第1讲激光产生的基本原理
第一章 光波与光源 光的电磁理论 激光的原理、特性和应用 发概要
五、激光器的种类 种类分固体激光器、气体激光器、染料激光器。 固体激光器：以绝缘晶体或玻璃为工作物质。 少量的过渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃， 经光泵激励后产生受激辐射作用。主要有红宝石激 光器、钛宝石激光器、半导体激光器。 气体激光器：如He-Ne激光器、氩离子激光器、 CO2激光器、N2分子激光器等。 染料激光器：采用在适当的溶剂中溶入有机染 料作为激光器的工作物质。
3 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的 激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图 受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质 原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足 两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受 激辐射和受激吸收过程同时存在。当吸收过程占优 势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。
2、N2/ N1>1时，高能级E2上原子数大于低能级E1 上原子数，称粒子数反转分布，有dN21 > dN12，表 明光经介质传播的过程中受激辐射的光子数大于受 激吸收的光子数，宏观效果表现为光被放大，或称 光增益。能引起粒子数反转分布的介质称为激活介 质或增益介质。实现粒子数反转分布是产生激光的 必要条件。 设增益介质的增益系数为G，在此介质z处的光强 为I(z),经dz距离后光强改变dI，则dI=GIdz ，积分得 I ( z) I 0eGz I0为z=0处的光强
E2 E1 h
光发射的三种跃迁过程
1 自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低 能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图； 2 受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下， 处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时 发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图； 两种辐射过程特点的比较： 自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播 方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光； 受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向 均与外来的光波相同， 辐射的光波是相干光。
产生激光的三个必要条件(一)
产生激光的三个必要条件(一)产生激光的三个必要条件1. 反转比较机制激光的产生需要通过光粒子的反转比较机制。
这一过程是通过让光粒子在外部受到能量刺激后，能够达到一个能量上升的状态，然后通过外部强制刺激使其回到基态，产生出光的放射。
只有反转比较机制的存在，才能够让光粒子的能量得到有效的激发和释放。
•外部能量刺激：通过使用电弧、电流、光电等方式，给予光粒子能量的加持，使其能够达到一个较高的能量水平。
•强制回到基态：在光粒子达到较高能量后，需要通过外部的电场或其他手段使其回到基态，达到光的发射效果。
2. 光放大效应要产生激光，还需要光放大效应的支持。
光放大效应是通过将光粒子所在的介质进行充分激发，使其中的光粒子能够达到较高的激发数目，从而增加激光辐射的数量。
只有光放大效应的存在，才能够保证激光能够达到足够高的辐射强度。
•光放大介质：选择合适的材料作为光放大介质，这些材料需要具有特定的物理性质，以便光粒子能够在其中充分激发。
•激光光源：通过光源产生一束已经进行充分激发的光，将其输入到光放大介质中，以进一步增加激发数目。
3. 光反馈回路最后一个必要条件是光反馈回路的建立。
光反馈回路是一个闭合的系统，它可以将一部分激发了的光粒子反射回光放大介质中继续进行激发，并保证激发的光在介质中得到继续放大。
只有光反馈回路的存在，才能够让激光产生出更多的激发光粒子，从而形成一束高强度、高纯度的激光。
•反射镜：使用具有高反射率的反射镜将激发了的光反射回光放大介质，实现光的反馈。
•光损耗补偿：在光反馈的过程中，因为各种光损耗的存在，需要通过补偿手段来保持光强的稳定性，以保证激光的输出效果。
通过以上三个必要条件的共同作用，才能够产生高强度、高纯度的激光。
这三个条件在激光技术的应用中起到了重要的作用，不仅在科学研究领域有广泛的应用，也在医疗、通信、制造等众多行业发挥着重要的作用。
激光的产生背后隐藏着精密的技术和复杂的物理过程，对于推动科技的进步和社会的发展具有重要的意义。
激光原理及应用 ppt课件
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
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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
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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(1)
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
Laser Application——Laser manufacture
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹 机器人激光焊接技术
21
Laser Application——Laser radar
反射回来的不同光谱成分预测污 染物分布情况 激光测试大气污染
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
Nicolay G. Basov, Aleksandr M. Prokhorov 南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
30
Laser History 【激光器的发明】 1960年：梅曼制成世界上第一台红宝石激光器
增益介质：红宝石晶体 泵浦源：脉冲激光
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
31
Laser History 【中国第一台激光器】 1961年8月，中国科学院长春光学精密机械研究所， 王之江院士（中国激光之父）、邓锡铭、汤星里
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
激光治疗 外科手术
材料加工
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
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Laser History
第一台激光器 Laser 微波振荡器（ ） Theodore Maiman 受激辐射理论 Hard Maser Townes Albert Einstein Charles 光导纤维理论，成就光纤通信 纯石英光纤：没有杂质的玻璃 1000dB/km------20dB/km 美国康宁公司
激光用于：石质材料、文物的清洗、修复
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
7
Laser Application——Hologram Holograms 激光全息：利用激光的干涉和衍射原理记 录并再现物体真实的三维图像。 全息防伪：加密技术
《激光》 讲义
《激光》讲义一、什么是激光当我们谈到激光，或许大家的脑海中会浮现出科幻电影中那些炫酷的激光武器，或者是舞台上绚丽多彩的激光秀。
但激光到底是什么呢？激光，英文名是“Laser”，是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的缩写，意思是“通过受激辐射实现光放大”。
简单来说，激光是一种具有高度方向性、单色性和高强度的特殊光源。
与我们日常生活中常见的普通光源，比如灯泡发出的光不同，激光的光线几乎是平行的，这使得它能够在很远的距离内保持较小的光斑，而不会像普通光源那样迅速发散。
同时，激光的颜色非常纯，也就是单色性好，这意味着它只包含一种特定波长的光。
而且，激光的强度非常高，可以在很小的面积上集中巨大的能量。
二、激光的产生原理要理解激光的产生，我们需要先了解一些原子和光子的知识。
在原子内部，存在着不同的能级。
当原子吸收了一定的能量，电子就会从低能级跃迁到高能级。
而当电子从高能级回到低能级时，就会释放出一个光子。
在普通的光源中，原子的发光是自发的，各个原子发出的光在方向、频率和相位上都是随机的，这就导致了光的发散、多色和强度较低。
而在激光的产生过程中，有一种叫做“受激辐射”的现象起着关键作用。
当一个处于高能级的原子受到一个外来光子的激发时，它会以相同的频率、相位和方向释放出一个与外来光子完全相同的光子。
这样，两个光子就会一起向前传播，再激发更多的原子产生相同的光子，从而实现光的放大。
为了实现激光的持续产生，还需要一个光学谐振腔。
这个谐振腔由两个反射镜组成，一个是全反射镜，另一个是部分反射镜。
光在谐振腔内来回反射，不断激发更多的原子产生受激辐射，从而使光得到进一步的增强。
只有那些频率和方向满足谐振腔条件的光才能最终从部分反射镜射出，形成激光。
三、激光的特点1、方向性好激光的方向性几乎是完美的，这使得它能够传播很长的距离而不发生明显的发散。
激光原理绪论课件
03
CATALOGUE
激光产生的基本原理
激光器的基本结构与类型
气体激光器
固体激光器
以气体为增益介质的气体激光器，如二氧 化碳激光器、氦氖激光器等，具有结构简 单、运行稳定、成本低等优点。
以固体晶体或玻璃为增益介质的激光器， 如掺钕钒酸盐激光器、红宝石激光器等， 具有高功率、短脉冲等特性。
液体激光器
激光武器与安全防护
激光武器
利用高功率激光束对目标进 行打击和摧毁，具有打击精 度高、摧毁效果好等优点。
1
激光防御
利用激光束对来袭目标进行 拦截和摧毁，具有拦截精度
高、摧毁效果好等优点。
激光安全
利用激光束对重要区域进行 警戒和防护，具有防护效果 好、对人员无伤害等优点。
激光保密
利用激光束进行加密和解密 ，具有加密效果好、难以破 解等优点。
容、激光诊断等。
通信与信息
激光技术在通信和信息领域发 挥着重要作用，如光纤通信、
卫星通信、激光雷达等。
科学研究
激光技术是许多科学研究领域 的关键工具，如物理、化学、
生物学等。
02
CATALOGUE
激光基础知识
光的波粒二象性
光的波动性
光在传播过程中表现出波动性质，具有波长、频率、相位等波动 特征。
激光医学与生物技术
激光美容
利用激光束对皮肤进行照射，具有祛斑、祛 痘、美白等美容效果。
激光检测
利用激光束对生物组织进行检测和分析，具 有检测精度高、对组织无损伤等优点。
激光治疗
利用激光束对病变组织进行照射，具有疗效 好、副作用小等优点。
激光育种
利用激光束对生物组织进行照射，具有诱发 变异、提高育种效率等优点。
激光器的基本工作原理
激光器的基本工作原理激光器是一种能产生高度相干、单色、高亮度的激光光束的装置。
激光器的基本工作原理可以分为三个步骤：增益介质激发、光放大和反馈。
首先，激光器的工作需要一个具有特殊能级结构的增益介质。
一般来说，固体激光器常用的增益介质是晶体，液体激光器常用的增益介质是染料溶液，气体激光器常用的增益介质是稀有气体混合物。
这些增益介质中，原子或分子的电子由低能级跃迁到高能级时会吸收外界的能量，使得电子在高能级积累。
当有足够多的电子积累在高能级上时，就可以进入激光器的第二个步骤。
第二步骤是光放大。
增益介质中积累的高能级电子会自发地跃迁回低能级，放出能量。
如果将增益介质置于两个平行的反射镜之间，其中一个镜子是部分透明的，光子就会在两个镜子之间多次往返。
当光子经过增益介质时，会与高能级电子相互作用，使得电子从高能级跃迁到低能级，放出能量。
这些能量会在光子的反射中得到增强，使得原本弱小的光信号得以放大。
反射镜的存在保证了光子与高能级电子频繁相互作用，从而增强了光的强度。
第三步骤是反馈。
在增益介质的两端设置反射镜，其中一个镜子是完全反射的，另一个是部分透明的。
在激光器工作时，放大的光子在两个反射镜之间来回反射。
只有当光子与高能级电子相互作用时，才能够从增益介质中得到反馈加强，从而击穿上限，形成激光光束。
这个过程是自持拉锁过程，也就是说，无需外部刺激，只要增益介质中有足够的电子积累在高能级，激光器就能自发地工作。
总结起来，激光器的基本工作原理包括增益介质激发、光放大和反馈。
增益介质吸收能量，使得电子在高能级积累。
然后，这些能级的电子自发地跃迁回低能级，放出能量，经过多次反射和放大后形成激光光束。
反馈机制保证了光子与高能级电子频繁相互作用，从而增加光的强度。
这些工作原理的结合使得激光器成为一种非常重要的光学工具和应用装置。
激光技术1
（1） 自发辐射
没有外界干预 E2 E1
E2 .
h E2
。 h
E1
发光前
E1 .
发光后
A N 单位时间内，因自发辐射跃 d N21
迁而产生的光子数的密度为 dt
21 2
A21自发辐射系数，物理意义
1、光与物质的相互作用
d N2 d N21 A21N2 d t
d N2 N2
一种特殊的激发态，寿命特别长，10-4~1秒 亚稳态
如铬离子、氦原子、二氧化碳等粒子中都存在
1、光与物质的相互作用
（2） 受激吸收
原子吸收外来光子能量 hν , 并从低能 级E1 跃迁到高能级E2
E2
E2 E1 h
E2
.
. E1
E1 。
d N12 dt
B12 ( )N1
ρ(ν)外来光单色辐射能量密度
2. 激光器的应用
激光通讯系统方框图
2. 激光器的应用
激光通信与无线通信相比，优点： （i）传递信息容量大，传送路数多。
理论指出，载波频率越高，传输的信息量越大。
以中波无线电通信为例，各电台间互不干扰，每个电台需 要占用10KHz左右的频率范围。收音机的中波波段为1000KHz， 整个波段只能安排100个电台同时广播，拥挤。在厘米波中，每 个电台需占用10MHz的频率范围，整个厘米波段的频带宽度为 103MHz，也只有同时发送100套节目。
红宝石激光器
1、固体激光器
氙灯和红宝石棒平行地 放置在聚光器内的对称 位置上，聚光器内壁抛 光并镀上金属反射层
如果氙灯发出的光足够强，红宝石棒中大量 的激活离子被激发，并使激活离子在激光上、下 能级之间形成粒子数反转；当光的增益超过损耗 时，就产生激光振荡，在部分反射镜一端输出很 强的激光
[精]第一章激光的基本原理为使HE-NE激光器的相干长度达到1KM,
第一章：激光的基本原理1.为使He-Ne激光器的相干长度达到1km,它的单色性∆λ/λ0应是多少?2.设一对激光能级为E2和E1(f1=f2)，相应的频率为v(波长为λ)，能级上的粒子数密度分别为n2和n1，求：(a)当v=3000MHz，T=300K时，n2/n1=?(b)当λ=1μm，T=300K时，n2/n1=?(c)当λ=1μm，n2/n1=0.1时，温度T=?3.设一对激光能级为E2和E1(f1=f2),相应的频率为ν（波长为λ），能级上的粒子数密度分别为n1和n2，求（a）当ν=3000Mhz,T=300K时,n2/n1=?（b）当λ=1um,T=300K时, ,n2/n1=?（c）当λ=1um, ,n2/n1=0.1时，温度T=?4.在红宝石Q调制激光器中，有可能将几乎全部Cr+3离子激发到激光上能级并产生激光巨脉冲。
设红宝石棒直径1cm，长度7.5cm，Cr+3离子浓度为2×1019cm-3，巨型脉冲宽度为10ns，求输出激光的最大能量和脉冲功率。
5.试证明，由于自发辐射，原子在E2能级的平均寿命t s=1/A21。
6.某一分子的能级E4到三个较低能级E1,E2和E3的自发跃迁几率分别是A43=5*107s-1,A42=1*107s-1和A41=3*107s-1，试求该分子能级的自发辐射寿命τ4。
若τ1=5*107s-1，τ2=6*10-9s,τ3=1*10-8s在对E4连续激发并达到稳态时，试求相应能级上的粒子数比值n1/n4，n2/n4,n3/n4,并回答这时在哪两个能级间实现了集居数反转。
7.证明当每个膜内的平均光子数（光子简并度）大于1时，辐射光中受激辐射占优势。
8．（1）一质地均匀的材料对光的吸收系数为0.01mm-1，光通过10cm长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几？（2）一光束通过长度为1m的均匀激励的工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。
【推荐文档】第二部分激光产生的基本原理PPT
非稳定腔 傍轴光线有限次反射后便逸出腔外
几何偏折损耗大(高损耗腔) 几何光学方法 两种不同的腔的理论处理方法, 设计方法不同
• 利用几何光学光线矩阵方法分析腔中的几何偏折损耗
激光的基本原理及特性
g2
只适用于简单的共轴球面镜腔(直腔)
其稳优定点 腔 • 是只任模何适体傍积轴用大光，于线还可简可以限在单制腔的内往共返无轴限球多次面不会镜腔(直腔)
光(闪光灯，激光)、电(气体放电，电注入)、化学 、核
基光((横闪•光)模灯稳T，EM激定0光0 腔)、电因(气腔体放损电耗，电小注入，)、适化学用、于核 中、
激光的基本原理及特性
第二部分 激光产生的 基本原理
2、激光器的基本结构
w n1 STE光子集中在几个模式 w * 场分布，谐振频率21，往返损耗，发散角
n (a) 闭腔 (b) 开腔 (c)
A 稳定腔
m, n －
其中 横模指数
；21
气体波导腔
21
阈值：产生激光所要需的最低能量
R ＝ R ＝ ∞ 腔的模体积大，衍射损耗比较
第二部分激光产生 的基本原理
激光的基本原理及特性
第二部分 激光产生的 基本原理
n2
f2 f1
n1
n2
f2 f1
n1
正常分布 受激吸收 占主导 光衰减，吸收 反转分布 受激辐射 占主导 光放大 有增益
N2 < N1
N2 > N1
增益介质：处于粒子数反转分布状态的物质
为实现粒子数反转分布，要求在单位时间内激发到上能级的粒子数密度越多越好， 下能级的粒子数越少越好，上能级粒子数的寿命长些好。