激光器的原理及应用-PPT(精)讲述资料
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激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用激光器是一种能够产生高度聚焦、具有高纯度、高单色性的光束的装置。
它的工作原理是通过将一些能量源输入到激光介质中，从而激发介质中的原子或分子跃迁到一个激发态，然后在受激辐射的影响下，将能量原子或分子从激发态跃迁到一个更低的能级，从而产生出高度聚焦、单色性良好的激光光束。
激光器可以应用于多个领域，下面将介绍一些典型的应用。
首先是激光器在医疗领域的应用。
激光可以用于低侵入性手术，如激光抛光、激光热凝固等，这些手术使用激光器可以减少创伤和出血，使手术更加安全和有效。
此外，激光还可以用于治疗皮肤病、眼科手术和癌症治疗等，因为激光可以精确地照射到目标组织，达到切除或破坏病变组织的目的。
其次是激光器在通信领域的应用。
激光可以用于光纤通信系统中的激光器发射端和接收端。
在激光器发射端，激光器产生的激光光束可以通过光纤传输数据，传输效率高、带宽大，可以满足高速数据传输的需求。
在激光器接收端，激光可以被光探测器接收并转换成电信号，进一步处理和传递。
激光器在光纤通信系统中发挥着非常重要的作用，是现代通信技术的关键。
另外，激光器还在制造业中有广泛的应用。
激光可以被用来切割、焊接、打孔、打标等。
比如，激光切割可以通过将高能量密度的激光束直接照射在材料上，使材料熔化、汽化，从而实现切割。
此外，激光打标可以将图案或文字刻在各种材料上，广泛应用于包装、饰品、汽车零配件等制造行业。
此外，激光器还应用于测距、测速、光谱分析等领域。
激光测距原理是通过发送激光脉冲并测量其返回时间来计算出物体与激光器的距离，被广泛应用于测绘、地质勘探、机械制造等领域。
激光测速原理是通过测量激光光束的多普勒频移来计算速度，被广泛应用于交通违章监控、车辆测速等。
激光光谱分析可以通过测量物质吸收、发射或散射激光光束的方式，获得物质的化学成分、构造和性质。
总的来说，激光器作为一种具有特殊光学特性的光源，被广泛应用于医疗、通信、制造业和科学研究等领域。
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) 。
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
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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
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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) 。
激光原理及应用ppt课件
• 加装Beam Shaping 的镜组，激光的Beam Profile由高斯光（Gaussian）改为Top Hat，制程速度可提高2-4倍以上。
ser Attenuator（激光衰减）
现有调节激光功率的方法： • 调节电流：会改变激光的光束截面（Beam Profile），会影响打出来的线宽和焦点。 • 调节频率Repetition Rate (Hz) ：会影响激光能量和刻划线宽。
(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
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4.重叠率计算——Overlap
目录
一：激光产生原理 二：激光刻划原理 三：激光扫边原理
1
激光产生原理
1.激光定义：
激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取 自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组 成的缩写词。意思是“通过受激发射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的 主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。
• 晶体腔：产生最原始的激光（包含YAG晶体，LED光源，电源）； • 全反光镜：使光完全反射回去，增大光强度； • 半反射镜：反射75%的光，只有满足一定直线性，能量和波长的光才能通过，大约25%； • Q-Switch：分X轴和Y轴，控制激光输出能量，得到能量较强，持续时间较长的光束； • 功率计：量测输出的激光能量大小； • Shutter：控制激光输出的一个开关。
ser Attenuator（激光衰减）
现有调节激光功率的方法： • 调节电流：会改变激光的光束截面（Beam Profile），会影响打出来的线宽和焦点。 • 调节频率Repetition Rate (Hz) ：会影响激光能量和刻划线宽。
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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
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4.重叠率计算——Overlap
目录
一：激光产生原理 二：激光刻划原理 三：激光扫边原理
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激光产生原理
1.激光定义：
激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取 自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组 成的缩写词。意思是“通过受激发射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的 主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。
• 晶体腔：产生最原始的激光（包含YAG晶体，LED光源，电源）； • 全反光镜：使光完全反射回去，增大光强度； • 半反射镜：反射75%的光，只有满足一定直线性，能量和波长的光才能通过，大约25%； • Q-Switch：分X轴和Y轴，控制激光输出能量，得到能量较强，持续时间较长的光束； • 功率计：量测输出的激光能量大小； • Shutter：控制激光输出的一个开关。
激光原理及应用PPT课件
激光治疗
通过激光照射病变组织，达到治 疗目的，如激光治疗近视、祛斑
等。
激光手术
利用激光进行微创手术，具有出 血少、恢复快、精度高等优点， 如激光心脏手术、激光眼科手术
等。
激光诊断
利用激光光谱技术对人体组织进 行检测和分析，为疾病诊断提供
依据。
军事国防领域应用
激光雷达
利用激光雷达进行目标探测、识别和跟踪，具有高分辨率、抗干 扰能力强等特点。
微型化与集成化
发展微型激光器，实现与其他光电器件的集成，推动光电子集成技 术的发展。
新型激光技术
研究新型激光技术，如光纤激光器、化学激光器等，拓展激光器的 应用领域。
高功率、高效率、高稳定性挑战
高功率激光器
提高激光器的输出功率，满足高能激光武器、激光聚变等领域的 需求。
高效率激光器
优化激光器的能量转换效率，降低能耗，提高激光器的实用性。
02
03
工作原理
通过激励固体增益介质 （如晶体、玻璃等）中的 粒子，实现粒子数反转并 产生激光。
特点
结构紧凑、效率高、光束 质量好。
应用领域
工业加工、医疗、科研等。
气体激光器
工作原理
利用气体放电激励气体分子或原子， 使其产生能级跃迁并辐射出激光。
特点
应用领域
激光切割、焊接、打孔等工业应用。
输出功率大、光束质量好、效率高。
激光原理及应用PPT课 件
contents
目录
• 激光原理基本概念 • 激光技术发展历程及现状 • 激光器类型及其特点分析 • 激光在各领域应用案例分析 • 激光安全问题及防护措施探讨 • 未来发展趋势预测与挑战分析
激光原理基本概念
激光原理与技术完整ppt课件
够存在于腔内的驻波(以某一波矢k为标志)称为电磁被的模式或光波模。一种模式是电
磁波运动的一种类型，不同模式以不同的k区分。同时，考虑到电磁波的两种独立的偏振，
同一波矢k对应着两个具有不同偏振方向的模。
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9
下面求解空腔v内的模式数目。设空腔为V=ΔxΔyΔz的立方体，则沿三个
坐标轴方向传播的波分别应满足的驻波条件为
第八章 激光器特性的控制和改善
8.1 模式选择 8.2 频率稳定 8.3 Q调制 8.4 注入锁定 8.5 锁模
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5
第九章 激光器件
9.1 固体激光器 9.2 气体激光器 9.3 半导体激光器 9.4 染料激光器
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6
第一章 激光的基本原理
本章概激光器基本原理。讨论的重点是光的相干性和光波模式的联系、光的受激辐
（1.1.4）
式中E0为光波电场的振幅矢量，ν为单色平面波的频率，r为空间位置坐标矢量，k为波
矢。而麦克斯韦方程的通解可表为一系列单色平面波的线性叠加。
在自由空间，具有任意波矢k的单色平面波都可以存在。但在一个有边界条件限制的
空间V(例如谐振腔)内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波。这种能
第六章 激光器的放大特性
6.1 激光放大器的分类 6.2 均匀激励连续激光放大器的增益特性 6.3 纵向光均匀激励连续激光放大器
的增益特性 6.4 脉冲激光放大器的增益特性 6.5 放大的自发辐射（ASE） 6.6 光放大的噪声
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4
第七章 激光振荡的半经典理论
7.1 激光振荡的自洽方程组 7.2 原子系统的电偶级距 7.3 密度距阵
二、光波模式和光子状态相格 从上面的叙述已经可以看出，按照量子电动力学概念，光波的模式和光子的状态是等
激光器简介介绍
光测距等。
05 激光器的未来发展趋势和 挑战
高功率激光器的研发和应用
高功率激光器在国防、工业和 医疗等领域具有广泛的应用前 景。
研发高功率激光器的关键在于 提高输出功率、光束质量和稳 定性，以及降低制造成本。
高功率激光器在材料加工、激 光雷达、照明和通信等领域已 取得重要进展。
超快激光器的研发和应用
应用
二氧化碳激光器在医疗美容中应用广 泛，如激光手术刀、皮肤美白等。
固体激光器
特点
体积小、重量轻、效率高、操作简单。
应用
用于材料加工、打标、雕刻等领域。
液体激光器
特点
输出波长可调、效率较高。
应用
用于生物医学、光谱学等领域。
半导体激光器
要点一
特点
体积小、寿命长、价格便宜。
要点二
应用
用于光纤通信、数据存储等领域。
激光打标
利用激光的高能量密度在 物体表面刻印图案、文字 或编码等标识，实现高效 、环保的打标方式。
激光焊接
通过激光束将两个或多个 材料连接在一起，具有高 精度、高强度和高密封性 等优点。
医学领域
激光治疗
利用激光的能量照射人体组织， 通过热能、光化学效应等作用达 到治疗目的，如激光手术、激光
美白等。
感谢您的观看
光纤激光器
特点
输出波长稳定、效率高、光束质量好。
VS
应用
用于高速光纤通信、激光雷达等领域。
03 激光器的组成和工作02
03
04
增益介质
用于提供能量放大作用，通常 由气体、液体、固体或半导体
等材料组成。
泵浦源
用于向增益介质提供能量，通 常采用光、电、化学等方法。
05 激光器的未来发展趋势和 挑战
高功率激光器的研发和应用
高功率激光器在国防、工业和 医疗等领域具有广泛的应用前 景。
研发高功率激光器的关键在于 提高输出功率、光束质量和稳 定性，以及降低制造成本。
高功率激光器在材料加工、激 光雷达、照明和通信等领域已 取得重要进展。
超快激光器的研发和应用
应用
二氧化碳激光器在医疗美容中应用广 泛，如激光手术刀、皮肤美白等。
固体激光器
特点
体积小、重量轻、效率高、操作简单。
应用
用于材料加工、打标、雕刻等领域。
液体激光器
特点
输出波长可调、效率较高。
应用
用于生物医学、光谱学等领域。
半导体激光器
要点一
特点
体积小、寿命长、价格便宜。
要点二
应用
用于光纤通信、数据存储等领域。
激光打标
利用激光的高能量密度在 物体表面刻印图案、文字 或编码等标识，实现高效 、环保的打标方式。
激光焊接
通过激光束将两个或多个 材料连接在一起，具有高 精度、高强度和高密封性 等优点。
医学领域
激光治疗
利用激光的能量照射人体组织， 通过热能、光化学效应等作用达 到治疗目的，如激光手术、激光
美白等。
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光纤激光器
特点
输出波长稳定、效率高、光束质量好。
VS
应用
用于高速光纤通信、激光雷达等领域。
03 激光器的组成和工作02
03
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增益介质
用于提供能量放大作用，通常 由气体、液体、固体或半导体
等材料组成。
泵浦源
用于向增益介质提供能量，通 常采用光、电、化学等方法。
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。
激光原理及应用 PPT课件
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激光的产生
产生激光需要三个条件：一要具有适当能级结构、能产生受激辐射光放 大的工作物质(激光物质)；二要使激活物质发出激光的能源(激励能源)；三 要有一个维持光振荡的谐振腔(光学谐振荡)。
• 1.粒子数反转
受激辐射是产生激光的基础。但是当能量为hv=En-Em的光子在物质中 传播时，通常有两种过程，一方面可能引起受激辐射，形成光放大过程；另 一方面，由于存在光吸收，处于低能级Em上的原子可能吸收光子跃迁到高 能级En上去，从而使物质中传播的光子因吸收而减少。光放大和光吸收这两 个过程在物质中是同时发生的，光放大会使光子数增加，光吸收会使光子数 减少，这两个过程究竟哪个占优势，取决于处于高能级En的原子数和处于低 能级Em的原子数。若处于En的原子数多，则受激辐射的光放大占优势；反 之，则光吸收占优势。因此，要形成激光，必须使受激辐射占优势。
激光在医学上的应用
• 激光诊断、手术和治疗： 激光层析造影 激光荧光 诊断 光动力学治疗（PDT）技术 激光 心脏 打孔 激光光纤内窥镜手术 ......
激光武器的应用
激光武器用于杀伤敌重武器装备时，需要较高的能量，通常称为高能 激光武器称激光炮。目前美国已研制出机载和车载激光炮。激光炮的威力 强大，命中率极高。由于强激光束具有很强的烧蚀作用、幅射作用和激光 效应，因而对武器装备具有很大的破坏力。激光武器可以破坏制导系统、 引爆弹头和毁坏壳体、拦击制导炸弹、炮弹、导弹、卫星、飞机、巡航导 弹和破坏雷达、通信系统等。激光摧毁卫星可由地面、空中和空间进行。 目前一个激光器的能量还无法将高轨卫星摧毁，但能用几个激光器同时对 准1颗卫星进行攻击将其摧毁。空间激光反卫星是将激光器装在卫星或航天 飞机上，攻击对方的卫星；空中激光反卫星是将激光器装在飞机上攻击卫 星，它可克服地面发射激光攻击卫星的许多缺点，但不如航天器攻击卫星 那么理想，因航天器比飞机平稳，没气流和飞行振动的干扰，激光的能量 可充分发挥。
激光的产生
产生激光需要三个条件：一要具有适当能级结构、能产生受激辐射光放 大的工作物质(激光物质)；二要使激活物质发出激光的能源(激励能源)；三 要有一个维持光振荡的谐振腔(光学谐振荡)。
• 1.粒子数反转
受激辐射是产生激光的基础。但是当能量为hv=En-Em的光子在物质中 传播时，通常有两种过程，一方面可能引起受激辐射，形成光放大过程；另 一方面，由于存在光吸收，处于低能级Em上的原子可能吸收光子跃迁到高 能级En上去，从而使物质中传播的光子因吸收而减少。光放大和光吸收这两 个过程在物质中是同时发生的，光放大会使光子数增加，光吸收会使光子数 减少，这两个过程究竟哪个占优势，取决于处于高能级En的原子数和处于低 能级Em的原子数。若处于En的原子数多，则受激辐射的光放大占优势；反 之，则光吸收占优势。因此，要形成激光，必须使受激辐射占优势。
激光在医学上的应用
• 激光诊断、手术和治疗： 激光层析造影 激光荧光 诊断 光动力学治疗（PDT）技术 激光 心脏 打孔 激光光纤内窥镜手术 ......
激光武器的应用
激光武器用于杀伤敌重武器装备时，需要较高的能量，通常称为高能 激光武器称激光炮。目前美国已研制出机载和车载激光炮。激光炮的威力 强大，命中率极高。由于强激光束具有很强的烧蚀作用、幅射作用和激光 效应，因而对武器装备具有很大的破坏力。激光武器可以破坏制导系统、 引爆弹头和毁坏壳体、拦击制导炸弹、炮弹、导弹、卫星、飞机、巡航导 弹和破坏雷达、通信系统等。激光摧毁卫星可由地面、空中和空间进行。 目前一个激光器的能量还无法将高轨卫星摧毁，但能用几个激光器同时对 准1颗卫星进行攻击将其摧毁。空间激光反卫星是将激光器装在卫星或航天 飞机上，攻击对方的卫星；空中激光反卫星是将激光器装在飞机上攻击卫 星，它可克服地面发射激光攻击卫星的许多缺点，但不如航天器攻击卫星 那么理想，因航天器比飞机平稳，没气流和飞行振动的干扰，激光的能量 可充分发挥。
激光技术ppt课件
超快激光技术面临的挑战主要包括如何提高激光器的重复 频率和稳定性，如何降低制造成本和提高生产效率，以及 如何解决超快激光对材料和环境的影响等问题。
光子晶体与光子集成电路
光子晶体是指具有光子带隙的人工微结构材料，能够控制光子在特定频率范围内 的传播。光子集成电路则是指将光子器件集成在一块芯片上，实现光子器件之间 的相互作用和光子信号的处理。
光动力治疗
利用特定波长的激光激活 光敏剂，产生光化学反应 ，杀伤病变细胞，常用于 治疗肿瘤等疾病。
激光美容
利用激光的能量对皮肤进 行美白、祛斑、除皱等治 疗，具有无创、无痛、无 副作用等优点。
激光雷达
激光雷达测距
利用激光对目标进行测距，具有精度 高、响应速度快等优点，常用于地形 测绘、无人驾驶等领域。
光器。
激光器的性能参数
输出功率
表示激光器的输出能量，单位 为瓦特。
光束质量
表示激光束的发散角、光束直 径和光束质量因子等参数。
波长与光谱宽度
表示激光的频率范围和光谱宽 度。
稳定性与可靠性
表示激光器的稳定性和可靠性 ，包括温度稳定性、寿命和故
障率等参数。
03 激光技术的基本特性
激光的相干性
相干性定义
相干性描述了光波之间的相互影响和关联程度。在激光中，相干性 是指光波在时间和空间上的有序性和规则性。
相干性的重要性
相干性决定了激光的干涉和衍射现象，是实现激光高精度、高效率 加工的关键因素。
相干性的应用
利用激光的相干性，可以实现干涉测量、光学通信、全息成像等技 术。
激光的偏振性
偏振性的定义
偏振性是指光波的电矢量或磁矢 量在传播方向上的振动特性。在 激光中，偏振态是指光波电矢量
光子晶体与光子集成电路
光子晶体是指具有光子带隙的人工微结构材料，能够控制光子在特定频率范围内 的传播。光子集成电路则是指将光子器件集成在一块芯片上，实现光子器件之间 的相互作用和光子信号的处理。
光动力治疗
利用特定波长的激光激活 光敏剂，产生光化学反应 ，杀伤病变细胞，常用于 治疗肿瘤等疾病。
激光美容
利用激光的能量对皮肤进 行美白、祛斑、除皱等治 疗，具有无创、无痛、无 副作用等优点。
激光雷达
激光雷达测距
利用激光对目标进行测距，具有精度 高、响应速度快等优点，常用于地形 测绘、无人驾驶等领域。
光器。
激光器的性能参数
输出功率
表示激光器的输出能量，单位 为瓦特。
光束质量
表示激光束的发散角、光束直 径和光束质量因子等参数。
波长与光谱宽度
表示激光的频率范围和光谱宽 度。
稳定性与可靠性
表示激光器的稳定性和可靠性 ，包括温度稳定性、寿命和故
障率等参数。
03 激光技术的基本特性
激光的相干性
相干性定义
相干性描述了光波之间的相互影响和关联程度。在激光中，相干性 是指光波在时间和空间上的有序性和规则性。
相干性的重要性
相干性决定了激光的干涉和衍射现象，是实现激光高精度、高效率 加工的关键因素。
相干性的应用
利用激光的相干性，可以实现干涉测量、光学通信、全息成像等技 术。
激光的偏振性
偏振性的定义
偏振性是指光波的电矢量或磁矢 量在传播方向上的振动特性。在 激光中，偏振态是指光波电矢量
第七章 光电子材料激光ppt课件
方向性 单色性 发射方向的空间内能量高度集中 接近单频 干涉性好
相干性
高亮度
激光的种类
四十多年来，激光器的品种迅速增加：
固体激光器 半导体激光器 固体激光器（半导体激光泵浦） ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 化学激光器（HF/DF激光、氧碘化学激光器、CO2激 光、燃料激光、氦氖激光）
自由电子激光器
x射线激光器
另一个为部分反射。
图3-2 光学谐振腔的结构
激光器的工作原理
② 谐振腔产生激光振荡过程 如图3-3所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反转 分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔轴线 平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存 在，继续前进。 当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，在 从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。 当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是2π 的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐 振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2透射出来，形成一束笔直的 激光。 当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的能 量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。
准分子激光器 金属蒸气激光器等。
铜蒸气激光
激光器的输出水平不断提高：
中、小功率器件
高功率、高能量激光器；
脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉
冲的激光。
连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上； 超短脉冲：纳秒
皮秒
费秒
阿秒
脉冲功率密度则可高达1020瓦/cm2以上。
输出激光的频率覆盖着越来越广的范围：
光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。
相干性
高亮度
激光的种类
四十多年来，激光器的品种迅速增加：
固体激光器 半导体激光器 固体激光器（半导体激光泵浦） ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 化学激光器（HF/DF激光、氧碘化学激光器、CO2激 光、燃料激光、氦氖激光）
自由电子激光器
x射线激光器
另一个为部分反射。
图3-2 光学谐振腔的结构
激光器的工作原理
② 谐振腔产生激光振荡过程 如图3-3所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反转 分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔轴线 平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存 在，继续前进。 当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，在 从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。 当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是2π 的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐 振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2透射出来，形成一束笔直的 激光。 当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的能 量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。
准分子激光器 金属蒸气激光器等。
铜蒸气激光
激光器的输出水平不断提高：
中、小功率器件
高功率、高能量激光器；
脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉
冲的激光。
连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上； 超短脉冲：纳秒
皮秒
费秒
阿秒
脉冲功率密度则可高达1020瓦/cm2以上。
输出激光的频率覆盖着越来越广的范围：
光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。
激光器的原理及应用
激光器的原理及应用激光器是一种产生激光的装置，它利用能量的叠加与放大以及辐射相干性的特性，将非相干的光转化为相干的激光。
激光的产生是通过三个主要的过程实现的：激发、放大和辐射。
首先，外部能量的输入使得激光介质中的原子或分子处于一个高能态，形成激发态。
然后，通过与介质内部原子或分子相互作用，使得激发态的原子或分子发生辐射过程，并经过光学放大器的作用，得到高度放大的激光束。
最后，通过适当的调整和反射，使得激光束从输出口中发射出去。
激光器具有很多独特的特性，使其在许多领域得到广泛的应用。
以下是一些常见的激光器应用：1.切割和焊接：激光器具有高能量密度和狭窄的束直径，使其成为用于切割和焊接的理想工具。
激光切割可以用于金属材料、陶瓷、玻璃等材料的切割，而激光焊接可以用于金属、塑料和其他材料的焊接。
2.医疗应用：激光器在医疗领域也有广泛的应用。
例如，激光可用于激光手术，如激光视力矫正、皮肤整形和去除腺体等。
激光还可以用于医学成像，如激光共聚焦显微镜和光学相干断层扫描。
3.激光雷达：激光雷达利用激光束的特性进行测距和成像。
与传统雷达相比，激光雷达有更高的分辨率和更精确的测量能力。
它被广泛应用于各种领域，包括地质勘探、环境监测和车辆导航。
4.光通信：激光器在光通信中起到了至关重要的作用，光纤通信已经成为现代通信的主要手段之一、激光器可以将信息转化为光信号，并通过光纤传输到接收端，实现高速、高带宽的数据传输。
5.科学研究：激光器在科学研究中被广泛应用。
激光可以用于材料表征、光谱分析、原子和分子物理学、光量子学等领域的研究。
激光器还可以产生高强度的激光脉冲，用于研究超快过程，如超快光谱和超快动力学。
6.制造业：激光器在制造业中也有很多应用。
例如，激光刻蚀可以用于制造印刷电路板，激光烧蚀被用于制造微细结构，激光光刻用于制造光刻胶等。
总之，激光器的原理和应用十分广泛。
激光器是一种高度放大、高能量密度、相干性好的光源，具有很多独特的特性，使其在多个领域发挥着重要的作用。
激光器原理及应用
典型激光器
（2）CO2 激光器 工作物质： CO2 、He、N2、Xe的混合气体 激光由CO2分子发射，其它气体协助改善
激光器的工作条件， 提高激光器输出功率 水平和使用寿命。 输出波长： =10.6μm CO2 激光器是输出功 率最高的气体激光器， 有连续输出50kW；脉 冲输出1012W的激光器。
典型激光器
激光器分类按激光工作介来自• 激光运转方质：式:
固体激光器 (光纤激光器）
气体激光器
– 连续 – 脉冲
• 单脉冲 • 重复频
半导体激光器
率
染料激光器
• 准连续
自由电子激光 器
• 按化学组成：
– 原子激光器 – 分子激光器 – 离子激光器 – 自由电子激光器 – 准分子激光器
• 激光调制方式
应用于自由空间光通信（FSO）的激光 器有850nm和1550nm两种
激光测距
利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精 度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。
激光焊接
高能激光（能产生约5500 oC的高温）把大块硬质材料焊接在一起。
激光快速成型
激光雕刻
激光核聚变
这是激光核聚变靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料 样品上，引发核聚变。
由于可获得大体积均匀性良好的钕玻璃，因而可 制成大型器件，获得高能量和功率的激光，现已制 成输出功率1014W激光器。
典型激光器
（2）红宝石激光器 工作物质：红宝石晶体
输出波长： 输出线宽：
694.3nm 0.01~0.1nm
工作方式：连续、脉冲 发 散 角 ： 10-3rad，一般为多模输出；
激光器的原理
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。根据工作物质和激 光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装 置，常见的有以下四种。①光学激励(光泵)。是利用外界 光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个 激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚 光器组成。②气体放电激励。是利用在气体工作物质内发 生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通 常由放电电极和放电电源组成。③化学激励。是利用在工 作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通 常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。④核能激 励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子 或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。
各种激光器的原理及应用
各种激光器的原理及应用1. 激光器的基本原理激光器（Laser）是一种利用受激辐射原理产生高度聚焦、单色、相干光的光源。
其基本原理主要包括：•受激辐射：当介质中的原子或分子处于激发态时，如果受到外界射入的同样频率的光子激发，将发生受激辐射现象。
此时，受激辐射的光子与外界注入的光子具有相同频率、相同相位和相同方向，形成相干光。
•光放大：经过受激辐射形成的相干光在光学谐振腔中反复多次反射，不断被吸收和放大，最终产生高度聚焦、高强度的光束。
•波长选择：激光器的工作波长是由谐振腔内的光学元件（如半导体、液体、气体等）的性质决定的。
2. 类别及应用2.1 气体激光器气体激光器是一种以气体为活性介质的激光器，主要包括：•氦氖激光器：工作波长为632.8纳米，常用于医学、测量、显示等领域。
•二氧化碳激光器：工作波长为10.6微米，主要应用于工业加工、医学手术、激光打印等领域。
2.2 固体激光器固体激光器是一种以固体为活性介质的激光器，主要包括：•Nd:YAG激光器：工作波长为1064纳米，被广泛应用于通信、材料加工、医学等领域。
•钛宝石激光器：工作波长为700至1100纳米，常用于生物医学、化学分析和科学研究等领域。
2.3 半导体激光器半导体激光器是一种以半导体材料为活性介质的激光器，主要包括：•二极管激光器：工作波长范围广泛，从不可见光到近红外光均可实现，广泛应用于通信、显示、雷达、光存储等领域。
•垂直尺寸结构激光器（VCSEL）：具有低功耗、小尺寸、高速传输等特点，被广泛用于光通信、生物测量、光传感等领域。
2.4 光纤激光器光纤激光器是一种将活性介质置于光纤内部的激光器，主要包括：•光纤光栅激光器：利用光纤光栅将激光器束聚焦到光纤芯心处，广泛应用于光纤通信、光纤传感、激光雷达等领域。
•偏振保持光纤激光器：通过特殊设计的光纤结构使激光器输出光的偏振状态得到保持，用于光通信、光测量等领域。
3. 总结不同种类的激光器原理和应用不同，合理选择激光器种类对于进行特定的实验或工作具有重要意义。
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典型激光器
2. 气体激光器
工作物质:各种混合气体，光学均匀性好。 气体激光器在单色性、光束稳定性方面比固体、半 导体、液体激光器优越。
谱线已达数千种 (160nm~4mm)
工作方式：连续运转（大多数） 多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。 原因：通常气体气压低，单位体积内粒子 数少。
典型激光器
（1）氦-氖激光器
激光器的原理
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。根据工作物质和激 光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装 置，常见的有以下四种。①光学激励(光泵)。是利用外界 光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个 激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚 光器组成。②气体放电激励。是利用在气体工作物质内发 生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通 常由放电电极和放电电源组成。③化学激励。是利用在工 作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通 常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。④核能激 励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子 或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。
激光武器的优点
1．无需进行弹道计算 2．无后座 3．操作简便，机动灵活，使用范围广 4．无放射性污染，性价比高
光通信原理示意图
光通信用的激光器差不多全部是半导体 激光器，只有少量的CATV系统采用 1310纳米或1550纳米LD泵浦固体激光 器。 通信用的激光器主要有两类：光纤放大 器用的泵浦光源和发射机用的信号光源 。 应用于自由空间光通信（FSO）的激光 器有850nm和1550nm两种
由不同组分的半导体材料做成 激光有源区和约束区的激光器。 特点：体积最小、重量最轻， 使用寿命长，有效使用时间 超过10万小时。 输出波长范围：紫外、可见、红外 输出功率：mW、W、kW。
典型激光器
DFB半导体激光器示意图
DBR半导体激光器示意图
典型激光器
垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）
量子级联激光器 (quantum cascade lasers, QCLs)
工作物质：氦氖混合气体
激光由氖原子发射，氦气起改善气体放电条件， 提高激光器输出功率的作用。
输出波长：常用的为 =632.8nm
根据选择的工作条件激光器可以输出近红外、 红光、黄光、绿光。 （=3.39μm ；=1.15μm）
典型激光器
（2）CO2 激光器 工作物质： CO2 、He、N2、Xe的混合气体 激光由CO2分子发射，其它气体协助改善 激光器的工作条件， 提高激光器输出功率 水平和使用寿命。 输出波长： =10.6μm CO2 激光器是输出功 率最高的气体激光器， 有连续输出50kW；脉 冲输出1012W的激光器。
激光器的原理
光学共振腔 通常是由具有一定几何形状和光学反射特性 的两块反射镜按特定的方式组合而成。作用为：①提供光 学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干 的持续振荡。②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限 制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。共振腔 作用①，是由通常组成腔的两个反射镜的几何形状（反射 面曲率半径）和相对组合方式所决定；而作用②，则是由 给定共振腔型对腔内不同行进方向和不同频率的光，具有 不同的选择性损耗特性所决定的。
典型激光器
（3）氩离子气体激光器
氩/氪离子激光器，Stabilite 2017 Argon/Krypton Ion Laser 输出波长： =488nm； =514.5 nm ；
在可见光区输出功率最高 输出功率从几瓦~几百瓦。
典型激光器
氦-镉激光器
以镉金属蒸气为发光 物质，主要有两条连续谱线， 俄罗斯PLASMA公司的氦 镉激光器 即波长为325nm的紫外辐射 和441.6nm的蓝光，典型输 出功率分别为1～25mW和 1～100mW。主要应用领域包 括活字印刷、血细胞计数、 集成电路芯片检验及激光诱 导荧光实验等。
脉冲放电激励输出紫 外光，峰值功率可达数十兆 瓦，脉宽小于10nS，重复频 率数十Hz~数千Hz，主要用 作染料激光器的泵浦源， 也可用于光谱分析、检测、 医学及光化学方面。常见 波长：337.1nm、357.7nm 氮分子激光器VSL337ND-S Nitrogen Laser
典型激光器
3. 半导体激光器
激光医疗
激光通讯
由于光波的频率比电波的 频率高好几个数量级，一 根极细的光纤能承载的信 息量，相当于图片中这么 粗的电缆所能承载的信息 量。
激光武器
激光展示
谢谢观赏！
典型激光器
铜蒸气激光器
一般通过电子碰撞激励， 两条主要的工作谱线是波长 510.5nm的绿光和578.2nm的 黄光，典型脉冲宽度10～50nS， 重复频率可达100KHz。当前 水平一个脉冲的能量为1mJ左右。 这就是说，平均功率可达100W， 而峰值功率则高达100KW。
典型激光器
（3）氮分子激光器
激光测距
利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精 度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。
激光焊接
高能激光（能产生约5500 oC的高温）把大块硬质材料焊接在一起。
激光快速成型
激光雕刻
激光核聚变
这是激光核聚变靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料 样品上，引发核聚变。
• 激光调制方式
– 自由运转 – 调Q – 锁模
典型激光器
1. 固体激光器
分为晶体和玻璃两类，在基质材料中掺入激活离 子而制成。 目前已实现激光振荡的不同基质——掺杂体系的 工作物质有200多种，但是，性能好，使用广泛的主 要有下面三种。 （1）钕玻璃激光器 在玻璃中掺入稀土元素钕 做工作物质 = 1.053 μm 由于可获得大体积均匀性良好的钕玻璃，因而可 制成大型器件，获得高能量和功率的激光，现已制 成输出功率1014W激光器。
典型激光器
（2）红宝石激光器 工作物质：红宝石晶体
输出波长： 输出线宽：
694.3nm 0.01 ~ 0.1nm
工作方式：连续、脉冲 发 散 角 ： 10-3rad，一般为多模输出； 泵浦功率>阈值10~20%→单模
典型激光器
（3）掺钕钇铝石榴石（ Nd :YAG）
工作物质：YAG晶体内掺进稀土元素钕 输出波长： = 1064nm、914nm、1319nm 工作方式：连续、高重复率脉冲 因可掺进较高浓度的钕，故工作物质单位体积能提供较高 的激光功率，激光器也可作的比较小，若半导体激光器作泵浦 源的器件体积更小。
典型激光器
激光器分类
按激光工作介 质：
• 激光运转方 式:
– 连续 – 脉冲 • 单脉冲 • 重复频 率 • 准连续
• 按化学组成：
– – – – – 原子激光器 分子激光器 离子激光器 自由电子激光器 准分子激光器
固体激光器 (光纤激光器） 气体激光器 半导体激光器 染料激光器 自由电子激光 器
基于电子在半导体量子阱中导 带子带间跃迁和声子辅助共振 隧穿原理的新型单极半导体器 件。
典型激光器
光纤耦合（尾纤型-pigtail package）半导体激光器件 ProLite型光纤耦合单发射激光器
激光原理 . 绪论
激光器的应用
1. 工业应用 精密测量(距离、位移) 激光加工(切割、焊接、打孔、雕刻)
典型激光器
（4）连续波可调谐钛蓝宝石激光器
3900S CW Tunable Ti:sapphire Laser
The high-performance, tunable, solid state IR laser
输出波长从675到1100nm 由Ar laser或LD泵浦532nm激光器泵浦 TEM00输出功率可达3.5W cw Applications Spectroscopy 光谱学 Fiber laser research 光纤激光器研究 Telecommunications research 远程通信研究 Semiconductor studies 半导体研究
光电子技术
激光器的原理及应用
姓名：xx 学号：xx
导师：xx
2018年10月24日
主要内容
激光器的原理 典型激光器 激光器的应用
激光器的原理
激光器的基本结构： 1、工作物质 2、泵浦源 3、谐振腔——增大光波在增益介质中的传播 距离
激光பைடு நூலகம்的原理
激光工作物质 是指用来实现粒子数反转并产生光的受激 辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它 们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气 体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质 的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较 大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用 过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有 合适的能级结构和跃迁特性。
光谱分析
2. 医学应用 眼科 普通外科 牙科 皮肤科
激光器的应用
3. 军事应用 激光测距 激光制导 4. 日常应用 激光打印机 激光防伪 5. 通信领域的应用 空间激光通信 光纤通信 激光侦察 激光武器 大气激光通信
电脑光驱
激光霓虹灯
条形码扫描器
激光武器的杀伤机理
一是烧蚀效应-局部高温 二是激波效应三是辐射效应-强电磁场