激光原理第一讲46页PPT
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激光的原理与特性PPT课件
膜及玻璃体条索,还用于虹膜周边切除术、粘连分离 术、晶体碎裂术等 • 1981年染料激光开始光动力学疗法治疗眼内恶性肿 瘤 • 1985年准分子激光切割角膜
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• 视网膜激血光管医系学统在的疾眼病科的应用的现状
• 周边部视网膜结构异常 • 黄斑病 • 青光眼 • 白内障 • 屈光性角膜手术 • 其它
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激光的输出功率虽然有个 限度，但由于其光束细(发散 特别小)，功率密度特别大， 因而其亮度也特别大.把分散 在180°范围内的光集中到 0.18°范围，亮度提高100万 倍.通过调Q等技术，压缩脉 冲宽度，还可以进一步提高 亮度.
第25页/共51页
注意： • 亮度是描述光源的参量，医学应用更关心的是被光辐射处的强度。强度与亮度
②、具有亚稳态的工作物质
• 粒子数反转：利用外来激发打破热平衡使高能 级的原子数多于低能级的原子数的这种情况
• 亚稳态：寿命比较长一点的激发态
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三能级结构
四能级结构
第12页/共51页
3、激光谐振腔(激光器的第二大部分) 光学谐振腔的作用： 1）使受激辐射光放大过程能在有限长 度的工作物质中持续进行，且在满 足阈值条件下形成光振荡，产生激光。 2）对输出激光的方向性给予限定。 3）有选频作用。
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一、激光的基本特性
1、单色性好 2、方向性好 3、亮度高强度大 4、相干性好
第19页/共51页
1、单色性好
单色性的好坏反映了光能量在频谱上分布的集中性。 光谱线宽度是衡量单色性好坏的标志 Kr灯：605.7nm, 谱线宽度=4.7*10-4nm He-Ne激光：632.8nm, 谱线宽度=4.7*10-8nm 原因: 受激辐射,光子一致; 谐振腔选频. 应用: 光的生物效应强烈地依赖于光的波长,因此激光良好的单色性在医学上具有
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• 视网膜激血光管医系学统在的疾眼病科的应用的现状
• 周边部视网膜结构异常 • 黄斑病 • 青光眼 • 白内障 • 屈光性角膜手术 • 其它
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激光的输出功率虽然有个 限度，但由于其光束细(发散 特别小)，功率密度特别大， 因而其亮度也特别大.把分散 在180°范围内的光集中到 0.18°范围，亮度提高100万 倍.通过调Q等技术，压缩脉 冲宽度，还可以进一步提高 亮度.
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注意： • 亮度是描述光源的参量，医学应用更关心的是被光辐射处的强度。强度与亮度
②、具有亚稳态的工作物质
• 粒子数反转：利用外来激发打破热平衡使高能 级的原子数多于低能级的原子数的这种情况
• 亚稳态：寿命比较长一点的激发态
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三能级结构
四能级结构
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3、激光谐振腔(激光器的第二大部分) 光学谐振腔的作用： 1）使受激辐射光放大过程能在有限长 度的工作物质中持续进行，且在满 足阈值条件下形成光振荡，产生激光。 2）对输出激光的方向性给予限定。 3）有选频作用。
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一、激光的基本特性
1、单色性好 2、方向性好 3、亮度高强度大 4、相干性好
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1、单色性好
单色性的好坏反映了光能量在频谱上分布的集中性。 光谱线宽度是衡量单色性好坏的标志 Kr灯：605.7nm, 谱线宽度=4.7*10-4nm He-Ne激光：632.8nm, 谱线宽度=4.7*10-8nm 原因: 受激辐射,光子一致; 谐振腔选频. 应用: 光的生物效应强烈地依赖于光的波长,因此激光良好的单色性在医学上具有
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_第1章_激光的基本理论
2.简并度f——同一能级所对应的不同电子运动状态 的数目(单个状态内的平均光子数)。
3.简并态—— 同一能级的各状态称简并态 例：计算1s和2p态的简并度
原子状态 n l
ml ms 简并度
1s
1
00
f1=2
1
2p
21
0
f2=6
-1
18
第一章 激光的基本原理
二、玻耳兹曼分布及粒子数反转
1. 玻耳兹曼分布(热平衡分布)
(19.77eV) 10-6 S
23
四、黑体辐射及其公式 1、描述黑体辐射的典型物理量
①单色能量密度 ,T：单位体积内，频率处于 附近
单位频率间隔内的电磁辐射能量，它是频率和温度的函 数。
注：寻求 的,T 函数形式进而确定单色辐出度的形式是当
时黑体辐射研究者们的一大目标！
②单光位波频模率密间度隔内n的：光腔波内模单式位数体。积中频率处于 附 近
n f e 2
2 (E2 E1 ) / kbT
讨论(设f i= f j) :
n1 f1
(1)如果E2 - E1很小,且满足 △E = E2 - E1＜＜kbT,则
n2 e (E2 E1 ) / kbT 1
n1
19
第一章 激光的基本原理
n f e 2
2 ( E2 E1 ) / kbT
第一章 激光的基本原理
前言
光具有波粒二象性，在描述光的性质是，可 以从其粒子性和光的波动性两个方面来描述光的 性质，进而引入了光波模式和光子模式来描述；
在激光产生的过程中，受激辐射和自发辐射 是其产生的基本原理，同时分析要实现光的受激 辐射放大需要满足集居数反转（粒子数反转）。
1
第一章 激光的基本原理
3.简并态—— 同一能级的各状态称简并态 例：计算1s和2p态的简并度
原子状态 n l
ml ms 简并度
1s
1
00
f1=2
1
2p
21
0
f2=6
-1
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第一章 激光的基本原理
二、玻耳兹曼分布及粒子数反转
1. 玻耳兹曼分布(热平衡分布)
(19.77eV) 10-6 S
23
四、黑体辐射及其公式 1、描述黑体辐射的典型物理量
①单色能量密度 ,T：单位体积内，频率处于 附近
单位频率间隔内的电磁辐射能量，它是频率和温度的函 数。
注：寻求 的,T 函数形式进而确定单色辐出度的形式是当
时黑体辐射研究者们的一大目标！
②单光位波频模率密间度隔内n的：光腔波内模单式位数体。积中频率处于 附 近
n f e 2
2 (E2 E1 ) / kbT
讨论(设f i= f j) :
n1 f1
(1)如果E2 - E1很小,且满足 △E = E2 - E1＜＜kbT,则
n2 e (E2 E1 ) / kbT 1
n1
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第一章 激光的基本原理
n f e 2
2 ( E2 E1 ) / kbT
第一章 激光的基本原理
前言
光具有波粒二象性，在描述光的性质是，可 以从其粒子性和光的波动性两个方面来描述光的 性质，进而引入了光波模式和光子模式来描述；
在激光产生的过程中，受激辐射和自发辐射 是其产生的基本原理，同时分析要实现光的受激 辐射放大需要满足集居数反转（粒子数反转）。
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第一章 激光的基本原理
激光原理课件1-1[wsg]
![激光原理课件1-1[wsg]](https://img.taocdn.com/s3/m/88da268fa0116c175f0e4807.png)
绪论
“勤学多问” 勤学多问”
认真听讲，做好笔记 独立思考，举一反三 课前预习，课后温习 认真、独立完成作业 有问题不放过，多讨论
绪论
激光的产生与发展（LASER) 激光的产生与发展（LASER)
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 理论基础 爱因斯坦（1917） 爱因斯坦（1917） 在物质与辐射场的相互作用下，构成物质的原子 或分子可以在光子的激励下产生光子的受激吸收或 受激辐射。
受激辐射和自发辐射概念
受激吸收
hv
E1
E0
受激吸收跃迁几率W12
dn12 1 W12 = ( ) St dt n1
W12 = B12 ρυ
受激辐射和自发辐射概念
受激辐射 光的受激吸收跃迁的反过程就 是受激辐射跃迁
hv
E1
hv
E0
受激辐射和自发辐射概念
受激辐射跃迁几率W21
dn21 1 W21 = ( ) St dt n2
在工业领域的应用 1、激光切割、焊 接及打标等 2、激光快速成型
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景：
在照明和装饰、娱乐领域(激光地标、激光水幕等）
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景：
在环境监测及预警领域
气体校准池
地下管道泄漏的 气体
气体泄漏遥测系统
激光束扫描区域
泄漏ห้องสมุดไป่ตู้地面的气体
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景：
hv
E1
hv
E0
绪论
激光的产生与发展（LASER) 激光的产生与发展（LASER)
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。
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 全套课件
1.1 激光简史
– 1913年，玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的 原子结构模型，并因此获得1922年诺贝尔物理学奖；
"for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them"
– 1964年，C. J. Koester和E. Snitzer研制 了第一台掺钕光纤放大器。光纤放大器现 在被广泛应用于光通讯和高能激光器中。
– 1964: Arno Penzias和Robert Wilson利 用MASER作为放大器观察3K的宇宙背景 辐射，从而证明了Big Bang Theory。他 们因此获得了1978年诺贝尔奖。
1.1 激光简史
– 1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受激 辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢原子光 谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖；
"for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum"
– 1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了 受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础；
– 1928年，Landenburg证实了受激辐射和 “负吸收”的存在；
1.1 激光简史
– 1940年，V.A Fabrikant在其博士论文中提出 了产生粒子数反转的实现方法，粒子数反转是 MASER/LASER产生的必要条件。
1.1 激光简史
• 突破
– 1956年Nicolaas Bloembergen在 哈弗大学提出了固态微波激射器的 概念， 于1956年10月在Physical Review上发表了一片又决定意义的 文章，第一台成功的设备几个月后 在Bell实验室研制出来。
《激光原理》PPT课件
对未来学习建议
深入学习激光原理相关知识
包括激光器设计、激光光束质量控 制、非线性光学等，为从事激光相 关领域工作打下坚实基础。
关注前沿动态
及时了解激光领域的最新研究进展 和前沿动态，把握发展趋势。
拓展跨学科知识
学习光学、电子学、材料学等相关 学科知识，拓宽视野，为深入研究 激光技术提供多维度支持。
实践与应用
通过实验操作、项目实践等方式， 将所学知识应用于实际问题的解决 中，提升实践能力和创新能力。
THANKS
感谢观看
液体染料激光器技术特点
具有宽调谐范围、高转换效率、短脉冲输出等优点。同时 ，液体染料激光器也存在染料稳定性差、需要定期更换等 缺点。
液体染料激光器应用领域
广泛应用于光谱学、生物医学、光化学等领域。例如，可 用于荧光光谱分析、激光医疗、光动力疗法等。
半导体材料发光机制及器件结构
半导体材料发光机制
半导体材料中的电子在导带和价带之间跃迁时，会释放出能量并以光子的形式发出。通过 控制半导体材料的能带结构和载流子浓度，可以实现不同波长的激光输出。
量子点激光器优势
宽频带可调谐、低阈值电流、高稳定性等
其他新型激光器简介
表面等离激元激光 器
利用表面等离激元效应实现光放大和激光
微腔激光器
利用微纳加工技术实现高品质因子微腔，实现低阈值激光
生物激光器
利用生物组织或细胞中的荧光物质实现激光输出，具有生 物相容性和可降解性等优点。
06
激光调制、检测与应用 技术
典型案例分析：激光雷达测距系统
工作原理
激光雷达测距系统通过发射激光 束并接收目标反射回来的光信号 ，根据光信号的时间差或相位差 计算出目标距离。
激光原理第一讲ppt课件
29
球面波
波阵面为一系列同心圆的波是球面波
➢球面简谐波方程：
U
U0 r
cost
cr
➢球面波的复数表示法：
U U0 eitkr r
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30
光子
➢ 在真空中一个光子的能量 h
式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J•s。
➢
光子具有的运动质量
mc2
hc2 hmc2
➢ 光子的动量
h h h2 p h P m c n 0cn 0 ln 02 pln 02 pk
Schawlow
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16
激光技术发展简史之一
美国休斯公司实验室一位从事 红宝石荧光研究的年轻人梅曼 在1960.5.16利用红宝石棒首 次观察到激光； 梅曼在7月7日正式演示了世 界第一台红宝石固态激光器； 他在Nature(8月16日)发表了 一个简短的通知。
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Maiman
发射 hE2E1
吸收 hE1E2
E2: 高能 ， E1级 : 低能级
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42
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33
原子的能级
物质是由原子、分子或离子组成，而原子由带正电的原子 核及绕核运动的电子组成； 电子一方面绕核做轨道运动，一方面本身做自旋运动。
-e
+e 原子核
-e 电子 角动量L=r×p
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34
原子的能级
原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：
➢主量子数n，n＝1，2，3，…大体上决定原子中电子的能 量值．不同的主量子数表示电子在不同的壳层上运动;