激光的原理及激光器分类
激光等级分类标准
激光等级分类标准激光器是一种利用受激辐射原理产生的高强度、高一致性光束的装置。
根据国际标准，激光器被分为几个等级，不同等级的激光器具有不同的危险性和使用范围。
本文将介绍激光等级分类标准，帮助大家更好地了解激光器的安全使用和管理。
一、激光等级分类。
1. 类别I，这是最安全的激光器等级，不会对人眼造成任何伤害。
即使在长时间直接观察下也不会造成损伤。
这种激光器通常是低能量、低功率的，比如指示激光笔等。
2. 类别II，这类激光器也是低功率的，但如果直接照射到眼睛上，可能会造成眼睛不适和短暂的视觉干扰。
但是，这种激光器一般不会造成永久性损伤。
3. 类别IIIa，这类激光器的功率较高，可能会对眼睛造成短暂的损伤，但只有在长时间暴露下才会产生永久性的伤害。
这类激光器通常用于教学和商业展示。
4. 类别IIIb，这种激光器具有较高的功率，即使短时间内也可能对眼睛造成永久性损伤。
因此，在使用时需要特别小心，避免直接照射到人眼。
5. 类别IV，这是最危险的激光器等级，具有极高的功率，即使短时间内也可能导致严重的眼睛损伤甚至失明。
此外，类别IV激光器还可能对皮肤造成灼伤，甚至引发火灾。
二、激光器的安全使用。
1. 对于类别I和II的激光器，一般来说不会对人眼造成伤害，但也要避免直接照射到眼睛上，以免引起不适。
2. 对于类别IIIa和IIIb的激光器，使用时要注意避免直接照射到眼睛，并且尽量减少暴露时间，以免造成眼睛损伤。
3. 对于类别IV的激光器，使用时必须佩戴特制的激光护目镜，严禁直接照射到人眼，以免造成严重的眼睛损伤。
4. 在使用激光器时，要注意避免将光束照射到反射表面上，以免产生危险的散射光。
5. 激光器的使用和管理必须遵守国家和地方的相关法律法规，严格控制激光器的购买和使用。
三、激光器的管理和维护。
1. 激光器的管理人员必须接受专业的培训，了解激光器的危险性和安全操作规程。
2. 定期对激光器进行检查和维护，确保其工作状态良好，避免因激光器本身故障导致的安全事故。
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
激光器的工作原理
激光器的工作原理激光器是一种能够产生高度聚焦、高单色、高亮度、高相干性的光束的装置。
其工作原理主要是通过激发介质内的原子或分子，使它们处于激发态，然后通过受激辐射的过程放出原子或分子的能量，产生的辐射与原始的激发光具有相同的频率、相位和方向，从而形成激光束。
首先，利用能量输入把介质中的原子或分子从基态激发到高能级。
这个阶段可以通过光电子元件、电热元件等针对不同类型激光器的方法来实现。
如氦氖激光器通过电流激发气体氦和氖之间的气体分子产生放射以产生激光；半导体激光器通过电流激励将其结构中的半导体材料电子激发到激发态；固体激光器通过外加高能脉冲激光器当作激发源，把放大介质中的能级加热到高能态；气体激光器则是把电源的高压放电激发电离气体。
其次，在激发的过程中，激光会在介质中进行多次的受激辐射与自发辐射。
产生激射的方法有三种，即自由辐射、自放散和自准直。
自由辐射是指在介质中的自发辐射产生的光子以无控制的方式传播。
自放散是指光束反射和演散的能量被散射并重新分布在介质中。
自准直是指辅助装置使辐射沿着预定轴线传播。
而在受激辐射的过程中，激发态的原子或分子吸收一个入射光子能量，之后经过一段时间后跳跃到稳态能级释放出两个光子，这两个光子的频率相同、相位相同、波矢相同，因此具有高度聚焦性。
再次，利用一个反射镜维持激光光束的放大。
激光在介质内会进行多次的受激辐射，从而产生了足够的光子数目。
然后，被反射镜内的光子将被扩散，经过多次的反射，使得光子的数目不断增加，最终形成了聚焦的光束。
最后，光束通过另一个反射镜射出，形成了激光束。
这个反射镜只允许波长等于或接近激发波长的光通过，从而排除了其它频率的光。
这使得激光束有着很高的单色性。
总结起来，激光器的工作原理是通过激发介质内的原子或分子，使它们处于激发态，然后通过受激辐射的过程放出原子或分子的能量，产生的辐射与原始的激发光具有相同的频率、相位和方向，最终形成激光束。
这个过程包括激发、放大、镜面反射和放出四个主要的步骤，每个步骤都是实现高质量激光的关键。
激光器产生激光的三个基本结构
激光器产生激光的三个基本结构一、引言激光器是一种能够产生单色、高亮度、几乎无散射的光束的装置，广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
激光器的基本结构有三种，分别是气体激光器、固体激光器和半导体激光器。
本文将详细介绍这三种激光器的基本结构及其工作原理。
二、气体激光器1. 气体激光器的基本结构气体激光器由放电管和反射镜组成。
放电管是一个密闭的玻璃管，内部填有稀薄气体（如氦氖气），两端分别安装有高压电极和低压电极。
反射镜则是由两个平面镜或球面镜组成，其中一个反射镜具有一定透过率。
2. 气体激光器的工作原理当高压电极加上高电压时，放电管内的气体被电离，形成等离子体。
等离子体中的自由电子通过碰撞使得氦原子发生受激辐射，产生激光。
激光在反射镜间来回反射，形成一个稳定的激光束。
3. 气体激光器的应用气体激光器广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
其中，二氧化碳激光器被广泛应用于工业加工领域，如切割、焊接和打孔等。
三、固体激光器1. 固体激光器的基本结构固体激光器由放电管和固态材料组成。
固态材料通常是掺有特定元素（如钕）的晶体或玻璃材料。
放电管则是一个密闭的腔体，内部填有闪烁物质（如氙气），两端分别安装有高压电极和低压电极。
2. 固体激光器的工作原理当高压电极加上高电压时，放电管内的闪烁物质被电离，形成等离子体。
等离子体中的自由电子通过碰撞使得掺杂元素发生受激辐射，产生激光。
激光在固态材料中来回反射，形成一个稳定的激光束。
3. 固体激光器的应用固体激光器广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
其中，钕掺杂的固态激光器被广泛应用于医疗领域，如眼科手术和皮肤美容等。
四、半导体激光器1. 半导体激光器的基本结构半导体激光器由PN结和反射镜组成。
PN结是由P型半导体和N型半导体组合而成的结构，反射镜则是由两个端面反射镜组成。
2. 半导体激光器的工作原理当PN结加上正向电压时，电子从N型区域流向P型区域，与空穴复合产生辐射能量，产生激光。
《激光器的工作原理》课件
具体应用举例 激光切割、激光焊接、激光打标等 激光制导、激光测距、激光干扰等 激光手术、激光治疗、激光诊断等 量子光学、激光制备材料、光学信息处理等
激光器的发展趋势
1 新型激发剂的出现
新型激发剂的研究成果使得激活介质可以更 高效率地吸收能量，也扩大了激光器的工作 范围。
激光器的能级图
当一个原子或分子被能量激发后，其原本处于低能
激光器的工作过程
在谐振腔内，同种介质的两个反射镜夹持住闪烁的
激发剂
常见的激发剂种类
常见的激发剂有日光灯，放电管，半导体激光器等。
激发剂的选择与影响
不同的激发剂对激光器的性能有很大的影响，包括 输出功率、波长、光束质量以及寿命等。
激光器的分类
总结
激光器的意义和发展前景
激光技术已经在各个领域发挥着重要的作用，也将会为人类的生产和生活带来更多的改变。
学习和掌握激光器的重要性
深入了解激光器的工作原理和性能参数对于应用激光器进行工程设计和科研具有非常重要的 作用。
2 激光器的小型化
激光器可以通过技术手段实现小型化，在便 携性上有了明显的进步，使其在更多场合得 以应用。
3 激光器的高功率化
大功率激光器被广泛应用于工业制造、材料 加工、医疗治疗等领域，提高了激光器材料 加工的效率和加工质量。
4 激光器的多波长化
多波长激光器可以同时输出多种波长的激光， 扩大了激光器的应用领域。
激光器的工作原理
激光器已经成为现代科学和技术的重要组成部分，有着广泛的应用领域。本 课件将详细介绍激光器的工作原理及其应用，以及发展趋势。让我们一起来 深入了解吧！
概述
什么是激光器？
激光的分类及应用
激光的分类及应用激光是一种特殊的光源，具有高度的单色性、方向性和相干性。
根据其不同的特性和应用领域，激光可以被分为多个分类。
本文将介绍激光的分类及其在各个领域中的应用。
一、激光的分类1. 按激光器工作介质分类：- 气体激光器：利用气体放电产生激光，如二氧化碳激光器、氩离子激光器等。
- 固体激光器：利用固体材料产生激光，如Nd:YAG激光器、激光二极管等。
- 半导体激光器：利用半导体材料产生激光，如激光二极管、垂直腔面发射激光器（VCSEL）等。
2. 按激光器工作方式分类：- 连续激光器：输出连续的激光束，适用于需要持续照射的应用，如激光切割、激光打标等。
- 脉冲激光器：输出脉冲形式的激光束，脉冲宽度通常在纳秒至皮秒级别，适用于高精度测量、激光医疗等领域。
3. 按激光波长分类：- 可见光激光器：波长在400-700纳米范围内，适用于显示技术、激光显示器等。
- 红外激光器：波长在700纳米以上，适用于通信、遥感、红外热成像等领域。
- 紫外激光器：波长在400纳米以下，适用于光刻、荧光光谱分析等领域。
二、激光的应用1. 工业应用：- 激光切割：利用高能激光束对材料进行切割，广泛应用于金属加工、纺织品切割等领域。
- 激光焊接：通过激光束的热作用将材料焊接在一起，具有高精度和高效率，适用于汽车制造、电子组装等行业。
- 激光打标：利用激光束对物体表面进行刻印或标记，应用于产品标识、防伪标记等领域。
2. 医疗应用：- 激光手术：利用激光束对组织进行切割、烧灼或凝固，广泛应用于眼科手术、皮肤整形等。
- 激光治疗：利用激光的生物刺激效应促进组织修复和再生，适用于疤痕修复、疼痛治疗等。
3. 通信应用：- 光纤通信：利用激光器将信息转换为光信号进行传输，具有高速、大容量的优势，是现代通信的重要技术。
- 激光雷达：利用激光束进行距离测量和目标探测，广泛应用于无人驾驶、环境监测等领域。
4. 科学研究：- 光谱分析：利用激光的单色性和相干性进行物质的光谱分析，广泛应用于化学、生物学等领域。
激光器及其原理简介
♦ Ne原子可以产生多条激光谱线, 图中标明了最强的三条:
0．6328μｍ 1．15 μm 3．39 μｍ
它们都是从亚稳态到非亚稳态、 非基态 之间发生的，因此较易实现粒子数反转。
§4 增益系数
激光器内受激辐射光 来回传播时，并存着
增益 损耗
增益——光的放大；
损耗——光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。
§6 激光的特性及其应用
★方向性极好的强光束 --------准直、测距、切削、武器等。
★相干性极好的光束 --------精密测厚、测角，全息摄影等。
例１．激光光纤通讯
由于光波的频率 比电波的频率高 好几个数量级，
一根极细的光纤 能承载的信息量， 相当于图片中这 麽粗的电缆所能 承载的信息量。
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
N2
− E2 − E1
= e kT
<1
N1
数量级估计：
T ～103 K；
kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
E 2-E 1～1eV;
N2
− E2 − E1
= e kT
−1
= e 0.086
≈ 10−5
<< 1
N1
但要产生激光必须使原子激发;且 N2 > N1, 称粒子数反转(population粒子数反转 一. 为何要粒子数反转 (population inversion)
从E2 E1 自发辐射的光，可能引起 受激辐射过程，也可能引起吸收过程。
⎜⎛ ⎝
dN 21 dt
⎟⎞ ⎠受激
=
B21ρ (ν
,T
)N 2
激光器及其原理简介讲解
第一台（红宝石）激光器第一台
激光器
MAIMEN红宝石晶体
激光器
结构
普通光源-----自发辐射
激光光源-----受激辐射
激光又名镭射(Laser，它的全名是“辐射的受激发射光放大”。
(L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation
2．原子间碰撞激发
3．光激发(光泵
二．粒子数反转举例
例. He一Ne
气体激光器的粒子数反转He -Ne激光器中He是辅助物质，Ne是激活物质，He与Ne之比为5∶1 ∼10∶1。
（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，
还要设法减少下能级的粒子数）
♦正好Ne的5S，4S是亚稳态，下能级4P，
3P的寿命比上能级5S，4S要短得多，这样就可以形成粒子数的反转。
3.1激光原理
一.特点：
方向性极好（发散角～10 -4弧度）
脉冲瞬时功率大（可达～10 14瓦）
♦空间相干性好，有的激光波面上
各个点都是相干光源。
♦时间相干性好（Δλ～10-8埃），
相干长度可达几十公里。
相干性极好
亮度极高
按工作方式分
连续式（功率可达104W）
脉冲式（瞬时功率可达1014 W）
三.波长：极紫外──可见光──亚毫米
0．6328μｍ
1．15 μm
3．39 μｍ
它们都是从亚稳态到非亚稳态、非基态之间发生的，因此较易实现粒子数反转。
§4增益系数
激光器内受激辐射光
来回传播时，并存着增益——光的放大；
损耗——光的吸收、散射、衍射、透射
（包括一端的部分反射镜处必要的激光输出）等。
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激光器的原理及分类
一、基础原理
量子理论认为，所有物质都是由各种微观”粒子”组成,如分子,原子,质子,
中子,电子等。在微观世界里,各种粒子都有其固有的能级结构。当一个粒子从高
能级掉到低能级时，根据能量守恒定律，它要把两个能级相差部分的能量释放出
来，通常这个能量以光和热两种形式释放出来。
二、自发辐射、受激辐射
1、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。但
是处在高能级（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=E2-E1。过程各自独立、互补关联，所有辐射的光在发射方向上是无规律的射
向四面八方，并且频率不同、偏振状态和相位不同。
2、受激辐射
在原子中也存在这样一些特定高能级，一旦电子被激发到这个高能级之上，
却由于不满足跃迁的条件，发生跃迁的几率很低，电子能够在高能级上的时间很
长，就所谓的亚稳定状态。但在能在外界光场的照射下发生往下跃迁，并且向下
跃迁时释放出一个与射入光场相同的光子，在同一个方向、有同一个波长。这就
是受激辐射，激光正是利用这一原理激发出来。
二、粒子数反转
通过受激辐射出来的光子，不仅可以引起其他粒子受激辐射，也可以引起受
激吸收。只有在处于高能级的原子数量大于处于低能级原子数时，所产生的受激
辐射才能大于受激吸收。但是在自然条件下，原子都是都处于稳定的基态，只能
通过技术手段将大量的原子都调整到高能级的状态，才能有多余的辐射向外产
生。这个技术叫粒子数反转。
三、光放大过程
通过粒子数反转后，其中一个粒子首先在外界光场的照射刺激下，对外发出
了一个光子，这个光子又刺激其他粒子再次对外发射光子，并且方向相同，波长
相同。但是这样放大的光还不够强。科学家设计了一个光学偕振腔（两片反射玻
璃，一片100%反射、一片接近100%反射），通过反复反射，将光强度进一步扩
大。
四、激光器构成
1、工作介质。可以是气体、液体、固体、或者半导体。在这些介质中存在亚稳
定状态，可以实现粒子数反转，以获得制造激光的必要条件。
2、激励源。用于去激励原子体系，使处于上能级的粒子数量增加。有电激励、
光激励、热激励。俗称泵浦源。
3、谐振腔。用于放大光辐射，并调节激光波长。
五、激光的特点
1、方向直。激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角度，照射方向上
的照度比普通光提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好的特点。
2、亮度高。一台大功率激光器输出的亮度只有氢弹爆炸瞬间的闪光才能与之相
比。由于亮度高度集中，容易在某一微小电出产生高压和几万摄氏度甚至几百万
摄氏度高温。激光打孔、激光焊接、激光切割、激光外科手术都利用这一特点。
3、单色性好。光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长，普通光源发出的光
通常包含各种波长，激光的波长只集中在十分狭窄的光谱范围。为精密度仪器测
量和激励某些化学反应等科学实验提供极为有利的手段。
4、相干性好。用于全息投影技术
六、主要技术参数
1、激光输出功率
2、电光转化率
3、激光波长
4、激光发散角度
激光发散角度觉得了多大的能量被传到给定的目标。如果激光出口光斑太大，
那么高速小镜片的振晶就不能反射全部的激光束，造成激光功率受损。
5、散热温控方式
散热问题直接关系到激光器使用寿命，甚至引起激光器的光学灾变，烧毁激
光器设备。一般散热方式有：风冷+陶瓷片、TEC双向热能交换散热风扇、水冷
循环机散热。
6、光束模式
七、激光器分类
1、气体激光器
利用气体或蒸汽作为工作物质产生激光，激励方式以电激励为主，也有光激
励、气动激励或化学激励。工作物质主要利用二氧化碳以及各种稀有气体。最为
常见的是二氧化碳激光器。
二氧化碳激光器：波长为9~12um（典型波长10.6um），光电转化率在10-30%
左右，但设备体积大，功率范围大（几瓦之几万瓦），既能连续又能脉冲等多优
点成为气体激光器中用途最广泛的一种激光器，主要用于材料加工，科学研究，
检测国防等方面。
但二氧化碳的波长不易被金属吸收，功率浪费较大，并且无法采用光纤耦合。
体积庞大，不适于现场修复和与各种熔覆工装配合使用。更换易损配件频率高且价格昂贵。
特别是二氧化碳激光热影响区高，被熔覆配件受热变形率高，需要在熔覆过程中、熔覆后对
熔覆配件进行复杂的保温处理。
2、固体（晶体）激光器
是脉冲输出方式，熔覆时被熔覆基体热影响极低，可以修复薄壁件、小件、高精度极易
变形配件。
可分为：Nd-YAG晶体、Ce-Nd-YAG晶体、Yb-YAG晶体、Ho-YAG晶体、
Er-YAG晶体。
主流产品Nd-YAG（钇铝石榴石晶体）激光器：波长1064nm，光电转化率接
近3%，冷却方式为水冷，维护费用较高。连续激光器的最大输出功率1000W，广
泛用于军事、工业和医疗等行业。
3、半导体激光器
激励方式为电注入式，光泵式和高能电子束激励式。目前市面上的商用输出功率
在2000W-6000W之间，设备体积小，采用水冷、电光转化率可达45%。输出激光波长808nm，
976nm,1064nm等，应用范围包括激光熔覆、激光切割和激光焊接，目前最为主流的是光纤
耦合半导体激光器。
光纤耦合半导体激光器，优势在于：一、激光光束经光纤传导输出，能完成小光斑聚
焦输出，进而完成薄壁件，小件，高精度易变形配件的熔覆；二，半导体激光光束经光纤传
到输出，光斑功率密度分布均匀，激光熔覆熔池无夹渣，喷溅低，熔覆层细腻，无气眼；三，
光纤输出半导体激光光纤传播距离长，光纤头体积小，重量轻易与各种熔覆工装、机械手配
合使用；四、半导体激光经光纤传导输出，解决了直接输出半导体激光熔池光辐射对激光器
造成损害的难题；五、光纤输出半导体激光体积小，重量轻，操作简单，免维护。但设备价
格昂贵。
LASERLINE、DILAS、美国相干、美国LASEROPERATIONSLLC公司。
4、光纤激光器
电光转化率：20%以上
冷却方式：低功率风冷
功率：商用设备功率可达6000W
输出激光波长多
光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种三维任意空间加工应用，使机械系统
的设计变得非常简单。胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度
具有很高的容忍度。
应用范围包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激
光雕刻激光打标、激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接、军事国防
安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等等。
主要生产商：IPG、罗芬、业纳、SPI、武汉锐科、深圳市创鑫、深圳联品、
武汉安扬、大族。