第2 章激光技术
第二章激光器
轴向磁场对放电管内作径向运动的带电粒子的洛 仑兹力，使带电粒子不离散，增加了放电管轴线
附近等离子浓度，因而提高输出功率。
另一方面，轴向磁场也会使激光谱线增宽，降低
增益而使输出功率降低，所以有一个最佳的磁场
值。
由于轴向磁场可以减少正离子向管壁的扩散，从
而减轻了放电毛细管管壁的溅射、腐蚀和气体的 清除作用，有利于提高器件的寿命。
（3） 级联过程
第一步，电子将基态氩原子电离；第二步，电子将
基态Ar+激发到3p45s和3p44d等高电离能态，粒子
从这些高能态通过辐射跃迁回到3p44P 能级。
实验表明，在连续工作的Ar+激光器中，激光上能级
粒子数的23~40%是由级联过程贡献的。
+激光器的结构示意图 Ar
回气管的作用是平衡阳极和阴极之间的气压。 小型器件用石英玻璃管作放电毛细管；大功率长寿 命器件一般用石墨或陶瓷(氧化铝、氧化铍)等做放 电毛细管。
激光的偏振特性
偏振性主要取决于工作物质 各向同性介质在应力及热效应作用下导致应
力双折射，激光输出具有部分偏振特性。
在谐振腔中有偏振元件，激光输出也会具有
偏振性
2.2.4 半导体激光泵浦的固体激光器(DPL)
LD（或LDA）的输出激光作为泵浦源
采用波长与激光工作物质吸收波长相匹配的 激光作激励光源无疑将大大提高激光器效率。 目前LD已成功地泵浦了Nd3+：YAG、Nd3+： YLF、Nd3+：YVO和铷玻璃。 总效率可做到7%~20%
输出稳定性、光谱特性、偏振特性 和方向性
激光原理与技术：第二章
➢光学谐振腔的种类：
谐振腔的开放程度: 闭腔、开腔、波导腔 开腔通常可以分为: 稳定腔、非稳定腔、临界腔 反射镜形状: 球面腔与非球面腔，端面反射腔与分
布反馈腔 反射镜的多少: 两镜腔与多镜腔（折叠腔、环形
r00
T
r00
共轴球面镜腔 往返传输矩阵：
L A 1
f2
C
1 f1
1 f2
1
L f1
B L 2
L f2
D
L f1
1
L f1
1
L f2
•往返矩阵T与光线的初始坐标参数r0和
轴光线在腔内往返传播的行为
0
无关，因而它可以描述任意近
例：
L 3 R2 4
g1
1
L R1
1;
g2
1
L R2
1 4
§2.1.3. 光学谐振腔的损耗，Q值及线宽
损耗的大小是评价谐振腔的一个重要指标，在激光振荡中， 光腔的损耗决定了振荡的阈值和激光的输出能量，也是腔 模理论的重要研究课题
➢光腔的损耗：
1. 几何损耗
选择性损耗、对不同模式，损耗不同
2. 衍射损耗 3. 腔镜反射不完全引起的损耗
非选择性损耗
4. 腔内介质不均匀引起的损耗
Q 2v R
Q
2v
R
2v
L'
C
❖腔的品质因数Q值是衡量腔质量的一个重要的物理量，它
表征腔的储能及损耗特征。
总之，腔平均单程损耗因子、光子寿命、与腔的品质因数三个 物理量之间是关联的，腔平均单程损耗因子越小，光子寿命越 长，腔的品质因数越高。
《激光技术》课程笔记
《激光技术》课程笔记第一章：引言和知识准备1.1 激光是什么样的光？激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），即通过受激辐射的方式放大光的一种特殊形式的光。
它的特性包括：- 单色性：激光的波长非常纯净，几乎只有一个颜色，波长范围极窄，远小于普通光源。
- 方向性：激光的光束非常集中，可以在很长的距离内保持较小的发散角，这使得激光可以精确地指向目标。
- 相干性：激光的波前是平行的，光波的相位关系在空间和时间上保持一致，这使得激光可以产生干涉现象。
- 高亮度：由于激光具有高度的方向性，能量可以在一个很小的区域内集中，因此亮度很高。
1.2 激光器是怎么发明的？激光器的发明是20世纪物理学的重要成就之一，其发展历程如下：- 1917年，爱因斯坦提出了受激辐射的概念，为激光器的理论基础奠定了基础。
- 1954年，查尔斯·哈德·汤斯和他的学生詹姆斯·皮尔斯研制出了第一台微波激射器（maser），这是激光器的先驱。
- 1958年，尼古拉·巴索夫和亚历山大·普罗霍罗夫独立提出了激光器的概念，并预测了其可能的应用。
- 1960年，西奥多·梅曼利用红宝石晶体作为增益介质，成功研制出了第一台激光器，这是人类历史上的第一个激光器。
1.3 谈谈光的本质和“光学”光的本质是电磁波的一种，它同时具有波动性和粒子性两种性质：- 波动性：光可以表现出干涉、衍射、偏振等波动现象。
- 粒子性：光也可以被视为由大量光子组成的粒子流，每个光子具有特定的能量和动量。
光学是研究光的性质、行为和应用的物理学分支，主要包括以下领域：- 几何光学：研究光在介质中的直线传播、反射、折射等宏观现象。
- 波动光学：研究光的干涉、衍射、偏振等波动现象。
- 量子光学：研究光的量子行为，包括光的发射、吸收、非线性效应等。
1.4 光学波段的内涵？光学波段指的是电磁谱中与光相关的部分，主要包括以下几个区域：- 紫外光波段：波长在10纳米到400纳米之间，具有较高的能量，可以引起化学反应。
激光原理技术及应用第一章 第二章
激光原理
1
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课时及考试
上课时间：18周，复习 1周 成绩计算：考勤（10分），作业（30分），考试（60分） 参考书：《激光原理技术及应用》 李相银等，哈工大出
自然加宽：
Q值越高，线宽越窄，单色性越好
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单模激光的线宽极限
稳定的激光增益等于损耗， Q值无穷大； 自发辐射的影响 纵模频率：
频率漂移：折射率和温度 He-Ne激光器， 百分之一， 106Hz，
55
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第二章 激光工作物质及基本原理
2.1 黑体辐射与普朗克公式 绝对黑体：完全吸收投射于它的任何频率的电磁辐
41
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影响纵模数的因素：荧光线宽，谐振频率间隔
线宽越大，纵模数越多；
谐振腔的频率间隔越小(L越大）， 纵模数越多 CO2, 10.6um 光谱线宽度：108Hz，腔长1m，频率间
隔：Δν=c/2ηL=1.5×108Hz，单纵模 氩离子激光器0.5145um， 光谱线宽度6.0×108Hz，
光量子：ε0=hν
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普朗克公式
模式：振子的振动状态。 温度T的热平衡条件下，黑体辐射分配到每个模式上的平
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激光工作物质内部损耗
不均匀：折射、发射 能级：吸收光子 气体激光器均匀性好于固体
49
激光技术在医学美容中的应用研究
激光技术在医学美容中的应用研究激光技术是一种近年来在医学美容领域中广泛应用的技术。
以其高效、准确、无创、无痛，已经成为许多美容诊所和医院的重要治疗手段。
本文将从面部美容、去除色斑、减毛、皮肤重塑和治疗皮肤问题等角度，探讨激光技术在医学美容中的应用研究。
第一章：面部美容面部美容是医学美容的一个重要方面，患者常常希望通过改善面部皮肤质地和外观来提升自信心。
激光技术在面部美容中应用广泛，常用于去除面部皱纹、改善面部血管扩张、淡化面部色素沉着等。
其中其中最常见的技术是激光皮肤重塑术，通过刺激胶原蛋白再生，使皮肤更加光滑紧致。
此外，激光还可以通过微创手术技术实现面部整形，如改善面部脂肪悬垂，提升面部轮廓等。
第二章：去除色斑色斑是困扰许多人的常见问题，特别是在中年人群中频繁发生。
激光技术可以有效去除色斑，常用的光治疗技术包括色素激光、调Q激光和脉冲光等。
这些技术通过选择性作用于色素细胞，破坏色素颗粒，使色斑逐渐减淡甚至消失。
激光去斑技术具有操作简便、效果显著、恢复快速等特点，越来越被患者接受。
第三章：减毛过度生长的体毛常常给人们带来困扰，尤其是女性。
传统的脱毛手段如剃须刀、拔毛等效果有限，并且易导致皮肤创伤和毛发再生。
激光减毛技术的出现，极大改善了脱毛效果。
激光减毛技术利用激光的高能量和高强度，作用于毛囊，破坏毛细胞结构，从而达到长期去除毛发的效果。
激光减毛技术具有疼痛小、效果持久、安全可靠等优点，因此备受青睐。
第四章：皮肤重塑随着年龄的增长，皮肤的弹性和紧致度逐渐减弱，出现皮肤下垂、皱纹等问题。
激光皮肤重塑技术通过刺激胶原蛋白再生和收缩皮下组织，达到提升皮肤弹性和紧致度的效果。
此外，在激光重塑皮肤过程中，还可以选择性地破坏皮肤表面的老化细胞，促进新陈代谢，使皮肤更加年轻健康。
激光皮肤重塑技术在医学美容中被广泛应用，并且取得了显著的效果。
第五章：治疗皮肤问题激光技术还可用于治疗各种皮肤问题，如血管瘤、痤疮和疤痕等。
激光加工技术的设计与实现
激光加工技术的设计与实现第一章激光加工技术的概述激光加工技术是一种基于激光器对材料进行加工的新型制造技术，它通过调节激光器输出功率、波长和光束的聚焦位置来实现多种不同的加工效果。
激光加工技术具有精度高、效率高、加工范围广等优点，在航空、汽车、电子、医疗等领域得到广泛应用。
第二章激光加工技术的设计2.1 设计原理激光加工技术的设计原理是通过激光增幅媒介的反向受激发射过程使激光器输出的激光束在通过聚焦透镜之后，聚焦到一个非常小的点上，使其能够达到很高的功率密度，从而使材料受到的热输入足够大，达到加工的目的。
2.2 设计流程激光加工技术的设计流程分为以下几个步骤：1. 确定加工目标：首先需要确定需要加工的材料和加工目标，如需要切割、雕刻、焊接等。
2. 确定激光器参数：根据加工目标，选择适当的激光器，确定输出功率、输出波长、光束质量等参数。
3. 选择透镜和聚焦头：选择适当的透镜和聚焦头对激光进行聚焦和集中，以达到所需的焦点尺寸和功率密度。
4. 设计机械系统：根据加工要求，设计适当的机械系统来实现激光器的移动和材料的定位。
5. 确定加工参数：根据所选材料、激光器参数和焦距等，确定最佳加工参数，如加工速度、功率密度等。
第三章激光加工技术的实现3.1 整体系统实现整体系统实现包括激光器、光学元件、机械系统、控制系统等部分。
激光器的输出经过多组光学元件的聚焦和分配，注入到加工头部，然后通过控制系统对激光器和机械系统进行控制，从而实现对材料的加工。
3.2 加工模式实现加工模式是指在加工过程中，激光束的照射模式，如点、线、面等，不同的加工模式对应不同的加工形式。
激光加工技术的加工模式实现一般有以下几种：1. 点模式：激光束直接聚焦成一个点照射到材料表面，针对性强，适合进行点焊和打孔操作等。
2. 线模式：将激光束聚焦成一条线段，在材料上进行快速轮廓切割等操作。
3. 面模式：将激光束扩大，成为一个平面，进行表面改性等大范围加工。
激光安全操作规程
激光安全操作规程激光技术在现代社会中得到广泛应用，如医学、通信、制造等领域，但激光的安全性问题也备受关注。
为了保障激光操作人员的安全，制定激光安全操作规程是必要的。
以下是一个激光安全操作规程的示例，总计约1200字：第一章激光安全基础知识第一节激光的特性和危害1. 激光的定义和特性2. 激光的危害：电击、光化学、热损伤、皮肤损伤、眼损伤等3. 激光的分类和等级4. 激光设备的安全标志和标识第二节激光安全防护知识1. 激光安全防护的基本原理2. 激光防护设备：防护镜、防护眼镜等3. 激光安全防护制度和安全责任人第二章激光操作安全规程第一节激光设备准备与维护1. 激光设备的检查和维护2. 激光设备的存放和保养3. 激光设备的启动和关闭操作4. 激光设备的报警和故障处理第二节激光操作人员安全1. 激光操作人员的资质和培训2. 激光操作人员的个人防护装备和安全措施3. 激光操作人员的注意事项和禁止行为4. 激光操作人员的急救措施第三节激光操作现场安全1. 激光操作现场的标识和警示2. 激光操作现场的防护措施3. 激光操作现场的人员管控和通行规定第四节特殊场合的激光安全操作规程1. 多人操作激光设备时的安全控制2. 外部人员进入激光操作现场的安全管理3. 激光设备维修和改造的安全要求第三章激光事故应急处理第一节激光事故的分类和应急响应级别1. 激光事故的分类和严重程度2. 激光事故的应急响应级别和措施第二节激光事故的处理流程1. 激光事故的处理流程和责任分工2. 激光事故后的事故研究和措施改进第三节激光事故的报告和记录1. 激光事故的报告和记录要求2. 激光事故的信息保密和追责第四章激光安全宣传和教育第一节激光安全宣传活动1. 激光安全宣传的目的和重要性2. 激光安全宣传活动的内容和途径第二节激光安全教育培训1. 激光安全教育培训的对象和内容2. 激光安全教育培训的方式和周期第五章激光安全管理和监督第一节激光安全管理体系1. 激光安全管理体系的组成和运行机制2. 激光安全管理体系的评价和改进第二节激光安全监督和检查1. 激光安全监督和检查的对象和内容2. 激光安全监督和检查的方法和频率第六章其他事项第一节法律法规依据1. 相关法律法规的概述和适用情况第二节附则1. 激光安全操作规程的修订和生效程序2. 附录：激光安全操作培训手册通过制定和遵守这份激光安全操作规程，激光操作人员能够有效地保护自己和周围人员的安全，最大限度地减少激光事故的发生。
激光原理第2章
初态： 初态：激发态原子
终态： 终态：基态原子
E2
外来光子 hν = E2 – E1
发射光子 hν = E2 – E1
E1 特点： 才能引起受激辐射； 特点：只有外来光子能量为 hv =E2-E1才能引起受激辐射； 受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同， 受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同，即具有相同的 频率、偏振方向、传播方向以及相同的位相；是相干光。 频率、偏振方向、传播方向以及相同的位相；是相干光。 受激辐射是激光器的物理基础
爱因斯坦A 5、 爱因斯坦A、B系数关系
在光和原子相互作用达到动平衡的条件下， (1) 在光和原子相互作用达到动平衡的条件下，
自发辐射、 自发辐射、受激辐射和受激吸收间关系
A21n2dt + B21ρ ν n2dt = B12 ρ ν n1dt
自发辐射光子数 受激辐射光子数 受激吸收光子数
n2 B12 ρ v = n1 A21 + B21ρ v
的光波， 的连续功率， 2、某激光器，输出波长500nm的光波，输出 某激光器，输出波长 的光波 输出1W的连续功率， 的连续功率 问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？ 问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？
2.3
光的受激辐射
1900年 1900年，普朗克利用辐射量子化假 设成功解释黑体辐射分布规律 1913年 1913年，波尔提出原子中电子运动状 态量子化假设
（2）自发辐射跃迁几率 设t 时刻 ，体系处于E2 的总粒子数密度为 n2(t)，从t ～t + dt 体系处于 正比于n ： 时间间隔内自发辐射粒子数密度 dn21 正比于 2(t)：
− dn2 = A21n2 (t )dt
周版激光原理课件第二章
数为：
P
nVd
8 2
c3
Vd
由此关系知，只能压缩V，但是不现实。从而提出开式腔
（无侧壁的封闭腔）。从发散角来看，封闭时为2 ，而
开式时为
a
2
L
压缩倍数为
2
/
a L
2
• 但是，我们知道开式腔是无侧壁的封闭 腔，那么内部会不会有稳定的电磁波存 在？如何求出该电磁波？
§ 2.1光腔理论的一般问题
(t
z
)
A2
A0
cos 2
(t
z
)
总波为二者叠加：
A
A1
A2
2 A0
cos
2
z
cost
稳定波存在必须满足驻波条件：
一维： L q
2
与谐振条件等价
从波动理论知：驻波是稳定存在的波。满足驻波条件的 那些光波称之为光腔的纵模，q为波节数，一般很大。一般 把由整数q所表征的腔内的纵向场分布称为腔的纵模。其特 点是：在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向 形成驻波，驻波的波节数由q来决定。
共轴
球面 R1
共轴 R2
2. 开放式: 除二镜外其余部分开放 共轴: 二镜共轴 球面腔: 二镜都是球面反射镜(球面镜)
三.光腔按几何损耗(几何反射逸出)的分类:
稳定腔 (光腔中存在着伴轴模,它可在腔内多次传播而不逸出腔外) 光腔 临界腔 (几何光学损耗介乎上二者之间)
非稳腔 (伴轴模在腔内经有限数往返必定由侧面逸出腔外,有很高的
a
在这种条件下，可认为均匀平面波是F-P谐振腔内的最低损 耗模，从而为F-P谐振腔的模式提供一种粗略的，也是有用 的形象。
所以考虑均匀平面波在F-P谐振腔内沿轴线方向往返传播的 情形
激光原理第二章ppt课件
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
四、光腔的损耗－－光子在腔内的平均寿命
四、光腔的损耗
损耗的大小是评价谐振腔的一个重要指标，（与激 光阈值相关）本小节对无源、开腔的损耗进行分析。
• 开腔的损耗及其描述 • 光子在腔内的平均寿命 • 无源谐振腔的Q值 • 无源腔的本征振荡模式带宽 • 损耗计算举例
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
四、光腔的损耗－－开腔的损耗及其描述
2、平均单程损耗因子：
•定义：
I1 I0e2
若有多种损耗：
1 ln I0 2 I1
(与1-91比较)
n
i 12n
i
I1I0e 21e 22I0e 2
三、光腔的纵模－－多纵模振荡
1、腔内存在模式要形成稳定的振荡，还必须满足自激振荡
条件：单程小信号G0l增益大于单程损耗δ，即：G0l
2、如果以△νT表示增益曲线高于阈值部分的频带宽度，则 可能同时振荡的纵模数为：
讨论：
q [T ] 1 q
•
当 T q
1，激光器中至少有两个以上的纵模振荡。即多纵
§2.1 光腔理论的一般问题
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
一、光腔的构成与分类
激光原理(第2章)
三、光腔的损耗 损耗的大小是评价谐振腔的一个重要指标，也是腔模理论的重要研究 课题。光学的损耗大致包括如下几个方面： (1)几何偏折损耗。光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面偏折出 去，这种损耗为几何偏折损耗。其大小首先取决于腔的类型和几何尺寸。 例如，稳定腔内傍抽光线的几何损托应为各零，非稳腔则有较高的几何 损耗。以非稳腔而论，不同几何尺寸的非稳腔，其损耗大小亦各不相同。 其次，几何损耗的高低依模式的不同而异。比如同一平行平面腔内的高 阶横模由于其传播方向与轴的夹角较大，因而其几何损耗也比低阶横模 为大。 (2)衍射损耗。由于腔的反射镜片通常具有有限大小的孔径，因而当 光在镜面上发生衍射时，必将造成一部分能量损失。本节以及本书后面 几章的分析表明，衍射损耗的大小与腔的菲涅耳数 N＝a2/Ll有关，与 腔的几何参数g有关，而且不同横模的衍射损耗也将各不相同。
(3)腔镜反射不完全引起的损耗。它包括镜中的吸收、散射以及镜的 透射损耗，通常的光腔至少有一个反射镜是部分透射的，有时透射率还 可以很高(例如，某些固体激光器的轴输出透射率可以＞ 50％)，另一个 反射镜即使通常称为“全反射”镜，其反射率也不可能做到100％。 (4) 材料中的非激活吸收、散射，腔内插入物 ( 如布儒斯特窗、调 Q 元件、调制器等)所引起的损耗，等等。 上述 (1)(2) 两种损耗常常又称为选择损耗，因为不同模式的几何损 耗与衍射损耗各不相同。 (3)(4)两种损耗称为非选择损耗，在一般情况 下它们对各个模式都一样。 不论损耗的起源如何，我们都可以引进一个“平均单程损耗因子” d 来定量地加以描述。该因子的定义如下：如果初始出发时的光强为 I0， 在无源腔内往返一次后，光强衰减为I1，则
2.1 光腔理论的一般问题
一、光腔的构成和分类
在激活物质的两端恰当地放置两个反射镜片，就构成一个最简单的 光学谐振腔。
激光技术概述范文
激光技术概述范文激光技术是一种利用激光器发射出的高密度、单色、相干性良好的激光光束进行工作的技术。
它具有独特的特点，被广泛应用于科学研究、医学、工业加工、通信等领域。
激光技术的原理是基于光的放大受激辐射。
激光器通过将介质中的原子或分子进行激发，使其处于激发态，然后通过光的放大受激辐射的过程，释放出一束高度一致、单一波长的光线。
这种激光光束具有高亮度、高单色性、高相干性等特点，能够进行远距离传输，能够集中能量进行精细加工，具有广泛的应用前景。
激光技术的发展经历了多个阶段。
20世纪60年代，人们首次实现了激光器的发射，但当时激光器的能量比较低，应用范围有限。
1970年代以后，激光技术开始迅速发展，激光器的输出功率不断提高，应用领域也逐渐扩大。
随着科学技术的发展，激光器的功率、波长、相干性等参数得到了进一步优化，激光技术得到了广泛应用。
激光技术在科学研究领域有着重要的应用。
激光可以用于原子与分子的激发与跃迁研究，光谱分析，精密测量等方面。
激光的单色性和相干性对于精确实验的实施至关重要。
例如，激光光谱学已经成为分析物质成分的重要手段之一、另外，激光技术还在核物理研究、等离子体物理研究、天文学研究等方面发挥着重要作用。
激光技术在医学领域也有着广泛的应用。
激光通过其集中的高能量和高亮度，可以用于医疗手术。
例如，激光刀是一种常用的微创手术工具，可以在不开刀的情况下进行手术。
另外，激光技术还可以用于眼科手术，如激光近视术、激光白内障手术等。
此外，激光在皮肤美容、无创治疗等方面也有着广泛的应用。
在工业加工领域，激光技术也发挥着重要的作用。
激光切割、激光焊接、激光打标等工艺已经成为现代工业加工的重要手段。
激光具有高度集中的能量和小的热影响区域，可以实现高精度、高效率的加工。
例如，激光切割可以用于金属板材、塑料板材等材料的加工，激光焊接可以用于汽车、飞机等产品的制造。
激光技术在通信领域也有广泛应用。
激光可以实现高速、远距离的信息传输。
激光原理教案第二章
I m = I0 e
( )
−2δ
'
m
= I 0e
t
−2mδ '
t ,m = 2L '/ c
I (t ) = I 0 e
−
τR
,τ R
L' = δc
激光原理与技术
时间后， 的物理意义: 时间常数τR的物理意义 经过τR时间后， 腔内光强衰减为初始值的1／ 腔内光子数将 腔内光强衰减为初始值的 ／e,腔内光子数将 随时间依指数规律衰减， 随时间依指数规律衰减，到τR 时刻衰减为初 始值1／ 。 愈大， 愈小， 始值 ／e。δ愈大， τR愈小，说明腔的损耗 愈大，腔内光强衰减得愈快。 愈大，腔内光强衰减得愈快。 2．无源谐振腔的Q值 ．无源谐振腔的 值
c ∆ν q = ν q+1 −ν q = , (频率梳） 2L 例：L = 10cm,η = 1气体激光器, ∆ν q = 1.5 ×109 Hz L = 100cm,η = 1气体激光器, ∆ν q = 1.5 ×10 Hz
8
L = 10cm,η = 1.76的红宝石激光器∆ν q = 8.5 ×10 Hz
激光原理与技术
激光原理与技术
光 学 谐 振 腔
闭 腔 稳 定 腔 开 腔 非 稳 腔 临 界 腔 气 体 波 导 腔
激光原理与技术
谐振腔可以按不同的方法可分为： 谐振腔可以按不同的方法可分为： 端面反馈腔与分布反馈腔，球面腔与非球 端面反馈腔与分布反馈腔， 面腔，高损耗腔与低损耗腔， 面腔，高损耗腔与低损耗腔，驻波腔与行波 两镜腔与多镜腔， 腔，两镜腔与多镜腔，简单腔与复合腔 等．本章讨论两镜腔。 二、模的概念、腔与模的一般联系 模的概念、 腔的模式:光学谐振腔内可能存在的电磁场的 腔的模式 光学谐振腔内可能存在的电磁场的 本征态称。 本征态称。场的每一个本征态将具有一定的振 荡频率和一定的空间分布。 荡频率和一定的空间分布。
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)
精选课件PPT
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
精选课件PPT
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，
第2章调Q技术- 激光技术- 第二章
2．简化的结构： Vλ 前面的结构在晶体上加 2 ，对于KDP来说 =10000V，给电路带来不便。腔内插入两个偏振 片，增加插入损耗，改进结构。晶体上加 V λ4 ：从 YAG来的光通过P变成x(y)方向振动的光，通过 KDP时，分成x’(y’)方向振动的光，加 V λ4 ，两束光 π ϕ= 的相位差 。出射晶体以后，合成为圆偏光 2 （偏振面旋转45度），这束圆偏光通过全反射后 π 第二次通过KDP，o、e光又得到 2 相位差—— 合成为线偏光。线偏光的偏振方向和入射光的偏 振方向成90度，或者说光通过KDP两次，o、e光 的相位差 ϕ = π ，和前面的结构实际是一样的。
3.简化结构
4．开关效率 定义：激光器动态输出能量与静态输出能量之比。即同一 台激光器且输出能量相同时， 动能： Q开关激光器所输出的能量。 静态能：激光器中不加Q开关输出的能量。
五、Q开关的其他应用 1.削波器 主要用于从几十个ns 的光脉冲中削出一个 几ns 的光脉冲，即可压缩脉宽，又整型。 2.隔离器 一般用在激光放大器中，在放大级之间对光 进行隔离，阻止后级光返回到前级放大器或振荡 器中。 3.选通开关 主要用于从一序列光脉冲中取出一个脉冲。
Φ max = ∆n ∆n ∆n 1 1 ∆n 1 ∆nt [ 0 − ( 0 − 1) + ( 0 − 1) 2 − 1] = ∆nt ( 0 − 1) 2 2 ∆nt ∆nt 2 ∆nt 4 ∆nt
2．时间特性 调Q激光器输出的脉冲从时间上分为三阶段：脉冲建 立时间 、脉冲前沿时间和脉冲后沿时间 。 脉冲宽度可表示为 d ∆n ' ∆ τ =- ∫∆nn ∆n ∆n ' ∆n ' ∆n ' δ ( 0 − + ln ) ∆nt ∆nt ∆n0
激光原理-第二章光学谐振腔理论(1)
第一节 光学谐振腔的基本知识
2. 作用 光学谐振腔的作用主要有两方面: ① 提供轴向光波模的光学正反馈; 通过谐振腔镜面的反射,轴向光波模可在腔内往 返传播,多次通过激活介质而得到受激辐射 放大, 从而在腔内建立和维持稳定的自激振 荡。光腔的这种光学反馈作用主要取决于 腔镜的反射率、几何形状以及之间的组合 方式。这些因素的改变将引起光学反馈作 用的变化,即引起腔内光波模损耗的变化。
光学谐振腔理论研究的基本问题是: 光频电磁场在腔内的传输规律 从数学上讲是求解电磁场方程的本征函数和 本征值。 由于开放式光腔侧面不具有确定的边界,一般 情况下不能在给定边界条件下对经典电磁场理 论中的波动方程严格求解。因此,常采用一些 近似方法来处理光腔问题。
概述
常用的近似研究方法包括: 1.几何光学分析方法 在几何光学近似下,光的波动性不起主要作用,可将 光看成光线用几何光学方法来处理。 对于光学谐振腔来说,当腔的菲涅耳数远大于1时,光在 其中往返传播时横向逸出腔外的几何损耗远大于由 于腔镜的有限尺寸引起的衍射损耗。此时可用几何 光学的方法来处理腔的模式问题。 这种方法的优点是简便、直观,主要缺点在于不能得 到腔的衍射损耗和腔模特性的深入分析。
2
q
2L ' q 2 L ' ni Li
第一节 光学谐振腔的基本知识
对于非均匀介质： L ' dL ' 0 n( z)dz 2L' cq 所以： q = q
q 2L'
L
平面腔中沿轴向传播的平面波的谐振条件。λq 称为腔 的谐振波长,νq 称为腔的谐振频率。平面腔中的谐振 频率是分立的。 可以将F—P腔中满足的平面驻波场称为腔的本征模式。 其特点是：在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的 轴线方向(纵向)形成驻波，驻波的波节数由q决定。通常 将由整数q所表征的腔内纵向场分布称为腔的纵模。不同 的q值相应于不同的纵模。q称为纵模序数。
第二章-横流CO2气体激光器-激光技术-光电技术导论
功率放大(30KW)
去离子 冷却水
射频电源结构原理图
光学谐振腔由两片前后镜子和两个平行的射频电极组成。 采用柱面镜构成的非稳定谐振腔，由于光学非稳腔能容 易地适应激励的激光增益介质的几何形状。
谐振腔及外光路整形
功率传感器 吸收体
光闸镜
扩散冷却板条CO2激光器的谐振腔镜采用热传导材料，激光光束的输出 采用热稳定金刚石材料，谐振腔镜和输出窗口由水冷却，保证在产生 高功率密度激光光束时高的热稳定性。
气流风道设计与激光器的振荡模体积的设计和 风机的性能有关.光轴位置与气流速度有关，
气温速度越大，光轴越偏向下游。
梯形放电区截面
2.气体循环系统
横流CO2激光器气体流过放电区的距离 较短，对风速要求约50～80m/s。横流风机
噪声低，能在工频条件下工作，效率高，
目前多数采用这类风机。
放电区的气流入口和出口处均装有导流
CO2激光器既能连续工作，也能脉冲工作。输出功率、能 量大，效率高，能量转换效率可达到15%~25%。 它的商品器件连续输出功率可达万瓦量级。工业上已广泛 用来打孔，切割，焊接和热处理，在工业应用上是一种比较 理想的激光器。 按结构分类：根据气体流动方向、放电方向和光轴方向 的相互位置不同，可分为： 横向流动 CO2激光器 轴向流动 CO2激光器 扩散冷却板条CO2激光
激光技术及工程
唐霞辉
华中科技大学 激光加工国家工程研究中心
第二章 CO2气体激光器
CO2激光器是最常用的分子气体激光器，也 是气体激光器中工业应用最重要的激光器。 CO2 激光器以CO2 、N2和He的混合气体为工作物质。 激光跃迁发生在CO2分子的电子基态的两个振动 —转动能级之间。N2的作用是提高激光上能级的 激励效率，He则有助于激光下能级的抽空。发射 出10.6μm和9.6μm波长的不可见激光。
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第2章 激光技术
2.1
概述
2.1.1
激光器的产生
2.1.2
激光器的分类
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第2章 激光技术
2.1.1
激光器的产生
1960年一种神奇的光诞生了，它就是激光。激光的英文名称是 Laser， 是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （受激发 射光放大）的缩写。它一出现就创造了许多奇迹，真可谓“一鸣惊人”。 经过50多年的发展，激光现在几乎是无处不在，它已经被用在生活、科研 的方方面面，如激光针灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、 激光唱片、激光测距仪、激光陀螺仪、激光铅直仪、激光手术刀、激光炸 弹、激光雷达、激光枪、激光炮等等，在不久的将来，激光将会有更广泛 的应用。 1954年制成了第一台微波量子放大器制作成功，获得了高度相干的微 波束。1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频 范围，并指出了产生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝 石激光器。1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人创 制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。
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第2章 激光技术
3．颜色极纯—高单色性
太阳光由七色光组成 太阳光的波长分布范围约在 0.76微米至0.4微米之间， 对应的颜色从红色到紫色共 7种颜色，所以太阳光谈不 上单色性。
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第2章 激光技术
1. 基本术语
（1）能级
太阳系各行星绕太阳运 转跟电子绕原子核运转 十分相似。太阳相当于 原子核，各行星相当于 核外电子，行星距太阳 的远近不同能量不一样
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第2章 激光技术
（2） 激发和辐射
在通常情况下，它们处于最低能级，叫基态．当各种频率 的光照射到物体上时，原子中的电子就从基态跃迁到激发 态．如果某种频率的光子的能量恰好等于原子的两个能级 的能量差时，这一光子将被吸收，使原子从低能级跃迁到 高级能，原子处于激发态, 当电子重新回到低能级即基态 时，就向外辐射光子，辐射出来的光子决定了我们看到的 物体的颜色．从低能级到高能级的这一过程称为激发或抽 运。这个吸收能量的过程，称作光的受激吸收。从高级回 到低能级去的过程称为跃迁，跃迁时释放的能量即辐射。 激发和辐射就好比放鞭炮。火星打在鞭炮上，鞭炮吸收能 量，从低能级到高能级，被激发，鞭炮爆炸，释放能量即 辐射出能量。
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第2章 激光技术
1．定向发光—高方向性
激光教杆笔
激光验钞机பைடு நூலகம்
老师用来指图像的激光教 杆笔发出的激光就是指向 一个方向。
激光验钞机之所以能分辨 出假钞与真钞极细微的差 别就是因为分的高方向性
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第2章 激光技术
2．亮度极高—高亮度
激光灯效果 激光光束的能高度集中并带有很高的能量，所以表现 出高亮度。有机半导体薄膜激光二极管产生的激光有 极高的亮度和效率，激光灯就是二极管激光器，看看 图片有多亮，很远很远都能看到。
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第2章 激光技术
2.2
激光的产生和特性
2.2.1 激光的产生 2.2.2 激光器的结构
2.2.3 激光器的工作原理
2.2.4 激光的特性
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第2章 激光技术
2.2.1
激光的产生
（2）激发和辐射
1. 基本术语 （1）能级
2．光与物质的作用
（1）受激吸收（2） 自发辐射 3． 粒子数反转和激光的形成 （3）受激辐射
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第2章 激光技术
光学谐振腔光子放大产生激光过程
在光学共振腔中的活性物质，受到外 加能量的激励而产生的光子可以射向 各个方向，但其中传播方向与反射镜 垂直者，则在介质中来回反射振荡。 在反射振荡的过程中，引发介质中其 他活性物质受激辐射，因此这种辐射 的强度越来越大。由于受激辐射反复 振荡产生的大量光子都具有相同的特 征和一致的传播方向，因此决定了激 光具有良好的单色性和准直的定向性。 光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反 应，雪崩似的获得放大，辐射强度借 以得到极度的增大，因此又保证了激 光的高亮度。产生强烈的激光，从部 分反射镜子一端输出。
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第2章 激光技术
1. 基本术语
（1）能级
原子核外电子绕核运转，具有 动量较大的电子在离核越远的 地方运动，而动量较小的则在 离核较近的地方运动，原子核 外电子运动的轨道是不连续的， 他们可以分成好几层，这样的 层，称为“电子层”
另外原子核有自转，原子核和 核外电子都具有能量，因此各 状态对应能量也是不连续的。 这些能量值就是能级或能层。
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第2章 激光技术
2．光与物质的作用
（3）受激辐射
当频率为（E2- E1 ）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率， 迅速地从能级E2跃迁到能级E1 ，同时辐射一个与外来光子频率、 相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。
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第2章 激光技术
2．光与物质的作用
高能级的原子就易发生受激辐射。
处于粒子数反转状态的活性系统，可以带动其他粒子大量反转即产生 “雪崩”。雪崩过程可以使光再次放大。该过程的继续进行，必须通 过一定的装置，这种装置就是光学共振腔。从共振腔中持续发出来的、 特征完全相同的大量光子就是激光。
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第2章 激光技术
2.2.2
激光器的结构
激光的应用 激光二极管伏安特性的测量
技能实训5
技能实训6 激光二极管电光转换特性的测量
本章小结
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第2章激光技术
第2章
激光技术
激光技术是一项前沿科学技术发展不可缺少 的支柱。激光器的体积日益变小，功率不断 增大，可靠性也得到了很大的提高。半导体 二极管激光器和固体激光器技术的发展十分 迅速，现今，固体激光器的平均输出功率已 从百瓦级提高到了千瓦级。半导体激光器的 功率也有很大提高，其结构和其他性能也正 在经历重大变化。与此同时，还开发出了实 用价值高的新波长和宽带可调谐激光器，包 括对人眼无伤害的1.54μ m和2μ m的激光器、 蓝光激光器和X光激光器。
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第2章 激光技术
2．光与物质的作用
（1）受激吸收
处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒 子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性 碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高 能级。这种跃迁称为受激吸收。
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第2章 激光技术
2．光与物质的作用
（2）自发辐射
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第2章 激光技术
2．激励源—— 激励(泵浦)系统
激励(泵浦)系统是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量 来源的机构或装置。为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方 法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。激励的方法很多如电激 励 、光激励 、核能激励 、热激励、化学激励等。
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第2章 激光技术
2.2.4
激光的特性
1．定向发光—高方向性 2．亮度极高—高亮度 3．颜色极纯—高单色性 4．能量密度极大 5. 高相干性，容易叠加和分离
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第2章 激光技术
2.2.4
激光的特性
激光灯表现出三种激光特性
用激光的高密度和高相干性打孔
激光有五大特性即高方向性（定向发光）、高单色性（颜色 纯）、高亮度、高密度、高相干性。
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第2章 激光技术
2.2.3
激光器的工作原理
激光物质吸收能量实现粒子数反转N2＞N1 ，受激辐射跃迁占优势, 自发辐射的光子又射向工作物质，再激发工作物质产生很多新光子（受激 辐射）。光子在传播中一部分射到反射镜上，另一部分则通过侧面的透明 物质跑掉。光在反射镜的作用下又回到工作物质中，再激发高能级上的粒 子向低能级跃迁，而产生新的光子。光子经过谐振腔中的两个反射镜多次 反射，使受激辐射的强度越来越强。促使高能级上的粒子不断地发出光来。 如果光放大到超过光损耗时（衍射、吸收、散射等损失）产生光的振荡， 使积累在沿轴方向的光从部分反射镜中射出这就形成激光 。
职业院校理论实践一体化系列教材（光电子技术专业）
《光电子技术基础与技能》
电子教案
总主编 主 编 陈振源 陈克香
主
审
陈
忠
《光电技术基础与技能》教学演示文稿
第2章 激光技术
2.1 概述
2.2
2.3 2.4
激光的产生和特性
各种物质类型的激光器 激光的的调制
2.5
2.6
激光的调Q技术
一般可以用气体放电的办法来利 用具有动能的电子去激发介质原 子，称为电激励。
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也可用脉冲光源来照射工作 介质，称为光激励。
第2章 激光技术
3．光学谐振腔
有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的 受激辐射强度很弱，无法实际应用,于是人们就想到了用光学谐振腔进 行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反 射率很高的反射镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射，少量透射 出去，以使激光可透过这块镜子而射出。
光与物质作用的三种方式的比较
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第2章 激光技术
3．粒子数反转和激光的形成
在一般情况下，处于低能级的 原子数目远远超过处于高能级 的原子数目。低能级E1原子数 目多，高能级E2原子数目少， 受激吸收占优势。
人为地施加一定能量，使高 能级E2上具有较多的粒子数 分布, 这种状态称为粒子数反转。
1．激光工作物质
2．激励源—— 激励(泵浦)系统
3．光学谐振腔