激光原理第一章_华中科技大学课件
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激光原理及应用 ppt课件
(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
ppt课件
13
4.重叠率计算——Overlap
激光器 扫描镜
• 场镜：聚焦系统为F-θ 平场透镜，选用焦距 f=254mm。普通聚焦透镜像高y与入射角度θ 的关 系符合y=f tgθ ，当入射光偏转时其在焦平面上 的扫描速度不断变化；对普通透镜作改进后使像
高y=f θ ，以等角速度偏转的入射光实现线性扫 描，这种线性成像物镜称为F-θ 镜。
振镜
扫描振镜其专业名词叫做高速扫描振镜Galvo scanning system。所谓振镜，又可以称之 为电流表计，它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法，镜片取代了表针，而探头的信号由计 算机控制的-5V—5V 或-10V－+10V 的直流信号取代，以完成预定的动作。同转镜式扫描系统 相同，这种典型的控制系统采用了一对折返镜，不同的是，驱动这套镜片的步进电机被伺服电
场镜
ppt课件
16
振镜是一种优良的矢量扫描器件。它是一种特殊的摆动电机 ,基本原理是通电线圈在磁场中产 生力矩 ,但与旋转电机不同 ,其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩 ,大小与转子偏 离平衡位置的角度成正比 ,当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时 ,电磁力矩与 回复力矩大小相等 ,故不能象普通电机一样旋转 ,只能偏转 ,偏转角与电流成正比 ,与电流计一 样 ,故振镜又叫电流计扫描振镜(galvanomet ric scanner) 。
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
ppt课件
13
4.重叠率计算——Overlap
激光器 扫描镜
• 场镜：聚焦系统为F-θ 平场透镜，选用焦距 f=254mm。普通聚焦透镜像高y与入射角度θ 的关 系符合y=f tgθ ，当入射光偏转时其在焦平面上 的扫描速度不断变化；对普通透镜作改进后使像
高y=f θ ，以等角速度偏转的入射光实现线性扫 描，这种线性成像物镜称为F-θ 镜。
振镜
扫描振镜其专业名词叫做高速扫描振镜Galvo scanning system。所谓振镜，又可以称之 为电流表计，它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法，镜片取代了表针，而探头的信号由计 算机控制的-5V—5V 或-10V－+10V 的直流信号取代，以完成预定的动作。同转镜式扫描系统 相同，这种典型的控制系统采用了一对折返镜，不同的是，驱动这套镜片的步进电机被伺服电
场镜
ppt课件
16
振镜是一种优良的矢量扫描器件。它是一种特殊的摆动电机 ,基本原理是通电线圈在磁场中产 生力矩 ,但与旋转电机不同 ,其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩 ,大小与转子偏 离平衡位置的角度成正比 ,当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时 ,电磁力矩与 回复力矩大小相等 ,故不能象普通电机一样旋转 ,只能偏转 ,偏转角与电流成正比 ,与电流计一 样 ,故振镜又叫电流计扫描振镜(galvanomet ric scanner) 。
激光原理概述课件
听力损伤
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
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
《激光原理与技术》课件 (3)
现在求P—P+dP中的光子态数 P h , dP h d
Px
c
c
dVP 4πP2dP
P
Nl
4πP 2dP
δV p
4π (h
/ c)2 (hd
h3 /V
/ c)
4π 2
c3
V
d
M
4π
c3
2
V
d
2
8π
c3
2
V
d
n
V
d
o Py
dP Pz
nv
8π 2
c3
单位体积单位频率间隔的光子态数—光子谱密度
结论： 光波模 等价 光子态
即：属于一个模式的光子处于相同的量子状态
一个光波模对应一个光子态
1.1 相干性的光子描述（光波模式与光子态）
3. 光子简并度 n
n
光子总数 光子态数
一个光子态中平均光子数
=同态光子数
=同模光子数
=同相格光子数
在给定的体积内，一般存在大量光波模式。因而每个模式的光波能 量很小，或者说同态的光子数很很少，或者说光子简并度很小。
y,
z)和动量(
P
—Px,
Py,
Pz)
以(x, y, z, Px, Py, Pz)构成描述粒子运动状态的相宇空间。
经典(牛顿)粒子的状态 与相宇中的一个点对应
而光子的状态遵从测不准关系，即
x
x
•
Px Px
ΔxΔPx h
ΔyΔPy h ΔxΔyΔzΔPxΔPyΔPz h3
ΔzΔPz
h
x
x
h3
对于单电子原子，组态与状态是一致的；而对于多电 子原子则完全不同, 状态的推求可以采用角动量耦合。
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
01 第一章 激光原理与技术(上)
优点：谐振腔可以调整，能够长期保持激光器的稳定输出；可以在谐振
腔内插入光学元件，便于进行激光器性能研究。
缺点：谐振腔两反射镜易失调，并且调整也比较困难，使用不方便；
窗片与轴线夹角不准确，窗片光学质量不完善，引起反射、散射、 吸收等光学损耗，降低了输出功率。
3.半内腔式
特点：谐振腔的一块反射镜与放电管固定在一起，而另一块与放电管分开 优点：仅需调整外面的一块反射镜，比较容易调整，工作方便；能够同
“受激辐射光放大”
一、粒子数反转分布及泵浦过程
1.粒子数反转分布
要使介质对光产生放大作用，必须使受激辐射超过受激吸收; 二者几率分别与上能级粒子数密度和下能级粒子数密度成正 比。
粒子数分布反转是介质对光放大作用的条件及产生激光
的前提
E2 E1
h
h
h h
受激吸收
受激辐射
2.泵浦(抽运)
定义：使两个能级实现粒子数反转的过程
常见光源发散角: 日光灯: π
2
光源发光面发出的所有光线中两光线之间的最大夹角
气体激光:
固体激光:
10-3~10-6
10-2
半导体激光: 5~10×10-2
例1：对于直径3mm腔镜的632.8nmHe-Ne激光器输出光束，
近衍射极限光束发散角为
1.22 / d 2 104 rad
相干光
当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程
当光与原子相互作用时，总是同时 存在这三种过程
自发辐射 受激辐射 受激吸收
光场能量
粒子能量
可能达到平衡
也可能达不到平衡
§1.2 激光产生的原理及条件
Laser
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
华科光电激光原理与技术复习大纲 ppt课件
横向尺寸a1、a2无关。
22
Chap02-开放式光腔---非稳定腔
2、非稳腔的能量损耗率 3、非稳腔的单端输出 掌握虚共焦腔的基本计算！
23
Chap03-电磁场和物质的共振相互作用
均匀加宽和非均匀加宽区别及线性函数。 三能级结构\四能级结构能级示意图+速率方程。 均匀加宽增益饱和现象与非均匀加宽增益饱和现象的区别。 激光器振荡的阈值条件？ 模式竞争、兰姆凹陷等概念？
ppt课件
8
第四章
• 自然加宽、碰撞加宽的产生机理以及均匀 加宽的特性；
• 均匀加宽的线型函数；（相关公式） • 多普勒加宽的产生机理以及非均匀加宽特
性； • 三能级、四能级系统速率方程；（相关公
式）
ppt课件
9
第五章
• 增益饱和的物理概念以及其在稳定的激光 输出中所起到的作用；
• 阈值条件、小信号增益系数及小信号粒子 反转数的物理概念；小信号粒子反转数的 表达式；（相关公式）
电光效应
一、沿z轴方向加电压 V / /z轴，Ex Ey 0, Ez 0
变形后的折射率椭球方程为：
无交叉项，主轴方向不变
1 no2
13 Ez
x2 y2
1 ne2
33 Ez
z2
1
二、沿x轴方向加电压 V / / x轴，Ey Ez 0, Ex 0
• 圆形镜共焦腔自再现模式的拉盖尔高斯分 布特征；
ppt课件
7
第三章
• 一般稳定球面腔与对称共焦腔的等价性； • 求解一般稳定球面腔对应的对称共焦腔；（相关公
式会推导或记忆） • 非稳腔的轴上共轭像点、几何自再现波形； • 共焦非稳腔的特点、设计方法； • 非稳腔的几何放大率和能量损耗率；（相关公式）
激光原理ppt课件
注：文本框可根据需求改变颜色、移动位置；文字可编辑
3 纯化学型 这种运转方式要比上述的原子态激励型更为先进
和实用。其特点是不需要外界各种能源，完全靠体 系本身的化学反应自由能来得到所需要的自由原子。 例如用NO＋F2燃烧解离来得到氟原子。然后,氟原子 与氢分子反应,获得激发态的粒子数反转而产生激光。
注：文本框可根据需求改变颜色、移动位置；文字可编辑
其泵浦源为化学反应所释放的能量。这类 激光器大部分以分子跃迁方式工作，典型波 长范围为近红外到中红外谱区。最主要的有 氟化氢和氟化氘两种装置。前者可以在2.6～ 3.3微米之间输出15条以上的谱线；后者则约 有25条谱线处于3.5～4.2微米之间。这两种 器件目前均可实现数兆瓦的输出。
注：文本框可根据需求改变颜色、移动位置；文字可编辑
3 电子跃迁化学激光器
利用化学反应释放的能量将激射介质泵到电子激发态， 并达到粒子数反转，然后受激发射产生激光。电子激发态 能量受到化学键能的限制，只有3～4电子伏。如果电子激 发态能量超过4电子伏，就必须借助于低能阶电子激发态 粒子与其他激发态粒子间的多次碰撞传能才可能达到高能 阶电子激发态,电子跃迁化学激光器的典型例子是氧- 碘 传能激光器。
化学激光器
注：文本框可根据需求改变颜色、移动位置；文字可编辑
1 原理
目录
2 工作方式
3 运转类型
4 器件分类
5 应用
注：文本框可根据需求改变颜色、移动位置；文字可编辑
1 原理
化学激光器是另一类特殊的 气体激光器，即是一类利用化 学反应释放的能量来实现工作 粒子数布居反转（简称粒子数 反转）的激光器。化学反应产 生的原子或分子往往处于激发 态，在特殊情况下，可能会有 足够数量的原子或分子被激发 到某个特定的能级，形成粒子 数反转，以致出现受激发射而 引起光放大作用。。
3 纯化学型 这种运转方式要比上述的原子态激励型更为先进
和实用。其特点是不需要外界各种能源，完全靠体 系本身的化学反应自由能来得到所需要的自由原子。 例如用NO＋F2燃烧解离来得到氟原子。然后,氟原子 与氢分子反应,获得激发态的粒子数反转而产生激光。
注：文本框可根据需求改变颜色、移动位置；文字可编辑
其泵浦源为化学反应所释放的能量。这类 激光器大部分以分子跃迁方式工作，典型波 长范围为近红外到中红外谱区。最主要的有 氟化氢和氟化氘两种装置。前者可以在2.6～ 3.3微米之间输出15条以上的谱线；后者则约 有25条谱线处于3.5～4.2微米之间。这两种 器件目前均可实现数兆瓦的输出。
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3 电子跃迁化学激光器
利用化学反应释放的能量将激射介质泵到电子激发态， 并达到粒子数反转，然后受激发射产生激光。电子激发态 能量受到化学键能的限制，只有3～4电子伏。如果电子激 发态能量超过4电子伏，就必须借助于低能阶电子激发态 粒子与其他激发态粒子间的多次碰撞传能才可能达到高能 阶电子激发态,电子跃迁化学激光器的典型例子是氧- 碘 传能激光器。
化学激光器
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1 原理
目录
2 工作方式
3 运转类型
4 器件分类
5 应用
注：文本框可根据需求改变颜色、移动位置；文字可编辑
1 原理
化学激光器是另一类特殊的 气体激光器，即是一类利用化 学反应释放的能量来实现工作 粒子数布居反转（简称粒子数 反转）的激光器。化学反应产 生的原子或分子往往处于激发 态，在特殊情况下，可能会有 足够数量的原子或分子被激发 到某个特定的能级，形成粒子 数反转，以致出现受激发射而 引起光放大作用。。