大学物理课件激光

半导体材料及器件结构
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半导体材料
半导体材料是指导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。常 见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）以及砷化镓 （GaAs）等。这些材料具有独特的能带结构和电子特性， 使得它们能够用于制造各种电子器件和光电器件。
半导体器件结构
半导体器件结构是指利用半导体材料制成的各种电子器件的 结构形式。常见的半导体器件结构包括二极管、晶体管、场 效应管等。这些器件结构具有不同的工作原理和特性，可用 于实现放大、开关、调制等功能。
受激辐射
原子或分子在外界光场的作用下， 从高能级向低能级跃迁并发射出一 个与入射光子完全相同的光子的过 程。
激光产生条件
粒子数反转
谐振腔
高能级上的粒子数大于低能级上的粒 子数，这是产生激光的必要条件。
激光器中的谐振腔提供了正反馈机制， 使得受激辐射的光子能够在腔内多次 往返并被放大，最终形成稳定的激光 输出。
增益大于损耗
在激光器中，增益介质提供的增益必 须大于各种损耗（如反射、吸收、散 射等）的总和，才能实现光放大并产 生激光。
激光器基本结构增益介质来自提供粒子数反转和光放大的物质， 如气体、液体、固体或半导体等。
泵浦源
为增益介质提供能量，使其实现 粒子数反转的装置，如闪光灯、 激光二极管等。
谐振腔
由两个反射镜组成的光学腔体， 提供正反馈机制并决定激光的波 长、方向性和模式等特性。
激光束质量评价
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光束发散角
指激光束在传播过程中的发散程度，通常以毫弧度（mrad）为单位。
发散角越小，激光束的准直性越好，能够保持更长的有效照射距离。
02
光束稳定性
指激光束在时间和空间上的稳定性。稳定性越好，意味着激光束在传播
过程中能够保持恒定的功率和能量密度，从而提高加工精度和效率。
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光束模式
优点
晶体激光器具有工作稳定、效率高、 光束质量好等优点，广泛应用于科 研、工业、医疗等领域。
玻璃激光器
玻璃基质
玻璃激光器以玻璃作为基质材料， 通过掺杂稀土离子等激活物质实
现激光输出。
工作原理
玻璃激光器通常采用光泵浦或电 泵浦方式，使得激活离子在玻璃 中达到粒子数反转分布，进而产
生激光。
优点
玻璃激光器具有制备工艺简单、 成本低、易于实现大尺寸等优点，
激光焊接
通过激光束使材料熔化并 实现连接，具有高精度、 高效率等优点。
激光打标
在材料表面通过激光刻划 或烧蚀形成标记，广泛应 用于产品标识、防伪等领 域。
医疗诊断与治疗
激光治疗
利用激光的生物效应，对 病变组织进行照射，达到 治疗目的，如激光治疗近 视、皮肤病等。
激光手术
利用激光的高精度、高能 量特性进行微创手术，如 激光眼科手术、激光美容 手术等。
输出耦合镜
部分反射、部分透射的镜子，用 于将激光从谐振腔内耦合出来。
02 激光特性及参数
激光波长与频率
激光波长
指激光在真空中的波长，通常以纳米（nm）为单位。不同波长的激光对应不 同的颜色，如红光波长约为635nm，绿光波长约为532nm。
激光频率
指激光光子的振动频率，与波长成反比。频率越高，光子能量越大，激光的穿 透力也越强。
适用于一些特殊应用场景。
光纤激光器
光纤结构 光纤激光器以光纤作为基质材料，通过掺杂稀土离子等激 活物质实现激光输出。
工作原理
光纤激光器通常采用光泵浦方式，使得激活离子在光纤芯 层中达到粒子数反转分布，进而产生激光。由于光纤的波 导效应，激光可以在光纤内实现高效传输。
优点 光纤激光器具有结构紧凑、散热性能好、光束质量好、易 于实现高功率等优点，广泛应用于工业加工、通信、医疗 等领域。
激光功率与能量
激光功率
指单位时间内激光器输出的能量，通常以瓦特（W）为单位。 激光功率越高，意味着激光器在单位时间内能够产生更多的光 子，从而具有更强的照射能力。
激光能量
指激光器输出的总能量，通常以焦耳（J）为单位。激光能量越 大，意味着激光器能够产生更强的光束，从而具有更强的切割、 焊接等能力。
结果讨论
探讨实验结果与理论预期的差异及其 原因，提出改进实验方案或激光器性 能的建议。同时，可以进一步讨论激 光器在实际应用中的优缺点及潜在的 应用领域。
THANKS
感谢观看
军事领域中的应用
激光制导
利用激光束对导弹、炮弹等进行精确制导，提高命中精度。
激光雷达侦察
利用激光雷达对目标进行探测、识别和跟踪，获取战场情报。
激光武器
利用高能激光束对敌方目标进行照射和破坏，具有速度快、精度 高、无污染等优点。
07 实验部分：激光 器的搭建与调试
实验目的和要求
掌握激光器的基本结构和工作原理 了解激光器的性能参数和测量方法
半导体激光器
半导体激光器是一种利用半导体材料作为工作物质的激光器。 它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，并且可以 通过改变电流或温度来实现不同波长的激光输出。半导体激 光器在通信、医疗、工业等领域有广泛应用。
06 激光技术应用领 域
工业加工与制造
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激光切割
利用高能激光束对材料进 行快速、精确的切割，适 用于金属、非金属等多种 材料。
二氧化碳激光器
工作原理
二氧化碳激光器利用CO2分子在放电过程中的振动-转动能级跃迁产生激光。通过高压放电激 发CO2气体，使其产生激光辐射。
输出特性
二氧化碳激光器输出的是红外光，波长在10.6μm附近。其输出功率较高，可以达到千瓦量级。
应用领域
由于二氧化碳激光器输出功率高、光束质量好，因此被广泛应用于工业加工、医疗、科研等 领域。例如，用于切割、焊接、打孔等加工工艺。
染料激光器的应用 染料激光器在光谱学、生物医学、光化学等领域有广泛应用。例如，在生物医学领域中，染料激光器可 用于荧光显微镜、光动力疗法等。
化学激光器
化学激光器的工作原 理
化学激光器利用化学反应释放的 能量来激发激光介质，从而产生 激光。在化学激光器中，通常使 用一种或多种化学物质作为反应 物，并通过特定的反应条件（如 温度、压力等）引发化学反应。
气体放电激励方式
电激励
通过在气体中施加高压电场，使 气体分子电离并激发到高能级， 然后通过辐射跃迁产生激光。这 是气体激光器中最常用的激励方 式之一。
化学激励
利用某些化学反应释放的能量来 激发气体分子，使其产生激光辐 射。这种方式需要特定的化学反 应条件和相应的反应物质。
光激励
使用特定波长的光照射气体，使 气体分子吸收光子能量并激发到 高能级，然后通过辐射跃迁产生 激光。这种方式需要相应的光源 和光路系统。
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4. 改变激光器的工作条件（如电流、温度 等），观察激光功率的变化
数据记录和处理方法
数据记录
记录不同工作条件下的激光功率数据， 以及实验过程中的其他重要信息（如 环境温度、湿度等）
数据处理
根据实验数据绘制激光功率随工作条件 变化的曲线图，并分析其趋势和特点
实验结果分析和讨论
结果分析
根据实验数据和分析结果，得出激光 器性能参数（如阈值电流、斜率效率 等）的数值，并评估激光器的性能优 劣
学会搭建和调试简单的激光器 培养实验操作能力和分析解决问题的能力
实验器材和步骤
器材：激光器主机、电源、光路调整架、反射镜、 输出镜、激光功率计等
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1. 按照激光器主机说明书连接电源和光路 调整架
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步骤
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2. 调整反射镜和输出镜的位置和角度，使 激光在腔内形成稳定振荡
3. 使用激光功率计测量输出激光的功率， 并记录数据
化学激光器的优点
化学激光器的应用
化学激光器具有高能量密度、高 效率、宽调谐范围等优点。此外， 由于化学反应的多样性，化学激 光器可以实现多种不同波长的激 光输出。
化学激光器在军事、工业、科研 等领域有广泛应用。例如，在军 事领域中，化学激光器可用于激 光雷达、激光武器等；在工业领 域中，化学激光器可用于材料加 工、焊接等。
04 气体激光器
氦氖激光器
工作原理
氦氖激光器利用氦气和氖气的混合物在放电过程中产生激光。其中， 氦气作为辅助气体，提供能量使氖气激发，进而产生激光。
输出特性
氦氖激光器输出的是红色可见光，波长约为632.8nm。其输出功率 较低，通常在毫瓦量级。
应用领域
由于氦氖激光器输出光束质量好、稳定性高，因此被广泛应用于精密 测量、准直、定位等领域。
05 液体激光器与半 导体激光器
染料激光器
染料激光器的工作原理
染料激光器利用染料分子在激发态下的受激发射产生激光。染料分子吸收泵浦光能量后，从基态跃迁到激发态，然后通过 受激发射产生与泵浦光相同频率的光子。
染料激光器的优点
染料激光器具有宽调谐范围、高输出功率、短脉冲宽度等优点。此外，染料激光器还可以通过改变染料的种类和浓度来实 现不同波长的激光输出。
激光诊断
通过激光光谱分析等技术， 对人体组织、血液等进行 检测，为疾病诊断提供依 据。
通信技术中的应用
光纤通信
01
利用激光在光纤中传输信息，具有传输速度快、容量大、抗干
扰能力强等优点。
激光雷达
02
利用激光雷达进行测距、测速、成像等，广泛应用于无人驾驶、
机器人等领域。
空间光通信
03
利用激光在大气中传输信息，实现高速、远距离的无线通信。
大学物理课件激光
目 录
• 激光基本原理 • 激光特性及参数 • 固体激光器 • 气体激光器 • 液体激光器与半导体激光器 • 激光技术应用领域 • 实验部分：激光器的搭建与调试
01 激光基本原理
光的自发辐射与受激辐射
自发辐射
原子或分子在没有外界作用下，由 于自身能级的不稳定性而自发地从 高能级向低能级跃迁，同时发射出 一个光子的过程。
指激光束在横截面上的光强分布。常见的光束模式有高斯模式、平顶模
式等。不同的光束模式适用于不同的应用场景，如高斯模式适用于精确
切割，而平顶模式适用于大面积均匀照射。
03 固体激光器
晶体激光器
晶体结构
晶体激光器利用晶体的特殊结构， 通过能级间的粒子数反转实现激 光输出。
工作原理
晶体激光器通常采用光泵浦、电泵 浦或化学泵浦等方式，使得激活离 子在晶体中达到粒子数反转分布， 进而产生激光。