激光原理与技术山西大学课件第四章
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激光原理与技术PPT精品文档
ONE KEEP VIEW 激光原理与技术PPT精品文档目录CATALOGUE•激光基本原理•激光器类型及工作原理•激光技术应用领域•激光技术发展趋势与挑战•激光安全与防护知识普及•总结与展望PART01激光基本原理激光产生条件粒子数反转高能级粒子数大于低能级粒子数，是产生激光的必要条件。
增益大于损耗增益介质中的受激辐射放大作用要大于各种损耗，才能实现光放大。
光学谐振腔提供正反馈，使受激辐射光在腔内多次反射、放大，形成稳定振荡。
激光发射过程泵浦过程通过外部能量输入（如光、电、化学等），使增益介质中的粒子从低能级跃迁到高能级，实现粒子数反转。
受激辐射过程处于高能级的粒子在外部光子的作用下，跃迁到低能级并发出与入射光子完全相同的光子，实现光放大。
光学谐振腔内的振荡过程受激辐射产生的光子在腔内多次反射、放大，形成稳定的光场分布和振荡模式。
功率激光的功率决定了其能量大小和输出能力，高功率激光具有更强的穿透力和加工能力。
稳定性激光的稳定性决定了其长期运行的可靠性和稳定性，对于高精度、高稳定性的应用尤为重要。
光束质量激光的光束质量决定了其聚焦能力和传输效率，优质的光束质量可以提高激光加工的精度和效率。
波长激光的波长决定了其颜色和应用领域，不同波长的激光具有不同的特性和用途。
激光特性参数PART02激光器类型及工作原理工作原理通过激励源（泵浦源）将能量传递给工作物质，使其产生粒子数反转分布，然后在谐振腔内通过受激辐射产生激光。
特点具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，广泛应用于科研、工业、医疗等领域。
构成由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成。
构成主要由放电管、反射镜和电源三部分组成。
工作原理在放电管中充入一定种类和压强的气体，通过高压放电激励气体分子或原子，使其产生受激辐射并放大，形成激光输出。
特点具有光束质量好、输出功率大、效率高、结构简单等优点，常用于高精度测量、光谱分析等领域。
构成主要由染料溶液、泵浦源和光学谐振腔三部分组成。
激光原理与技术(第四章2)
四能级系统速率方程
1）单模振荡（第 l 个模，模频率为n)
E3 E2
w03 A30 S30
与三能级相比，激光下能级E1不再
S32 S21 A21 W21 W12 S10
是基态能级, 在热平衡状态下，处于 E1的粒子数很少,很容易建立粒子数 反转。 四能级系统，一般有
E1
E0
参与产生激光的有四个能级:基 态能级E0(抽运过程的低能级)、 抽运高能级E3、激光上能级
dNl N n2W21 n1W12 l dt Rl f2 Nl ) n n n , n vN 0 l 2 f 1 21 Rl 1
I 1 I 0 e I t ) I 0 e I 0e
t L c t
只考虑损耗
dN f2 N n2 n1 21vN dt f1 R
E3E2无辐射跃 迁量子效率 (泵浦效率) n2 A21 S21 )
E2E1 荧光量子效率
N--各模式光子数密度总和
n0 n1 n2 n3 n
总量子效率 F 12
N l hn
dNl Nl n2W21 n1W12 dt Rl
n0 n1 n2 n3 n
A21 ~ g n ,n 0 )N l nn
21 n ,n 0 )N l v （4.4.13）
为何没有包括A21引起的光子数？
式中忽略了n3 W30项，因为n3很小,故n3W30<<n0W03
I= Nhnv dz=vdt
dz
I= Nhnv
dI g Idz
dz=vdt
I I 0e
g z
0
dI n 21 n ,n 0 )vNhndz
1）单模振荡（第 l 个模，模频率为n)
E3 E2
w03 A30 S30
与三能级相比，激光下能级E1不再
S32 S21 A21 W21 W12 S10
是基态能级, 在热平衡状态下，处于 E1的粒子数很少,很容易建立粒子数 反转。 四能级系统，一般有
E1
E0
参与产生激光的有四个能级:基 态能级E0(抽运过程的低能级)、 抽运高能级E3、激光上能级
dNl N n2W21 n1W12 l dt Rl f2 Nl ) n n n , n vN 0 l 2 f 1 21 Rl 1
I 1 I 0 e I t ) I 0 e I 0e
t L c t
只考虑损耗
dN f2 N n2 n1 21vN dt f1 R
E3E2无辐射跃 迁量子效率 (泵浦效率) n2 A21 S21 )
E2E1 荧光量子效率
N--各模式光子数密度总和
n0 n1 n2 n3 n
总量子效率 F 12
N l hn
dNl Nl n2W21 n1W12 dt Rl
n0 n1 n2 n3 n
A21 ~ g n ,n 0 )N l nn
21 n ,n 0 )N l v （4.4.13）
为何没有包括A21引起的光子数？
式中忽略了n3 W30项，因为n3很小,故n3W30<<n0W03
I= Nhnv dz=vdt
dz
I= Nhnv
dI g Idz
dz=vdt
I I 0e
g z
0
dI n 21 n ,n 0 )vNhndz
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
激光原理与技术PPT(很全面)
04
激光与物质相互作用
激光与物质相互作用的基本过程
激光束在物质中的传播
包括反射、折射、吸收和散射等现象。
激光与物质相互作用的机理
包括光热作用、光电效应、光化学效应等。
激光与物质相互作用的特点
如高能量密度、高亮度、高方向性等。
激光加工原理及应用
1 2
激光加工的基本原理
通过高能激光束对材料进行加热、熔化、汽化或 达到其他物理或化学变化，以实现加工目的。
应用领域
适用于气体、液体和固体等多种介质的流速测量，如风速测量、 血流速度测量等。
激光光谱分析技术
光谱原理
不同物质具有不同的光谱特征，通过测量物质的光谱信息可以分析 其成分和性质。
分析方法
包括激光拉曼光谱分析、激光荧光光谱分析等，可用于物质的定性、 定量分析。
应用领域
广泛应用于化学、生物、医学、环境等领域，如药物分析、环境监测 等。
液体激光器
染料激光器
使用有机染料作为增益介质，通过 泵浦光激发染料分子产生激光，具 有宽调谐范围和短脉冲输出能力。
液体激光核聚变
利用高功率激光束照射含有氘、氚 等聚变燃料的靶丸，实现核聚变反 应，是惯性约束聚变研究的重要手 段。
半导体激光器
边发射半导体激光器
电流注入半导体PN结，电子与空穴复 合释放能量形成激光输出，具有体积 小、效率高、寿命长等优点。
特性
方向性好，亮度高，单色 性好，相干性好。
应用领域
激光加工、激光测距、激 光雷达、激光通信、激光 治疗等。
02
激光器类型及技术
固体激光器
晶体激光器
使用掺杂稀土元素的晶体 作为增益介质，如Nd:YAG 激光器。
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。
ch04 光与物质相互作用(4.4-4.6)
2.均匀加宽线型函数
g H , 0 H 2
H
0
2
H 2
2
1 1 1 2 L
N L N ~ L
一般气体 低气压
量子解释
(1) 测不准关系： E t
dn 21 dt
dn 2 dt
n2
dn 21 dt
t
n 2 t n 20 e
跃迁辐射的功率
I t
dn 2 dt
h n 20 h
1
e
t
根据阻尼谐振子得出的自发辐射强度
I t
两式对比可得
I 0e
t
1
或
1
5.自然加宽的线宽 线宽即为线型函数的半宽度
υ
ν
1 υ c 1 υ c
ν0
0 为光源与接收器相对静止时的频率。一般情况下，
υ c 上式取一级近似可得：ν ν 0 (1 )
并且光源与接收器相对趋近时， 取正值；两者背离时， 取负值。这叫光的纵向多普勒效应。
υ c
υ
υ
(3) 若在介质中传播时，光速应为 可写成：
c ，则此时的频率
激光原理 激光原理
第四章 光与物质相互作用
§4.4 均匀加宽
一、自然加宽 1.现象：自发辐射的谱线有一定的宽度 ν N 2.成因：由于每个原子所固有的自发辐射跃迁引 起原子在能级上的有限寿命造成。
2.线型函数求解
x t x 0 e
2
t
e
i 0 t
大学课件-激光原理_第四章
I I 0e gz
2 2 2 d ne 0 d 4 0 m0 2 2 2 0
2
正常色散
0
反常色散
-1
将上述结果推广到普遍的状态，令Δn代替(-n)，并令ΔH=/2
H ne 2 g 2 4 0 mc 2 H 0 2
2
ne2 0 1 1 2 2 2 16 m 2 0 0 H 0 2
E ( z, t ) E0e
i
c
z
i 1
e z it t c z 2 E ( z, t ) E0e c e z c I I 0e 2 I E (t )
第四章 电磁场和物质的共振相互作用
§4-1 光和物质相互作用的经典理论简介 §4-2 谱线加宽和线型函数 §4-3 典型激光器速率方程 §4-4 均匀加宽物质的增益系数 §4-5 非均匀加宽物质的增益系数 §4-6 综合加宽物质的增益系数
§4-1 光与物质相互作用的经典理论简介
一、原子自发辐射的经典模型
根据不同的近似基本上可以分为四类： 一、经典理论(经典原子发光模型)
出发点是：将原子系统和电磁场都作经典处理，即用经典 电动力学的麦克斯韦方程组描述电磁场 ,将原子中的运动电子 视为服从经典力学的振子。 成功地解释了物质对光的吸收和色散现象,定性地说明了原 子的自发辐射及其谱线宽度,等等。
此外，经典理论在描述光和物质的非共振相互作用时也起 一定作用。
2 x x 0 x 0
激光原理与技术ppt课件2024新版
激光束的传输与变换
激光束的传输特性
探讨激光束在自由空间和光学系统中 的传输特性，包括光束的发散、聚焦 和像差等。
激光束的质量控制
阐述激光束质量评价的标准和方法， 以及提高激光束质量的措施和技术。
激光束的变换方法
介绍常见的激光束变换方法，如透镜 变换、反射镜变换和光纤传输等，并 分析它们的应用场景和优缺点。
激光原理与技术 ppt课件
目录
• 激光原理概述 • 激光技术基础 • 固体激光器 • 气体激光器 • 液体激光器与光纤激光器 • 激光技术的应用与发展趋势
01
激光原理概述
激光的产生与发展
01
1917年，爱因斯坦提出 “受激辐射”理论
02
03
1954年，美国物理学家 汤斯和肖洛提出激光原 理
1960年，梅曼制成世界 上第一台红宝石激光器
03
固体激光器
固体激光器的结构与工作原理
固体激光器的组成
工作物质、泵浦源、光学谐振腔
工作原理
通过泵浦源提供能量，使工作物 质中的粒子实现粒子数反转，然 后在光学谐振腔的作用下产生激
光振荡，输出激光。
光学谐振腔的作用
提供正反馈，使受激辐射光不断 放大，同时控制激光输出的方向
和质量。
固体激光器的性能特点
液体激光器与光纤激光器的性能特点及应用
液体激光器
主要应用于可调谐激光光谱学、生物 医学成像等领域。
光纤激光器
广泛应用于工业加工、通信、医疗等 领域，如激光切割、焊接、打标等。
06
激光技术的应用与发 展趋势
激光加工技术的应用与发展
激光切割
高精度、高效率的切割方法，广泛应用于金 属、非金属材料的加工。
激光原理与技术完整ppt课件
1.1.1所示)。每一模式在三个坐标铀方向与相邻模的间隔为
Δkx=л/Δx，Δky=л/Δy，Δkz=л/Δy 因此，每个模式在波矢空间占有一个体积元
(1.1.6)
ΔkxΔkyΔkz =л3 /（ΔxΔyΔz）=л3 /V
(1.1. 7)
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10
在k空间内，波矢绝对值处于|k|～|k|+d|k|区间的体积为(1／8)4л|k|2 d|k|，
可见，一个光波模在相空间也占有一个相格.因此，一个光波模等效于一个光子态。
一个光波模或一个光子态在坐标空间都占有由式(1.1.11)表示的空间体积。
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12
三、光子的相干性
为了把光子态和光子的相干性两个概念联系起来，下面对光源的相干性进行讨论。
在一般情况下，光的相干性理解为：在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某
4.4 典型激光器的速率方程
3.5 空心介质波导光谐振腔的反馈耦合损耗 4.5 均匀加宽工作物质的增益系数
4.6 非均匀加宽工作物质的增益系数
4.7 综合均匀加宽工作物质的增益系数
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3
第五章 激光振荡特性
5.1 激光器的振荡阈值 5.2 激光器的振荡模式 5.3 输出功率和能量 5.4 弛豫振荡 5.5 单模激光器的线宽极限 5.6 激光器的频率牵引
ε=hv
（1.1.1）
式中 h＝6.626×10-34J．s，称为普朗克常数。
（2）光子具有运动质量m，并可表示为
（1.1.2）
光子的静止质量为零。
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7
（3）光子的动量P与单色平面光波的波矢k对应
（1
式中
n。为光子运动方向(平面光波传播方向)上的单位矢量。 4．光于具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。 5．光于具有自旋，并且自旋量子数为整数。因此大量光于的集合， 服从玻色—爱因斯坦统计规律。处于同一状态的光子数目是没有限制的， 这是光子与其它服从费米统计分布的 粒子(电子、质子、中子等)的重要区别。 上述基本关系式(1.1.1)相(1.1.3)后来为康普顿(Arthur Compton)散射实验所证实 (1923年)，并在现代量子电动力学中得到理论解释。量子电动力学从理论上把光的电磁 (波动)理论和光子(微粒)理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来，从而在理论上 阐明了光的波粒二象性。在这种描述中，
《激光原理》课件
《激光原理》课件一、教学内容本节课的教学内容选自教材《物理》的第四章第三节，主要涉及激光的产生原理、激光的特性及其在现代科技领域的应用。
具体内容包括：激光的产生原理，激光的特性（单色性、相干性、方向性），激光在通信、医疗、科研等领域的应用。
二、教学目标1. 让学生了解激光的产生原理，理解激光的特性及其在现代科技领域的应用。
2. 培养学生运用物理知识解决实际问题的能力。
3. 激发学生对物理学科的兴趣，培养学生的创新意识。
三、教学难点与重点重点：激光的产生原理，激光的特性及其在现代科技领域的应用。
难点：激光的产生原理，激光的相干性及其在通信领域的应用。
四、教具与学具准备教具：多媒体课件、激光笔、实验器材。
学具：教材、笔记本、实验报告单。
五、教学过程1. 情景引入：通过展示激光表演，让学生感受激光的神奇，激发学生的学习兴趣。
2. 知识讲解：讲解激光的产生原理，引导学生理解激光的特性（单色性、相干性、方向性）。
3. 实验演示：进行激光实验，让学生直观地感受激光的特性。
4. 应用拓展：讲解激光在通信、医疗、科研等领域的应用，让学生了解激光的实际意义。
5. 课堂互动：设置随堂练习，让学生运用所学知识解决实际问题。
六、板书设计激光原理：1. 产生原理2. 特性：单色性、相干性、方向性3. 应用：通信、医疗、科研等领域七、作业设计1. 请简述激光的产生原理。
2. 请列举三个激光的应用实例，并说明其原理。
3. 请结合生活实际，谈谈你对激光应用的认识。
八、课后反思及拓展延伸2. 拓展延伸：激光技术在不断发展，教师可以引导学生关注激光技术的最新动态，了解其在不同领域的应用前景，培养学生的创新意识。
同时，可以组织学生进行激光实验，提高学生的实践能力。
重点和难点解析一、教学内容本节课的教学内容选自教材《物理》的第四章第三节，主要涉及激光的产生原理、激光的特性及其在现代科技领域的应用。
具体内容包括：激光的产生原理，激光的特性（单色性、相干性、方向性），激光在通信、医疗、科研等领域的应用。
激光原理与应用讲第四章优秀课件
5.其他方法还包括：
凹凸透镜选模、腔内加临界角反射器选模、利用调Q选模等。
小结：
Ø 激光单纵模选取的基本方法 —— 短腔法。 Ø 激光单横模选取的基本方法 —— 光阑法。
基本概念
稳定度是指激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比 S ν ν
复现性是激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量 R ν ν
基本做法是在谐振腔内插入一个适当大小的小孔光阑。
4.聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模
(1)聚焦光阑法：如图4-6所示，在腔内插入一组透镜组，使光束在腔内传播时 尽量经历较大的空间，以提高输出功率。
图4-6 聚焦光阑法
(2)腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如图4-7所示。
图4-6 聚焦光阑法
图4-7 腔内望远镜法
(1) 当强度很大的光通过均匀增益型介质时粒子数反转分布值下降，增益系数 相应下降，但光谱的线型并不改变。
(2) 多纵模的情况下，如图4-1所示， 设有q-1，q，q+1三个纵模满足振荡条 件。随着腔内光强逐步增强，q-1和 q+1模都被抑制掉，只有q 模的光强继 续增长， 最后变为曲线3的情形。
图4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争
从波动光学的角度讲，薄透镜的作用是改变光波波阵面的曲率半径。
4.3.1 高斯光束通过薄透镜时的变换
3. 将透镜的变换应用到高斯光束上。如图4-16所示，有以下关系：
111111 R R f R R f
实际问题中，通常 0 和 s 是已知的，此 时 z0 s ，则入射光束在镜面处的波阵面
半径和有效截面半径分别为：
'a I()2d 2 I01 2exp 2 a 1 2 2 ()
D
激光原理与技术课件
害等优点。
自由空间光通信
利用激光在自由空间中传输信息，具 有传输速度快、抗干扰能力强等优点 。
激光雷达
利用激光的反射和散射特性对目标进 行探测和定位，具有精度高、抗干扰 能力强等优点。
军事领域
激光雷达侦查
利用激光雷达对敌方目标进行探测和识别 ，具有探测距离远、分辨率高等优点。
A 激光武器
利用激光的高能量密度对目标进行 摧毁或致盲，具有反应速度快、命
、光谱分析等。
半导体激光器
01 总结词
利用半导体材料作为增益介质 的激光器。
02
详细描述
半导体激光器通常由半导体材 料、电极、反射镜等组成，其 中半导体材料是实现光放大的 介质。由于半导体激光器的结 构紧凑、效率高、寿命长等特 点，使其在许多领域得到广泛 应用。
03
特点
04
半导体激光器具有体积小、重量 轻、可靠性高、响应速度快等特 点，同时其成本较低，易于集成 。
激光原理与技术课件
目录 Contents
• 激光原理 • 激光技术 • 激光器件 • 激光技术应用 • 激光安全
01
激光原理
光的相干性
光的相干性是指光波在空间不同点上具有相同的相位关系。在激光中，相干性使 得光波在传播过程中能够保持稳定的相位关系，从而实现光的干涉和衍射现象。
光的干涉是指两束或多束相干光波在空间某一点相遇时，由于相位关系不同而产 生的明暗交替的现象。干涉现象在激光技术中具有重要的应用，如干涉仪和光学 薄膜等。
液体激光器
总结词
详细描述
特点
应用领域
利用液体作为增益介质的激 光器。
液体激光器通常由染料溶液 、泵浦源、反射镜等组成， 其中染料溶液是实现光放大 的介质。液体激光器的输出 波长可以通过改变染料溶液
自由空间光通信
利用激光在自由空间中传输信息，具 有传输速度快、抗干扰能力强等优点 。
激光雷达
利用激光的反射和散射特性对目标进 行探测和定位，具有精度高、抗干扰 能力强等优点。
军事领域
激光雷达侦查
利用激光雷达对敌方目标进行探测和识别 ，具有探测距离远、分辨率高等优点。
A 激光武器
利用激光的高能量密度对目标进行 摧毁或致盲，具有反应速度快、命
、光谱分析等。
半导体激光器
01 总结词
利用半导体材料作为增益介质 的激光器。
02
详细描述
半导体激光器通常由半导体材 料、电极、反射镜等组成，其 中半导体材料是实现光放大的 介质。由于半导体激光器的结 构紧凑、效率高、寿命长等特 点，使其在许多领域得到广泛 应用。
03
特点
04
半导体激光器具有体积小、重量 轻、可靠性高、响应速度快等特 点，同时其成本较低，易于集成 。
激光原理与技术课件
目录 Contents
• 激光原理 • 激光技术 • 激光器件 • 激光技术应用 • 激光安全
01
激光原理
光的相干性
光的相干性是指光波在空间不同点上具有相同的相位关系。在激光中，相干性使 得光波在传播过程中能够保持稳定的相位关系，从而实现光的干涉和衍射现象。
光的干涉是指两束或多束相干光波在空间某一点相遇时，由于相位关系不同而产 生的明暗交替的现象。干涉现象在激光技术中具有重要的应用，如干涉仪和光学 薄膜等。
液体激光器
总结词
详细描述
特点
应用领域
利用液体作为增益介质的激 光器。
液体激光器通常由染料溶液 、泵浦源、反射镜等组成， 其中染料溶液是实现光放大 的介质。液体激光器的输出 波长可以通过改变染料溶液
激光原理与技术山西大学课件第四章
激光诊断
利用激光的特性，如光谱分析、荧光光谱等，对生物组织进行无损检 测和诊断，可有效检测病变组织、肿瘤等。
激光在军事领域的应用实例
激光制导
利用激光的定向性，为导弹或炮弹等制导武器提供精确的 目标定位信息，提高命中率和作战效能。
激光雷达
利用激光的反射和散射特性，对目标进行探测、识别和跟 踪，可广泛应用于侦察、预警、导航等领域。
于产品追溯、防伪鉴别等领域。
激光焊接
03
利用激光束的高能量实现金属或非金属材料的焊接，具有焊接
速度快、焊缝质量高、热影响区小等优点。
激光在医疗领域的应用实例
激光治疗
利用激光的生物效应，如光热作用、光化学作用等，对病变组织进 行照射治疗，可有效治疗多种皮肤病、眼科疾病等。
激光美容
利用激光的能量对皮肤进行美白、祛斑、去痘、除皱等美容处理， 具有无创、无痛、恢复快等优点。
利用半导体材料作为工作物质，产生激光。 常见的有镓砷磷（GaAs）激光器、铟镓砷磷 （InGaAs）激光器等。
02 激光技术基础
激光技术发展历程
激光原理的发现
1917年，爱因斯坦提出光的受 激发射理论，奠定了激光的理
论基础。
激光器的诞生
1960年，梅曼发明了第一台红 宝石激光器，标志着激ห้องสมุดไป่ตู้技术 的诞生。
医疗领域
激光技术可用于手术、治疗、诊断等，如眼 科手术、皮肤科治疗等。
军事领域
激光技术可用于激光武器、激光雷达等，提 高军事装备的科技水平。
激光技术的前景展望
新型激光器的研发
随着科技的不断发展，新型激光器如量子点激光器、超快激光器 等将不断涌现。
激光技术的应用拓展
随着技术的不断完善和应用领域的不断拓展，激光技术将在更多领 域发挥重要作用。
利用激光的特性，如光谱分析、荧光光谱等，对生物组织进行无损检 测和诊断，可有效检测病变组织、肿瘤等。
激光在军事领域的应用实例
激光制导
利用激光的定向性，为导弹或炮弹等制导武器提供精确的 目标定位信息，提高命中率和作战效能。
激光雷达
利用激光的反射和散射特性，对目标进行探测、识别和跟 踪，可广泛应用于侦察、预警、导航等领域。
于产品追溯、防伪鉴别等领域。
激光焊接
03
利用激光束的高能量实现金属或非金属材料的焊接，具有焊接
速度快、焊缝质量高、热影响区小等优点。
激光在医疗领域的应用实例
激光治疗
利用激光的生物效应，如光热作用、光化学作用等，对病变组织进 行照射治疗，可有效治疗多种皮肤病、眼科疾病等。
激光美容
利用激光的能量对皮肤进行美白、祛斑、去痘、除皱等美容处理， 具有无创、无痛、恢复快等优点。
利用半导体材料作为工作物质，产生激光。 常见的有镓砷磷（GaAs）激光器、铟镓砷磷 （InGaAs）激光器等。
02 激光技术基础
激光技术发展历程
激光原理的发现
1917年，爱因斯坦提出光的受 激发射理论，奠定了激光的理
论基础。
激光器的诞生
1960年，梅曼发明了第一台红 宝石激光器，标志着激ห้องสมุดไป่ตู้技术 的诞生。
医疗领域
激光技术可用于手术、治疗、诊断等，如眼 科手术、皮肤科治疗等。
军事领域
激光技术可用于激光武器、激光雷达等，提 高军事装备的科技水平。
激光技术的前景展望
新型激光器的研发
随着科技的不断发展，新型激光器如量子点激光器、超快激光器 等将不断涌现。
激光技术的应用拓展
随着技术的不断完善和应用领域的不断拓展，激光技术将在更多领 域发挥重要作用。
激光器工作原理-2022年学习资料
三、连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率-Pu,to>2）-E3-S32-1.四能级系统-假定泵浦均匀2-S21/A2/W2/W12-S10>0n1≈0-.△n≈n2-Wo3 A3o-8-→n≈A,=0-Eo n2=A/A1+S21=t2/r-0上-单位时间单位体积内，-71=S32/S32+A1）-E2→E1跃迁 粒子数n2/r2或n2/t,12-要维持n2=n2r-·需要E3→E2粒子的跃迁补充n2/r,2同样多的粒 数-·通过泵浦（吸收）Eo→E3n2/t271或n2,/r,2-ppt课件-14
n2-完成增长过程达到稳定值，可按稳态处理；，也达到稳定值-W13年-0-to-·连续激光器一稳定工作状态 稳态）-各能级粒子数及腔内光子数密度达到稳定状态。-dn/dt=0;dN,/dt=0-速率方程→代数方程冲激光器一非稳定工作状态（非稳态）-泵浦持续时间短，各能级粒子数及腔内光子数密度-处于剧烈的变化之中。根据 浦持续时间to及激光上-能级寿命2对脉冲激光器细分-ppt课件-6
V2A2-An-G2l-AT'viAV-均匀加宽-△n,二-8 VIn2v2A2-非均匀加宽-2l4π32 △VD-*讨论-·不同模式v→o21yy不同-→n±不同，即△n-不同纵模具有相同的阈值增益g,-·不同横 的衍射损耗不同，8，不-同高阶横模的阈值增益大于基模，-即g>8-%1-1%1n%1t1o1+2-ppt课 -13
M小-mn-不同模式（频率）具有不同的受激辐射截面，，值也不同-中心频率处阔值反转粒子数最低v=。--激光 阈值反转粒子数密度一v=ν时的阈值反转粒-值增益系数g,即v=vo时的阈值增益系数-n,）--δ-8=△n 21y,yo-g°≥8，=An,021=-•阈值增益系数唯一地由单程损耗决定，当腔内损耗一-定时，阈值增益 数为一常数-ppt课件-12
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（4.1.2）
我们关心 P ( ) 的函数形式，因此引入谱线的线型函数
g%( ,o )
P(v) P
（4.1.3）
根据式（4.1.2）和式（4.1.3），有
g%(,o)dv1
归一化条件
（4.1.4）
线型函数在 o 时有最大值 g%(o ,o ) ，并在
vvo 2
时下降至最大值的一半，如图
%g ( , 0 )
% g( 0 , 0 )
%g ( 0 , 0 )
2
O
0
图4.1.2 增益曲线
由此定义的
称为谱线宽度 。
由于存在不同的物理机制引起谱线加宽，以下我们将分析这些物理过程并求出
g%( , o ) 的具体函数形式。
一、均匀加宽
如果每个发光原子都以整个线型发射，或者说每个发光原子对光谱线内任一 频率都有贡献，这种加宽称为均匀加宽。
g%(,o)
P(v) P
| x() |2
|
x() |2
d
[( )2 2
42(
0)2]
1
( )2
2
1
4 2 (
0)2
d
式中积分为一常数，令其为 A 。由归一化条件求得
A 1
于是可得
g% N(,o)(2)242(0)2
（4.1.5）
式中下标N表示自然加宽。
下面讨论阻尼系数 与原子在 E 2 能级上的自发辐射寿命 s
心频率附近一个很小的频率范围内，这就叫谱线加宽。
由于谱线加宽，原子自发辐射的功率不再都集中在一个单一频率上，而应表
示为频率的函数 P ( )，如下图所示。
P ( )
O
0
图4.1.1 自发辐射的频率分布
令中心频率为 o ，P ( ) 描述自发辐射总功率P按频率的分布，数学表示为
P P(v)dv
之间的关系。设在初始时刻 t 0 时能级 E 2 上有 n 2 0 个原子，
则自发辐射功率随时间的变化规律可写为
P (t) n 2 0|x (t)|2 n 2 0 x (t)x * (t)
所以
P(t)n20x0 2et
也可以写作
P(t) P0et
（4.1.6）
另一方面，从（1.2.4） 也可求出 E 2 能级上原子数随时间的变化规律。
第四章 电磁场和物质的共振相互作用
主要内容： 谱线加宽与线型函数；激光器速率方程（三能级，四能 级）；工作物质的增益系数（均匀加宽）；激光器的新进 展
§ 4.1自发辐射谱线加宽与线型函数 § 4.2 激光器速率方程（三能级，四能级） § 4.3 均匀加宽工作物质的增益系数 § 4.4 激光器的新进展：LD泵浦的固体激光器、光纤激光器
2.碰撞加宽
在气体物质中，大量原子（分子）处于无规热运动状态，当两个原子 相遇而处于足够接近的位置时（或原子与器壁相碰时），原子间的相互 作用足以改变其原来的运动状态。我们即认为两原子发生了“碰撞”。
在晶体中，虽然原子基本上是不动的，但每个原子也受到相邻原子的 偶极相互作用。因而一个原子也可能在无规的时刻由于这种相互作用 改变自己的运动状态，这时我们亦称之为“碰撞”。
dn2 dn21 n2
dt
dt
s
n2(t)n20et/s
由（4.1.1）求得自发辐射功率为
与（4.1.6） 相比较，有
P(t)
dn2(t)h
dt
n20A21et/s
h
P0 et/s
（4.1.7）
P(t) P0et
1 s
（4.1.8）
由（4.1.5）
g% N(,o)(2)242(0)2
知自然加宽具有洛仑兹线型，如图4.1.3所示。
% g N ( , 0 )
% gN (0,0)
%g N ( 0 , 0 )
2
O
图4.1.3
N
0
谱线自然加宽线型函数
当 0 时，有最大值
g% (0,0)4s
谱线宽度 N 为
自然线宽
N
1
2 s
将上式代入（4.1.5），自然加宽线型函数表示为
Nபைடு நூலகம்
g%N(,o)
(
2
0)2
(N
2
)2
（4.1.9） （4.1.10）
自然加宽，碰撞加宽及晶格振动加宽均属均匀加宽类型。
1. 自然加宽 在不受外界影响时，受激原子并非永远处于激发态，它们会自发地向低能态跃迁 (量子光学将揭示那是由真空能量的扰动引起的)，因此受激原子在激发态上具有 有限的寿命。这就造成了原子跃迁谱线的自然加宽，它的线型函数 可以在辐射的 经典理论基础上简单地求得。
根据经典模型，原子中作简谐振动的电子由于自发辐射而不断损耗能量 因而电子的振动服从阻尼振动规律：
t
x(t) x0e 2 ei0t
式中 0 20 ， 0 是原子作无阻尼简谐振动 的频率[即原子发光
的中心频率，相应于量子理论中的 (E2 E1)/h ]； 为阻尼系数。
上述阻尼振动不再是频率为
的0 单一频率简谐振动，这就是形成自然
加宽的原因。
对 x ( t ) 作傅立叶变换，可求得它的频谱：
x ()0 x (t)e i2 td t x 00 e 2 te i2 (0 )td t
x 0
2 i(0)2
由于辐射功率正比于电子振动振幅的平方，所以频率在 : d
区间内的自发辐射功率为
P()d |x()|2d
根据线型函数 定义式（4.1.3）可得
在晶体中，无辐射跃迁起因于原子和晶格振动相互作用，原子释放的内能 转化为声子能量。
因碰撞发生的随机性，我们只能从统计平均去研究。可设任一原子与
其他原子发生碰撞的平均时间间隔为
，它描述碰撞的频繁程度并
L
称为平均碰撞时间。
可以证明，这种平均长度为 L 的波列可以等效为振幅呈指数变化的
§ 4.1 自发辐射谱线加宽与线型函数
在第一章中提到自发辐射（原子自发跃迁发出的光波），那里我们认 为自发辐射是单色的，即辐射的全部功率都集中于一个单一频率
(E2E1)/h
由式（1.2.4）可求得单位体积物质内原子自发辐射功率为
Pddnt21hn2A21h
（4.1.1）
实际上由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在一个中
（1）激发态原子
与基态原子发生碰撞，使其 跃迁，自身则回到基态。
与其他原子发生弹性碰撞
横向弛豫过程
使自发辐射波列发生无规的相位突变
碰撞
碰撞
图4.1.4 碰撞过程使波列发生无规相位突变
相位突变所引起波列时间的缩短等效于原子寿命的缩短，引起谱线加宽。 （2）激发态原子也可以与其他原子或器壁发生非弹性碰撞而将自己的内能 变为其他原子的动能或给予器壁，而自己回到基态。与自发辐射一样，也会 引起激发态寿命的缩短。有别于产生辐射的跃迁，称之为无辐射跃迁。