激光概述
光的受激辐射 激光原理及应用 [电子教案]电子
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光的受激辐射激光原理及应用第一章：激光概述1.1 激光的定义激光的中文全称：Light Amplification Stimulated Emission of Radiation 激光的特点：相干性好、平行度好、亮度高、单色性好1.2 激光的产生原理受激辐射：外来的光子与一个束缚电子发生能量交换，使电子从较低能级跃迁到较高能级，成为激发态电子。
激发态电子回到较低能级时，会释放出一个与外来光子频率、相位、偏振方向相同的光子，这就是受激辐射。
激光的放大过程：受激辐射产生的光子与入射光子具有相同的频率和相位，导致更多的束缚电子发生受激辐射，从而实现光的放大。
1.3 激光的应用领域科研领域：光谱分析、激光干涉、激光雷达等。
工业领域：激光切割、激光焊接、激光打标等。
医疗领域：激光手术、激光治疗、激光美容等。
生活领域：激光打印、激光投影、激光视盘等。
第二章：激光器的基本原理2.1 激光器的组成激光介质：产生激光的物质，如半导体、气体、固体等。
泵浦源：提供能量，使激光介质中的电子发生跃迁。
光学谐振腔：限制激光的传播方向，增强激光的放大效果。
输出耦合器：将激光输出到外部。
2.2 激光的产生过程泵浦源激发激光介质，使电子从基态跃迁到激发态。
激发态电子回到基态时，发生受激辐射，产生激光。
激光在光学谐振腔内多次反射，实现光的放大。
输出耦合器将激光输出到外部。
2.3 激光器的类型及特点气体激光器：采用气体作为激光介质，如二氧化碳激光器、氦氖激光器等。
固体激光器：采用固体材料作为激光介质，如钕激光器、钇铝石榴石激光器等。
半导体激光器：采用半导体材料作为激光介质，如激光二极管等。
光纤激光器：采用光纤作为激光介质，具有高亮度、低阈值等优点。
第三章：激光的性质与应用3.1 激光的相干性3.2 激光的平行度3.3 激光的亮度亮度高的特点：可用于激光投影、激光显示等。
3.4 激光的单色性3.5 激光的应用实例激光切割：用于金属和非金属材料的切割加工。
激光基本概述范文
激光基本概述范文激光是一种特殊的光辐射，具有单色性、相干性和方向性等特点。
激光器是一种能产生激光的装置，通常由激发源、增益介质和光腔三部分组成。
激光由于其特殊的性质，在科研、医疗、通信、材料加工等多个领域有着广泛的应用。
激光的单色性是指激光具有极窄的频率谱线，一般能够达到很高的频率稳定性。
这是由于激光的产生依赖于特定的能级跃迁，因此能够产生具有固定频率的光波。
与其他光源相比，激光的单色性使得其具有更强的穿透力和辨识能力。
激光的相干性是指激光光束中的光波具有非常好的相位关系。
这种相位关系使得激光光束能够形成明亮、锐利、高对比度的干涉条纹。
相干性使得激光在干涉、衍射和散射等方面有着独特的应用，例如激光干涉测量和激光全息术等。
激光的方向性是指激光光束能够在相当长的距离上保持较小的光束发散角度。
这是由于激光的光波具有在空间上高度一致的波前形状，能够通过适当设计的光学系统将光束聚焦成较小的点。
激光的方向性使得其在光通信、激光雷达等领域有着广泛的应用。
激光器是产生激光的装置，根据辐射介质的不同，可分为气体激光器、固体激光器和半导体激光器等。
气体激光器利用气体放电产生激发能级，再通过受激辐射过程产生激光。
常见的气体激光器包括氦氖激光器、二氧化碳激光器等。
固体激光器利用固体增益介质，通过光泵浦方式产生激发能级，再进行受激辐射过程得到激光。
常见的固体激光器有Nd:YAG激光器、激光二极管等。
半导体激光器是利用半导体材料的特殊性质产生激光，这类激光器尺寸小、功耗低，广泛应用于光通信和激光打印等领域。
激光的应用十分广泛，其中激光切割是一种主要的激光材料加工方法，广泛应用于金属、塑料、木材等材料的切割和雕刻领域。
激光打印技术利用激光的单色性和方向性，可以高速、高质量地实现文件和图像的打印。
此外，激光还在医疗领域有着广泛的应用，例如激光治疗和激光手术等。
总之，激光作为一种特殊的光辐射，具有单色性、相干性和方向性等特点。
激光器是产生激光的装置，根据辐射介质的不同有气体激光器、固体激光器和半导体激光器等。
激光专业知识
工作物质 全反射镜
激光输出
激光 部分反射镜
L
光学谐振腔
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第二章 激光的认识
第一节 激光器的结构图——内部结构图详解
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第二章 激光的认识
第二节 激光器的结构功能——工作物质
激光作为光学家族的一员，具有波粒二相性，一方面激光是由无数光子组成，具有光的 粒子性；另一方面，其本身也是一种电磁波。
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第一章 激光的概述
第五节 激光技术的应用——核聚变
激光控制核聚变
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第一章 激光的概述
第五节 激光技术的应用——激光导航星
天文台（激光导航星）
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第一章 激光的概述
第五节 激光技术的应用——测距与激光雷达
激光测距与激光雷达
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第二章 激光的认识
第一节 激光器的结构图——内部结构图
基态和激发态：当原子内所有电子处于可能的最低能级时，整个原子的能量最低，我 们称原子处于基态；当一个或多个原子电子处于较高的能级时，我们 称原子处于激发态。
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第二章 激光的认识
第四节 激光产生的原理——受激吸收/自发辐射
受激吸收：原子吸收入射光子（h=Eh-El），从低能态（El）跃迁到高能态（Eh）。
一般而言，激光的产生需要3个条件：
工作物质：激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。 关键是能在这种介质中实现粒子数反转，就被称为激活介质(active medium) 或工作物质。
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第二章 激光的认识
第二节 激光器的结构功能——激励源
激励源：为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处 于上能级的粒子数增加。如：电激励、光激励、热激励、化学激励等各种激励 方式被形象化地称为泵浦或抽运；只有不断泵浦才能维持上能级粒子数多于下 能级，不断获得激光输出。
激光与晶体的相互作用
激光与晶体的相互作用一、激光概述（一）激光发展历程激光是自1960年世界上第一台红宝石激光器出现后受到人们的关注，且被越来越多地研究。
对激光的研究极大地推动了光物理的发展。
1964年锁模技术出现后，激光产生的许多非线性现象得以发现，出现了激光与物质材料相互作用的微扰理论。
20世纪70年代，飞秒脉冲激光得以发现，从此激光进入了飞秒激光技术时代。
激光在物理、化学、生物等方面得到广泛的应用。
激光的发现为人们研究物质新现象、新性质提供了便捷有力的手段，是目前具有尖端前沿性质的科学研究领域，可为未来科学技术实现跨越式发展奠定基础。
其中飞秒激光极高的峰值功率密度可用于诱导材料的非线性现象的出现，是激光研究的一个极其重要的方面。
（二）激光与晶体相互作用原理激光与晶体之间相互作用表现为通过二者之间的相互作用机理来改变物质的性状。
激光中超短脉冲激光与晶体材料之间相互作用会出现非线性现象，比如光离效应、等离子吸收激光热量效应等。
超长脉冲激光与晶体之间相互作用是通过使用长脉冲激光对材料进行加工，改变晶体材料的物理形态，使其从固态变为液态，再由液态变为气态，最后经过物质热熔环节的处理，过滤晶体材料中的杂质，实现对晶体材料的加工。
在这个过程中，也能更多地认识到激光本身的特性。
在改变晶体材料物理形态的过程中，长脉冲激光的特性也发生了改变，更能够直观地观察到晶体材料在长脉冲激光照射下性态变化的特殊瞬间。
超短脉冲激光与晶体材料的相互作用则更为复杂，其中发生的非线性效应有多种变化，不易直接地得出研究结论。
二、激光与晶体的相互作用分析对激光与晶体相互作用的研究分析主要从超短激光和超长激光两个方面进行，分别阐述了超短激光与晶体材料的相互作用，超长激光与晶体材料之间的相互作用。
最后构建现阶段广泛使用的Docchio 模型对移动损伤的分析，得到高速激光脉冲下对物质损伤的结果，以进一步激发激光的潜能。
（一）非线性效应超短脉冲激光与晶体材料之间的相互作用主要是晶体材料对激光的能量吸收，分为线性和非线性吸收两种状况。
激光基础知识
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激光简介
• 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人 类的又一重发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、 “最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的 100亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱 因斯坦发现，但要直到 1960 年激光才被首次成功制造。 激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而 生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的 发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且 导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用 前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果， 从而促进了生产力的发展。该项目在华中科技大学武汉光 电国家实验室和武汉东湖中国光谷得到充分体现，也在军 事上起到重大作用。
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激光产生条件：粒子数反转
• 当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和 受激吸收两过程同时存在，受激辐射使光子数增 加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡 态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒 子的统计分布律。按统计分布规律，处在较低能 级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。 这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会 加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能 级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种 分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子 数反转分布，简称粒子数反转。如何从技术上实 现粒子数反转是产生激光的必要条件。
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• • • •
通常激光器包括三个基本部分： 激光工作物质 外界激励源 光学谐振腔
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• 激光工作物质 • 是激光器中用于发射激光的物质。作为激光的工 作介质，必须是激活介质，即在外界能源激励下， 能在介质中形成粒子数反转（若介质在外界能源 激励下破坏了热平衡，使高能级上的粒子数大于 的能级上的粒子数，这种状态称为粒子数反转态。 在这种状态下光通过介质后得到放大，这种情况 称为有光增益，此时的介质为光增益介质。）红 宝石激光器的工作物质为含铬离子的红宝石，氦 氖激光器的工作物质是气体氖（氦为辅助工作物 质），常见的氩离子激光器的工作物质是气体氩。
激光知识点总结
激光知识点总结一、激光的工作原理激光是由激光管或半导体激光器等激光器件产生的一种特殊的光，其产生过程涉及到激发、放大和辐射三个过程。
激发过程是激光器内部能级的粒子被外部能量激发，处于高能级，即被激发态。
放大过程是被激发态的粒子受到反射膜的作用，在激光谐振腔内不断来回运动，使得光子通过受激辐射不断放大，形成激光能量。
辐射过程是形成激光光束的过程，激光能量通过谐振腔的光学放大产生足够的光强，经过半透过膜射出。
二、激光的分类根据激光器产生的机理、工作波长和应用领域不同，激光可以分为不同的类型。
常见的激光器包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器等。
气体激光器主要包括CO2激光器、氩离子激光器等，工作波长主要在10.6微米和0.5微米左右。
固体激光器主要包括Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器等，工作波长主要在1微米左右。
半导体激光器主要包括GaAs激光器、InGaN激光器等，工作波长主要在可见光和红外光区域。
三、激光的应用激光在各个领域都有着广泛的应用，包括医学、通信、材料加工等。
在医学领域，激光可以用于手术、治疗、检测等，例如激光近视手术、激光溶脂手术等。
在通信领域，激光可以用于光纤通信、激光雷达等，实现了信息的高速传输和大容量存储。
在材料加工领域，激光可以用于切割、焊接、打标等，高精度、高效率、非接触等优点，深受制造业的青睐。
四、激光的安全问题激光的应用虽然带来了很多便利，但同时也伴随着一些安全问题。
激光具有高能量密度、强聚焦性和直线传播性，如果被不当使用，可能会导致眼睛、皮肤等组织的损伤。
因此，在激光使用过程中，需要采取一系列的安全措施，包括佩戴防护眼镜、设置相应的警示标识、限制激光输出功率等，确保激光的安全使用。
总之，激光作为一种重要的光学技术，在科研和工程实践中有着广泛的应用，具有很高的经济和社会效益。
通过深入理解其工作原理、分类和应用等，可以更好地把握激光的特点和优势，更好地应用于实际工作中。
激光的原理及应用参考文献
激光的原理及应用参考文献原理1.概述：激光是一种通过受激辐射产生的具有高度聚焦、高亮度和单色性的光。
2.受激辐射：当被称为激活物的原子或分子受到外界能量的激发时，它们会从低能级跃迁到高能级，然后通过受到其他原子或分子的碰撞而发射出与其激发能级相对应的光子。
这种受激发射的光子会引起其他原子或分子的跃迁，从而产生连锁效应，形成激光光束。
3.产生单色性：激光是单色的，因为激光的光子具有相同的频率和相位。
这是通过选择合适的激活物和设置合适的谐振腔使得只有特定频率的光被放大和放射出来。
4.聚焦性能：激光具有高度聚焦的能力，这是因为激发绝热性和非线性光学效应导致激光光束在经过透镜时能够聚焦到很小的光斑上。
应用1.激光切割：激光切割是激光技术的重要应用之一。
它可以通过激光的高能量密度和精确控制的热作用来切割各种材料，如金属、塑料和纺织品等。
2.激光打印：激光打印是一种无接触的印刷技术。
它使用激光束对印刷介质进行高能量的热作用，从而在介质上形成图案和文字。
3.激光医疗：激光在医疗领域有着广泛的应用。
它可以用于激光手术、激光治疗和激光诊断等方面。
激光手术可以精确地切割和焊接组织，激光治疗可以用于各种疾病的治疗，激光诊断可以用于观察和测量生物组织的特性。
4.激光通信：激光通信利用激光光束传输信息。
由于激光具有高度聚焦和窄束宽的特点，激光通信在传输容量大、传输距离远的情况下具有优势。
5.激光雷达：激光雷达使用激光脉冲来测量目标物体的距离和速度。
与传统的雷达相比，激光雷达具有更高的分辨率和更精确的测量结果。
参考文献1.Mourou, G. (2017). 100 GW，1 Hz，3 ps – is PW even the limit?. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 50(13), 132003.2.Svelto, O. (2010). Principles of Lasers. Springer.3.Saleh, B., & Teich, M. (2007). Fundamentals of Photonics. Wiley-Interscience.mb, W. E. (1964). Laser physics. Reviews of Modern Physics, 36(4), 450.5.Dhillon, S. S., & Taday, P. F. (2009). Terahertz spectroscopy and imaging: Modern techniques and applications. Reports on Progress in Physics,70(10), 1607.。
激光在医学中的应用
激光在肿瘤治疗中的应用
光动力疗法
利用光敏剂和激光的结合，选 择性杀伤肿瘤细胞，减少对正
常细胞的损害。
激光热疗
利用激光能量加热肿瘤组织，使 其坏死凋亡，适用于小型肿瘤的 治疗。
激光免疫疗法
通过激光激活免疫系统，提高机体 对肿瘤细胞的识别和清除能力。
激光在细胞疗法中的应用
激光可以用于激活细胞疗法，如激光激活干细胞、激 光激活免疫细胞等，能够实现疾病的精准治疗。
感谢您的观看
THANKS
02
激光在诊断方面的应用
激光荧光光谱技术在疾病诊断中的应用
总结词
无创、高灵敏度、高特异性
详细描述
激光荧光光谱技术是一种基于激光诱导荧光原理的技术，可用于疾病诊断。该技 术具有无创、高灵敏度、高特异性等优点，能够快速、准确地检测疾病标志物， 为疾病的早期诊断提供有力支持。
激光拉曼光谱技术在疾病诊断中的应用
详细描述
激光共焦显微镜是一种基于光学共焦原理的技术，可用于眼科疾病诊断。该技术具有高分辨率、高清晰度、高 灵敏度等优点，能够观察眼部组织结构和病变情况，为眼科疾病的早期诊断和病情监测提供重要支持。
03
激光在治疗方面的应用
激光在皮肤科治疗中的应用
01
02
03
激光脱毛
利用激光能量破坏毛囊， 从而实现永久脱毛。
高功率激光在医学领域的前沿应用
1 2 3
激光雷达在医学影像中的应用
高功率激光雷达可以生成高分辨率、高对比度 的医学影像，有助于疾病的早期发现和诊断。
激光用于心血管疾病的治疗
高功率激光可以用于治疗心血管疾病，如激光 打标技术用于治疗血管病变、激光照射疗法用 于治疗冠心病等。
激光基本概述
产生高压引起核聚变
人工控制聚变反应
1.受激吸收
E2
h
E1
吸收前
吸收后
2.自发辐射
E2
h
E1
发光前
光子的频率为
发光后
2 − 1
=
ℎ
3.受激辐射
E2
h
h
h
E1
发光前
发光后
当外来光子的频率满足
h E2 E1
时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的
激发下向低能级跃迁而发光。
特点：
受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的特征：
1.单色性好
光波的单色性可表示为
谱线宽度
or
中心波长
I0
I0
2
2
2
单色性最好的氪灯
Kr86
Δ=4.7×10-3 nm
稳频He—Ne激光器
109 nm
2.亮度极高
普通光源所发出的光射向四面八方，能量非常分散，
亮度不高。
激光器发出的激光方向性好，能量在空间高度集中。
缩写为Laser“镭射”
激光的发展史
➢ 1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器
的经典论文，奠定了激光发展的基础。
➢ 1960年，美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研
究员梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器。
一. 光与物质的相互作用
光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子
吸收或辐射光子，同时改变自身运动状态的表现。
空间相干性好，有的激光波面上各个点都是相干的。
4.方向性好
激光的概述
h
h
h
E1
E1 .
发光前
发光后
受激辐射的光 放大示意图
二 激光原理
1 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布
Ni CeEi / kT
N1 E1 N2 E2
N1 / N2 e(E1E2 )/ kT
已知 E2 E1
N1 N2 表明 , 处于低能级的电子数大于高能级的 电子数,这种分布叫做粒子数的正常分布 . N2 N1 叫
叫泵浦）.
E3
。激发态
.
E2
亚稳态
. E1
。 基态
红宝石中铬离子能级示意图
2 光学谐振腔 激光的形成
光在粒子数反转的工作物质中往返传播,使谐振腔
内的光子数不断增加,从而获得很强的光,这种现象叫做
光振荡. 加强光须满足驻波条件
lk
2
全反射镜
.
激光光束
l
部分透光反射镜
光学谐振腔示意图
三 激光器 1 氦氖气体激光器
到高能级 E2 , 且 E2 E1 h , 这个过程称为光吸收.
E2
. E2
h
. E1
E1 。
吸收前
吸收后
受激吸收
3 受激辐射
恰出好与原满外子足 来中光h处子于一E高样2 能特E级征1 )E的的2光诱的子发电,下子这向,会叫低在受能外激级来辐光E射1子跃. (迁其,频并率发
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、成本 低等优点．
氦1
氖
A
K
2
亚稳态
632.8nm
3
部分反射镜 全反射镜
激光技术ppt课件
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
激光的定义和分类-概述说明以及解释
激光的定义和分类-概述说明以及解释1.引言1.1 概述激光技术作为一种重要的光学技术，在现代科学和工程领域中扮演着至关重要的角色。
激光具有独特的光学特性，如高亮度、单色性和高直线度，这些特性使其在各种领域都有着广泛的应用。
本文将对激光的定义和分类进行详细介绍，并探讨激光在不同领域的应用，旨在帮助读者更好地理解激光技术的原理和应用。
1.2文章结构1.2 文章结构本文将首先介绍激光的定义，包括其基本原理和特点。
然后，我们将详细讨论激光的分类，包括按激射介质分类、按激射波长分类等。
接下来，我们将探讨激光在不同领域的应用，包括工业、医疗、通信等方面。
最后，我们将总结激光技术的重要性，并展望激光技术未来的发展趋势。
通过本文的阐述，读者将更加全面地了解激光技术的定义、分类和应用，以及对其未来发展的展望。
1.3 目的本文的目的是探讨激光的定义和分类，以及激光在不同领域的广泛应用。
通过对激光技术的深入分析，希望读者能够更全面地了解激光的工作原理和特点，以及了解不同类型的激光在不同领域的应用情况。
同时，本文也将总结激光在现代科技领域中的重要性，并展望激光技术的未来发展趋势。
通过对激光的研究和探讨，希望读者能够更好地认识和理解激光技术的深远意义，以及其在各个领域中的广泛应用前景。
2.正文2.1激光的定义2.1 激光的定义激光是一种特殊的光束，是由一种叫做“激光介质”的物质产生的。
激光具有光束高度的相干性和定向性，其光波的频率和相位是高度一致的，因此激光具有良好的单色性和方向性。
激光还具有高能量密度、高亮度和高单色性等优点，使其在科学研究、医学治疗、通信技术、材料加工等领域有着广泛的应用。
激光的产生是利用一定的方法使大量的激发态粒子从高能级跃迁至低能级，从而放出激光光子。
这种放大过程经过一个光学谐振腔来增强，最终形成一束激光。
激光的特性除了具有较高的单色性和方向性外，还有极强的穿透力和聚焦能力，因此可以应用于各种领域的精密加工、高精度测量等工作中。
高斯光束的振幅和强度分布 激光原理及应用 [电子教案]电子
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高斯光束的振幅和强度分布——激光原理及应用教学目标：1. 了解高斯光束的振幅和强度分布特点；2. 掌握高斯光束的数学表达式及计算方法；3. 探索激光在实际应用中的重要作用。
教学内容：第一章：激光概述1.1 激光的定义1.2 激光的特点1.3 激光的发展历程第二章：高斯光束的基本概念2.1 高斯光束的定义2.2 高斯光束的数学表达式2.3 高斯光束的振幅和强度分布第三章：高斯光束的振幅分布3.1 振幅分布的数学表达式3.2 振幅分布的计算方法3.3 振幅分布的实验验证第四章：高斯光束的强度分布4.1 强度分布的数学表达式4.2 强度分布的计算方法4.3 强度分布的实验验证第五章：激光在实际应用中的例子5.1 激光通信5.2 激光切割5.3 激光医疗教学方法：1. 采用多媒体课件进行讲解，结合实例展示高斯光束的振幅和强度分布；2. 通过数学表达式和计算方法，让学生深入理解高斯光束的特性；3. 结合实际应用案例，使学生了解激光技术在各个领域的重要作用。
教学评估：1. 课后作业：要求学生根据所学内容，完成相关练习题；2. 课堂讨论：鼓励学生提问、发表观点，提高课堂互动性；教学资源：1. 多媒体课件；2. 激光原理及应用相关教材；3. 网络资源：查阅相关论文、案例等。
教学进度安排：1. 第一章：2课时2. 第二章：2课时3. 第三章：2课时4. 第四章：2课时5. 第五章：3课时教学总结：通过本课程的学习，使学生掌握高斯光束的振幅和强度分布特点，了解激光技术在实际应用中的重要作用，为今后在相关领域的发展奠定基础。
第六章：高斯光束的衍射和聚焦6.1 高斯光束的衍射现象6.2 高斯光束的聚焦特性6.3 衍射和聚焦的数学描述第七章：高斯光束的传输和变换7.1 高斯光束在介质中的传输7.2 高斯光束的变换规律7.3 传输和变换的数学模型第八章：高斯光束的整形和调制8.1 高斯光束的整形技术8.2 高斯光束的调制方法8.3 整形和调制的应用实例第九章：激光技术的应用领域9.1 激光在工业生产中的应用9.2 激光在科研实验中的应用9.3 激光在其他领域的应用案例第十章：高斯光束的未来发展趋势10.1 高斯光束技术的创新点10.2 激光技术在国家战略中的应用10.3 高斯光束未来发展趋势的展望教学方法：1. 采用案例分析法，结合实际应用场景，讲解高斯光束在衍射、聚焦、传输、整形、调制等方面的应用；2. 通过数学模型和实验数据，让学生掌握高斯光束的传输规律和变换特点；3. 结合前沿科技动态，探讨高斯光束技术的未来发展趋势。
激光原理和发展历程的概述
激光原理和发展历程的概述激光（Laser）是指通过聚集光源能量而形成的高强度、单色、高相干和直线偏振的光束。
它的发明极大地推动了现代科学技术的发展，如微电子、医学、通信、制造业等领域都离不开激光技术。
在此，我们将从激光原理和发展历程两个方面来探讨激光技术的演进。
一、激光原理激光发射的能量来源于一个三能级粒子系统，包括电子、元激发态和基态。
这个三能级粒子系统中，电子处于基态，元激发态的能量高于基态，可通过吸收光子而被激发，而电子则被激发到更高的能级，且具备动能。
当激发的电子回到元激发态时，将放出一个光子，在激光腔内受到反射后，光子就会与处于元激发态的其他分子进一步相互作用，从而使得这一态的粒子数增加，最终产生激光束。
二、激光发展历程激光技术产生于20世纪50年代，最早是在美国贝尔实验室由肖尔丹、汤普森等人发明的。
当时的激光仅仅是由氦氖气体激光产生的红光，但已经指向了激光技术的广泛应用。
在60年代末到70年代初，各种激光设备和激光处理方法得到迅猛发展，如CO2激光、半导体激光和固态激光等。
尤其是在1974年，德国科学家汉克曼发明了第一台使用合成尖晶石晶体Nd:YAG激光器，使得激光技术得到了进一步的发展。
这个激光器是一种固态激光器，使用氨气激光器为激发源，其波长最低达到1064nm，而这些特性为激光在医学、材料加工等领域的应用奠定了坚实的基础。
在80年代末，激光技术专门用于制造业中，如激光切割、激光钻孔以及激光表面处理等。
20世纪90年代，激光医学和激光美容开始得到快速发展，且在现今社会中已经普及使用。
这种激光的非侵入式特性和处置效应，使其在医学方面用于眼科手术、皮肤治疗等等。
在21世纪时，激光通讯技术已经得到高速发展，类激光的不断引入促成了激光技术的革命。
总而言之，激光技术目前已被广泛应用于现代科学技术中的许多领域，其另一特性就是突显出单色纯粹的特性，能够通过其波长和强度对许多物理和化学过程进行调控。
激光概述
多路合成角度全息用于艺术品展示
全息激光防伪标签，已经是一个很大的产业
（2）激光全息存储
❖ 利用激光干涉原理将图文等信息记录在感光介 质上的大容量信息存储技术 通过将缩微胶片 上的影像转变为光信息，然后制出存储密度更 大的全息图 全息图是由干涉条纹组成的影像， 该条纹记录了入射光线的全部信息—振幅和相 位 阅读还原时，需在激光照射下利用条纹影 像的衍射原理使其再现
与其他种类电视(等离子体、液晶电视等)相比，激光电视在技术上具有明显优势。 据专家介绍，彩色电视机自1954年问世至本世纪初以来，一直以阴极射线管为基础， 通过提高荧光粉的发光效率、增大显示屏的尺寸、平面化荧光屏的显示表面、改进接 收和播放信号处理系统等提高彩色电视机的技术含量和增强市场竞争力。
随着科技的进步和发展，以阴极射线管作为显示器，逐步暴露出越来越多的缺点和不 足，如会产生对使用者身体健康非常有害的电磁辐射、荧光粉不能完美显示影像的颜 色、显示屏的尺寸难以做大、彩色电视机整机体积大，重量大等。
书中记载：放平了看，这是一块残缺的玻璃片，但斜向阳光看去， 就
有一个“仙人”坐在里面，仪容端庄，面色微红，双目炯炯，胸前飘着长长 的白须，头戴红色道冠，，穿紫色衣服， 右手执一柄羽毛扇，身旁还侍立 着一个童子。
姚元之在清代嘉庆、道光两朝，做官近40年，经历丰富，博学能文，著 述严谨。 囿于当时认识水平，姚元之把这一奇异现象解释为在雷雨时刻， 一位避劫的仙灵精气聚合不散，附着在玻璃上而成。
影，有坐着做祈祷的半裸体印第安人，有手捋胡子的白发老人，有带着一群 孩子的年轻妇人，还有手拿帽子、带着披风的印第安老农等。
在仅有八毫米的圣女像的双眼中，竟容纳这么多人，这在科学上是很难 解释的。 这些图像是怎样形成的? 还有待科学家们进一步考用分光镜一分为二，其中一束照到 被拍摄的景物上，称为物光束；另一束直 接照到感光胶片即全息干板上，称为参考 光束。当光束被物体反射后，其反射光束 也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄 制过程
激光基本原理概述讲解
A21n2 B21n n2 B12 n n1
n2 f E E1 2 exp 2 n1 f1 KT
n
A21 1 n B21 B12 f1 h e kT 1 B21 f 2
f1=f2
爱因斯坦关系
A21 8hn 3 nn hn 3 B21 c B12 f1 B21 f 2
B12 B21 W12 W21
能级简并度
说明：
1. SPE,STA,STE 三种过程同时存在，只是有强弱差别
2. 两种辐射比较 (热平衡情况下)
答案：SPE（自发辐射）占绝对优势
I sp n2 A21hn I ste n2 B21n hn
3
I ste B21 c 1 9 n 2 10 n I sp A21 8hn 3 ehn kT 1
辐射频率n E2 E1
h
• 自发辐射 （Spontaneous Emission）。
主要特征：无需外来光，随机发光，发出的光子不相关
，即相位、偏振态、传输方向是随机的；发出的光子能
量分布在许许多多个模式上。
E2 E1 hn E2 E1
hn
自发辐射几率(Spontaneous transition rate) A21
n =103 n= 1;
coherent
l= 0.6m n=10-35 incoherent
结论: 黑体辐射在红外和可见光波段为非相干的
模密度 nn
8n 2 hn n c3 hn KT e 1
n hn n B21n W21 n 2 3 A21 A21 8n 8hn
• 最简单的开放式谐振腔是F-P腔 • 开放式光谐振腔使特定（轴向）模式的n增加, 其它模 式(非轴向) 逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。 • 光谐振腔有选模作用，是构成激光器的主要部分。
激光基础知识
激光基础知识目录一、激光概述 (2)1.1 激光的定义 (3)1.2 激光的产生原理 (4)1.3 激光的特点与应用 (4)二、激光器的工作原理与结构 (5)2.1 激光器的基本构成 (6)2.2 激光器的类型 (7)2.2.1 固体激光器 (9)2.2.2 液体激光器 (10)2.2.3 气体激光器 (11)2.3 激光器的输出特性 (13)三、激光的发射与调控 (14)3.1 激光的发射过程 (15)3.2.1 脉宽调制 (17)3.2.2 频率调制 (18)3.2.3 相位调制 (19)四、激光的传输与耦合 (20)4.1 激光的传输介质 (21)4.2 激光的耦合方式 (22)4.3 激光的聚焦与散射 (23)五、激光的检测与测量 (24)5.1 激光的检测方法 (25)5.2 激光的测量技术 (27)5.2.1 功率测量 (29)5.2.2 频率测量 (30)5.2.3 相位测量 (31)六、激光的安全与防护 (32)6.2 激光的防护措施 (35)6.3 激光的正确使用与废弃处理 (36)七、激光新技术与发展趋势 (37)7.1 新型激光技术 (38)7.2 激光技术的应用领域 (40)7.3 激光技术的发展趋势 (41)一、激光概述激光（Laser）是一种受控能量释放过程，通过特定物质在受激发射过程中发射出高度集中、单一波长的光子束。
它是一种非传统光源，具有许多独特的特点和优势。
激光的原理起源于20世纪初，当时科学家们发现某些物质的电子在受到特定频率的光照射后，会吸收能量并跃迁到更高的能级。
当这些电子从高能级回落到低能级时，会以光的形式释放出能量。
这种跃迁过程使得特定波长的光被有效地放大和发射，从而产生了激光。
单色性：激光发射出的光子具有高度集中的单一波长，这使得激光在光谱分析、医疗、通信等领域具有广泛的应用价值。
直线性：激光的光束传播方向高度集中，几乎可以沿直线传播，这使得激光在切割、焊接等加工领域具有很高的精度。
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一、激光概述
激光打标在激光焊接、激光热处理、激光切割、激光打孔等应 用技术之后发展起来的一门新型加工技术，是一种非接触、无 污染、无磨损的新标记工艺。近年来，随着激光器的可靠性和 实用性的提高，加上计算机技术的迅速发展和光学器件的改进， 促进了激光打标技术的发展。
激光打标是利用高能量密度的激光束对目标作用,使目标表面 发生物理或化学的变化 ,从而获得可见图案的标记方式。高能量 的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速汽化，形成凹坑。随 着激光束在材料表面有规律地移动同时控制激光的开断，激光 束也就在材料表面加工成了一个指定的图案。激光打标与传统 的标记工艺相比有明显的优点： (1)标记速度快，字迹清晰、永久。 (2)非接触式加工，污染小，无磨损。 (3)操作方便，防伪功能强。 (4)可以做到高速自动化运行，生产成本低。
1、按工作介质分
激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类 ①固体（晶体和玻璃）激光器，这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够 产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的； ②气体激光器，它们所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激 发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体 激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等； ③液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光 染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子（如Nd） 起工作粒子作用，而无机化合物液体（如SeOCl）则起基质的作用； ④半导体激光器，这类激光器是以一定的半导体材料作工作物质而产生受激发 射作用，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入)，在半 导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒 子数反转，从而产生光的受激发射作用； ⑤自由电子激光器，这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周期 变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生 可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域， 因此具有很诱人的前景。
3．振镜时代
1998年，振镜式扫描系统在中国的大规模应用开始到来。 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机 所取代，在这套控制系统中，位置传感器的使用和负反馈 回路的设计思路进一步保证了系统的精度，整个系统的扫 描速度和重复定位精度达到一个新的水平。
1．大幅面时代
所谓大幅面，刚开始是将绘图仪的控制部分直接用于激光 设备上，将绘图笔取下，在（0，0）点X轴基点、Y轴基点和 原绘图笔的位置上分别安装45°折返镜，在原绘图笔位置下 端安装小型聚焦镜，用以导通光路及使光束聚焦。直接用绘 图软件输出打印命令即可驱动光路的运行，种方式最明显的 优势是幅面大，而且基本上能满足精度比较低的标刻要求， 不需要专用的标刻软件；但是，这种方式存在着打标速度慢、 控制精度低、笔臂机械磨损大、可靠性差、体积大等缺点。 因此，在经历最初的尝试后，绘图仪式的大幅面激光打标系 统逐步退出打标市场的，现在所应用的同类型的大幅面设备 基本上都是模仿以前这种控制过程，用伺服电机驱动的高速 大幅面系统，而随着三维动态聚焦振镜式扫描系统的逐步完
2．阵列式打标
阵列式打标系统如图2所示，它是使用几台小型激 光器同时发射脉冲，经反射镜和聚焦透镜后，使几 个激光脉冲在被打标材料表面上烧蚀（熔化）出大 小及深度均匀的小凹坑，每个字符、图案都是由这 些小圆黑凹坑构成的，一般是横笔划5个点，竖笔划 7个点，从而形成5×7的阵列。阵列式打标一般采用 小功率射频激励CO2激光器，其打标速度最高可达 6000字符／妙，因而成为高速在线打标的理想选择， 其缺点是只能标记点阵字符，且只能达到5×7的分 辨率，对于汉字无能为力。
（2）振镜扫描式
振镜扫描式打标系统主要由激光器、XY偏转镜、聚焦透镜、计算机等构成。 其工作原理是将激光束入射到两反射镜（振镜）上，用计算机控制反射镜的反射角度，这 两个反射镜可分别沿X、Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，使具有一定功率密度的激光 聚焦点在打标材料上按所需的要求运动，从而在材料表面上留下永久的标记，聚焦的光斑 可以是圆形或矩形。在振镜打标系统中，可以采用矢量图形及文字，这种方法采用了计算 机中图形软件对图形的处理方式，具有作图效率高，图形精度好，无失真等特点，极大的 提高了激光打标的质量和速度。同时振镜式打标也可采用点阵式打标方式，采用这种方式 对于在线打标很适用，根据于不同速度的生产线可以采用一个扫描振镜或两个扫描振镜， 与前面所述的阵列式打标相比，可以标记更多的点阵信息，对于标记汉字字符具有更大的 优。
二．国内激光打标的发展历程
• 激光打标设备的核心是激光打标控制系统，因此，激光打标的发展历程就
是打标控制系统的发展过程。从1995年到2003年短短的8年时间，控制系统 在激光打标领域就经历了大幅面时代、转镜时代和振镜时代，控制方式也完 成了从软件直接控制到上下位机控制到实时处理、分时复用的一系列演变， 如今，半导体激光器、光纤激光器、乃至紫外激光的出现和发展又对光学过 程控制提出了新的挑战。
3．扫描式打标
扫描式打标系统由计算机、激光器和X-Y扫描机构三 部分组成，其工作原理是将需要打标的信息输入计 算机，计算机按照事先设计好的程序控制激光器和 X-Y扫描机构，使经过特殊光学系统变换的高能量激 光点在被加工表面上扫描运动，形成标记。
通常X-Y扫描机构有两种结构形式：一种是机械扫 描式，另一种是振镜扫描式。
Nd:YAG激光器和CO2激光器的缺点是对材料的热损伤及热 扩散比较严重，产生的热边效应常会使标记模糊。相比之下， 由准分子激光器产生的紫外光打标时，不加热物质，只蒸发物 质的表面，在表面组织产生光化学效应，而在物质表层留下标 记。所以，用准分子激光打标时，标记边缘十分清晰。由于材 料对紫外光的吸收大，激光对材料的作用只发生在材料的最表 层，对材料几乎没有烧损现象，因此准分子激光器更适合于材 料的标记。
2、按激励方式分类
按激励方式分类 ①光泵式激光器。 ②电激励式激光器。③化学激光器。④ 核泵浦激光器
3、按运转方式分类
按运转方式分类 ①连续激光器 ②单次 脉冲激光器 ③重复脉冲激光器 ④调激 光器
4、按输出波段范围分类
按输出波段范围分类 ①远红外激光器 ②中红外激光器 ③近红外激光器 ④可 见激光器 ⑤近紫外激光器 ⑥真空紫外激光器 ⑦ X射线激光器
三．国内激光打标的技术现状
目前国内的激光打标按其工作方式可分为 掩模式打标、阵列式打标和扫描式打标。
1．掩模式打标
2．阵列式打标 3．扫描式打标
1．掩模式打标
掩模式打标又叫投影式打标。掩模式打标系统由激 光器、掩模板和成像透镜组成，其工作原理(如图1 所示)是在一块模板上，将待打标的数字、字符、条 码、图像等雕空，做成掩模，经过望远镜扩束的激 光，均匀的投射在事先做好的掩模板上，光从雕空 部分透射。掩模板上的图形通过透镜成像到工件 （焦面）上。通常每个脉冲即可形成一个标记。受 激光辐射的材料表面被迅速加热汽化或产生化学反 应，发生颜色变化形成可分辨的清晰标记。掩模式 打标一般采用CO2激光器和YAG激光器。掩模式打 标主要优点是一个激光脉冲一次就能打出一个完整 的、包括几种符号的标记，因此打标速度快。对于 大批量产品，可在生产线上直接打标。缺点是打标 灵活性差，能量利用率低。
3．扫描式打标
扫描式打标系统由计算机、激光器和X-Y扫描机构三 部分组成，其工作原理是将需要打标的信息输入计 算机，计算机按照事先设计好的程序控制激光器和 X-Y扫描机构，使经过特殊光学系统变换的高能量激 光点在被加工表面上扫描运动，形成标记。
通常X-Y扫描机构有两种结构形式：一种是机械扫 描式，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ一种是振镜扫描式。
（1）机械扫描式
机械扫描式打标系统不是采用通过改变反射镜的旋 转角度去移动光束，而是通过机械的方法对反射镜 进行X-Y坐标的平移，从而改变激光束到达工件的位 置，这种打标系统的X-Y扫描机构通常是用绘图仪改 装（如图3所示）。其工作过程：激光束经过反光镜 ①、②转折光路后，再经过光笔（聚焦透镜）③作 用射到被加工工件上。其中绘图仪笔臂④只能带着 反光镜①和②沿X轴方向来回运动；光笔③连同它上 端的反光镜②（两者固定在一起）只能沿Y轴方向运 动。在计算机的控制下（一般通过并口输出控制信 号），光笔在Y方向上的运动与笔臂 在X方向上的运 动合成，可使输出激光到达平面内任意点，从而标 刻出任意图形和文字。
振镜扫描式打标系统一般使用连续光泵工作波为1.06μm的Nd:YAG激光器，输出功率为 10～120W，激光输出可以是连续的，也可以是Q开关调制的。近年发展的射频激励CO2 激光器，也被用于振镜扫描式激光打标机。
振镜扫描式打标因其应用范围广，可进行矢量打标和点阵打标，标记范围可调，而且 具有响应速度快、打标速度高（每秒钟可打标几百个字符）、打标质量较高、光路密封性 能好、对环境适应性强等优势已成为主流产品，并被认为代表了未来激光打标机的发展方 向，具有广阔的应用前景。
四、激光器的发展
目前用于打标的激光器主要有Nd:YAG激光器和CO2激光器。 Nd:YAG激光器产生的激光能被金属和绝大多数塑料很好地吸 收，而且其波长短(为1.06μm)，聚焦的光斑小，因而最适合在 金属等材料上进行高清晰度的标记。CO2激光器产生的激光波 长为10.6μm，木制品、玻璃、聚合物和多数透明材料对其有 很好的吸收效果，因而特别适合在非金属表面上进行标记。