《激光原理》课件

利用电光晶体的双折射 效应，通过外加电场改 变晶体的折射率，从而 改变激光器的Q值。
利用声光效应，通过外 加声波改变激光器的Q 值。声波使得激光器内 的折射率发生周期性变 化，从而影响激光振荡 。
通过机械方式改变激光 器的Q值，如旋转反射 镜或移动反射镜等。
非线性光学效应在激光技术中应用
频率转换
利用非线性光学效应，如二次谐波产 生（SHG）和光参量振荡（OPO）， 可以实现激光频率的转换，从而获得 不同波长的激光输出。
准分子激光器
准分子激光器以稀有气体卤化物为工作物质，其输出波长在紫外波段。准分子激光器具有 脉冲能量大、重复频率高等优点，被广泛应用于科研和医疗等领域。
04
液体激光器与光纤激光 器
液体激光器结构及工作原理
结构组成
液体激光器主要由激光工作物质 （如染料溶液）、泵浦源、光学 谐振腔等部分组成。
工作原理
要点一
激光束的传输特性
要点二
影响因素
高斯光束的传输特性，包括光束的发散、波前曲率半径、 光斑大小等。
激光束在传输过程中受到的影响因素，如衍射、像差、大 气扰动等，对激光束质量的影响。
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激光束变换元件设计原理和方法
变换元件的作用
将激光束的形状、大小、方向等 参数进行变换，以适应不同的应
用需求。
设计原理
粒子数反转
通过泵浦等方式，使得高 能级上的粒子数多于低能 级，形成粒子数反转分布 。
光学谐振腔
提供正反馈机制，使得受 激辐射的光在腔内多次反 射、放大，最终形成强光 束输出。
激光束特性及参数
01
02
03
04
单色性
激光具有极窄的光谱线宽，颜 色纯净。
方向性
激光束发散角极小，几乎沿直 线传播。
相干性
激光光波之间具有固定的相位 关系，能够产生干涉现象。
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基于光学变换理论，通过改变光束 的波前形状或振幅分布来实现激光 束的变换。
设计方法
采用透镜、反射镜、棱镜等光学元 件或其组合来实现激光束的变换， 具体方法包括几何光学设计、波动 光学设计等。
聚焦元件设计原理和方法
01
聚焦元件的作用
将激光束聚焦到一点或一线，以提高激光的功率密度或实 现特定的加工、测量等应用。
典型气体激光器介绍
CO2激光器
CO2激光器是气体激光器中最为常见的一种，其工作物质为CO2、N2和He的混合气体。 CO2激光器具有输出功率大、效率高、光束质量好等优点，被广泛应用于工业加工领域。
He-Ne激光器
He-Ne激光器以氦气和氖气为工作物质，其输出波长为632.8nm的红色激光。He-Ne激 光器具有稳定性好、寿命长、光束质量好等优点，常用于精密测量和光学实验等领域。
《激光原理》课件
contents
目录
• 激光基本原理与特性 • 固体激光器 • 气体激光器 • 液体激光器与光纤激光器 • 半导体激光器与量子级联激光器 • 调Q技术与非线性光学效应在激光技术
中应用 • 激光束传输、变换和聚焦元件
01
激光基本原理与特性
激光产生机制
01
02
03
受激辐射
原子或分子在外部能量作 用下，从高能级向低能级 跃迁，同时发射出与激发 光相同性质的光子。
VS
光纤激光器
主要应用于工业加工、通信、医疗等领域 。
05
半导体激光器与量子级 联激光器
半导体激光器结构及工作原理
结构
半导体激光器主要由P型半导体、N型半导体以及它们之间的有源层构成。P型和N型半 导体之间形成PN结，是激光器的核心部分。
工作原理
当外加正向电压时，电子从N型半导体注入到P型半导体，空穴从P型半导体注入到N型 半导体。在有源层内，电子与空穴复合并释放出能量，产生光子。光子经过反射镜的反
半导体和量子级联激光器性能特点及应用领域
半导体激光器性能特点
体积小、重量轻、效率高、寿命长、可直接调制等。
量子级联激光器性能特点
低阈值电流、高光增益、宽波长调谐范围、高输出功率等。
应用领域
光纤通信、光存储、光显示、激光雷达、医疗诊断与治疗、科研与军事等。其中，光纤通信是半导体激光器 和量子级联激光器最主要的应用领域之一。在光纤通信中，它们被用作光源，将电信号转换为光信号进行传 输。
非线性光学等。
03
光纤激光器
以光纤为工作物质，具有结构紧凑、散热性能好、光束质量高等优点。
适用于工业加工、通信等领域。
03
气体激光器
气体激光器结构及工作原理
结构组成
气体激光器主要由放电管、激励电源、谐振腔和冷却系统等部分组成。放电管中填充有特定的工作气体，如CO2 、He-Ne等。
工作原理
气体激光器的工作原理基于气体放电产生的粒子数反转。当放电管中的工作气体受到电场激励时，气体分子或原 子被激发到高能级，然后通过自发辐射或受激辐射跃迁到低能级，释放出光子。这些光子在谐振腔中来回反射， 不断激发更多的粒子数反转，从而实现光放大和激光输出。
液体与光纤激光器性能特点及应用领域
优点
波长可调谐范围宽、光束质量好、转换效率高。
缺点
稳定性差、寿命短、维护成本高。
液体与光纤激光器性能特点及应用领域
优点
结构紧凑、稳定性好、寿命长、光束 质量好。
缺点
波长调谐范围有限、转换效率相对较 低。
液体与光纤激光器性能特点及应用领域
液体激光器
主要应用于科研、光谱分析、生物医学 等领域。
06
调Q技术与非线性光学效 应在激光技术中应用
调Q技术原理及实现方法
调Q技术原理
1. 电光调Q
2. 声光调Q
3. 机械调Q
调Q技术是通过改变激 光器的Q值（品质因数 ）来控制激光输出的方 法。在泵浦初期，降低 激光器的Q值，使得激 光器内部的光子无法形 成有效的激光振荡，从 而在上能级积累大量的 粒子数。当Q值突然增 加时，激光器内的光子
光束整形
光开关和光限幅
利用非线性光学材料的特性，可以制 作光开关和光限幅器，用于控制激光 的传输和输出。
通过非线性光学过程，可以对激光光 束进行整形，如光束聚焦、光束分裂 和光束合成等。
超短脉冲产生和放大技术
锁模技术
利用锁模技术可以产生超短脉冲激光。该技 术通过引入一个调制器，使得激光器内不同 纵模之间的相位差保持恒定，从而实现纵模 之间的相干叠加，产生高峰值功率的超短脉 冲。
气体激光器性能特点及应用领域
性能特点
气体激光器具有输出功率大、光束质量好、效率高、寿命长等优点。同时，它们 还具有较宽的波长调谐范围和较高的重复频率。
应用领域
气体激光器在科研、工业、医疗等领域有着广泛的应用。例如，CO2激光器可用 于切割、焊接和打孔等工业加工过程；He-Ne激光器则常用于精密测量和光学实 验等领域。
02
设计原理
基于光学聚焦理论，通过改变光束的波前形状或振幅分布 来实现激光束的聚焦。
03
设计方法
采用透镜、反射镜、凹面镜等光学元件或其组合来实现激 光束的聚焦，具体方法包括几何光学设计、波动光学设计 等。同时，需要考虑聚焦元件的焦距、数值孔径、透过率 等参数对聚焦效果的影响。
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啁啾脉冲放大技术（CPA ）
CPA技术是一种用于放大超短脉冲的方法。 该技术首先将超短脉冲展宽为较长的脉冲， 然后对展宽后的脉冲进行放大，最后再将放 大后的脉冲压缩回超短脉冲。这样可以避免 在放大过程中由于高峰值功率而导致的非线
性效应和损伤问题。
07
激光束传输、变换和聚 焦元件
激光束传输特性及影响因素
典型固体激光器介绍
01
Nd
YAG激光器：以钕掺杂的钇铝石榴石（Nd:YAG）为工作物质，具有高
效率、高功率、良好光束质量等优点。广泛应用于工业加工、医疗等领
域。
02
Ti
Sapphire激光器：以钛掺杂的蓝宝石（Ti:Sapphire）为工作物质，具
有宽调谐范围、高脉冲能量等优点。主要用于科研领域，如超快光学、
利用某些有机染料溶液作为工作物质，在泵浦光作用下实 现粒子数反转并产生激光。如染料激光器等。
半导体激光器
利用半导体材料中的电子空穴对复合时释放出能量来产生 激光。具有体积小、效率高、寿命长等优点，广泛应用于 光纤通信、激光雷达等领域。
02
固体激光器
固体激光器结构及工作原理
结构组成
固体激光器主要由工作物质、泵浦源、光学谐振腔等部分组成。其中，工作物 质多为晶体或玻璃，泵浦源用于提供能量，光学谐振腔用于选模和放大。
工作原理
泵浦源发出的光经过工作物质，被其吸收并转化为激光。在光学谐振腔内，激 光经过多次反射和放大，最终形成稳定的激光输出。
固体激光器性能特点及应用领域
性能特点
固体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点。 同时，其输出波长范围宽，可调谐性强，易于实现多波长输 出。
应用领域
固体激光器在科研、工业、医疗等领域有广泛应用。如用于 材料加工、切割、焊接等工业应用；用于光谱分析、非线性 光学等科研领域；以及用于眼科手术、皮肤美容等医疗领域 。
高亮度
激光具有高能量密度和高亮度 的特点。
激光器分类与工作原理
固体激光器
利用固体激光材料作为工作物质，通过泵浦实现粒子数反 转并产生激光。例如红宝石激光器、Nd:YAG激光器等。
气体激光器
利用气体作为工作物质，在电场或光泵作用下实现粒子数 反转并产生激光。如氦氖激光器、二氧化碳激光器等。
液体激光器
泵浦源提供能量，使激光工作物 质中的粒子数反转分布，在光学 谐振腔的作用下，产生受激辐射 ，输出激光。
光纤激光器结构及工作原理
结构组成
光纤激光器主要由增益介质（如掺铒 光纤）、泵浦源、光纤光栅等部分组 成。
工作原理
泵浦光通过光纤光栅耦合进入增益介 质，使增益介质中的粒子数反转分布 ，在光纤光栅的反射作用下，形成激 光振荡，输出激光。
射，在激光器内形成光放大，最终产生激光输出。
量子级联激光器结构及工作原理
结构
量子级联激光器由多个量子阱结构串联而成 。每个量子阱结构类似于单个半导体激光器 ，但尺寸更小。
工作原理
量子级联激光器利用量子阱结构中的量子限 制效应，使得电子和空穴在量子阱内复合并 释放出能量。通过串联多个量子阱结构，可 以实现更高的光增益和更低的阈值电流，从 而提高激光器的性能。