第四章 激光器的基本原理讲解
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用引言概述：激光器是一种利用激光原理产生并放大一束高度聚焦的光束的装置。
它的工作原理基于电子的激发和辐射过程。
激光器在众多领域中有着广泛的应用，包括医疗、通信、制造等。
本文将详细介绍激光器的工作原理及其在不同领域的应用。
一、激光器的工作原理1.1 激光的产生激光的产生是通过受激辐射的过程实现的。
当外界能量作用于激活物质（如激光介质）时，激活物质中的电子被激发到高能级，形成一个激发态。
当这些激发态的电子回到基态时，会释放出能量，产生光子。
这些光子经过放大和反射，最终形成一束高度聚焦的激光。
1.2 激光的放大激光的放大是通过激光介质中的光子与受激辐射的过程实现的。
在激光介质中，光子与激发态的电子发生相互作用，导致更多的电子从低能级跃迁到高能级。
这样，激发态的电子数量增加，从而产生更多的光子。
这个过程通过在激光介质中反复反射光子来实现，从而放大激光的强度。
1.3 激光的聚焦激光的聚焦是通过激光器中的光学元件实现的。
光学元件，如凸透镜或反射镜，可以改变激光光束的传播方向和聚焦程度。
通过调整这些光学元件的位置和形状，可以将激光束聚焦到非常小的尺寸，从而实现高度聚焦的激光束。
二、激光器在医疗领域的应用2.1 激光手术激光器在医疗领域中被广泛应用于各种手术操作，如激光眼科手术、激光皮肤修复等。
激光手术具有创伤小、恢复快的优势，可以精确地切割组织或疾病部位，减少手术风险。
2.2 激光治疗激光器还可以用于治疗一些疾病，如激光治疗癌症、激光治疗静脉曲张等。
激光的高能量可以破坏癌细胞或静脉曲张血管，从而达到治疗的效果。
2.3 激光诊断激光器还可以用于医学诊断，如激光扫描显微镜、激光断层扫描等。
激光的高分辨率和高灵敏度可以帮助医生观察和诊断微小的组织结构或病变。
三、激光器在通信领域的应用3.1 光纤通信激光器在光纤通信中扮演着重要的角色。
激光器产生的高度聚焦的激光束可以通过光纤传输信息，实现高速、远距离的通信。
激光原理第四章
激光原理与技术
4.3输出功率与能量
一、连续或长脉冲激光器的输出功率 如果一个激光器的小信号增益系数恰好等于 阈值，激光输出是非常微弱的。实际的激光器 总是工作在阈值水平以上，腔内光强不断增加。 那么，光强是否会无限增加呢?实验表明．在 一定的激发速率下，即当g0(v)一定时，激光器 的输出功率保持恒定，当外界激发作用增强时， 输出功率随之上升，但在一个新的水平上保持 恒定。
hvP nV hvP V t EPt 1 1 21l
激光原理与技术
三能级系统须吸收的光泵能量的阈值为
EPt
hvP nV 21
对于脉冲宽度t0可与相比拟的情况，泵浦能量 的阈值不能用一个简单的解析式表示。但可以 用数字计算的办法求出EPt的值。实验说明，当 固体激光器的氖灯储能电容越大因而光泵脉冲 持续时间t0增长时，光泵的阈值能量也增大。这 是由于t0越长自发辐射的损耗越严重所致。
假设光束直径沿腔长均匀分布，则上式可 化简为
dNl f2 l Nl L' (n2 ) 21 (v, v0 )cNl , Rl dt f1 L ' Rl c
dN l 当 0 dt
0
腔内辐射场由起始的微弱的自 发辐射场增长为足够强的受激 辐射场。
n nt 21 (v, v0 )l
A21 (t t0 ) 2
结论：当t＝t0时,n2(t)达到最大值,当t>t0时,因 自发辐射而指数衰减。 1W13n t0 2 ( 2 1/( A21 S21 )), n2 (t ) A21 1W13
2
在整个激励持续期间n2(t)处在不断增长的非稳 定状态
激光原理与技术
如不采取特殊措施，以均匀加宽为主的固体 激光器一般为多纵模振荡。在含光陷离器的 环形行波腔内，光强沿轴向均匀分布，因而 消除了空间烧孔，可以得到单纵模振荡
第四章激光的基本技术
第4章激光的基本技术激光器发明以来各种新型激光器一直是研究的重点。
为将激光器发出的高亮度、高相干性、方向性好的辐射转化为可供实用的光能，激光技术也得到了极大的发展。
这些技术可以改变激光辐射的特性，以满足各种实际应用的需要。
其中有的技术直接对激光器谐振腔的输出特性产生作用，如选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等；有的则独立应用于谐振腔外，如光束变换技术、调制技术和偏转技术等。
在使用激光作为光源时，这些技术必不可少，至少要使用其中一项，常常是诸项并用。
本章讨论激光工程中一些主要的单元技术。
因为激光技术涉及的内容十分广泛，这里只给出基本概念和基本方法。
4.1激光器输出的选模激光器输出的选模技术就是激光器选频技术。
前几章中已经讨论过激光谐振腔的谐振频率。
大多数激光器为了得到较大的输出能量使用较长的激光谐振腔，这就使得激光器的输出TEM模)与高阶模相比，具有亮度高、发散角小、径向光强分布是多模的。
然而，基横模(00均匀、振荡频率单一等特点，具有最佳的时间和空间相干性。
因此，单一基横模运转的激光器是一种理想的相干光源，对于激光干涉计量、激光测距、激光加工、光谱分析、全息摄影和激光在信息技术中的应用等都十分重要。
为了满足这些使用要求，必须采用种种限制激光振荡模的措施，抑制多模激光器中大多数谐振频率的工作，利用所谓模式选择技术，获得单模单频激光输出。
激光器输出的选模（选频）技术分为两个部分，一部分是对于激光纵模的选取，另一部分是对激光横模的选取。
前者对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性，常常也叫做激光的选频技术；而后者主要影响激光输出的光强均匀性，提高激光的亮度，一般称为选模技术。
4.1.1 激光单纵模的选取1．均匀增宽型谱线的纵模竞争前面已经指出，对于均匀增宽型的介质来说，每个发光粒子对形成整个光谱线型都有相同的贡献。
当强度很大的光通过均匀增宽型增益介质时，由于受激辐射，使粒子数密度反转分布值下降，于是光增益系数也相应下降，但是光谱的线型并不会改变。
激光原理 第四章-3输出功率与能量
g ml
) 2 1]
输出功率
P ATI
g l 1 ATI s [( m ) 2 1] 2
兰姆凹陷： 在单模输出功率P和单模频率q的关系曲线中， 在q=0处，曲线有一凹陷，称作兰姆凹陷。 兰姆凹陷形成的机制： 当q=0时，两个烧孔完全重合，此时只有z=0 附近的原子对激光有贡献。虽然它对应着最大 的小信号增益，但由于对激光作贡献的反转集 居数减少了，即烧孔面积减少了，所以输出功 率下降到某一极小值，P—q关系曲线在0处出 现兰姆凹陷
Ep A 0 T E 1E pt ( 1) S p 2 E pt
E s (E p E pt )
Ep及Ept分别为工作物质吸收的泵浦能量及阈值 泵浦能量，s称为斜率效率
小结：
均匀加宽单模激光器输出功率：
T<<1
0 2 g H ( q )l 1 P ATI s ( q ) 1 2 a T
（三）短脉冲激光器的输出能量
E p1 A A 0 E内 h 0 ( n2tV ) 1 ( E p E pt ) S h p S p
EPt h P n2tV
1
腔内光能部分变为无用损耗，部分经输出反射镜输出 到腔外。设谐振腔由一面全反射镜和一面透射率为T 的输出反射镜组成，则输出能量为
1 0 Pm AI s ( q )( 2 g H ( q )l a ) 2 2
2、非均匀加宽单模激光器的输出功率
（1）q≠0 （多普勒非均匀加宽）
I+和I-两束光在增益曲线上分别烧两个孔，对每一个孔 起饱和作用的分别是I+或I-，而不是二者的和。 振荡模的增益系数为 gi ( q , I ) gm exp[(4 ln 2)( q 0 )2 ]
激光原理第四章激光器调制
直接调制的方法
电流调制
通过改变注入激光器的电流大小来改变激光器的输出 功率和波长。
电压调制
通过改变激光器的电压大小来改变激光器的输出功率 和波长。
温度调制
通过改变激光器的温度来改变激光器的输出功率和波 长。
直接调制的优点与缺点
优点
直接调制具有简单、快速、易于实现等优点，适用于高速、高精度、低噪声的调制需求。
激光原理第四章激光 器调制
目 录
• 激光器调制原理 • 激光器的直接调制 • 激光器的外部调制 • 激光器的调制应用
01
激光器调制原理
调制方式的分类
01
02
03
直接调制
直接通过控制电流或电压 来改变激光器的输出光功 率。
外部调制
使用外部光器件（如电光 晶体、声光器件等）来改 变激光器的输出光特性。
缺点
需要额外的调制器，增加了系统的复 杂性和成本，同时调制过程中可能会 引入额外的噪声和损耗。
04
激光器的调制应是光纤通信中的关键技术，通过调制激光器的 光强和频率，实现高速、大容量、低损耗的通信传输。
无线光通信
无线光通信利用激光束作为载波，实现点对点或点对多点 之间的信息传输，具有高速、抗干扰、安全可靠等优点。
常见的外部调制器
电光调制器
利用电场作用改变晶体折射率，实现对激光的 幅度调制。
声光调制器
利用超声波在介质中的传播，改变介质的折射 率，实现对激光的幅度调制。
磁光调制器
利用磁场作用改变介质磁化强度，实现对激光的幅度调制。
外部调制的优点与缺点
优点
可以实现高速、大范围的调制，调制 信号失真小，易于实现多路调制。
腔内调制
在激光器腔内放置调制元 件，通过改变腔内光的特 性来实现调制。
激光原理与技术--第四章 激光的基本技术
由四边形ABCD知 T+2 α+(180- Φ)=360
由四边形ABCO知 β+T=1800
上两式联立得: α= (Φ + β)/2,所以 (由折射定律，见上面公式）
nsin 2()/sin 2
2arcnssiin 2n ) (
式中,α为入射角,n为析射率；β为棱镜的顶角；Φ为偏向
角。定义棱镜的角色散率为
4.1.1 激光单纵模的选取
1. 均匀增宽型谱线的纵模竞争
(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。
d (sa 1 i n sia 2 n ) m式求出： d (0coa2sd2a)md D d2a m sia n1sia n2
d dcoa2s coa2s 通常光栅工作在自准直状态下，即α1= α2= α (α为光栅的闪耀角，即光栅平面 的法线Ｎ0 与每条缝的平面的法线N2之间的夹角，对小斜面而言是正入射），
环形行波腔激光器示意图
4.1.2 激光单横模的选取 1. 衍射损耗和菲涅耳数 (1) 由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。 (2)如图4-4所示的球面共焦腔，镜面上的基横 模高斯光束光强分布可以表示为
0 I()2 d I00 ex 2 p 1 2 2)d (2 2 I0 1 2
Δν=c/[2(l1-l2)]
1i 2 j
Δν=c/[2(l1-l2)] 适当选择l1及l2，可以使复合腔的频率间隔足够大，即两 相邻纵模间隔足够大，与增益线宽相比拟时，即可实现 单纵模运转。
4-4激光器的基本技术-激光器调制技术
3 2π 0 U出 = A cosωt + 0 + γ 63 Ez l U出 = A cos(ωt + β sin ωmt ) 2 λ
3 π0 ，β = γ 63 Em l 为相位调制度 λ
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4.4.3 电光相位调制
4. 外加 压为 压( 压 )， = V0 sin ωt ， V 出光强 形。 π π V0 1 V I = I 0 sin 2 = I 0 sin 2 [ + sin ωt ] = I 0 [1 + sin(π 0 sin ωt )] 2 4 2 Vπ sin ωt I 0 2 2 Vπ
I (t ) ∝ E 2 (t ) = E0 2 cos 2 (ω0t + )
a(t ) = Am cos ωmt
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补充1 电光效应 补充1
第 四 章 激 光 的 基 本 技 术
§ 4 4 激 光 调 制 技 术 .
e光 光 o光 光
1. 双折射现象(如右下图所示) 2.电光效应:晶体加上电场后,由于电场的作用使晶体在沿光轴方向产生了感应双 折射 (如左下图所示) ▲晶体中寻常光和非寻常光的振动面相对不加电场时旋转45度角
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4.4.2 电光强度调制
第 四 章 激 光 的 基 本 技 术
§ 4 4 激 光 调 制 技 术 .
1.图(4-21)(a)是一个典型的电光强度调制的装置示意图。它由两块交叉偏振片及 其间放置的一块单轴电光晶体组成。偏振片的通振动方向分别与x、y轴平行。 2.设某时刻加在电光晶体上的电压为V，入射到晶体的在x方向上的线偏振激光电 矢量振幅为E，则： 通过晶体后沿快轴 x' 和慢轴 y ' 的电矢量振幅都变为 E 2 2π 3 沿 x' 和 y ' 方向振动的二线偏振光之间的位相差 δ = 0 γ 63V 通过通振动方向与 y 轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅(见图4－21(b))分 E 别为 Ex ' y ， y ' y ，则有Ex ' y = E y ' y = E 2 ，其相互之间的位相差为 δ + π 。则有： 1 2 E '2 = Ex2' y + E y ' y + 2 Ex ' y E y ' y cos(δ + π ) = E 2 (1 cos δ ) 2 3 2 2 2δ 2 π0 γ 63 I = E ' = E sin = I 0 sin V 2 λ
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、单色、相干的光束的装置，具有广泛的应用领域，包括医疗、通信、制造业等。
本文将详细介绍激光器的工作原理以及一些常见的应用。
一、激光器的工作原理激光器的工作原理基于激光放大的过程，主要包括以下几个步骤：1. 激发能级：激光器内部包含一个激发介质，如气体、晶体或半导体。
通过外部能源的输入，激发介质的原子或分子从低能级跃迁到高能级。
2. 反转粒子分布：在激发介质中，原子或分子会在高能级停留一段时间，形成反转粒子分布。
这种反转分布使得有更多的粒子处于高能级，而少数粒子处于低能级。
3. 光子的产生：当一个处于高能级的粒子返回到低能级时，会释放出一个光子。
这个光子与其他处于低能级的粒子碰撞，使得它们也返回低能级并释放出光子。
这个过程会引起光子的级联放大，从而产生一个强大的光束。
4. 光反馈：在激光器内部，有一个光学反馈装置，如反射镜。
这个装置能够将部分光子反射回激光介质，使得光子在介质中来回传播，增强级联放大的效果。
5. 输出光束：最终，通过一个输出窗口，激光器将强大的光束输出到外部环境中。
这个输出光束具有高度聚焦、单色、相干的特点。
二、激光器的应用1. 医疗领域：激光器在医疗领域有广泛的应用，如激光手术、激光治疗和激光诊断。
激光手术可以用于眼科手术、皮肤整形和癌症治疗等。
激光治疗可以用于减轻疼痛、促进伤口愈合和改善血液循环等。
激光诊断可以用于病理学研究、药物分析和疾病检测等。
2. 通信领域：激光器在光纤通信中起着重要作用。
激光器产生的单色、相干光束可以被光纤传输，实现高速、远距离的数据传输。
激光器还可以用于光纤传感，如温度、压力和应变的测量。
3. 制造业：激光器在制造业中有广泛的应用，如激光切割、激光焊接和激光打标。
激光切割可以用于金属、塑料和纺织品等材料的切割。
激光焊接可以用于汽车制造、电子设备制造和航空航天等行业。
激光打标可以用于产品标识、二维码和条形码的刻印。
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、单色、相干的光束的装置，具有广泛的应用领域，包括医学、通信、材料加工等。
本文将详细介绍激光器的工作原理以及其在不同领域的应用。
一、激光器的工作原理激光器的工作原理基于激光的产生和放大。
激光的产生是通过激发介质中的原子或者份子使其处于激发态，然后通过受激辐射产生的光子引起其他原子或者份子跃迁到较低能级，从而形成光子的连锁反应。
激光的放大是通过将激光束通过光学谐振腔多次来回反射，使光子数目不断增加，从而增强激光的强度。
激光器的工作原理可以分为四个基本步骤：激发、放大、选择和输出。
首先，通过外部能量源（如电流、光束或者化学反应）对激光介质进行激发，使其处于激发态。
然后，激发的原子或者份子通过受激辐射产生的光子引起其他原子或者份子跃迁到较低能级，从而形成光子的连锁反应。
接下来，激光束通过光学谐振腔多次来回反射，使光子数目不断增加，从而增强激光的强度。
最后，通过选择性反射镜，只允许特定波长的光通过，形成单色的激光输出。
二、激光器的应用激光器具有许多重要的应用，以下将介绍几个典型的应用领域。
1. 医学应用激光器在医学领域有广泛的应用，包括激光手术、激光治疗和激光诊断等。
激光手术利用激光的高度聚焦性和高能量密度，对组织进行切割、烧灼或者蒸发。
激光治疗则利用激光的生物刺激作用，促进组织的修复和再生。
激光诊断则利用激光的单色性和相干性，对组织进行成像和检测。
2. 通信应用激光器在光通信领域有重要的应用。
激光器可以产生高强度、窄带宽的光束，用于传输信息。
激光器的单色性和相干性使得光信号可以在光纤中传输较长的距离，同时可以通过光纤的调制来实现光信号的调制和解调。
3. 材料加工应用激光器在材料加工领域有广泛的应用，包括切割、焊接、打孔和表面处理等。
激光器的高能量密度和高度聚焦性使其可以对各种材料进行精确的加工。
激光切割可以在金属、塑料、木材等材料上进行，具有高精度和高效率的优点。
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产生和放大激光光束的装置，它利用受激辐射原理将能量转化为高度聚焦的光束。
激光器的工作原理涉及能级跃迁、受激辐射和光放大等过程。
激光器广泛应用于科学研究、医疗、通信、材料加工、测量和军事等领域。
一、激光器的工作原理激光器的工作原理基于能级跃迁和受激辐射过程。
它包括以下基本组件：激发源、增益介质、光反射镜和输出耦合镜。
1. 激发源：激发源提供能量来激发增益介质中的原子或分子，使其处于激发态。
常用的激发源包括电子束、光束、放电、化学反应等。
2. 增益介质：增益介质是激光器中的活性物质，它能够吸收能量并在受激辐射过程中放出激光光子。
常见的增益介质有气体（如二氧化碳、氦氖）、固体（如Nd:YAG晶体）和半导体（如激光二极管）。
3. 光反射镜：光反射镜是激光器中的一面镜子，它具有高反射率，可以将激光光束反射回增益介质中，形成光反馈，促进受激辐射过程。
4. 输出耦合镜：输出耦合镜是激光器中的另一面镜子，它具有一定的透过率，使一部分光束能够透过，形成激光输出。
激光器的工作过程如下：1. 激发源向增益介质提供能量，使其原子或分子处于激发态。
2. 受激辐射过程：当一个激发态的原子或分子遇到一个具有相同能级的自由态原子或分子时，它会通过受激辐射的过程将能量传递给自由态的原子或分子。
这个过程会导致自由态原子或分子跃迁到一个较高的能级，并放出一个与受激辐射前的光子具有相同频率、相同相位和相同方向的光子。
3. 光放大过程：通过光反射镜的反射，激光光束在增益介质中来回反射，不断受到受激辐射的影响，导致光子数目逐渐增加，形成光放大。
4. 激光输出：一部分光束通过输出耦合镜透过，形成激光输出。
二、激光器的应用激光器具有高度聚焦、单色性好、方向性强、能量密度高等特点，因此在许多领域都有广泛的应用。
1. 科学研究：激光器在科学研究中起到了重要的作用。
例如，激光器被用于精确测量、光谱分析、光学显微镜、光学实验等领域。
激光器的工作原理
激光器的工作原理标题：激光器的工作原理及应用导言：激光器是一种利用光的放大与受激辐射过程产生激光的装置，广泛应用于科学研究、医疗、通信、制造等领域。
本文将详细介绍激光器的工作原理，并探讨其在不同领域的应用。
一、激光是如何产生的？1. 原子和分子的能级结构：介绍原子和分子的能级结构，突出基态和激发态之间能量差异的重要性。
2. 受激辐射：解释受激辐射的概念，指出其是激光产生的关键过程。
3. 光的放大：描述光的放大过程，包括吸收、受激辐射以及自发辐射。
二、激光器的组成与工作原理：1. 光学腔：介绍光学腔的作用，包括增强光的放大和受激辐射过程。
2. 活性介质：详细解释活性介质的作用，主要有固体、气体和液体三种类型。
3. 泵浦源：讨论激光器中常用的泵浦源，如光泵浦、电泵浦和波导泵浦等。
4. 反射镜：说明反射镜在激光器中的作用，主要有输出镜和高反射镜两种。
5. 光的反馈：强调激光器在工作过程中需要达到光的正反馈条件。
三、激光器的应用领域：1. 科学研究：阐述激光器在科学研究中的广泛应用，例如激光干涉、光谱分析和原子操控等。
2. 医疗领域：介绍激光器在医疗领域的应用，如激光手术、皮肤美容和眼科矫正等。
3. 通信技术：探讨激光器在光纤通信和激光雷达等通信技术中的应用。
4. 制造工业：描述激光器在制造领域中的应用，包括激光切割、激光焊接和激光打标等。
结论：激光器是一种利用受激辐射过程产生激光的装置，其工作原理基于光的放大和正反馈条件。
激光器的应用广泛涉及科学研究、医疗、通信和制造等多个领域，对现代社会的发展具有重要意义。
我们可以期待未来激光技术的进一步发展和创新。
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产生和放大激光光束的设备，其工作原理基于受激辐射的过程。
激光器通常由激光介质、能量泵浦源和光学腔体组成。
激光介质是产生激光光束的关键部分，常见的激光介质包括气体、固体和半导体。
激光器的工作过程可以简单描述为以下几个步骤：1. 能量泵浦源向激光介质提供能量，使其处于激发态。
2. 激光介质中的激发态粒子通过受激辐射过程，发射出一束光子。
3. 发射出的光子经过光学腔体的反射，不断进行多次来回反射，同时被不断放大。
4. 最终，通过光学腔体的一个开放口，产生一束高度聚焦、相干性极高的激光光束。
激光器的应用非常广泛，涵盖了多个领域。
以下是一些常见的激光器应用：1. 切割和焊接：激光器的高能量密度和可控性使其成为切割和焊接材料的理想工具。
激光切割和焊接广泛应用于金属加工、汽车制造、电子设备生产等领域。
2. 医疗美容：激光器在医疗美容领域有着广泛的应用，例如激光去除色素斑、激光脱毛、激光祛痘等。
激光器可以精确地瞄准治疗区域，减少对周围组织的损伤。
3. 激光雷达：激光雷达利用激光器发射的激光束来测量目标物体的距离和速度。
激光雷达广泛应用于自动驾驶汽车、航空航天、测绘等领域。
4. 光纤通信：激光器在光纤通信中起到了关键作用。
激光光束可以通过光纤传输大量的信息，实现高速、远距离的通信。
5. 科学研究：激光器在科学研究中被广泛使用，例如光谱分析、原子物理实验、激光干涉等。
激光器的高度聚焦性和高能量密度使其成为研究微小尺度和高能量过程的重要工具。
6. 激光打印：激光打印技术利用激光束照射打印介质，通过控制激光的位置和强度，实现文字、图像的打印。
激光打印广泛应用于办公、出版、制图等领域。
总结起来，激光器是一种利用受激辐射过程产生和放大激光光束的设备。
激光器具有高度聚焦、相干性好、能量密度高等特点，因此在切割焊接、医疗美容、激光雷达、光纤通信、科学研究和激光打印等多个领域得到广泛应用。
随着技术的不断发展，激光器的应用领域还将不断扩大，为人们的生活和科学研究带来更多的便利和突破。
激光器的工作原理
*一球面腔(R1 ,R2 , L)相应的(g1 ,g2)落 在临界区(边界线), 则为临界腔
*一球面腔(R1 ,R2 , L)相应的(g1 ,g2)落 在非稳区(阴影区), 则为非稳腔
3.利用稳定条件可将球面腔分类如下:
01
凹凸非稳腔的非稳定条件也有两种:
02
其一是: R2＜0, 0＜R1＜L
03
可以证明: g1 g2＜0
04
其二是: R2＜0, R1+R2＞L
05
可以证明: g1 g2＞1
06
双凸非稳腔
07
由两个凸面反射镜组成的共轴球
08
面腔称为双凸非稳腔.
09
∵ R1＜0, R2＜0 ∴g1 g2＞1
三.如果已有两块反射镜，曲率半径分别为R1、R2，欲用它们组成稳定腔，腔长范围如何确定？
图(2-2) 共轴球面腔的稳定图
令k =R2/R1 例k =2 得直线方程
在稳定范围内做直线AE、DF，
在AE段可得 0<L<R1
同理：在DF段可得 2R1<L<3R1
1
实共心腔——双凹腔 g1＜ 0 ，g2＜ 0 虚共心腔——凹凸腔 g1＞ 0 ，g2＞ 0
2
都有 R1+R2= L g1 g2 =1 （临界腔）
3
光线既有简并的，也有非简并的
4
二.稳定图: 稳定条件的图示
1.作用:用图直观地表示稳定条件,判断稳定状况 *(光腔的)
2.平凹稳定腔:
由一个凹面反射镜和一个平面反射镜组成的谐振腔称为平 凹腔。其稳定条件为：R＞L
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、高单色性、高亮度的光束的装置。
它的工作原理基于受激辐射的过程，通过激发介质中的原子或分子使其处于激发态，然后通过受激辐射产生的光子与其他激发态的原子或分子发生相互作用，从而产生一束具有特定频率、相位和方向的激光光束。
激光器的工作原理可以分为四个基本步骤：激发、受激辐射、光放大和光反馈。
首先，激发介质中的原子或分子通过能量输入（例如电流、光能或化学反应）被激发到一个高能级。
这个过程可以通过各种方式实现，例如电子激发、光激发或离子激发。
其次，当激发态的原子或分子与一个已经处于激发态的原子或分子发生碰撞时，它们之间可能发生能量交换。
这个过程称为受激辐射，激发态的原子或分子通过受激辐射产生与已激发原子或分子相同频率、相位和方向的光子。
这个过程可以通过光子-光子相互作用或者光子-原子相互作用来实现。
然后，这些产生的光子经过光放大的过程，通过与其他处于激发态的原子或分子发生受激辐射的相互作用，光子的数量得到增加，从而形成一个高亮度的激光光束。
最后，为了保持激光的放大和输出，需要在激光器中引入光反馈机制。
光反馈可以通过光学共振腔或者光纤等方式实现，它能够将一部分激光光束反射回激光器内部，与处于激发态的原子或分子发生受激辐射，从而维持激光的放大和输出。
激光器的应用非常广泛，涵盖了许多领域。
以下是一些常见的激光器应用：1. 切割和焊接：激光器的高能量密度和聚焦能力使其成为理想的切割和焊接工具。
它可以用于金属、塑料、纸张等材料的切割和焊接，具有高精度和高效率的特点。
2. 激光医学：激光器在医学领域有广泛的应用，例如激光手术、激光治疗和激光诊断。
激光手术可以用于眼科手术、皮肤手术和整形手术等，具有创伤小、恢复快的优势。
激光治疗可以用于癌症治疗、皮肤治疗和牙齿美白等。
激光诊断可以用于眼科检查、血液检测和皮肤病诊断等。
3. 激光测距：激光测距是一种利用激光器测量目标距离的技术。
激光器的工作原理讲解
激光器的工作原理讲解激光器是一种能够产生激光的装置，其工作原理基于能级跃迁和受激辐射的过程。
下面将详细介绍激光器的工作原理。
激光器的主要组成部分包括：光源、增益介质和光腔。
首先，激光器的光源即外界提供的能量，它能够激发光子从基态跃迁到激发态，产生激光的能级跃迁所需的能量。
其次，激光器的增益介质是激光放大器的核心部件，它负责产生和放大激光。
在激光器中常用的增益介质有：气体（如氦氖激光器、二氧化碳激光器）、晶体（如钕:钋酸钆激光器）、半导体材料（如半导体激光器）等。
这些增益介质在受到外界能量刺激后，产生能级跃迁和受激辐射的过程，从而产生激光。
具体来说，激光器中的增益介质处于一个激发态能级，它有一个高能级和一个低能级。
当外界能量激发增益介质时，光子能够从低能级跃迁到高能级的激发态，形成一个激发态聚集。
而由于激光器中的增益介质受到激发态聚集的初始扰动，这些激发态聚集会随着时间的推移发生非平衡运动，从而形成光子之间的能量传输。
在这个过程中，当一个处于激发态的光子与一个低能级的光子相互作用时，受激辐射的过程会发生。
也就是说，处于激发态的光子可以激发一个低能级的光子跃迁到同样的激发态，并且两者的能量和相位几乎完全相同。
这个过程会引起光子的指数增长，从而形成激光光束。
最后，激光器的光腔是光子在增益介质中来回传播的空间。
光腔一般有两个反射镜组成，一个是部分穿透镜（输出镜），它允许一部分激光通过；另一个是全反射镜（反射镜），它将大部分激光反射回来。
由于全反射镜的存在，光子在光腔中来回多次反射，增强了激光的功率。
当激光增益与光腔损耗达到平衡时，激光器就能稳定地输出激光。
总结起来，激光器的工作原理是通过外界能量的激发、增益介质的能级跃迁和受激辐射的过程，形成光子之间的能量传输，并利用光腔的多次反射来增强激光功率。
这种高聚集、高能量的光子群就是我们所说的激光。
激光器工作原理 ppt课件
q c 2 L
1, 2 , 3.....
g 0 gth
ppt课件
gth
a
1 2l
0
t0
t
ppt课件
2
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A21 S21 w21 w12
0
t0
t
E1
S31 S32 S21 A21
A31 S32
n1 n2 n3 n
从泵浦→阈值附近(尚未形成自激 振荡),可忽略受激辐射跃迁过程
dn3
dt
n1W13
n3
S 32
A31
S32 W13, n3 0
n1W13 n3
S32 A31
n3S32
1
dn2 dt
n2
f2 f1
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n2 S21
A21 n3S32
泵浦效率 1 S32 S32 A31
荧光效率 2 A21 A21 S21
ppt课件
3
dn2
dt
n1W131 n2 A21
2
n n2
W131 n2 A21
2
可解得 当 0 t t0 时,
讨论:
n2
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1
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2
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t
Nl
Al
Nl Al
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l)
光子寿命：
t Rl
l
激光器的工作原理
激光器的工作原理激光器是一种能够产生高强度、相干、单色和定向的光束的设备。
它在科学、工业、医疗和通信等领域有广泛的应用。
激光器的工作原理是通过受激辐射过程将输入能量转化为光能，并通过光的反馈和放大来实现激光放大。
激光器的工作过程可以分为三个基本步骤：激励、增益和输出。
首先是激励阶段。
激光器需要能源来激发其工作质子。
激光器可以通过电能、光能或化学能等不同形式的能源来激励，具体的激励方式根据激光器的种类而不同。
无论使用何种方式，激光器都需要通过能源输入来提供激发粒子所需的能量。
例如，气体激光器通过电宇放电产生光子，固体激光器通过用闪光灯激励固体材料来产生光子。
然后是增益阶段。
在激励阶段之后，激光器中的激励粒子会被激发到一个高能态，并在这个态中处于激发田之中。
这时，当一个光子经过这个激发田时，它会激励一个已激发的粒子回到其低能态，从而产生两个相干的光子并释放出更多的能量。
这个过程被称为受激辐射，它是激光器产生相干光的关键。
受激辐射过程如何发生呢？在激光器中，激光介质被包围在一个光学腔内，该腔包含两个镜子：一个是部分透明的输出镜，另一个是高反射率的反射镜。
当光子进入激光介质中时，它会与激励粒子发生相互作用，并可能通过受激辐射方式产生其他激光光子。
这些产生的激光光子会沿着腔中的光学轴向前传播。
当它们经过反射镜时，一部分光子会被反射回激光介质，而另一部分光子则通过输出镜逸射出来。
这样，反射和透射的光子都成为了激励粒子周围的更多激励源，进一步刺激产生更多的激光光子。
这种通过反射和透射不断放大的光子被称为激光。
最后是输出阶段。
通过透射出光是激光工作的目的，这需要控制激光的发射方向。
在激光器的输出镜上，可以通过改变其反射率来调整激光的输出能量和方向。
通常使用工艺精细的部分透明膜来实现这种效果。
激光光子在部分反射的同时也会透射出来，形成激光束。
这束激光经过进一步整形和聚焦，可以用于科学研究、医疗治疗、材料加工以及通信等领域。
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腔内插入标准具
组合干涉腔限制纵模
腔内插入标准具
F 4R /(1 R)2
F sin 2 ( / 2) I R I0 1 F sin 2 ( / 2)
IT I 0 1 1 F sin 2 ( / 2)
4.8 脉冲激光器
工作物质：固体激光器，气体激光器，半导体激光器…
4.10 染料激光器
溶解在液体中的有机染料分子
染料分子的能级简图
溶解于乙醇中的若丹明6G的吸收 光谱和荧光光谱
第四章 激光器的基本原理
4.1 激光器的基本器件
工作物质
激光输出 反射镜
反射镜 激励装置
4.2 光学谐振腔
平平腔 稳定性条件：
l l 0 (1 )(1 ) 1 R1 R2
双凹腔
或者：
R1 R2 R
(1
l )0 R
光学谐振腔 稳定性条件：
l g1 (1 ) R1 g2 (1 l ) R2
( ) G( ) / N
4.5 增益饱和
N 0 N 1 I / Is
增益系数
G0 G 1 I / Is
均匀增宽的增益饱和
非均匀增宽的增益饱和
4.6 空间烧孔
4.7 激光器的模式选择
选择横模
减少反射镜的有效半径 腔内加光阑 倾斜腔镜 选择纵模 缩短腔的长度 组合干涉腔限制纵模
运转方式：连续激光器和脉冲激光器 激励方式：光激励，放电激励…
脉冲尖峰结构
调Q激光器基本原理
电光调Q
可饱和吸收染料Q开关
Ts
I
锁模激光器原理
l l 1
主动锁பைடு நூலகம்激光器示意图
全反镜 调制器 工作物质
输出镜
1 E (t ) E0 (1 cos t ) cos(0t ) 2 2 c 2L
损耗
I ( , z) I 0 ( ,0)exp[G( ) z] G( ) [ Nk Ni ] ( )
dI I dt
I ( , z) I 0 ( ,0)exp[(G( ) / c) z]
阈值条件 其中
N N k Ni c ( )
4.9 气体激光器
氦氖激光器
氦氖激光器
布儒斯特窗
反射镜 电源
波长 632.8 nm,1.15um,3.39um
二氧化碳激光器
波长 1.06um
氩离子激光器 波长 488nm, 514.5nm 氮分子激光器 波长 337.1nm 准分子激光器 ArF 193nm, ArO 557.6nm, ArCl 170nm
0 g1 g2 1
或者：
g1 g2 0
4.3 激光器的纵模和横模
纵模
驻波
Lq
q
2
q qc / 2L
c q q 1 q 2L
横模
TEM 00
TEM10
TEM 00
TEM10
横模的形成
4.4 激光器的阈值
Ek
增益
h Ek Ei Ei