光的受激辐射激光原理及应用电子电子
2024年度激光原理及应用PPT课件
激光的相干性比普通光 强很多，可用于精密测 量和全息照相等领域。
激光器组成及工作原理
激光器组成
激光器一般由工作物质、激励源和光学谐振腔三部分组成。
2024/3/24
工作原理
在激励源的作用下，工作物质中的电子被激发到高能级，形 成粒子数反转分布。当这些电子从高能级跃迁到低能级时， 会辐射出与激励源频率相同的光子，并在光学谐振腔内得到 放大和反馈，最终形成稳定的激光输出。
激光雷达
测距、成像、识别等多元化应 用
激光显示
高清晰度、大色域、节能环保
激光制造
高精度、高效率、无接触加工
2024/3/24
10
激光器类型及其特
03
点分析
2024/3/24
11
固体激光器
01
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。
2024/3/24
根据实际需要，还可选择佩戴耳塞、手套 等个人防护装备，以降低激光对其他部位 的危害。
2024/3/24
24
未来发展趋势预测
06
与挑战分析
2024/3/24
25
新型激光器研发方向探讨
2024/3/24
新型材料激光器
探索新型增益介质，如量子点、二维材料等，提高激光器的性能 。
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。
1960年，美国物理学家 梅曼制造出第一台红宝 石激光器
现代激光技术突破与创新
光纤激光器
高功率、高效率、光束质量好
量子级联激光器
覆盖中红外到太赫兹波段
2024/3/24
光的受激辐射 激光原理及应用 [电子教案]电子
![光的受激辐射 激光原理及应用 [电子教案]电子](https://img.taocdn.com/s3/m/cc01c055bfd5b9f3f90f76c66137ee06eff94e21.png)
光的受激辐射激光原理及应用第一章：激光概述1.1 激光的定义激光的中文全称：Light Amplification Stimulated Emission of Radiation 激光的特点：相干性好、平行度好、亮度高、单色性好1.2 激光的产生原理受激辐射：外来的光子与一个束缚电子发生能量交换，使电子从较低能级跃迁到较高能级，成为激发态电子。
激发态电子回到较低能级时，会释放出一个与外来光子频率、相位、偏振方向相同的光子，这就是受激辐射。
激光的放大过程：受激辐射产生的光子与入射光子具有相同的频率和相位，导致更多的束缚电子发生受激辐射，从而实现光的放大。
1.3 激光的应用领域科研领域：光谱分析、激光干涉、激光雷达等。
工业领域：激光切割、激光焊接、激光打标等。
医疗领域：激光手术、激光治疗、激光美容等。
生活领域：激光打印、激光投影、激光视盘等。
第二章：激光器的基本原理2.1 激光器的组成激光介质：产生激光的物质，如半导体、气体、固体等。
泵浦源：提供能量，使激光介质中的电子发生跃迁。
光学谐振腔：限制激光的传播方向，增强激光的放大效果。
输出耦合器：将激光输出到外部。
2.2 激光的产生过程泵浦源激发激光介质，使电子从基态跃迁到激发态。
激发态电子回到基态时，发生受激辐射，产生激光。
激光在光学谐振腔内多次反射，实现光的放大。
输出耦合器将激光输出到外部。
2.3 激光器的类型及特点气体激光器：采用气体作为激光介质，如二氧化碳激光器、氦氖激光器等。
固体激光器：采用固体材料作为激光介质，如钕激光器、钇铝石榴石激光器等。
半导体激光器：采用半导体材料作为激光介质，如激光二极管等。
光纤激光器：采用光纤作为激光介质，具有高亮度、低阈值等优点。
第三章：激光的性质与应用3.1 激光的相干性3.2 激光的平行度3.3 激光的亮度亮度高的特点：可用于激光投影、激光显示等。
3.4 激光的单色性3.5 激光的应用实例激光切割：用于金属和非金属材料的切割加工。
1.3 光的受激辐射 激光原理及应用 电子课件
2. 如果 g1 g2 ，则有B12B21
在折射率为的介质中， ③式应改写为：
A2 1
B2 1
8 3hν3
c3
光
产
生
的
条
件
第一章 上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
第 §1.3 光的受激辐射
一 章
1.3.4 自发辐射光功率与受激辐射光功率
辐 1. 某时刻自发辐射的光功率体密度 q自 (t)hνn2(t)A21
与 激 光
式中k为波尔兹曼常数。
8ch3ν3
1
hν
e kT1
产 生
➢总辐射能量密度 : 0 νdν
的
条
件
第一章 上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
第 §1.3 光的受激辐射 一 章 1.3.2 光和物质的作用
➢自发辐射
辐
光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：➢受激辐射
射 理
1. 自发辐射
1
hν
e kT1
，则有：
q激(t) q自(t)
8ch3ν3
ν
1
hν
ekT1
生 的
2. 以温度T=3000K的热辐射光源，发射的波长为500nm例：
条 件
q激(ekT 1
1 20000
第一章 上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
第 §1.3 光的受激辐射
一 章
1.3.1 黑体热辐射
4. 辐射能量密度公式
辐
射 ➢单色辐射能量密度 ν ：辐射场中单位体积内，频率在 ν 附近的单位
理 频率间隔中的辐射能量 论
ν
d
dVdv
概 ➢在量子假设的基础上，由处理大量光子的量子统计理论得到真空中 ν
电子行业光电子技术激光
电子行业光电子技术激光概述光电子技术是指利用光电效应、光学原理和电子技术相结合的技术手段，用于实现光信号的发射、接收、传输、处理等功能。
光电子技术在电子行业中起着重要的作用，特别是激光技术在光电子技术中的应用尤为广泛。
本文将重点介绍电子行业中光电子技术激光的应用。
激光的基本原理激光（Laser）是指通过电、光、物理或化学方法，使物质处于受激辐射状态下形成的一种高纯度、高亮度的单色光，并具有高辐射能量的光束。
激光的产生主要依据两个物理过程，即受激辐射和光放大。
•受激辐射：当一个原子或分子处于较高能级时，如果有一个来自外部的激发光子，那么该光子与该原子或分子相互作用，可以促使原子或分子跃迁至较低能级，并向光场辐射出一个与激发光子具有相同频率、相位和方向的光子。
•光放大：光通过介质时，如果介质的原子或分子处于受激辐射态，那么光会与介质相互作用，导致受激辐射态原子或分子数目的增加。
这种相互作用使光强度增加，即光放大。
激光在电子行业中的应用激光作为光电子器件的光源激光具有高亮度、高单色性的特点，可以作为光电子器件中的光源。
在电子行业中，激光作为光源广泛应用于光纤通信、激光打印、激光显示等领域。
•光纤通信：光纤通信是以光信号作为信息传输的手段，在通信系统中，光源是其中至关重要的部分。
激光作为一种高亮度、高单色性的光源，能够提供高质量的光信号，保证通信的稳定性和可靠性。
•激光打印：激光打印是一种利用激光束对感光材料进行照射，使其产生电荷变化，从而形成文字、图像等的技术。
激光作为打印机的光源，具有高精度、高速度的特点，能够实现高质量的打印效果。
•激光显示：激光显示是利用激光束对显示屏进行照射，使其产生亮度变化，从而形成图像的技术。
与传统的LCD显示技术相比，激光显示具有更高的亮度、更高的色彩饱和度和更大的色域范围，能够提供更好的显示效果。
激光在电子制造中的应用激光在电子制造中具有广泛的应用，主要包括以下几个方面：•制造：激光切割、激光打标等技术在电子制造过程中起着重要的作用。
激光技术原理及应用
激光技术原理及应用激光技术是一种利用激光束进行控制和加工的技术，其原理是利用受激辐射现象产生高强度、高单色性和高方向性的激光光源。
激光技术具有独特的特点，广泛应用于科学研究、医疗、通信、材料加工、测量仪器等领域。
激光技术的原理主要包括受激辐射、受激吸收和非线性光学效应。
受激辐射是指当原子或分子的基态受到外部光子或粒子的激发，从而使原子或分子中的电子跃迁到高能级的激发态，当这些激发态的电子从高能级返回到基态时，会放射出与初始激发光子具有相同频率、相同相位和相同方向的光子，从而形成激光。
激光技术的应用非常广泛。
首先，在科学研究领域，激光技术被用于精确测量、光谱分析、光化学研究等方面。
例如，激光干涉术可以实现非接触式测量，用于测试物体的形状和表面质量；激光光谱学可以用于分析物质的组成和结构。
其次，在医疗领域，激光技术被广泛应用于神经外科、眼科等临床诊疗中。
激光刀手术技术可以精确切割组织而不损伤周围组织，被用于肿瘤切除、近视矫正等手术中；激光光凝剂可以用于止血、脱毛、皮肤美容等治疗。
此外，激光技术在通信领域也有广泛应用。
激光器可以产生高纯度的激光光源，用于光纤通信中的信号传输和放大；激光雷达可以实现高精度的测距和测速，应用于航天、气象、地质勘探等领域。
激光技术还被广泛应用于材料加工领域。
激光切割和激光焊接可以实现高速、精确的金属和非金属材料的切削和焊接；激光打标可以实现高精度的标记和雕刻，用于电子产品、汽车零部件等行业。
最后，激光技术在测量仪器领域也有重要应用。
激光测距仪可以实现高精度的距离测量，被广泛用于建筑、测绘等领域；激光干涉仪可以用于测量纳米级的位移和形变，应用于机械工程、材料科学等研究中。
综上所述，激光技术是一种应用广泛的技术，具有独特的特点和优势。
随着科学技术的不断发展，激光技术的应用范围也将不断扩大，为人类社会的进步和发展做出更大的贡献。
激光原理与应用电子课件1.5
则光穿过dz介质后净增加的光子数密度为:
dt为光经过dz dz所需要的时间,存在如下关系: dt = dz
υ
=
c
dz,并且有:
dN = dN1 + dN 2 = (n2 B21 n1B12 ) ρ ( z ) f (ν )dt = (n2
则光穿过dz介质后光能密度的增加值为: g dρ g dρ = hν dN = (n2 2 n1 ) B21ρ ( z ) f (ν) hν dz = (n2 2 n1 ) B21 f (ν) hν dz ρ g1 c g1 c 解此微分方程得: g ρ ( z ) = ρ (0) exp[(n2 2 n1 ) B21 f (ν)hν z ] g1 c g I ( z ) = I (0) exp[(n2 2 n1 ) B21 f (ν)hν z ] g1 c 上式即为光波穿过介质时光强随路程z的变化规律.
第 一 章 辐 射 理 论 概 要 与 激 光 产 生 的 条 件
§1.5 激光形成的条件 1.5.1 介质中光的受激辐射放大
1. 要能形成激光,首先必须使介质中的受激辐射大于受激吸收.
图1-19 光在介质中传播的物理图像
2. 光束在介质中的传播规律 如图(1-20) ,频率为 ν 的准单色光射向 介质,在介质中z处取厚度为dz,截面为单 位截面的一薄层,在 dt时间内由于介质吸收 而减少的光子数密度为: dN1 = n1B12 ρ ( z ) f (ν)dt dt时间内由于受激辐射增加的光子数密度为:
B 2.要使受激辐射几率远大于自发辐射几率即: 21ρf (ν) >> A21 而要满足上式只有靠增大增益介质中传播的光能密度 ρ 来实现,又: g ρ ( z ) = ρ (0) exp[(n2 2 n1 ) B21 f (ν)hν z ]
激光的所用原理和应用范围
激光的所用原理和应用范围1. 激光的原理激光，即光的放大与激光辐射的产生，是由受激辐射引起的一种光辐射。
激光的产生是通过三个基本的过程实现的：吸收、辐射和增益。
1.1 吸收过程激光的吸收过程是指外部能量作用于物质的过程。
光子通过与物质中的电子相互作用，将能量传递给电子，并使其进入激发状态。
1.2 辐射过程激光的辐射过程是指激发态的电子向各个能级或基态跃迁的过程。
当电子从高能级向低能级跃迁时，会释放出光子，即光辐射。
1.3 增益过程增益过程是指光子在物质中产生的放大现象。
当处于激发态的原子或分子与处于基态的原子或分子碰撞时，会传递能量，并使得相邻的原子或分子也进入激发态。
2. 激光的应用范围激光由于其独特的属性，被广泛地应用于各个领域。
以下是一些激光的主要应用范围：2.1 医学激光在医学领域中被大量地使用，例如激光手术、激光治疗等。
激光手术是一种精确且无创的手术方式，能够减少手术的痛苦和恢复时间。
激光治疗可用于治疗皮肤病、视网膜疾病等。
2.2 通信激光通信是一种高速、高带宽的通信方式，广泛用于光纤通信中。
激光通过光纤传输数据，具有快速传输速度和低信号衰减的特点。
2.3 制造业激光在制造业中被广泛应用，特别是在金属加工领域。
激光切割、激光焊接和激光打标等技术可提高生产效率和产品质量。
2.4 雷达激光雷达是一种高精度的测距技术，能够准确测量目标的距离和速度。
激光雷达广泛应用于无人驾驶、航天等领域。
2.5 科学研究激光在科学研究中扮演着重要角色。
激光可以用于粒子加速、原子与分子的激发和退激等实验。
2.6 军事激光在军事领域中具有广泛应用。
激光制导武器、激光测距、激光侦察等技术可以提高军事作战的精确度和效果。
2.7 娱乐激光在娱乐领域中常常用于演出和表演。
激光灯光和激光投影技术可以创造出炫目的光效和视觉效果。
3. 总结综上所述，激光的原理是通过吸收、辐射和增益三个基本过程实现的。
同时，激光的应用范围非常广泛，包括医学、通信、制造业、雷达、科学研究、军事和娱乐等领域。
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用激光器是一种能够产生高强度、高单色性、高方向性的激光光束的装置。
它的工作原理是通过光的受激辐射过程来实现的。
激光器的应用非常广泛，涵盖了科研、医疗、通信、材料加工等多个领域。
本文将详细介绍激光器的工作原理及其在不同领域的应用。
一、激光器的工作原理激光器的工作原理主要包括激发过程、受激辐射过程和光放大过程。
1. 激发过程激光器通常通过外部能量源对工作物质进行激发，使其处于激发态。
常用的激发方式有光激发、电子束激发和化学激发等。
其中，光激发是最常见的方式，它利用外界光源的能量来激发工作物质。
2. 受激辐射过程当工作物质处于激发态时，它会受到外界的激励，从而产生受激辐射。
这种辐射具有特定的频率和相位，与激发辐射的光子具有相同的频率和相位。
这样的辐射过程被称为受激辐射过程。
3. 光放大过程受激辐射过程会引起工作物质中更多原子或分子的激发，从而形成光子的放大效应。
这样，原本弱的光信号就可以在激光器中得到放大，形成高强度的激光光束。
二、激光器的应用1. 科研领域激光器在科学研究中起着重要的作用。
例如，在物理学中，激光器可以用于精确测量光速、光子能量等物理量；在化学研究中，激光器可以用于分析化学反应的速率和路径等；在生物学中，激光器可以用于细胞成像、蛋白质结构研究等。
2. 医疗领域激光器在医疗领域有广泛的应用。
例如，在激光治疗中，激光器可以用于切割、焊接和热疗等治疗方式；在激光手术中，激光器可以用于眼科手术、皮肤手术等；在激光美容中，激光器可以用于去除色素斑、减少皱纹等。
3. 通信领域激光器在光通信中扮演着重要的角色。
激光器可以产生高强度的光信号，用于传输数据和信息。
例如，在光纤通信中，激光器可以将电信号转换为光信号，通过光纤传输数据；在卫星通信中，激光器可以产生高功率的激光光束，用于与地面站进行通信。
4. 材料加工领域激光器在材料加工中有广泛的应用。
例如，在激光切割中，激光器可以通过高能量的光束将材料切割成所需形状；在激光焊接中，激光器可以通过高温的光束将材料焊接在一起；在激光打标中，激光器可以通过激光束在材料表面进行打印和标记。
- 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)。
第一章 上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
第 §1.3 光的受激辐射 一
章 1.3.2 光和物质的作用
辐 射 理
(4) 令 W21 B21
，则有：W21
B21
dn2 n2dt
论 概 要
则W21(即受激辐射的跃迁几率)的物理意义为：单位时间内，在外来单
由波尔兹曼分布定律可知：
n2
g2
E2 E1
e kT
hν
e kT
②
要 与 激 光
n1 g1
将②代入①得：(B21ν
A21)
g2 g1
hν
e kT
B12ν
由此可算得热平衡空腔的单色辐射能量密度 ν 为：
产 生 的
ν
A21 B21
1
B12 g1
hν
ekT
1
B21g2
8hν3
c3
1
hν
e kT
➢受激跃迁
论 ➢自发辐射: 高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能
概
量为h E2 E1 的光子。
要 ➢自发辐射的特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。
与 图（1-6）表示自发辐射的过程。
激
光 产
➢对于大量原子统计平均来说，从E2经自发辐射跃 迁到E1具有一定的跃迁速率。
与 激 光
式中k为波尔兹曼常数。
8hν3
c3
1
hν
e kT
1
产 生
➢总辐射能量密度 : 0 νdν
的
条
件
第一章 上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
第 §1.3 光的受激辐射 一 章 1.3.2 光和物质的作用
➢自发辐射
辐
光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：➢受激辐射
射 理
1. 自发辐射
第 §1.3 光的受激辐射
一 章
1.3.1 黑体热辐射
4. 辐射能量密度公式
辐
射 ➢单色辐射能量密度 ν ：辐射场中单位体积内，频率在 ν 附近的单位
理 频率间隔中的辐射能量 论
ν
d
dVdv
概 ➢在量子假设的基础上，由处理大量光子的量子统计理论得到真空中 ν
要 与温度T及频率 ν 的关系，即为普朗克黑体辐射的单色辐射能量密度公式
q21(t) n2 (t) A21hν
第一章 上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
第 §1.3 光的受激辐射
一 章
1.3.2 光和物质的作用
2. 受激辐射
辐 射 理
(1) 受激辐射：高能级E2上的原子当受到外 来能量 h E2 E1 的光照射时向低能级E1 跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的
一 章
1.3.2 光和物质的作用
辐 射 理 论
3. 受激吸收
(1) 处于低能级E1的原子受到外来光子（能
量 h E2 E1）的刺激作用，完全吸
收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。 如图（1-9）所示。
概
图（1-9）光的受激吸收过程
要 (2) 同理从E1经受激吸收跃迁到E2具有一定的跃迁速率，在此假设外来光的光 与 场单色能量密度为 ，且低能级E1的粒子数密度为n1，则有：
要 与 激
2. 如果 g1 g 2 ，则有B12 在折射率为 的介质中，
B21
③式应改写为：
生
dn2 A21n2dt
图（1-6）自发辐射
的 式中“－”表示E2能级的粒子数密度减少；n2为某时刻高能级E2上的原子 条 数密度（即单位体积中的原子数）；dn2表示在dt时间间隔内由E2自发跃迁 件 到E1的原子数。A21称为爱因斯坦自发辐射系数，简称自发辐射系数。
第一章 上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
1
条
件
第一章 上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
第 §1.3 光的受激辐射
一
章 将上式与第三节中由普朗克理论所得的黑体单色辐射能量密度公式比
辐 较可得： 射
A21 B21
8hν3 c3
③
理
g1B12 g2B21
④
论 ③式和④式就是爱因斯坦系数间的基本关系，虽然是借助空腔热平衡这一 概 过程得出的，但它们普遍适用。
论 光子，如图（1-8）所示。
概
图（1-8）光的受激辐射过程
要 (2)受激辐射的特点：
与 激
➢只有 h E2 E1当时，才能发生受激辐射
光 ➢受激辐射的光子与外来光子的特性一样， 如频率、位相、偏振和传播方向
产
生 的 条 件
(场3)单同色理能从量E密2经度受为激辐，射则跃有迁：到E1具有一定的跃迁速率，在此假设外来光的光 dn2 B21n2 dt
第一章 上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
第 §1.3 光的受激辐射
一 章
1.3.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系
辐 1. 在光和原子相互作用达到动平衡的条件下，有如下关系：
射
A21n2dt B21νn2dt B12νn1dt
①
理
自发辐射光子数 受激辐射光子数 受激吸收光子数
论 概
第 §1.3 光的受激辐射
一 章
1.3.2 光和物质的作用
➢上式可改写为：
辐
A21
dn2 n2dt
射 理
A21的物理意义为：单位时间内，发生自发辐射的粒子数密度占处于E2 能级总粒子数密度的百分比。即每一个处于E2能级的粒子在单位时间内 发生的自发跃迁几率。
论
概 ➢上方程的解为：n2 (t)
n e A21t 20
,
式中n20为t=0时处于能级E2的原子数密度。
要
与 ➢自发辐射的平均寿命 ：原子数密度由起始值降至
激 它的1/e的时间
1 A21
光 产 生 的
➢设高能级En跃迁到Em的跃迁几率为Anm，则激发态 En的自发辐射平均寿命为：
1 Anm
m
条 ➢已知A21，可求得单位体积内发出的光功率。若一个光子的能量为 hν ，某时 件 刻激发态的原子数密度为n2(t)，则该时刻自发辐射的光功率密度（W/m3）为：
色能量密度为 的光照下，E2能级上发生受激辐射的粒子数密度占处
于E2能级总粒子数密度的百分比。
与
激 (5) 注意：自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本பைடு நூலகம்，而受激辐射的跃迁几率
光 决定于受激辐射系数与外来光单色能量密度的乘积。
产
生
的
条
件
第一章 上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
第 §1.3 光的受激辐射
激
dn2 B12n1 dt
光 式中B12称为爱因斯坦受激吸收系数
产
生 的 条 件
则(3)W同12理(即令受W激12 吸 B收12几 率，)则的有物：理W意12义 为B12：单 位 nd时1nd2间t 内，在外来单色能量密度 的
光照下，由E1能级跃迁到E2能级的粒子数密度占E1能级上总粒子数密度的百分比。