激光原理与技术共43页文档
激光原理与技术
激光的特性：方向性好、单色好、相干性好、亮度高。
由于谐振腔对光振荡方向的限制，激光只有沿腔轴方向受激辐射才能振荡放大，所以激光具有很高的方向性。
半导体激光器的方向性最差。
衍射极限θm≈1.22λD(λ为波长，D为光束直径)；激光是由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，所以单色性极好。
单模稳频气体激光器的单色性最好，半导体激光器的单色性最差；激光是通过受激辐射过程形成的，其中每个光子的运动状态（频率、相位、偏振态、传播方向）都相同，因而是最好的相干光源。
激光是一种相干光这是激光与普通光源最重要的区别；激光的高方向性、单色性等特点，决定了它具有极高的单色定向亮度。
相干性包括时间相干和空间相干，有时用相干长度L C=C∆V 来表示相干时间。
自发辐射：处于高能级E2的原子自发地向低能级跃迁，并发射出一个能量为hv=E2−E1的光子，这个过程称为自发跃迁。
自发辐射跃迁概率（自发跃迁爱因斯坦系数）A21=（dn21dt ）sp1n2=−1n2dn2dt（n2为E2能级总粒子数密度；dn21为dt时间内自发辐射跃迁粒子数密度）；受激辐射：在频率为v=(E2−E1)/h的光照激励下，或在能量为hv=E2−E1的光子诱发下，处于高能级E2上的原子可能跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与诱发光子的状态完全相同的光子，这个过程称为受激辐射跃迁W21=（dn21dt ）st1n2=−1n2dn2dt。
受激辐射跃迁与自发辐射跃迁的区别在于，它是在辐射场（光场）的激励下产生的，因此，其月前概率不仅与原子本身的性质有关，还与外来光场的单色能量密度ρv成正比，W21=B21ρv，B21称为爱因斯坦系数；受激吸收：处于低能级E1的原子，在频率为v的光场作用（照射）下，吸收一个能量为h v21的光子后跃迁到高能级E2的过程称为受激吸收跃迁，受激吸收恰好是受激辐射的反过程。
受激吸收跃迁概率W12=（dn12dt ）st1n1=1n1dn2dt，与上个概念类似，W12=B12ρv，B12称为爱因斯坦系数。
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
激光原理与激光技术完整演示文稿
第5页，共48页。
对参考标准频率的要求： （１）谱线中心频率的稳定性和复现性要好。 （２）线宽要窄。 （３）有足够的信噪比。 （４）谱线频率与受控激光器频率要匹配。
兰姆凹陷稳频利用激光本身的原子跃迁中心频率作为参考点，而原子跃 迁的中心频率易受放电条件等影响而发生变化，所以频率稳定性和复现性受 到局限。
饱和吸收稳频：采用外界参考频率标准进行稳频，如在谐振腔中放入一 个低气压的原子（分子）吸收管，气压很低，碰撞加宽很小，吸收线中心频率 的压力位移也很小，吸收管无放电作用，故谱线中心频率比较稳定，谱线宽度 较窄，所以在吸收线中心处形成一个位置稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为频 率的参考点，频率稳定性和复现性得到很大提高。
激光原理与激光技术完整演示 文稿
第1页，共48页。
激光原理与激光技术完整
第2页，共48页。
二、影响激光频率稳定的因素
激光振荡频率决定于原子跃迁中心频率 m 谐振频率 c ，谐
，谱线宽度 m ，谐振腔
通常情况下有： m c ，上式可简化为：
第11页，共48页。
基本思想：将传播方向相反而路径基本重合的两束泵浦光（或饱和光）与 探测光、穿过气体样品，当激光频率扫描到原子或分子的超精细能级的共振频 率时，根据多普勒效应，只有在探测光路径上速度分量为零的那部分原子或分 子由于其多普勒频移为零，才能同时与泵浦光和探测光发生共振相互作用，由 于较强的泵浦光使这部分原子在基态的数目减少，所以对探测光的吸收减少， 因而谱线呈吸收减弱的尖峰即超精细跃迁峰。
若激光器１相对于激光器２的稳定性很高，可以认为 1 0 （参考
激光原理与技术完整ppt课件
够存在于腔内的驻波(以某一波矢k为标志)称为电磁被的模式或光波模。一种模式是电
磁波运动的一种类型，不同模式以不同的k区分。同时，考虑到电磁波的两种独立的偏振，
同一波矢k对应着两个具有不同偏振方向的模。
精选ppt
9
下面求解空腔v内的模式数目。设空腔为V=ΔxΔyΔz的立方体，则沿三个
坐标轴方向传播的波分别应满足的驻波条件为
第八章 激光器特性的控制和改善
8.1 模式选择 8.2 频率稳定 8.3 Q调制 8.4 注入锁定 8.5 锁模
精选ppt
5
第九章 激光器件
9.1 固体激光器 9.2 气体激光器 9.3 半导体激光器 9.4 染料激光器
精选ppt
6
第一章 激光的基本原理
本章概激光器基本原理。讨论的重点是光的相干性和光波模式的联系、光的受激辐
（1.1.4）
式中E0为光波电场的振幅矢量，ν为单色平面波的频率，r为空间位置坐标矢量，k为波
矢。而麦克斯韦方程的通解可表为一系列单色平面波的线性叠加。
在自由空间，具有任意波矢k的单色平面波都可以存在。但在一个有边界条件限制的
空间V(例如谐振腔)内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波。这种能
第六章 激光器的放大特性
6.1 激光放大器的分类 6.2 均匀激励连续激光放大器的增益特性 6.3 纵向光均匀激励连续激光放大器
的增益特性 6.4 脉冲激光放大器的增益特性 6.5 放大的自发辐射（ASE） 6.6 光放大的噪声
精选ppt
4
第七章 激光振荡的半经典理论
7.1 激光振荡的自洽方程组 7.2 原子系统的电偶级距 7.3 密度距阵
二、光波模式和光子状态相格 从上面的叙述已经可以看出，按照量子电动力学概念，光波的模式和光子的状态是等
激光原理与技术 第一章 激光技术
证明：一个电磁波模式，在相空间占一个光子态 考虑到一个光波模是由两列相向传播的行波组成的驻波，
所以它的动量和波矢的关系应为
Px 2kx，Py 2k y，Pz 2kz
则4立体角内模式数为
4
d
4 2
传播方向一定，频率不同，在～＋范围内可能存在 的模式数。
由波列长度 l 决定不 可分辨的光谱宽度
1 c
t l
两个光波的频率差大 于时才能分辨出来
因此～＋范围应给
存在的模式数为l/c，
当波列为单位长度，则
模式数约为/c。
t l / c
l c
令l＝1有
要有合适的能级结构，如三能级
激励
或四能级结构
E3
抽运
E2
E1
从外界输入能量（Pump）： 泵浦，抽运，激励，光泵。
光激励； 热激励；
电激励； 化学激励
E4
E3
激励 抽运
E2
E1
光学谐振腔
引入正反馈： 产生受激辐射光放大
构成： 两个放置在工作物质两边的反射镜 组成，一个是全反射镜，一个是部 分反射镜。
p
8
C3
2
Vd，正比于
V
2
可以定性判断增益线宽 内的激光模式数
光子的状态——相格
粒子性 h
x
h
m
c
2
c2
P K
经典粒子：
(x, y, z); (Px, Py, Pz)
一维运动测不准关系： (x; Px) xPx h
px
第一章 激光原理及技术
激光器的结构形式
常见的氦－氖气体激光器，根据激 光管的形式分类主要有三种结构形式： 内腔式：热稳定性差 外腔式：调整困难 半腔式：好调整，使用方便灵活。
20
激光器的分类
根据激光器的增益介质进行分类： 固体激光器 气体激光器 半导体激光器 液体染料激光器 化学激光器 光纤激光器 自由电子激光器 其它新型激光器
26
我院太赫兹实验室的780nm 100 fs 光纤激光器
激光器 电源
27
太赫兹实验室的光纤激光器 技术指标
28
The end!
29
1.3 激光的基本物理性质
30
1.3 激光的基本物理性质
（一）激光光束的基本特性
方向性好 高亮度 单色性好 相干性好
（二）激光光束的模式特性
31
32
1.激光的方向性好
半导体激光器的光束特性： 水平方向和竖直方向发散角不一致，存在像散，光束质 量最差。
33
2.激光的高亮度
亮度：光源在 单位面积 、单位时间、 单位立体 角 内辐射的能量。
E B S ..t
一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮 度高8个数量级(几千万倍） 强激光甚至可产生上亿度的高温。 地球上任何一种已知材料，无论其熔点多高，在强 激光照射下1秒钟之内即可开始气化；任何一种金属 或钻石，不管其硬度多大，激光均可轻而易举地对 它打孔。 34
E2
h
发光前
发光后
E1
h E2 E1
h h
当外来光子的频率满足 h E 2 E1时，使原子中处于高 能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。 受激辐射跃迁几率：
2024版激光原理与技术PPT(很全面)
•激光基本原理•激光器类型及技术•激光束特性及控制技术目录•激光与物质相互作用•激光测量与检测技术•激光通信与信息处理技术•激光安全与防护技术光的自发辐射与受激辐射自发辐射原子或分子在没有外界作用下，由于自身能级的不稳定性而自发地从高能级向低能级跃迁，同时发射出一个光子的过程。
受激辐射原子或分子在外界光子的作用下，从高能级向低能级跃迁，同时发射出一个与入射光子完全相同的光子的过程。
区别与联系自发辐射是随机的，而受激辐射是确定的；自发辐射产生的光是非相干的，而受激辐射产生的光是相干的。
光放大当外来光信号通过激光工作物质时，受激辐射产生的光子与入射光子具有相同的频率、相位、传播方向和偏振状态，从而实现光信号的放大。
粒子数反转在激光工作物质中，高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数，形成粒子数反转分布。
实现方法通过泵浦源提供能量，使激光工作物质中的粒子被激发到高能级，形成粒子数反转分布。
粒子数反转与光放大产生条件特性应用领域030201激光的产生与特性晶体激光器玻璃激光器光纤激光器He-Ne 激光器CO2激光器以氦气和氖气作为工作气体，产生红色可见光激光，常用于精密测量和准直。
Ar+激光器染料激光器液体激光核聚变半导体激光器边发射半导体激光器面发射半导体激光器采用垂直腔面发射结构，具有低阈值电流、圆形光束和易于集成等特点，适用于光通信和光互连等领域。
激光束的传输与聚焦激光束的传输特性01激光束的聚焦原理02激光束的聚焦技术03介绍评价激光束质量的常用参数，如光束直径、发散角、光强分布等。
激光束质量评价参数阐述实验测量和数值模拟等方法在激光束质量评价中的应用。
激光束质量评价方法分析激光束质量对激光加工、光通信、激光雷达等应用的影响。
激光束质量对应用的影响激光束的质量评价激光束的控制与整形激光束控制技术激光束整形技术激光束控制与整形的应用激光与物质相互作用的基本过程激光束在物质中的传播激光与物质相互作用的机理激光与物质相互作用的特点1 2 3激光加工的基本原理激光加工的应用领域激光加工的优势激光加工原理及应用利用激光的高能量密度和生物效应，对生物组织进行照射，以达到治疗疾病的目的。
激光原理与技术PPT课件
激光手术
阐述激光手术在眼科、神 经外科等领域的应用及优 势，如精度高、创伤小等 。
05
CATALOGUE
激光测量与检测技术
激光干涉测量技术
1 2
干涉测量原理
利用激光的相干性，通过干涉条纹的变化来测量 长度、角度等物理量。
干涉测量系统组成
包括激光器、分束器、反射镜、探测器等部分。
3
干涉测量技术应用
时间特性
激光束的时间特性包括脉冲宽度、重复频率和稳定性等。其中，脉冲宽度决定 了激光的峰值功率和能量，重复频率则影响了激光的平均功率。稳定性则是确 保激光束在长时间内保持一致性的关键因素。
激光束的调制与偏转技术
调制技术
通过对激光束进行幅度、频率或相位等调制，可以实现信息 的加载和传输。常见的调制方式包括振幅调制、频率调制和 相位调制等。这些调制技术使得激光束能够携带更多的信息 ，并在通信、传感等领域得到广泛应用。
对皮肤的危害
长时间或高强度激光照射皮肤， 可能导致皮肤烧伤、色素沉着、 皮肤癌等严重后果。
激光安全标准与防护措施
激光安全标准
国际电工委员会（IEC）和美国激光产品安全标准（ANSI）等制定了激光产品的 安全标准，包括激光等级分类、安全警示标识、使用说明等。
防护措施
使用激光产品时，应佩戴合适的防护眼镜或面罩，避免直接照射眼睛或皮肤；同 时，应在激光工作区域内设置明显的安全警示标识，提醒他人注意安全。
偏转技术
激光束的偏转技术主要是通过改变激光束的传播方向来实现 。常见的偏转方式包括机械偏转、电光偏转和声光偏转等。 这些偏转技术使得激光束能够灵活地指向目标，并在激光雷 达、光学扫描等领域发挥重要作用。
激光束的聚焦与整形技术
2024年激光原理与技术课件课件
激光原理与技术课件课件激光原理与技术课件一、引言激光作为一种独特的人造光，自20世纪60年代问世以来，已经在众多领域取得了举世瞩目的成果。
激光原理与技术已经成为现代科学技术的重要组成部分，并在光学、通信、医疗、工业加工等领域发挥着重要作用。
本课件旨在阐述激光的基本原理、特性以及应用技术，使读者对激光有更深入的了解。
二、激光的基本原理1.光的粒子性与波动性光既具有粒子性，也具有波动性。
在量子力学中，光被视为由一系列光子组成的粒子流，光子的能量与频率成正比。
而在波动光学中，光被视为一种电磁波，具有频率、波长、振幅等波动特性。
2.光的受激辐射受激辐射是指处于激发态的原子或分子在受到外来光子作用后，返回基态并释放出一个与外来光子具有相同频率、相位、传播方向和偏振状态的光子。
这个过程是激光产生的核心原理。
3.光的放大与谐振在激光器中，通过光学增益介质实现光的放大。
当光在增益介质中往返传播时，不断与激发态原子或分子发生受激辐射，使光子数不断增加。
同时，通过谐振腔的选择性反馈，使特定频率的光得到进一步放大，最终形成激光。
三、激光的特性1.单色性激光具有极高的单色性，即频率单一。
这是由于激光器中的谐振腔对光的频率具有高度选择性，只有满足特定频率的光才能在谐振腔内稳定传播。
2.相干性激光具有高度的相干性，即光波的相位关系保持稳定。
相干光在传播过程中能形成稳定的干涉图样，广泛应用于光学检测、全息成像等领域。
3.方向性激光具有极高的方向性，即光束的发散角很小。
这是由于激光器中的谐振腔对光的传播方向具有高度选择性，只有沿特定方向传播的光才能在谐振腔内稳定传播。
4.高亮度激光具有高亮度，即单位面积上的光功率较高。
这是由于激光的单色性、相干性和方向性使其在空间上高度集中，从而具有较高的亮度。
四、激光的应用技术1.光通信激光在光通信领域具有广泛应用，如光纤通信、自由空间光通信等。
激光的高单色性、相干性和方向性使其在传输过程中具有较低的信号衰减和干扰，从而实现高速、长距离的数据传输。
激光原理与技术
第3章：激光纵模：每一个q值对应有正反两列沿相反方向传播的同频率光波两列光波的结果，将在腔内形成驻波。
谐振腔形成的每一列驻波称为一个纵模。
激光谐振腔的谐振频率主要决定于纵模序数Vmnq=qc/2μL.腔内两个相邻纵模频率之差为纵模的频率间隔：△Vq=Vq+1-Vq=c/2μL.激光纵模：激光的模式也常采用微波中标志模式的符号来标记，极为TEMmnq，其中TEMoo是基横模。
激光横模：在激光谐振腔存在的稳定的横向分布，就是自再现模，通常称为横模。
m、n的值正好分别等于光强在x，y方向上的节线（光强为0的线）数目，而且由Fm （X）和Fn（Y）函数的机制分布看出，m、内的值越大，光场也越向外扩展。
基横模行波输出在与光束前进方向的垂直平面上的强度呈高斯型分布，通常称为高斯光束。
高斯光束与普通光束有很大区别，它的传播方向性好很好，同时也会不断的发散，其发散的规律不同于球面波，在传播过程中她的波面曲率一直在变化，但是永远不会变成0，除光束中心外，高斯光束并不沿直线传播。
高斯光束的强度分布：在z处基膜的有效截面半径w （z）=根号下λL[1+(2z/L) ²]/2π。
在共焦腔中心（z=0）的截面内光斑有极小值束腰半径：Wo=Ws/根号2=根号下λL/π除以根号2；在共焦腔的焦平面上，束腰半径Wo最小。
该处称为高斯光束的“光腰”或“束腰”。
基膜光斑尺寸：Ws=根号下Xs ²+Ys²=根号下λL/π。
高斯光束共焦场的相位分布由相位函数φ（x，y，z）描述，φ（x，y，z）随坐标而变化，与腔的轴线相交于Zo的等相位面的方程为：φ（x，y，z）=φ（0，0，Zo），则偏离实际广州的程度Z-Zo=（根号下Ro²-（x²+y²））-Ro。
当zo>0时，Z-Zo<0；当Zo<0时，Z-Zo>0.这就表示，共焦场的等相位面都是凹面向着腔的中心（z=0）的球面。