激光原理4.3激光束的变换(2014)
c4.3激光束的变换
0
R R
S
S
图（4-16）高斯光束通过薄透镜的变换 2 2 1 1 1 2 R s[1 ( 0 ) 2 ] 0 2 2 s R R f 1 ( ) R 02 2 R s[1 ( ) ] s 2 R s 1 ( 0 ) s 2 R 2 0 s 2 1 ( ) 2 0 1 ( 2 ) 0
0
图(4-20) 倒装望远镜系统压缩光束发散角
M’是高斯光束通过透镜系统后光 束发散角的压缩比。M是倒置望 远镜对普通光线的倾角压缩倍数。 由于f2＞f1，所以M＞1。 又由于 ＞0，因此有M’ M ＞1
f1 f2 2 f1 2 0 2 f 2 f1 0 f2 M M f 2 f1 0 0 2 0 M 0 2
2 0 2 2 1 ( ) R
2
f 0
1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦
0
f 即缩短 f 和加大 都可以缩小聚焦点光斑尺寸。
前一种方法就是要采用焦距小的透镜 后一种方法又有两种途径：一种是通过加大s来加大；另一种办法 就是加大入射光的发散角从而加大 ，加大入射光的发散角又可以有 两种做法 ，如图4-18和图4-19
图4-18 用凹透镜增大ω后获得微小的ω’0
图4-19 用两个凸透镜聚焦
2 2 0
1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形
f 0 1 ( s 2 ) 2 0 02 s
2 0 1 ( 0 ) 2 s s 2 ( 2 ) 1 0
华科激光原理考研题2002-2014(汇总)
华科考研激光原理2002--2014真题2014年一.解释题1.描述自然加宽和多普勒加宽的成因，说明他们属于什么加宽类型。
(15)2.描述一般稳定腔和对称共焦腔的等价性。
(15)3.增益饱和在连续激光器稳定输出中起什么作用？ 谱线加宽是怎样影响增益饱和特性的？(15)4.说明三能级系统和四能级系统的本质区别，哪个系统更容易形成粒子数反转，为什么?(15)二．解答题1. 一个折射率为η,厚度为d 的介质放在空气中，界面是曲率半径为R 的凹面镜和平面镜。
（1）求光线从空气入射到凹面镜并被凹面镜反射的光线变换矩阵。
（2）求光线从凹面镜进入介质经平面镜反射再从凹面镜射出介质的光线变换矩阵。
（3）求光线从凹面镜进入介质再从平面镜折射出介质的光线变换矩阵。
(25)2. 圆形镜共焦腔的腔长L=1m ，（1）求纵模间隔q υ∆，横模间隔m υ∆,n υ∆. (2)若在增益阈值之上的增益线宽为60Mhz ，问腔内是否可能存在两个以上的纵模震荡，为什么？(25)3. 虚共焦型非稳腔的腔长L=0.25m ，由凹面镜M1和凸面镜M2组成，M2的曲率半径和直径为m R 12-=,cm a 322=,若M2的尺寸不变，要求从M2单端输出，则M1的尺寸为多少；腔的往返放大率为多少。
(20)4. 某连续行波激光放大器，工作物质属于均匀加宽型，长度是L ，中心频率的小信号增益为m G ，初始光强为0I 中心频率饱和光强为s I ，腔内损耗系数为i α (m i G <<α),试证明有：（20）sL L m I I I I I L G 00ln -+= (提示：I dz dI G i =-α, s m I I G +=1G 构造微分方程) 2013年一、简答：1.说出激光器的两种泵浦方式，并分别举个例子。
2.什么是空间烧孔？并说明对激光器模式的影响。
3.试写出二能级的速率方程。
并证明二能级不能产生自激震荡（设f1=f2）。
激光原理与技术
激光的光化学效应与光生物效应
光化学效应
激光能够激发化学反应，改变物质的化学性 质。光化学效应在光催化、光合成等领域具 有重要应用，如利用激光诱导化学反应合成 新材料。
光生物效应
激光对生物组织的作用，包括光热作用、光 化学作用和光机械作用等。光生物效应可用 于激光治疗、光遗传学等领域，如利用激光 进行视网膜修复、神经刺激等。
激光的特性
激光具有一系列独特的特性，如方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等。这些特性使得激光在科学研 究、工业生产、医疗诊断等领域具有广泛的应用价值。
02
激光器类型与技术
固体激光器
01
02
03
晶体激光器
使用掺杂有激活离子的晶 体作为工作物质，如 Nd:YAG激光器。
玻璃激光器
以玻璃为基质，掺入激活 离子制成的激光器，如钕 玻璃激光器。
变换特性
利用光学系统，如透镜组、反射镜、波片等，可以对激光束进 行变换，如扩束、缩束、旋转、偏振状态改变等。
激光束的聚焦与整形
聚焦特性
通过透镜或反射镜等聚焦元件，可以将激光束聚焦到极小的焦点上，实现高能量密 度的集中。聚焦后的激光束可用于切割、焊接、打孔等高精度加工。
整形特性
利用特定的光学元件或算法，可以对激光束进行整形，如生成特定形状的光斑、实 现均匀照明等。整形后的激光束可应用于光刻、显示等领域。
激光治疗
利用激光的生物刺激效应，对病 变组织进行照射，以达到治疗目
的。
激光手术
使用激光代替传统手术刀进行手 术，具有精度高、出血少、恢复
快等优点。
激光美容
通过激光照射肌肤，改善皮肤质 地、去除色斑、减少皱纹等。
激光通信技术
光纤通信
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。
激光原理与应用讲-第四章
光
器 2.与激光输出功率曲线的兰姆凹陷相似，在吸收介质的吸收曲线上也有一个吸收
的
稳 凹陷，如图4-13所示 。
频
3.由于吸收管内的压强很低，碰撞增宽很小，所以吸收线中心形成的凹陷比激光
管中兰姆凹陷的宽度要窄得多。
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第 4.2.4 饱和吸收法稳频
四 章
4.激光通过激光管和吸收管时所得到的单程净增益应该是激光管中的单程增益G (ν )
激
和吸收管中的单程吸收 A(ν) 的差，即 G (ν )净 G (ν ) A (ν )
光 的
➢如图4-14(a)，只有频率调到 ν 0 附近激光才能振荡。
基 ➢如图4-14(b)，频率在整个线宽范围内调谐均能振荡。
本
技
术
4
§.
2
激 光 器 的 稳 频
图(4-14) 反转兰姆凹陷
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章
激 光 的 基 本 技 术
4
2
激 光 器 的 稳 频
§.
2.腔长自动补偿系统的方框图如图4 - 9 所示
➢压电陶瓷加一直流电压：使初始频率为 ν 0 ➢压电陶瓷上还需加一频率为f(约为lkHz)、幅度很小(零点几伏)的交流讯号， 此讯号称为“搜索讯号”
图4-9 兰姆凹陷法稳频方框图
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§.
现象： 非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。
图(2-8) 均匀增宽型增益饱和曲线
原因：
图(2-14) 非均匀增宽型激光器中的增益饱和
➢在均匀曾宽情况下，每个粒子对谱线不同频率的增益都有贡献
➢在非均匀曾宽情况下，单个粒子仅对特定频率处的增益有贡献
《激光原理》教学大纲
《激光原理》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程简介本课程是“光电器件加工”课程模块中的专业核心课程，以培养应用能力突出、能适应工作变化和具有创新素质的学生为目标，在教学内容上，将理论教学与案例教学有机地结合进行知识点讲解，注重培养学生运用基础物理知识分析解决激光相关问题的能力；在教学模式上，采用研讨式的教学模式，注重引导学生对激光技术相关领域的核心问题已有的解决方案进行分析比较，培养学生的问题分析能力。
在培养学生熟练掌握激光器结构、工作原理、调Q技术与锁模技术的基础上，提升学生的综合能力和解决复杂问题的能力，为学生成为新一代技术应用型人才奠定基础。
三、课程目标及对毕业要求（及其指标点）的支撑四、教学内容及进度安排五、课程考核六、教材及参考资料(一)课程教材1.《激光原理及应用》（第3版），陈鹤鸣等编著，电子工业出版社，2017(二)参考教材及网站1.《激光原理》（第7版），周炳琨等编著，国防工业出版社，2014。
2.《激光原理及应用》（第3版），陈家璧等编著，电子工业出版社，2013。
3.《激光原理及技术》，电子科技大学，刘志军等主讲，中国大学慕课。
编写人：审核人：审批人：审批日期：附件：各类考核与评价标准表（1）考试方式及占比：采用闭卷笔试，考试成绩100分，占课程考核成绩的60%。
（2）评定依据：考试成绩的评定根据试卷参考答案和评分标准进行。
（3）考试题型：可以包含单项选择题、填空题、简答题、计算题和设计题。
（4）考试内容：对学生综合运用激光物理的基本概念、基本原理进行问题分析能力的考核，不仅包括对各章节知识点的独立考核，还需要包括综合考虑多种激光器性能与控制的改善方案，实现技术分析和解决复杂工程问题能力的考核。
激光原理PPT课件
5. 自由电子激光器 以自由电子为工作物质微波到X射线的受激辐射
均称为自由电子激光。
第12页/共33页
这是一种特殊类型的新型激光器，被电子加速器
加速的电子流注入周期变化的磁场。只要改变电子束
的速度就可产生波长连续变化的相干电磁辐射，原则
上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，其 峰值功率和平均功率高且可调，相干性好，可获得偏
政”辐射光子。
第14页/共33页
激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激 光产生的机理与普通光源的发光不同，这就使激光具 有不同于普通光的一系列性质。
1. 方向性好 激光不像普通光源向四面八方传播，几乎在一条 直线上传播，我们称激光的准直性好。因为激光要在 谐振腔内来回反射，若光线偏离轴线，则多次反射后 终将逸出腔外，因此从部分透明的反射镜射出的激光 方向性好。良好的方向性使激光是射得最远的光，应 用于测距、通讯、定位方面。
第15页/共33页
2. 亮度高 一般光源发光是向很大的角度范围内辐射，如电 灯泡不加约束是向四面八方辐射。激光的辐射范围在 1×10-3rad（0.06º）左右，因此既使普通光源与激光 光源的辐射功率相同，激光的亮度将是普通光源的上 百万倍。1962年人类第一次从地球上发出激光束射向 月球，由于激光的方向性好、亮度高，加上颜色鲜红， 所以能见到月球上有一红色光斑。激光的高亮度在激 光切割、手术、军事上有重要应用，现正研究用高亮 度的激光引发热核反应。
2. 用激光固定原子
气态原子、分子处在永不停息的运动中（速度接
近340m/s），且不断与其它原子、分子碰撞，要“捕
获”操纵它们十分不易。1997年华裔科学家、美国斯
坦福大学朱棣文等人，首次采用激光束将原子束冷却
《激光原理》PPT课件
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28
前沿动态及发展趋势预测
超快激光技术
实现飞秒、皮秒级超短脉冲输出，用 于精密加工、生物医学等领域。
高功率激光技术
发展高能量、高效率的激光器，应用 于国防、能源等领域。
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激光显示技术
利用激光作为光源的显示技术，具有 色域广、亮度高等优点，是未来显示 技术的重要发展方向。
概述光纤激光器的工作原理、 优势及在通信、传感等领域的 应用前景。
其他典型固体激光器
简要介绍其他类型的固体激光 器，如半导体激光器、拉曼激
光器等。
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气体激光器原理与技术
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气体放电过程及发光机制
01
02
03
气体放电基本概念
电子与气体原子或分子碰 撞，引发电离和激发过程 ，产生带电粒子和光子。
液体染料激光器技术特点பைடு நூலகம்
具有宽调谐范围、高转换效率、短脉冲输出等优点。同时 ，液体染料激光器也存在染料稳定性差、需要定期更换等 缺点。
液体染料激光器应用领域
广泛应用于光谱学、生物医学、光化学等领域。例如，可 用于荧光光谱分析、激光医疗、光动力疗法等。
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半导体材料发光机制及器件结构
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利用半导体材料的特性实现受激辐射，具有 体积小、效率高、寿命长等优点，广泛应用 于通信、显示等领域。
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固体激光器原理与技术
2024/1/28
7
固体激光材料及其发光机制
2024/1/28
固体激光材料种类与特性
01
包括晶体、玻璃、陶瓷等，具有不同的发光特性和应用场景。
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4.3.1 高斯光束通过薄透镜时的变换
普通球面波在通过薄透镜的传播规律一、普通球面波在通过薄透镜的传播规律1. 透镜的成像公式：
f
1
11=+4-15图4-15 球面波通过薄透镜的变换
s s ′2. 从光波的角度看，当傍轴波（）
二、高斯光束通过薄透镜的变换
当通过薄透镜时, 高斯光束经过薄透镜变换后仍为高斯光束。
若以M
1
表示高斯光束入射在透镜表面上的波面, 由于高斯光束的等相位面为球面经透镜后被转换成另球由于高斯光束的等相位面为球面,经透镜后被转换成另一球
面波面M
2而出射, M
1
与M
2
的曲率半径R
l
及R
2
之间的关
系满足4-16式。
同时,由于透镜很“薄”,所以在紧挨足（6）。
,镜,紧
透镜的两方的波面M
1及M
2
上的光斑大小及光强分布都应该
完全一样。
以w表示入射在透镜表面上的高斯束光斑半径,
w ，表示出射高斯束光斑半径。
图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换
高福斌/19
2
f
′R R
w =+z ⎥
=+(345)(344)020()1w z w π⎜⎟
⎝⎠
01R z λ⎢⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦
(3-45)
(3-44)
4-16图416 高斯光束通过薄透镜的变换
4.3.2高斯光束的聚焦4.3.2 高斯光束的聚焦
实际应用中，为了提高激光的光功率密度，需要对高斯光束进行聚焦，即
00
'w w <图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换
核心问题：
这与几何光学中的平行光
通过透镜聚焦在焦点上的。
情况类似。
图4-17 短焦距透镜的聚焦
z高斯光束聚焦的方法：
1.采用短焦距透镜，使
2.加大入射光在透镜面处的光斑半径
2.
(1)通过加大
(1)
半径w
从而加大w:
用凹透镜直接加大发散角用两个凸透镜聚焦
22λθ=
(3-40)
w π核心改善光束的方向性缩光束的发散角一、核心问题：改善光束的方向性，即压缩光束的发散角
①用单透镜22λθ=
高斯光束发散角:
(3-40)w π(4-42)
2λ
②用望远镜
首先利用一个短焦距透镜将高斯光束聚焦，获得极图(4-20) 倒装望远镜系统压缩光束发散角
小的腰斑；然后再利用一个长焦距透镜改善光束的方向性达到准直的目的性，达到准直的目的。
(340)2λ=
2(3-40)
2w θπ1"
020
22f w f w λ
λθππ′′⇒==(4-46)
定义高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比为。