激光原理与应用讲第三章

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激光原理及应用 ppt课件

(Top flat)
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
13
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
16
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) 。

激光原理第三章

r2 z exp ) 2 2 w z exp i kz (1 m n) arct an( w0 kr exp[i ] 2 R( z )
2
（3-1-24)
式中 cmn 中
是归一化常数。当m0,n=0时，上式退化为基模高斯光束的表达式（3-1-21），式
欲使该式对 x 和 y 的任何值都成立,要求x和y同次幂的系数之和分别等于零. 结果可得下列两个简单的常微分方程:
2
2
dq( z ) 1 dz dP( z ) i q( z ) dz
由（3-1-6）式与其他参量无关，所以先讨论它的解及其含义。它的解很简单：
(3-1-6)
H
2x m w( z )
Hn
2y w( z )
和
分别为m阶和n阶厄米多项式。
1、垂直于光轴的横截面上的厄米－高斯分布高阶高斯光束在垂直于光轴的横截面上场振幅或光强的分布由厄米多项式与高斯函数的乘积决定：
r 2x 2y exp H [ ] H [ ] m n 2 w z w( z ) w( z )
与轴线交于z点的等相平面上的光斑半径
z z wz w0 1 w2 w0 1 z 0 0
2
2
R ( z ) z (1
w
z0 2 ) z[1 ( ) ] z z
与轴线相交于z点的高斯光束等相位面的曲率半径基模光束腰斑半径
kr 0 ( z 0) exp( ) exp[ip( z 0)] 2 z0
2
将（3-1-9）式代入（3-1-4）式 , 并令 z=0, 得 z=0 处基模的振幅分布:

激光原理与应用教案

激光原理与应⽤教案激光原理与应⽤教案⼀. 绪论本节课教学⽬标：让学⽣了解激光的历史，激光形成及发展、理论体系的形成。

让学⽣了解激光科学的分⽀及激光在军事、信息技术、医疗等⽅⾯的应⽤；本节课教学内容：1．激光的概念：激光——利⽤受激辐射的光放⼤。

LASER——Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation2．激光的发现：最早在1917年——Einstein⾸次预⾔受激辐射激光，历史上⾸先在微波波段实现量⼦放⼤（1953），1954年——C. H. Townes, I. P. Gorden, H. J. Zeiger 使⽤NH3分⼦射束实现Maser向更短波长进发——ammonia beam maser，1958年——A. L. Schawlow, C. H. Townes, A. M. PoxopoB提出将Maser原理推⼴到光波段——laser，1960年——T. H. Maiman of Bell Lab 红宝⽯⾸次实现laser l=6943? 红光（早期的名称：莱塞、光量⼦振荡器、光激射器受激光，“激光”——钱学森在1963年提出。

61年中国（亚洲）第⼀台激光器诞⽣在长春（长春光机所和光机学院），由王之江院⼠发明。

激光科学技术发展的基础学科——光谱学，物理光学，固体物理，物质结构，⽆线电电⼦学。

推动⼒——⼴阔的应⽤领域：核聚变，加⼯，热处理，通讯，测距，计量，医疗可调谐性和超短脉冲——⾼时间、空间分辨、能量分辨。

3．激光与普通光源的区别？（1）良好的单⾊性。

单⾊性指光源发射的光波长范围很⼩，测距。

（2）良好的⽅向性。

激光的光束⼏乎只沿着⼀个⽅向传输。

测距，通信。

（3）⾼亮度。

激光功率集中在极⼩的空间范围内。

切割，⼿术，军事。

（4）极好的相⼲性。

各列波在很长的时间内存在恒定的相位差。

精确测距。

4．激光的应⽤。

（1）信息科学领域。

激光原理第三章华中科技大学课件光学谐振腔幻灯片课件

• 具有这样特点的腔被称为开放式光学谐振腔。 • 除此以外，还有由两块以上的反射镜构成的折叠腔与环形腔，以及由
开腔内插入光学元件的复合腔； • 对于常用的共轴反射镜腔，当满足前面得到的稳定性条件 0 g1g2 1
时，称为稳定腔；
• 当 g1g 2 0或g1g 2 1 时，称为非稳腔； • 当 g1g 2 0或g1g 2 1 时，称为临界腔；
严格的理论证明，只要满足条件 a2 / L 1 ，则腔内损耗最低的模式仍可以近似为平面波，而 a2 / L
是光腔的菲涅尔数，它描述了光腔衍射损耗的大小。
3.2.1自由空间中的驻波
沿z方向传播的平面波可以表示为：沿-z方向传播的平面波为：
e1(z,t) E0 cos 2 (t z / )
发生重叠时的电磁场分布为：
–分别以两个反射镜的曲率半径为直径，圆心在轴线上，作反射镜的内切圆，该圆称为σ圆；
–若两个圆有两个交点，则为稳定腔；
–若没有交点，则为非稳腔； –若只有一个交点或者完全重合，
则为临界腔；
3.2光学谐振腔的模式
• 3.2.1平平腔的驻波
– 均匀平面波近似一般的开放式光学谐振腔都满足条件：a , L 在满足该条件时，可以将均匀平面波认为是腔内存在的稳定电磁场的本征态，为平行平面腔内的电磁场提供一个粗略但是形象的描述；
• 自再现模经一次往返所发生的能量损耗定义为模的往返损耗，它等于衍射损耗；
• 自再现模经一次往返所产生的相位差定义为往返相移，往返相移应为2π的整数倍，这是由腔内模的谐振条件决定的。
3.4.1开腔模式的物理概念
• 孔阑传输线
• 开腔物理模型中衍射的作用
– 腔内会随机的产生各种不同的模，而衍射效应将其中可以实现自再现的模式选择出来；

3.3 高斯光束的振幅和强度分布激光原理及应用电子课件

2z0
x2 y2 12Lz0
2
z z 0 x 2 2 R 0 y 2 R 01 x 2 R 0 2 y 2 R 0R 0 2 x 2 y 2 R 0
R 0 2 x 2 y 2 z z 0 R 0 2
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3.3.4 高斯光束的高亮度
第三章
激光器的输出特性
3
3 高斯光束传面在其法线方向上单位立体角范围内输出去的辐射功率。 B I SΩ
Ω(R)2 R22
2.一般的激光器是向着数量级约为10－6 sr的立体角范围内输出激光光束的。而普通光源发光(如电灯光)是朝向空间各个可能的方向的，它的发光立体角为4πsr。相比之下，普通光源的发光立体角是激光的约百万倍。
三章
激光器
2(z)lz im 021z(z)(z02)222
2 2 L 0
的
输 2.由波动光学知道，在单色平行光照明下，一个半径为 r 的圆孔夫琅和费衍射角
出 (主极大至第一极小值之间的夹角) 0.61r 。与上式相比较可知．高斯光束
特性
半角远场发散角在数值上等于以腰斑 0 为半径的光束的衍射角，即它已达到了衍射极限。
§.
3 3.共焦腔基模光束的理论发散角具有毫弧度的数量缀，它的方向性相当好。
3 高斯
4.由于高阶模的发散角是随着模的阶次的增大而增大，所以多模振荡时，光束的方向性要比单基模振荡差。
光
束
传
播
特
性
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共焦腔反射镜面是共焦场中曲率最大的等相位面
§.
3 4.共焦场中等相位面的分布如图(3-9)所示。

第三章激光原理光学谐振腔理论(ABCD矩阵)

g1 g 2
0 g1g2 1
L
L
g1,2
1 2 f1,2
1
R1,2
rs为实数 rs Ce js C*e js
or
rs rmax sins
r0 rmax sin
r1 Ar0 B0 rmax sin
2、每一个模在腔内往返一次经受的相对功率损耗； 3、每一个模的激光束发散角。
腔的参数唯一确定模的基本特征。
开腔傍轴传播模式的纵模特征
傍轴光线 (paraxial ray) ：光传播方向与腔轴线夹角非常小，此时可认为sin tan

开腔傍轴传播模式的纵模频率间隔(F-P腔，平面波)
单位时间内损耗的能量（P）
Q的普遍定义
E NhV P hV dN
dt
t
N N0e R
Q R
2
nL
c
前面定义 Q 1 2
R 1 2 1 不确定关系
Q

R

1

谐振腔的损耗越小，Q值越高
第二节共轴球面腔的稳定性条件
一、几何光学中的光线传输矩阵（ABCD矩阵）
纵模间隔
q

q1

q

q
1 c
2L
q
c 2L

c 2L
•纵模间隔与序数q无关，在频率尺度上等距排列；
•纵模间隔大小与腔长成反比。
三、光腔的损耗
1、损耗的种类及举例
a.几何偏折损耗； b.衍射损耗；
选择损耗
（有选模作用）
c.腔镜反射不完全引入损耗；

激光的原理和应用

激光的原理和应用激光，全称为光子激发放射。

它是由震荡原子发出的强光束，具有高亮度、单色性和方向性，广泛应用于医疗、通信、工业、科学研究等领域。

激光作为一种新兴的光源，其原理和应用非常值得关注。

一、激光的原理激光的产生是利用原子、分子或离子等粒子在外界刺激下产生电子从低能量级跃迁到高能量级，然后再自发辐射出同一频率和相位的光，最后形成强、单色、准相干、方向性好的激光束。

激光的原理主要包括三种：受激辐射、光学共振腔原理和增益介质。

其中，受激辐射原理是指在外界光的刺激下，具有一定能量的电子从低能量级跃迁到高能量级，同时放出一个与外界光频率、同相位，且能量和方向相同的光子。

光学共振腔原理则是利用两面反射镜将介质中的激光束反复反射，使光子增多，从而放大了激光束的强度。

增益介质是激光发射过程中具有产生激光所必需的放大介质，它能够将吸收的能量转化为激光能量，从而提高激光功率和稳定性。

二、激光的应用激光作为一种新兴的光源，应用范围非常广泛，下面介绍几个典型的激光应用领域：1、医学领域激光在医学领域的应用主要是通过激光束去照射人体的组织或器官，实现医疗治疗的效果。

例如，激光手术是一种高科技医疗手段，可以在减轻病人痛苦的同时提高手术的精度和效果。

其他如激光治疗近视、皮肤光纤激光剥脱术、激光疤痕修复等，也成为了常见的激光医疗领域应用。

2、工业领域激光在工业领域的应用非常广泛，例如激光切割、激光打标、激光焊接等。

激光切割技术是将激光束照射到金属板上进行切割，提高了切割的精度和效率，同时还可应用于各种形状和尺寸的材料切割。

激光打标则是用激光束对物体进行标记，可以应用在各种材料上，加工效果好，标记质量高。

3、通信领域激光在通信领域的应用主要是光纤通信。

光纤通信是一种利用激光发射器将光信号传输到纤维内，然后通过纤维将光信号传输到目标点的通信方式，与普通的电信传输方式相比，光纤通信传输的速度快、损耗低、带宽高、安全可靠。

总之，激光的原理和应用是现代科技中的必备知识，在不同领域的应用中，能够为我们带来前所未有的便利和进步。

激光原理与应用讲-第三章

§.
1
光学
(3)
谐
振
腔
的
kL
2 2q
k 2 ν c
衍射理
νmn q 2 q Lc 2cL m n2 q Lc
论
图(3-4) 腔中允许的纵模数
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第三章
激光器的输出特性3
1
光学谐振腔的衍射理论
§.
3.1.3 光学谐振腔谐振频率和激光纵模
光器
u m C m n F m ( X n ) F n ( Y ) I m u m 2 n F m 2 n ( X ) F n 2 ( Y )
的
图(3-5)画出了m = 0，1，2和n = 0，1的 F m (X ) X 及 F n(Y ) Y 的变化曲线，同
输
时还画出了相应的光振动的镜面光强分布：
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第三章
激
光 3.1.1 菲涅尔-基尔霍夫衍射公式
器
的
1.惠更斯－菲涅耳原理
输
出特性3
1
§.
为描述波的传播过程惠更斯提出了关于子波的概念，认为波面上每一点可看作次球面子波的波源，下一时刻新的波前形状由次级子波的包络
光面所决定。
图3-1 惠更斯-菲涅耳原理
u m C n m H m n ( X ) H n ( Y ) e X 2 2 Y 2 ;其 X x 中 2 L ,Y y2 L
出
特性3
i[k L(mn1)]
本征值近似解： mne
2
§.
2
对称
Hm(X)和Hn(Y)均为厄密多项式，其表示式为：

激光技术的原理与应用

激光技术的原理与应用激光技术是一种高科技领域，具有种类繁多、应用广泛的特点。

多年来，激光技术在各个领域得到了广泛的应用，比如军事、工业、医疗等。

本文将从激光技术的原理和应用出发，介绍激光技术的一些重要概念，以及它在各个领域的应用情况。

一、激光技术的基本原理激光技术的核心原理是光的放大和受激辐射。

光子本身带有能量，当它从一个高能级态跃迁到低能级态时，会释放出能量。

在外加光的刺激下，原子发生这种跃迁，结果会释放出新的光子，两束光子相遇后会共同增强。

这种刺激过程会在光谱线的频率、相位、偏振和脉冲时间等方面得到扩展。

二、激光技术的分类激光技术通常可分为气体激光、固体激光和半导体激光三种类型。

其中，气体激光包括氦氖激光、二氧化碳激光、氦氖氖氦激光等；固体激光有用于医疗用途的Nd：YAG激光和用于机械加工的铬铍宝石激光等；半导体激光有基于半导体电器的二极管激光、垂直腔面发射激光等。

三、激光技术的应用1、激光切割激光切割是指利用激光束照射物体表面而引发的物理反应将物体进行切割。

其原理在于，激光束直接作用于工件的表面，将其表面地区加热并熔化或汽化，使得物体在经过激光束的照射后被切割。

激光切割广泛应用于汽车、电子、家电、金属材料加工等行业。

2、激光雕刻激光雕刻是利用激光束对物体的表面进行精细的雕刻工作，是一种高精度加工技术。

其核心技术源于激光束和物体表面之间的相互作用，通过对不同材料的适应性处理，方便创造出复杂多样的加工效果。

目前激光雕刻技术被广泛应用于制造业、纺织品印刷等领域。

3、激光测量激光测量是指利用激光束对物体进行测量的技术。

其采用无接触式的测量方式，能够高效测量物体的大小、形状、距离等参数。

激光测量的主要应用领域包括机器人、制造业、城市规划、天文学、水文学等。

4、激光打印激光打印是指通过激光束对印刷材料进行精确的打印处理。

相比于传统的印刷方式，激光打印具有更高的精度和更小的激光打印头。

激光打印的应用领域主要包括教育、科学研究、生产、广告等。

激光原理与应用：相干性和单色性

PART FOUR
激光具有高相干性，能够实现精确的干涉和测量激光具有单色性，能够提供单一波长的光束，适合于各种光谱分析和科学研究激光具有高亮度，能够实现远距离的传输和聚焦激光具有高方向性，能够实现定向照射和精确控制光束的传播方向
成本高昂：激光器及其配件价格昂贵，增加了使用成本稳定性问题：激光的相干性和单色性可能导致稳定性问题，需要精密的调整和维护安全性问题：激光的强能量和高亮度可能对眼睛和皮肤造成伤害，需要采取安全措施应用范围有限：虽然激光在某些领域具有广泛的应用，但在其他领域的应用仍然有限
汇报人：XXX
相干性的应用：在光学干涉测量、光学显微镜、全息成像等领域有广泛应用
定义：激光的单色性是指激光的频率宽度极窄，具有高度单一的波长。
产生原因：由于激光的谐振腔对不同波长的光具有不同的反射系数，使得只有某一特定波长的光能够通过谐振腔并被放大，从而实现单色性。
应用：单色性使得激光在光谱分析、光学通信、医学诊断等领域具有广泛的应用。
XXX,a click to unlimited possibilities
汇报人：XXX
CONTENTS
PART ONE
PART TWO
相干性定义：描述光波在空间不同点上相位关系是否一致的物理量
相干性与干涉现象：相干性好的光波能够产生明显的干涉现象，相干性差的光波则难以观察到干涉现象激光的相干性：由于激光的相干性好，因此能够产生明显的干涉现象，这是激光的一个重要特性
优势：单色性好，能够实现高精度、高分辨率的测量和成像。
PART 表面形貌等光学通信：利用相干光进行信息传输，提高通信质量和稳定性光学雷达：利用相干激光雷达进行距离、速度、角度等测量光学成像：利用相干激光进行高分辨率、高对比度成像

激光原理第三章习题

思考练习题31．腔长为0.5m 的氩离子激光器，发射中心频率0ν＝5.85⨯l014Hz ，荧光线宽ν∆＝6⨯l08 Hz ，问它可能存在几个纵模?相应的q 值为多少？ (设μ=1)答：Hz L cq 881035.0121032⨯=⨯⨯⨯==∆μν， 210310688=⨯⨯=∆∆=q n νν，则可能存在的纵模数有三个，它们对应的q 值分别为： 68141095.11031085.522⨯=⨯⨯=⨯=⇒=νμμνc L q L qc ，q ＋1=1950001，q －1＝19499992．He —Ne 激光器的中心频率0ν＝4.74×1014Hz ，荧光线宽ν∆＝1.5⨯l09Hz 。

今腔长L ＝lm ，问可能输出的纵模数为若干？为获得单纵模输出，腔长最长为多少？答：Hz L cq 88105.11121032⨯=⨯⨯⨯==∆μν，10105.1105.189=⨯⨯=∆∆=q n νν 即可能输出的纵模数为10个，要想获得单纵模输出，则：m c L Lcq 2.0105.1103298=⨯⨯=∆<∴=∆<∆νμμνν 故腔长最长不得大于m 2.0。

3．（1）试求出方形镜对称共焦腔镜面上30TEM 模的节线位置的表达式(腔长L 、光波波长λ、方形镜边长a )（2）这些节线是否等间距？答：（1）πλλπ43,02128)1()(0)(X F 213333323322L x x LxX X X e dX d eX H eX H X XX ±==⇒⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫=-=-==--）＝（（2）这些节距是等间距的4．连续工作的CO 2激光器输出功率为50W ，聚焦后的基模有效截面直径2w ＝50μm ，计算(1)每平方厘米平均功率(50W 为有效截面内的功率) (2)试与氩弧焊设备(104W ／cm 2)及氧乙炔焰(103W ／cm 2)比较，分别为它们的多少倍？答：（1）每平方厘米的平均功率为：26242/10546.2)1025(50W50cm W ⨯=⨯=-ππω（2）6.2541010546.246=⨯；是氩弧焊的6.254倍。

[激光原理及应用(第4版)][陈家璧, (13)[6页]

s
2
s
3.在共焦腔中心(z＝0)的截面内的光斑有极小值，称为高斯光束的束腰半径
0
1 1 s 2 2
L
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3.3.1 高斯光束的振幅和强度分布
第三章激光器的输出特性
§
3 3 高斯光束传播特性 .
图(3-8) 基模光斑半径随z按双曲线规律的变化
3.3.1 高斯光束的振幅和强度分布
第三章激光器的输出特性
§
3 3 高斯光束传播特性 .
1. 基横模TEM00的场振幅U00和强度I00分布分别为：
2 x2 y 2 U 00 exp 1 2 2 s
I 00 U 00
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3.3.4 高斯光束的高亮度
第三章激光器的输出特性
§
3 3 高斯光束传播特性 .
1. 亮度B:单位面积的发光面在其法线方向上单位立体角范围内输出去的辐射功率。 I B SΩ
2 ( z ) z z
2.由波动光学知道，在单色平行光照明下，一个半径为 r 的圆孔夫琅和费衍射角 (主极大至第一极小值之间的夹角) 0.61 r 。与上式相比较可知．高斯光束半角远场发散角在数值上等于以腰斑0 为半径的光束的衍射角，即它已达到了衍射极限。 3.共焦腔基模光束的理论发散角具有毫弧度的数量缀，它的方向性相当好。 4.由于高阶模的发散角是随着模的阶次的增大而增大，所以多模振荡时，光束的方向性要比单基模振荡差。
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3.3.2 高斯光束的相位分布

激光光谱技术及应用第三章

述光学谐振腔的储能与损耗关系的参数，称为品质因数。
腔的Q值与腔的损耗成反比，损耗越小Q值越高。
Q开关的思想：设法控制光腔在泵浦期间的损耗，使在泵浦前期腔的损耗很大，光的增益超过不了损耗，达不到激光起振的阈值；在泵浦脉冲作用下粒子数反转数持续增长，待粒子反转数积累到很大数量，介质的增益足够大时，突然减小损耗，于是光的增益将大大超过损耗，在瞬间建立起很强的激光。 Q开关技术通常分为主动调Q与被动调Q两大类，其中主动调Q是采用外界控制的调制
由于总的粒子数是一定的，因此三分速率之和为零。引进泵浦率
r p B20 N0 N2 N
Nr 为将粒子从能级0泵浦到能级2的净速率。当粒子数达到平衡时，有下式成立
N2 A21 B21 N1 A10 B21
(3-10)
N1 A10 N2 A20 rN
如果光束不是基模，则(3-4)式变为
r 2 2 z ik r 2 2 R z i kz E x, y, z E0 0 H m x k L H n y k L e e e z

(3-5)
这里我们略去理论推导，直接给出腔内场的完整表达式
r 2 2 z ik r 2 2 R z i kz E x, y, z E0 0 e e e z
(3-4)
它以高斯函数形式描述光束中的场分布，所以称为高斯光束。
ik eik ES x, y ES x, y ds 1 cos S 4
(3-2)
由于矩形的反射镜对x，y轴是对称的，因此可将 Es(x , y)和 Es′ (x′ , y′)分解为 x，y两

激光原理及应用复习资料(1)

3. 为什么自然界没有天然的增益介质自然界中物质种类丰富，并不是每一种介质都能够产生激光，作为激光增益介质，这种介质必须具有适于产生受激辐射的能级结构，即有三个或三个以上的能级，这样才能够实现粒子数反转分布，它可以是气体、液体或固体状态，还要具有良好的光学特性，如光学性质均匀，光学透明性良好，且性能稳定，以及具有有较高的量子效率。现有能够作为激光增益介质的材料种类繁多，可产生的激光波长覆盖从真空紫外到红远外波段。
尖峰：激光器开启时所发生的不连续的、尖锐的、大振幅脉冲。（激光尖峰与弛豫振荡具体内容见书） 24.兰姆下陷：当激光器振荡模的频率被调谐至介质跃迁中心频率 0 时，输出功率呈现出某种程度的降低。下陷宽度（介质中均匀加宽的线宽）。 25.均匀加宽激光器的模竞争：当数个模同时起振时必然存在诸模竞争反转原子
（3.添加）激光器的分类（记两三个例子）：
①按工作物质的物态分类：气体激光器：氦氖激光器，co2 激光器，氩离子激
光器等。
②固体激光器：红宝石激光器，钇铝石榴石激光器，硅酸盐等。
③半导体激光器：砷化镓，硫化镉。
④液体激光器：。。化学激光器：。。自由电子激光器：。。X 射线激光器。。光纤激
光器。
第二章：激光的物理学基础
q q 1 -q C （详见书）。 2nL
29.横模图形及线偏振腔模结构见书 30.解释①横模：腔内电磁场在垂直于其传播方向的横向 X-Y 面内也存在稳定的场分布，称为横模。解释②横模：在腔镜面上经过一次往返传播后能“自再现”的稳定光场分布称为自再现模或横模。 ③横模特点：光能集中在光斑中心部分，而边缘部分光强甚小。
则处于低能级 E1 上的院子由于吸收这个能量为 h 21 的光子而受到激发跃迁到高
能级 E2 上去，此物理过程称为光的受激吸收。

激光原理、技术与应用课件：3_3 高斯光束的传播特性

②饱和吸收染料选模。因TEM00模的功率密度高，在染料中很容易饱和而使染料变得透明。但高阶横模其功率密度低，不易“漂白”染料，两者的损耗具有较大的差异，从而达到选基模的目的。
③调节腔镜选模。光学谐振腔的反射镜主光轴与激活介质的轴线重合时，不同横模的衍射损耗都较小，当镜轴与腔轴偏离时，则不同横模的衍射损耗都会相应增加。因高阶横模损耗大，受到影响较大。而基横模损耗小，受到影响小，容易获得基模输出，但输出功率会因此而下降。
R(z0) 0
zz 0 0
6.当 z0 0 时，
R(z0) 0 z z 0 0
——共焦腔的等相面是凹面向着腔的中心的球面
结论:在z ＜ 0 处,光束是沿着z的方向传播的会聚球面波;
在z = 0处变成一个平面波;
在 z＞0处又变成发散球面波。
三.共焦场的等相位面的分布图
共焦场等相面的分布可以证明：如果在场的任意一个等相位面处放上一块具有相应曲率的反射镜片,则入射在该镜片上的场将准确地沿着原入射方向返回,这样共焦场分布将不会受到扰动.这是非常重要的性质.
此法虽扩大了基模体积，但由于使用了二个透镜，增加了腔内损耗，而且调整困难。腔内存在聚焦光束，使光阑处的光功率密度过高，易使光阑烧坏，因此光阑材料须选用高熔点金属或蓝宝石一类特殊材料。故不适用大功率、大能量激光器件。
补
补 ③“猫眼”谐振腔。将聚焦光阑装置再作改进，即将平面镜移到焦点处贴近光阑，在透镜处放置另一个较大的光阑，此称为“猫眼”腔。它具有高选模性、模体积大、腔长短、结构紧凑等优点。但腔镜处于焦点位置，要求镜面能耐受强光照射。
介质能量的提取就大，对模式振荡作贡献的粒子数越多，就有可能获得大的输出功率。
图(3-8) 基模光斑半径随z按双曲线规律的变化

激光的原理与应用

激光的原理与应用激光（Laser）是一种通过能量跃迁引发的高度集中、单色性良好的光束。

它的独特性质使其在科学研究、医学、通信、制造等众多领域有着重要的应用。

本文将介绍激光的原理、分类以及其在不同领域的应用。

一、激光的原理激光产生的基本原理是基于物质在受到外界电磁波激励时发生非平衡的电子跃迁过程。

这种非平衡状态下，物质内部的电子在吸收光子并发生跃迁后，会进一步促成其他电子跃迁，从而在物质中形成一个偏离热平衡态的“粒子泵浦”系统，即光谱线增强。

当这种类型的粒子泵浦达到一定程度时，就会发生受激辐射的过程，即通过发射光子的方式释放能量。

这一过程通过光学谐振腔增益放大，最终形成激光束。

二、激光的分类根据激光器的工作介质和工作方式的不同，可以将激光分为固体激光器、液体激光器、气体激光器以及半导体激光器等多种类型。

固体激光器是利用固体可吸收外界能量发出激光的装置，常用的工作介质有Nd:YAG、Nd:YVO4等。

液体激光器则是使用各种有机染料作为工作介质，能够实现连续调谐激光的波长。

气体激光器通过使用气体放电产生激发态气体而发出激光，其中最具代表性的是二氧化碳激光器。

半导体激光器是利用半导体材料在外界电流注入下产生激光辐射，具有体积小、功耗低的优点。

三、激光的应用1. 科学研究领域：激光在科学研究中有广泛应用，其中包括光谱分析、材料表征、粒子悬浮等。

通过激光器对物质的照射，可以探测物质的成分、结构、性质等信息，为科学家们提供了重要的研究手段。

2. 医学与生物领域：激光在医学领域的应用十分广泛。

激光手术是一种创伤小、恢复快的手术方式，被广泛应用于眼科手术、皮肤整形、血管疾病治疗等。

此外，激光还可以用于药物释放、成像和生物分子探测等方面，推动了生物医学研究的发展。

3. 通信领域：激光器在光通信中发挥着重要的作用。

激光光源可以提供高速、稳定、可调的光信号，作为信息传输的载体。

光纤通信系统、激光雷达等都离不开激光技术的支持，为人们提供了便捷的通信手段。

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* i
kT
)
n：体系单位体积内的单分子数。 21
过饱和体系中，所有与临界晶核相碰撞的分子都不反射，成核率 I 等于在单位时间内气相分子（气固相转变）与临界晶核的碰撞次数
I

Z C Sn
* i
Zc：单位时间内，一个分子与临界晶胚单位面积表面相碰的次数；S：一个临界晶胚的表面积。
由统计力学而知:
ZC
②重新拆散为单个分子。晶胚:形成的小集团。
13
设小集团的形成是二分子过程，a1：一个气体分子；a2：由两个气体分子连接而成的晶胚
‥‥‥
ai：由i个气体分子连结而成的晶胚。它们的形成过程可用一连串的反应表示:
a1+a1 a1+ a2
a1+ai-1
a2 a3 ......
ai
注意：忽略了小集团之间相碰撞和几个分子之间同时相碰撞的情况（出现的几率小）。
C1 C0
结论：只要C1＞C0，G＜0，过程就能自发进行。
8
（2）熔体中生长。凝固温度下，相变过程中单位体积自由能的变化
gV S( T ) L ( T )
S（T）、L（T）：分别表示体系在凝固温度T时，固液两相单位体积的自由能。熔点温度TM，固-液两相平衡时有
S( TM ) L ( TM )
σ α S=σ β S+σ α β cosθ σ β S-σ α S=-σ α β cosθ
G非均
(4r 2

4 3
r
3
gV
)
f
(
)
f ( ) 1 (2 cos )(1 cos )2
4
体系状态不变时，θ 为常数，f（θ ）也为常数。

激光的原理与应用

激光的原理与应用激光（laser）是一种通过受激辐射产生的高度聚焦、单色、相干光束的光源。

作为一项重要的科学技术，激光已经在多个领域展现出了其独特的应用优势。

本文将从激光的原理出发，探讨其在医学、通信和材料加工领域的应用等方面。

一、激光的原理激光的产生过程基于受激辐射的原理。

在一个激光器中，首先通过能量输入，激发物质中的原子或分子达到能级的激发态。

接着，通过另一种辐射源向激发态的原子或分子发送光子。

这些光子与激发态的原子或分子相互作用，导致它们从激发态跃迁回到低能级，释放出并与输入的光子具有相同频率的光子。

这个过程叫做受激辐射。

光子们相继受激辐射，最终将产生一束具有高度纯净度和相干性的单色光束，即激光。

二、激光在医学上的应用1. 激光治疗激光在医学中被广泛应用于手术、治疗和诊断等方面。

例如，激光可以通过高度聚焦的特性，用于眼科手术中的激光角膜磨镶术（LASIK）以及皮肤科手术中的激光去除皮肤瑕疵。

此外，激光还可以用于肿瘤治疗。

通过将激光引导到患处，选择性地杀死肿瘤细胞，从而实现无创性的肿瘤治疗。

2. 激光诊断激光在医学诊断中的应用也非常广泛。

例如，激光可用于光声成像技术，通过将激光照射到被检测的组织上，利用超声波信号检测和成像组织内部的结构和功能，从而实现无创、高分辨率的组织成像。

此外，激光也可以应用于荧光成像技术中，通过利用激光激发染料发出的特定波长的荧光信号，实现对组织或细胞的高灵敏度检测。

三、激光在通信领域的应用激光在通信领域的应用也是非常重要的。

由于激光具有高度聚焦、单色和相干性的特点，使其成为信息传输的理想光源。

通过将激光器作为信号发射源，将信息转化为光脉冲信号，然后通过光纤传输，最终实现高速、大容量和低损耗的光通信。

激光通信不仅在有线通信中得到广泛应用，还被广泛运用于激光器甚至是卫星通信等现代通信系统。

四、激光在材料加工中的应用激光在材料加工中的应用也是非常广泛的。

利用激光的高度聚焦能力和能量密度大的特点，可以实现精确且高效的材料加工。

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