激光放大器的长度足够大,就估计成为一个自激振荡器, 实现稳定运转的激光振荡。
光电子技术课件二：激光原理和技术
爱因斯坦根据光电效应实验并结合普朗克能量 子假说,提出了光量子理论:光是一种以光速运 动的光子流,光子和其它基本粒子一样,具有能 量、动量和质量。它的粒子属性（能量、动量、 质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等） 之间的关系满足：
1
(1) E h
h ； 2
(2)m
E c
14
自发辐射的功率为：
I ( ) E ( )
2
2 E0 2 2
2 4 ( 0 ) 2
总功率为：
I
I ( )d
2 E0
d
4 2 ( ) 2 0
2
2
2 E0
所以：
g n ( )
4 2 ( 0 ) 2
13
（2）均匀展宽的分析 自然展宽 由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致 它在受激能级上的寿命有限形成的。
E (t ) E0e e j 2 0t
t E(t ) E0e 2 e j 2 0t
t
2 其中
由傅立叶变换得其频谱分布为：
[ j 2 ( 0 )]t E (v) E (t )e j 2 t dt E0 e 2 dt 0 0
其中( c ) u , ( c ) l 分别为上下激 发能级Eu , El的 碰撞时间。
17
自然展宽与碰撞展宽共同作用产生的线型函数 合称为均匀展宽的线型函数，表示为：
g H ( ) H 2 [( 0 ) 2 ( H 2 )2 ]
12
（1）受激辐射下光谱线展宽的类型
1
(1) E h
h ； 2
(2)m
E c
14
自发辐射的功率为：
I ( ) E ( )
2
2 E0 2 2
2 4 ( 0 ) 2
总功率为：
I
I ( )d
2 E0
d
4 2 ( ) 2 0
2
2
2 E0
所以：
g n ( )
4 2 ( 0 ) 2
13
（2）均匀展宽的分析 自然展宽 由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致 它在受激能级上的寿命有限形成的。
E (t ) E0e e j 2 0t
t E(t ) E0e 2 e j 2 0t
t
2 其中
由傅立叶变换得其频谱分布为：
[ j 2 ( 0 )]t E (v) E (t )e j 2 t dt E0 e 2 dt 0 0
其中( c ) u , ( c ) l 分别为上下激 发能级Eu , El的 碰撞时间。
17
自然展宽与碰撞展宽共同作用产生的线型函数 合称为均匀展宽的线型函数，表示为：
g H ( ) H 2 [( 0 ) 2 ( H 2 )2 ]
12
（1）受激辐射下光谱线展宽的类型
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。
《激光产生的原理》课件
激光物理
利用激光的特点和研究光与 物质相互作用规律的一门学 科，具有深入揭示特点进行化学反应的引 发和调控，具有高效、环保 、可控性强等特点。
激光生物学
利用激光的特点和研究生物 体系结构和功能的学科，具 有深入揭示生命现象和本质 的特点。
激光的色纯度受到光学元件的 限制，难以达到完美的单色性 。
激光的相干性会导致其光束发 散角较小，传输距离有限。
未来展望
随着科技的不断发展，未来有望通过新材料、新技术的研发，提高激光的输出功率 和单色性。
探索新型的激光产生机制，如超快激光、量子级联激光等，将为科技发展带来新的 突破。
结合其他技术领域，如人工智能、物联网等，实现激光技术的智能化和网络化，拓 展其在各行业的应用前景。
《激光产生的原理》 ppt课件
目录
CONTENTS
• 激光简介 • 激光产生的原理 • 激光的应用 • 激光的未来发展 • 总结
01
激光简介
激光的定义
01
激光定义：激光是由原子或分子 等物质在受到外部能量激发后， 自发辐射产生的相干光。
02
激光的产生需要满足三个基本条 件：工作物质、激励能源和光学 谐振腔。
高亮度
由于光的相干性，激光可以形 成高亮度的平行光束。
03
激光的应用
工业领域
激光切割
激光焊接
利用高能激光束对材料进行精确切割，具 有高效、精准、环保等优点。
通过激光束的高能量实现金属或非金属材 料的连接，具有焊接强度高、变形小、精 度高等特点。
激光打标
激光清洗
利用激光的高能量密度在各种材料表面进 行标记和刻蚀，具有标记清晰、耐久性好 、适用范围广等优点。
激光美容
【精品课件】光电子技术(激光器件).pptx
Pth n2th A21VRh p lcab1 ........(1.2 10)
29
三种工作物质的阈值比较
工作物质尺寸：Φ6mm×100mm，损耗系数α＝0.01， 输出镜透射率T＝0.5，ηL＝0.5，ηc＝0.8，ηab＝0.2
参数
σ21（cm2） νp（S－1） ntot(cm-3) η0 Δnth(cm-3) n2th(cm-3) Eth(J)
21 0 A21 / 4 2n2
g n 21......................(1.2 2)
高斯线型
21 0 A21 ln 2 / 4 2n2
22
固体激光器阈值
受激辐射截面
红宝石 2.5E-20 cm2
Nd3+:YAG
27~88E-20 cm2
Nd3+:Glass 3E-20 cm2
20
100% I0
工作物质
固体激光器的阈值
R
I’ l
I ' I0 Re2(g )l
Re 1 阈值条件：
2(g )l
21
固体激光器阈值
gth
1 2l
ln
1 R
.................(1.2 1)
洛仑兹线型中心频率处的增益系数：
g
n
0 A21 4 2n2
其中，n
n2
g2 g1
n1
n为激光工作介质中的折射率
E1
E0
b) 四能级
量子效率0
亚稳态发射的荧光光子数 工作物质从光泵吸收的光子数
1
2
三能级1
=
S32 S32 +A31
2
A21 A21 S21
138《激光》PPT课件
138《激光》PPT课件
contents
目录
• 激光基本原理与特性 • 激光技术应用领域 • 激光安全与防护知识 • 典型案例分析与实践操作演示 • 前沿科技进展与未来趋势展望 • 总结回顾与课程考核要求说明
01
激光基本原理与特性
激光产生原理
原子能级与跃迁
原子内部存在不同能级，当原子 受到外界能量激发时，电子从低 能级跃迁到高能级，形成激发态
量子点激光器
利用量子点材料实现高效率、低阈值的激光输出，应用于显示、 照明等领域。
拓扑物态激光器
利用拓扑物态材料实现鲁棒性强的激光输出，应用于光通信、光计 算等领域。
前沿科技与激光技术的融合
探讨量子计算、生物光子学等前沿科技与激光技术的融合，展望未 来激光技术的发展方向和应用前景。
06
总结回顾与课程考核要求说明
THANKS
感谢观看
激光对眼睛的危害
直接照射或反射光可能导致视 网膜损伤，甚至失明。
激光对皮肤的危害
高能量激光照射可能导致皮肤 烧伤、色素沉着等。
激光对设备的危害
激光可能干扰或损坏电子设备， 如摄像头、传感器等。
风险评估
根据激光的功率、波长、照射 时间等因素，评估其对人员和
设备的潜在危害。
安全防护措施与方法
限制激光使用范围
激光美容
利用激光技术进行皮肤美 容，如祛斑、嫩肤、脱毛 等。
通信技术中的应用
光纤通信
空间光通信
利用激光在光纤中传输信息，具有传 输容量大、速度快、保密性好等优点。
利用大气中的激光束进行信息传输， 具有无需铺设线路、灵活性强等优点。
激光雷达
通过发射激光束并接收反射信号来探 测目标，具有高分辨率、抗干扰能力 强等特点。
contents
目录
• 激光基本原理与特性 • 激光技术应用领域 • 激光安全与防护知识 • 典型案例分析与实践操作演示 • 前沿科技进展与未来趋势展望 • 总结回顾与课程考核要求说明
01
激光基本原理与特性
激光产生原理
原子能级与跃迁
原子内部存在不同能级，当原子 受到外界能量激发时，电子从低 能级跃迁到高能级，形成激发态
量子点激光器
利用量子点材料实现高效率、低阈值的激光输出，应用于显示、 照明等领域。
拓扑物态激光器
利用拓扑物态材料实现鲁棒性强的激光输出，应用于光通信、光计 算等领域。
前沿科技与激光技术的融合
探讨量子计算、生物光子学等前沿科技与激光技术的融合，展望未 来激光技术的发展方向和应用前景。
06
总结回顾与课程考核要求说明
THANKS
感谢观看
激光对眼睛的危害
直接照射或反射光可能导致视 网膜损伤，甚至失明。
激光对皮肤的危害
高能量激光照射可能导致皮肤 烧伤、色素沉着等。
激光对设备的危害
激光可能干扰或损坏电子设备， 如摄像头、传感器等。
风险评估
根据激光的功率、波长、照射 时间等因素，评估其对人员和
设备的潜在危害。
安全防护措施与方法
限制激光使用范围
激光美容
利用激光技术进行皮肤美 容，如祛斑、嫩肤、脱毛 等。
通信技术中的应用
光纤通信
空间光通信
利用激光在光纤中传输信息，具有传 输容量大、速度快、保密性好等优点。
利用大气中的激光束进行信息传输， 具有无需铺设线路、灵活性强等优点。
激光雷达
通过发射激光束并接收反射信号来探 测目标，具有高分辨率、抗干扰能力 强等特点。
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激光的产生和特性
1.激光的产生
（1）原子能级和辐射跃迁
分子由原子组成，原子由原子核和核外电子组成，原子核由质子和中子组成。
1）核外电子的特征：
①质量很小，是中子或质子质量的1/1836（质子质量为 1.673×10-27kg,中子质量为
1.675×10-27kg）
②体积很小
③运动速度很快，接近光速即3×108米/秒
2)核外电子运动特征：
①电子在原子核外运动并不遵循宏观物体的运动规律，无一定的运动轨迹
②电子在核外运动所处的位置及运动速度不能准确确定，但可以用统计的方法确定电子在核外某处出现的机会
③具有一定能量的电子在原子核外一定区域内运动，在同一区域内运动的电子的能量大致相同
3）电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态
2.原子的能级
电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态
(1)电子的能级，依次用E0，E1，E2，…En表示；
(2)基态：原子处于最低的能级状态；
(3)激发态：能量高于基态的其它能级状态。
3.激发和辐射
在通常情况下，它们处于于最低能级，叫基态．当各种频率的光照射到物体上时，原子中的电子就从基态跃迁到激发态．如果某种频率的光子的能量h恰好等于原子的两个能级的能量差时，这一光子将被吸收、使原子从低能级跃迁到高级能，原子处于激发态：当电子重新回到低能级即基态时，就向外辐射光子，辐射出来的光子决定了我们看到的物体的颜色．从低能级到高能级的这一过程称为激发或抽运，这个吸收能量的过程称作光的受激吸收。
从高能级回到低能级的过程称为跃迁，跃迁时释放的能量即为辐射。
4. 光与物质的作用
受激吸收
自发辐射
受激辐射
5.粒子数反转和激光的形成
在一般情况下，处于低能级的原子数目远远超过处于高能级的原子数目。
低能级E1原子数目，高能级E2原子数目少，受激吸收占优势。
要使受激辐射占优势，就必须先使原子（或离子、分子）激发到高能级。
人为地施加一定能量，使高能级E2上具有较多的粒子数分布。
这种状态称为粒子数反转。
产生粒子数反转的物质称为活性物质。
处于粒子数反转状态的活性系统，可以带动其他粒子大量反转，即产生“雪崩”。
雪崩过程可以使光再次放大。
该过程的继续进行必须通过一定的装置，这种装置就是光学共振腔。
从共振腔中持续发出来的，特征完全相同的大量光子就是激光。