激光原理与技术15
激光原理与技术复习——简答题
激光原理复习题----填空简答论述1.什么是光波模式？答：光波模式:在一个有边界条件限制的空间内，只能存在一系列独立的具有特定波矢的平面单色驻波。
这种能够存在于腔内的驻波（以某一波矢为标志）称为光波模式。
2.如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度？答：光的相干性:在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某些特性的相关性。
相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需的时间，称为相干时间。
相干长度：相干光能产生干涉效应的最大光程差，等于光源发出的光波的波列长度。
3.何谓光子简并度，有几种相同的含义？激光源的光子简并度与它的相干性什么联系？答：光子简并度：处于同一光子态的光子数称为光子简并度。
光子简并度有以下几种相同含义：同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数。
联系：激光源的光子简并度决定着激光的相干性，光子简并度越高，激光源的相干性越好。
4.什么是黑体辐射？写出公式,并说明它的物理意义。
答：黑体辐射：当黑体处于某一温度的热平衡情况下，它所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间应处于能量（热）平衡状态，这种平衡必然导致空腔内存在完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。
物理意义：在单位体积内，频率处于附近的单位频率间隔中黑体的电磁辐射能量。
.5.描述能级的光学跃迁的三大过程，并写出它们的特征和跃迁几率。
Page10答：(1)自发辐射：处于高能级的一个原子自发的向跃迁，并发射一个能量为的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。
特征：a) 自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发过程,无需外来光。
b) 每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元，原子之间毫无联系而且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然相同，均为，各列光波之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发的光将向空间各个方向传播，即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。
激光原理与技术
激光的特性：方向性好、单色好、相干性好、亮度高。
由于谐振腔对光振荡方向的限制，激光只有沿腔轴方向受激辐射才能振荡放大，所以激光具有很高的方向性。
半导体激光器的方向性最差。
衍射极限θm≈1.22λD(λ为波长，D为光束直径)；激光是由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，所以单色性极好。
单模稳频气体激光器的单色性最好，半导体激光器的单色性最差；激光是通过受激辐射过程形成的，其中每个光子的运动状态（频率、相位、偏振态、传播方向）都相同，因而是最好的相干光源。
激光是一种相干光这是激光与普通光源最重要的区别；激光的高方向性、单色性等特点，决定了它具有极高的单色定向亮度。
相干性包括时间相干和空间相干，有时用相干长度L C=C∆V 来表示相干时间。
自发辐射：处于高能级E2的原子自发地向低能级跃迁，并发射出一个能量为hv=E2−E1的光子，这个过程称为自发跃迁。
自发辐射跃迁概率（自发跃迁爱因斯坦系数）A21=（dn21dt ）sp1n2=−1n2dn2dt（n2为E2能级总粒子数密度；dn21为dt时间内自发辐射跃迁粒子数密度）；受激辐射：在频率为v=(E2−E1)/h的光照激励下，或在能量为hv=E2−E1的光子诱发下，处于高能级E2上的原子可能跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与诱发光子的状态完全相同的光子，这个过程称为受激辐射跃迁W21=（dn21dt ）st1n2=−1n2dn2dt。
受激辐射跃迁与自发辐射跃迁的区别在于，它是在辐射场（光场）的激励下产生的，因此，其月前概率不仅与原子本身的性质有关，还与外来光场的单色能量密度ρv成正比，W21=B21ρv，B21称为爱因斯坦系数；受激吸收：处于低能级E1的原子，在频率为v的光场作用（照射）下，吸收一个能量为h v21的光子后跃迁到高能级E2的过程称为受激吸收跃迁，受激吸收恰好是受激辐射的反过程。
受激吸收跃迁概率W12=（dn12dt ）st1n1=1n1dn2dt，与上个概念类似，W12=B12ρv，B12称为爱因斯坦系数。
激光原理与技术
激光的光化学效应与光生物效应
光化学效应
激光能够激发化学反应，改变物质的化学性 质。光化学效应在光催化、光合成等领域具 有重要应用，如利用激光诱导化学反应合成 新材料。
光生物效应
激光对生物组织的作用，包括光热作用、光 化学作用和光机械作用等。光生物效应可用 于激光治疗、光遗传学等领域，如利用激光 进行视网膜修复、神经刺激等。
激光的特性
激光具有一系列独特的特性，如方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等。这些特性使得激光在科学研 究、工业生产、医疗诊断等领域具有广泛的应用价值。
02
激光器类型与技术
固体激光器
01
02
03
晶体激光器
使用掺杂有激活离子的晶 体作为工作物质，如 Nd:YAG激光器。
玻璃激光器
以玻璃为基质，掺入激活 离子制成的激光器，如钕 玻璃激光器。
变换特性
利用光学系统，如透镜组、反射镜、波片等，可以对激光束进 行变换，如扩束、缩束、旋转、偏振状态改变等。
激光束的聚焦与整形
聚焦特性
通过透镜或反射镜等聚焦元件，可以将激光束聚焦到极小的焦点上，实现高能量密 度的集中。聚焦后的激光束可用于切割、焊接、打孔等高精度加工。
整形特性
利用特定的光学元件或算法，可以对激光束进行整形，如生成特定形状的光斑、实 现均匀照明等。整形后的激光束可应用于光刻、显示等领域。
激光治疗
利用激光的生物刺激效应，对病 变组织进行照射，以达到治疗目
的。
激光手术
使用激光代替传统手术刀进行手 术，具有精度高、出血少、恢复
快等优点。
激光美容
通过激光照射肌肤，改善皮肤质 地、去除色斑、减少皱纹等。
激光通信技术
光纤通信
激光原理与技术_电子科技大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
激光原理与技术_电子科技大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.在锁模激光器中，被锁定的模式数量越多，脉冲周期越短。
参考答案:错误2.对于对称共焦腔，其傍轴光线在腔内往返传输次即可自行闭合，其自再现模式为高斯光束。
参考答案:2##%_YZPRLFH_%##二##%_YZPRLFH_%##两3.谐振腔损耗越大，品质因子越高。
参考答案:错误4.有激光输出时，激活介质不是处于热平衡条件。
参考答案:正确5.在主动锁模激光器中，调制器应该放到谐振腔的一端。
参考答案:正确6.为得到高转化效率的光学倍频，要实现匹配，使得基频波和倍频波的折射率要相等，在他们相互作用过程中，两个基频光子湮灭，产生一个倍频光子。
参考答案:相位7.尽量增加泵浦功率有利于获得单模激光输出。
参考答案:错误8.在调Q激光器中，随着Dni/Dnt的增大，峰值光子数增加，脉冲宽度。
参考答案:变窄##%_YZPRLFH_%##变小##%_YZPRLFH_%##减小9.关于基模高斯光束的特点，下面描述不正确的是。
参考答案:基模高斯光束在激光腔内往返传播时没有衍射损耗10.KDP晶体沿z轴加电场时，折射率椭球的主轴绕z轴旋转了度角。
参考答案:45##%_YZPRLFH_%##四十五11.稳定谐振腔是指。
参考答案:谐振腔对旁轴光线的几何偏折损耗为零12.形成激光振荡的充分条件是。
参考答案:光学正反馈条件和增益阈值条件13.关于谐振腔的自再现模式，下面那个说法是正确的？参考答案:自再现模式与谐振腔的稳定性有关14.三能级激光器的激光下能级是基态，需至少将原子总数的通过泵浦过程转移到激光上能级，才能实现受激辐射光放大。
参考答案:一半##%_YZPRLFH_%##1/2##%_YZPRLFH_%##50%##%_YZPRLFH_%##二分之一##%_YZPRLFH_%##百分之五十15.谱线加宽是指的光谱展宽。
参考答案:自发辐射16.关于自发辐射和受激辐射说法正确的是。
激光原理与技术
激光原理与技术
激光，全称为“光电子激射”，是一种具有高度相干性、高能量密度和直线传播特性的光。
激光技术作为一种重要的现代科技应用，已经在医疗、通信、制造、军事等领域得到广泛应用。
本文将从激光的原理和技术两个方面来进行介绍。
激光的原理主要基于激光器的工作原理，激光器是产生激光的装置。
常见的激光器有气体激光器、固体激光器、半导体激光器等。
激光器的工作原理是利用受激辐射将外界能量转化为光能，然后通过光放大器放大，最终形成激光。
其中，受激辐射是指原子或分子受到外界光的作用，从基态跃迁到激发态，然后在受到外界光的作用下，从激发态跃迁回基态并释放出光子。
这一过程是激光产生的基础。
激光技术主要包括激光加工、激光医学、激光通信等多个方面。
激光加工是指利用激光对材料进行切割、焊接、打孔等加工过程。
激光医学则是利用激光技术进行医疗治疗，如激光手术、激光美容等。
激光通信则是利用激光进行通信传输，具有传输速度快、信息容量大等优点。
除此之外，激光雷达、激光测距、激光制导等技术也在军事领域得到了广泛应用。
总的来说，激光技术作为一种重要的现代科技，已经在各个领域得到了广泛应用。
随着科技的不断进步，相信激光技术在未来会有更加广阔的发展空间，为人类社会带来更多的便利和进步。
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
激光原理与技术PPT精品文档
ONE KEEP VIEW 激光原理与技术PPT精品文档目录CATALOGUE•激光基本原理•激光器类型及工作原理•激光技术应用领域•激光技术发展趋势与挑战•激光安全与防护知识普及•总结与展望PART01激光基本原理激光产生条件粒子数反转高能级粒子数大于低能级粒子数，是产生激光的必要条件。
增益大于损耗增益介质中的受激辐射放大作用要大于各种损耗，才能实现光放大。
光学谐振腔提供正反馈，使受激辐射光在腔内多次反射、放大，形成稳定振荡。
激光发射过程泵浦过程通过外部能量输入（如光、电、化学等），使增益介质中的粒子从低能级跃迁到高能级，实现粒子数反转。
受激辐射过程处于高能级的粒子在外部光子的作用下，跃迁到低能级并发出与入射光子完全相同的光子，实现光放大。
光学谐振腔内的振荡过程受激辐射产生的光子在腔内多次反射、放大，形成稳定的光场分布和振荡模式。
功率激光的功率决定了其能量大小和输出能力，高功率激光具有更强的穿透力和加工能力。
稳定性激光的稳定性决定了其长期运行的可靠性和稳定性，对于高精度、高稳定性的应用尤为重要。
光束质量激光的光束质量决定了其聚焦能力和传输效率，优质的光束质量可以提高激光加工的精度和效率。
波长激光的波长决定了其颜色和应用领域，不同波长的激光具有不同的特性和用途。
激光特性参数PART02激光器类型及工作原理工作原理通过激励源（泵浦源）将能量传递给工作物质，使其产生粒子数反转分布，然后在谐振腔内通过受激辐射产生激光。
特点具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，广泛应用于科研、工业、医疗等领域。
构成由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成。
构成主要由放电管、反射镜和电源三部分组成。
工作原理在放电管中充入一定种类和压强的气体，通过高压放电激励气体分子或原子，使其产生受激辐射并放大，形成激光输出。
特点具有光束质量好、输出功率大、效率高、结构简单等优点，常用于高精度测量、光谱分析等领域。
构成主要由染料溶液、泵浦源和光学谐振腔三部分组成。
激光原理与技术PPT(很全面)
激光束质量对应用的影响
分析激光束质量对激光加工、光通信、激光雷达等应用的影响。
激光束的控制与整形
激光束控制技术
探讨通过光学元件、机械装置等手段对激光束进行控制的原理和 方法。
激光束整形技术
介绍将激光束整形为特定形状（如平顶、环形等）的原理和方法， 以及整形后激光束的特性。
激光束控制与整形的应用
阐述激光束控制与整形在材料加工、生物医学、光通信等领域的应 用实例。
激光Байду номын сангаас眼睛的危害
激光束直接照射眼睛，可能导致视网膜烧伤、视力下降甚至失明。防护措施包 括佩戴合适的激光防护眼镜，避免直接观看激光束。
激光对皮肤的危害
激光照射皮肤可能导致烧伤、色素沉着、皮肤癌等。防护措施包括穿戴防护服 、使用防晒霜等。
激光安全标准与防护措施
激光安全标准
国际电工委员会（IEC）和美国国家标准学会（ANSI）等制定了激光安全标准， 对激光产品的分类、标识、使用等做出了规定。
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。
激光手术
利用激光的高精度和可控性，进行微 创手术操作，如眼科手术、皮肤科手 术等。
生物医学成像
利用激光的高亮度和方向性，对人体 内部组织进行光学成像，以辅助医学 诊断和治疗。
05
激光测量与检测技术
激光原理与技术PPT课件
激光手术
阐述激光手术在眼科、神 经外科等领域的应用及优 势，如精度高、创伤小等 。
05
CATALOGUE
激光测量与检测技术
激光干涉测量技术
1 2
干涉测量原理
利用激光的相干性，通过干涉条纹的变化来测量 长度、角度等物理量。
干涉测量系统组成
包括激光器、分束器、反射镜、探测器等部分。
3
干涉测量技术应用
时间特性
激光束的时间特性包括脉冲宽度、重复频率和稳定性等。其中，脉冲宽度决定 了激光的峰值功率和能量，重复频率则影响了激光的平均功率。稳定性则是确 保激光束在长时间内保持一致性的关键因素。
激光束的调制与偏转技术
调制技术
通过对激光束进行幅度、频率或相位等调制，可以实现信息 的加载和传输。常见的调制方式包括振幅调制、频率调制和 相位调制等。这些调制技术使得激光束能够携带更多的信息 ，并在通信、传感等领域得到广泛应用。
对皮肤的危害
长时间或高强度激光照射皮肤， 可能导致皮肤烧伤、色素沉着、 皮肤癌等严重后果。
激光安全标准与防护措施
激光安全标准
国际电工委员会（IEC）和美国激光产品安全标准（ANSI）等制定了激光产品的 安全标准，包括激光等级分类、安全警示标识、使用说明等。
防护措施
使用激光产品时，应佩戴合适的防护眼镜或面罩，避免直接照射眼睛或皮肤；同 时，应在激光工作区域内设置明显的安全警示标识，提醒他人注意安全。
偏转技术
激光束的偏转技术主要是通过改变激光束的传播方向来实现 。常见的偏转方式包括机械偏转、电光偏转和声光偏转等。 这些偏转技术使得激光束能够灵活地指向目标，并在激光雷 达、光学扫描等领域发挥重要作用。
激光束的聚焦与整形技术
2024年激光原理与技术课件课件
激光原理与技术课件课件激光原理与技术课件一、引言激光作为一种独特的人造光，自20世纪60年代问世以来，已经在众多领域取得了举世瞩目的成果。
激光原理与技术已经成为现代科学技术的重要组成部分，并在光学、通信、医疗、工业加工等领域发挥着重要作用。
本课件旨在阐述激光的基本原理、特性以及应用技术，使读者对激光有更深入的了解。
二、激光的基本原理1.光的粒子性与波动性光既具有粒子性，也具有波动性。
在量子力学中，光被视为由一系列光子组成的粒子流，光子的能量与频率成正比。
而在波动光学中，光被视为一种电磁波，具有频率、波长、振幅等波动特性。
2.光的受激辐射受激辐射是指处于激发态的原子或分子在受到外来光子作用后，返回基态并释放出一个与外来光子具有相同频率、相位、传播方向和偏振状态的光子。
这个过程是激光产生的核心原理。
3.光的放大与谐振在激光器中，通过光学增益介质实现光的放大。
当光在增益介质中往返传播时，不断与激发态原子或分子发生受激辐射，使光子数不断增加。
同时，通过谐振腔的选择性反馈，使特定频率的光得到进一步放大，最终形成激光。
三、激光的特性1.单色性激光具有极高的单色性，即频率单一。
这是由于激光器中的谐振腔对光的频率具有高度选择性，只有满足特定频率的光才能在谐振腔内稳定传播。
2.相干性激光具有高度的相干性，即光波的相位关系保持稳定。
相干光在传播过程中能形成稳定的干涉图样，广泛应用于光学检测、全息成像等领域。
3.方向性激光具有极高的方向性，即光束的发散角很小。
这是由于激光器中的谐振腔对光的传播方向具有高度选择性，只有沿特定方向传播的光才能在谐振腔内稳定传播。
4.高亮度激光具有高亮度，即单位面积上的光功率较高。
这是由于激光的单色性、相干性和方向性使其在空间上高度集中，从而具有较高的亮度。
四、激光的应用技术1.光通信激光在光通信领域具有广泛应用，如光纤通信、自由空间光通信等。
激光的高单色性、相干性和方向性使其在传输过程中具有较低的信号衰减和干扰，从而实现高速、长距离的数据传输。
激光原理与技术
激光原理与技术激光原理与技术是一门研究激光的产生、传播和应用的学科，也是光学和物理学的重要分支之一。
激光的产生原理是基于受激辐射和光放大的过程。
激光技术在现代科学和技术领域中得到广泛应用，涵盖了通信、医疗、材料加工、测量和科学研究等多个领域。
激光的原理主要包括受激辐射、光放大和能级跃迁等过程。
受激辐射是指当一个原子或分子吸收一个光子的能量后，其能级跃迁激发到一个更高的能级，随后再次发射出一个与所吸收光子相同频率、相同相位和同一方向的光子。
这种过程导致光子数目的指数增加，形成了光的放大效应。
激光的放大过程一般是通过激光器来实现的。
激光器由激发源、增益介质和反射镜组成。
当激发源提供足够的能量激发增益介质时，增益介质中的原子或分子被激发到一个高能级，并在镜面之间来回传播，逐渐放大，形成激光束。
增益介质通过选择合适的物质和能级跃迁方式来实现各种类型的激光。
不同类型的激光器具有不同的特点和应用。
常见的激光器包括氦氖激光器、二氧化碳激光器、固体激光器等。
它们在波长范围、脉冲宽度、输出功率和单色性等方面有所差异，因此被广泛应用于各类领域。
激光技术在通信领域中具有重要应用。
激光作为一种高度聚焦的光束，可以在光纤中传输大量的信息。
光纤通信系统利用激光器产生激光束，并通过光纤将信息传输到目的地。
激光的窄束和低衰减使得信息传输速度更快、距离更远。
目前，光纤通信已经成为主要的通信方式之一，广泛应用于电话、互联网和电视等领域。
激光技术在医疗领域也发挥了重要作用。
激光器可以用于激光手术、激光治疗和激光诊断等多个方面。
激光手术利用激光的高能量和高度聚焦能力，对组织进行切割、烧蚀或照射，达到治疗病症的目的。
激光治疗通过激光的生物刺激效应，促进伤口愈合或减轻疼痛。
激光诊断则利用激光的光散射和吸收特性，来获取目标组织的信息。
激光技术在材料加工领域的应用也非常广泛。
激光加工可以通过激光的高能量密度和高精度控制，对材料进行切割、焊接、打孔和表面改性等操作。
激光原理与技术
第3章：激光纵模：每一个q值对应有正反两列沿相反方向传播的同频率光波两列光波的结果，将在腔内形成驻波。
谐振腔形成的每一列驻波称为一个纵模。
激光谐振腔的谐振频率主要决定于纵模序数Vmnq=qc/2μL.腔内两个相邻纵模频率之差为纵模的频率间隔：△Vq=Vq+1-Vq=c/2μL.激光纵模：激光的模式也常采用微波中标志模式的符号来标记，极为TEMmnq，其中TEMoo是基横模。
激光横模：在激光谐振腔存在的稳定的横向分布，就是自再现模，通常称为横模。
m、n的值正好分别等于光强在x，y方向上的节线（光强为0的线）数目，而且由Fm （X）和Fn（Y）函数的机制分布看出，m、内的值越大，光场也越向外扩展。
基横模行波输出在与光束前进方向的垂直平面上的强度呈高斯型分布，通常称为高斯光束。
高斯光束与普通光束有很大区别，它的传播方向性好很好，同时也会不断的发散，其发散的规律不同于球面波，在传播过程中她的波面曲率一直在变化，但是永远不会变成0，除光束中心外，高斯光束并不沿直线传播。
高斯光束的强度分布：在z处基膜的有效截面半径w （z）=根号下λL[1+(2z/L) ²]/2π。
在共焦腔中心（z=0）的截面内光斑有极小值束腰半径：Wo=Ws/根号2=根号下λL/π除以根号2；在共焦腔的焦平面上，束腰半径Wo最小。
该处称为高斯光束的“光腰”或“束腰”。
基膜光斑尺寸：Ws=根号下Xs ²+Ys²=根号下λL/π。
高斯光束共焦场的相位分布由相位函数φ（x，y，z）描述，φ（x，y，z）随坐标而变化，与腔的轴线相交于Zo的等相位面的方程为：φ（x，y，z）=φ（0，0，Zo），则偏离实际广州的程度Z-Zo=（根号下Ro²-（x²+y²））-Ro。
当zo>0时，Z-Zo<0；当Zo<0时，Z-Zo>0.这就表示，共焦场的等相位面都是凹面向着腔的中心（z=0）的球面。
激光原理与技术总结
n
n2
n1
6 1016
g0
n
u2 A21
8 02n
g
0
4.红宝石在室温条件下 S31,S21 0 ，
, , ， A21 0.3103 s1 A31 3105 s 1
S32 0.5107 s 1
估算 W13等于多少时红宝石对 694.3nm
的光是透明的。(红宝石，激光上、下
能级的统计权重 g1 g2 4 ，计算中 可不计光的各种损耗。
场能量密度）
v
3.受激辐射
过程描述：处于上能级 E2的原子在频
率为 的辐射场作用下，跃迁至低能
态 E1 并辐射一个能量为 h E2 E1 的光 子。受激辐射跃迁发出的光波称为受激 辐射。
受激吸收跃迁概率：W12 B12（v B12 为受 激吸收跃迁爱因斯坦系数，v为单色辐 射场能量密度）
其中（II）式可以改写为
dn2 dt
n3S32
B12(n1 n2 ) n2 ( A21 S21)
(1)该激光器自发辐射系数A21；
(2)线型峰值 g( 0 ) ；
(3)中心频率处小信号增益系数g0；
(4)中心频率处饱和增益系数g.
3.（1）
A21
1
s
（2）
gN
0
2
N
4 s
（3）
nE02和 nE11能 n级2 数1密017度cm之3比为4比1
n1 n2
2 1016 8 1016
H 2
0 2 H
2
2
谱线宽度： H N L
⑴自然加宽
线型函数：
gN
N 2
0 2 N
2
2
谱线宽度：
激光原理与技术讲稿
第一章 激光的基本原理及其特性激光技术是二十世纪六十年代初发展起来的一门新兴学科。
激光的问世引起了现代光学技术的巨大变革。
激光在现代工业、农业、医学、通讯、国防、科学研究等各方面的应用迅速扩展，之所以在短期间获得如此大的发展是和它本身的特点分不开的。
激光与普通光源相比较有三个主要特点，即方向性好，相干性好和亮度高，其原因在于激光主要是光的受激辐射，而普通光源主要是光的自发辐射。
研究激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激光器内产生并占据主导地位而抑制自发辐射的。
本章首先从光的辐射原理讲起，讨论与激光的发明和激光技术的发展有关的各方面物理基础和产生激光的条件。
光的辐射既是一种电磁波又是一种粒子流，激光是在人们认识到光有这两种相互对立而又相互联系的性质后才发明的。
因此本章从介绍光的波粒二象性开始研究原子的辐射跃迁。
激光的产生又是光与物质的相互作用的结果，对光的平衡热辐射和光与物质的相互作用 (光的自发辐射、受激辐射、受激吸收) 的研究是发明激光的物理基础。
光谱线的宽度，线型函数是影响激光器性能的重要因素，提高激光的单色性是激光技术的发展的一个重要方向。
阐明上述这些基础后，本章最后一节讨论激光产生的条件。
1. 1 激光的特性光的一个基本性质就是具有波粒二象性。
人类对光的认识经历了牛顿的微粒说、惠更斯菲涅耳的波动说到爱因斯坦的光子说的发展，最后才认识到波动性和粒子性是光的客观属性，波动性和粒子性总是同时存在的。
一方面光是电磁波，具有波动的性质，有一定的频率和波长。
另一方面光是光子流，光子是具有一定能量和动量的物质粒子。
在—定条件下，可能某一方面的属性比较明显，而当条件改变后，另一方面的属性变得更为明显。
例如，光在传播过程中所表现的干涉、衍射等现象中其波动性较为明显，这时往往可以把光看作是由一列一列的光波组成的；而当光和实物互相作用时(例如光的吸收、发射、光电效应等)，其粒子性较为明显，这时往往又把光看作是由一个一个光子组成的光子流。
激光原理与技术课件
自由空间光通信
利用激光在自由空间中传输信息，具 有传输速度快、抗干扰能力强等优点 。
激光雷达
利用激光的反射和散射特性对目标进 行探测和定位，具有精度高、抗干扰 能力强等优点。
军事领域
激光雷达侦查
利用激光雷达对敌方目标进行探测和识别 ，具有探测距离远、分辨率高等优点。
A 激光武器
利用激光的高能量密度对目标进行 摧毁或致盲，具有反应速度快、命
、光谱分析等。
半导体激光器
01 总结词
利用半导体材料作为增益介质 的激光器。
02
详细描述
半导体激光器通常由半导体材 料、电极、反射镜等组成，其 中半导体材料是实现光放大的 介质。由于半导体激光器的结 构紧凑、效率高、寿命长等特 点，使其在许多领域得到广泛 应用。
03
特点
04
半导体激光器具有体积小、重量 轻、可靠性高、响应速度快等特 点，同时其成本较低，易于集成 。
激光原理与技术课件
目录 Contents
• 激光原理 • 激光技术 • 激光器件 • 激光技术应用 • 激光安全
01
激光原理
光的相干性
光的相干性是指光波在空间不同点上具有相同的相位关系。在激光中，相干性使 得光波在传播过程中能够保持稳定的相位关系，从而实现光的干涉和衍射现象。
光的干涉是指两束或多束相干光波在空间某一点相遇时，由于相位关系不同而产 生的明暗交替的现象。干涉现象在激光技术中具有重要的应用，如干涉仪和光学 薄膜等。
液体激光器
总结词
详细描述
特点
应用领域
利用液体作为增益介质的激 光器。
液体激光器通常由染料溶液 、泵浦源、反射镜等组成， 其中染料溶液是实现光放大 的介质。液体激光器的输出 波长可以通过改变染料溶液
激光技术的基本原理
激光技术的基本原理
《激光技术的基本原理》
嘿，大家知道不，激光技术那可老神奇啦！激光啊，其实就像是一束超级厉害的光。
我记得有一次去科技馆玩，就看到了一个关于激光的展示。
哇塞，那场面可太震撼了！有个工作人员拿着一个小激光笔，就那么轻轻一按，一束细细的光就射了出来。
然后他用这束光去照射一个气球，“噗”的一下，气球瞬间就爆了！当时我就惊呆了，这激光也太厉害了吧！就那么小小的一束光，居然有这么大的威力。
原来啊，激光技术的基本原理就是通过一种特殊的装置，让光变得特别集中、特别强。
就好像把很多很多的光都汇聚到了一起，变成了一束超级厉害的光。
这束光可以非常精准地照射到一个地方，而且能量特别大。
就像那个爆气球的例子，平常的光可做不到一下子就把气球弄爆呀。
激光技术在我们生活中用处可多啦，比如可以用来做手术，可以用来测量距离，还可以用来刻东西呢。
真的是超级神奇的一项技术呀！
总之，激光技术就是这么牛，它的基本原理虽然听起来有点复杂，但其实就是让光变得更厉害、更有用。
就像我在科技馆看到的那样，那小小的一束激光，却有着大大的能量和魅力呢！以后我还想去探索更多关于激光技术的奇妙之处呀！。
激光原理与激光技术习题答案
激光原理与激光技术习题答案习题一(1）为使氦氖激光器的相干长度达到1m ，它的单色性∆λ/λ应为多大？解: 10101032861000106328--⨯=⨯=λ=λλ∆=.L R c(2） λ=5000Å的光子单色性∆λ/λ=10—7,求此光子的位置不确定量∆x解: λ=h p λ∆λ=∆2h p h p x =∆∆ m R p h x 5101050007102=⨯=λ=λ∆λ=∆=∆--（3)CO 2激光器的腔长L=100cm ，反射镜直径D=1.5cm ，两镜的光强反射系数分别为r 1=0。
985，r 2=0.8。
求由衍射损耗及输出损耗分别引起的δ、τc 、Q 、∆νc （设n=1）解: 衍射损耗： 1880107501106102262.).(.a L =⨯⨯⨯=λ=δ-- s ..c L c 881075110318801-⨯=⨯⨯=δ=τ 686810113107511061010314322⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=πντ=--....Q cMHz .Hz ...c c 19101910751143212168=⨯=⨯⨯⨯=πτ=ν∆- 输出损耗： 1190809850502121.)..ln(.r r ln =⨯⨯-=-=δ s ..c L c 881078210311901-⨯=⨯⨯=δ=τ 686810964107821061010314322⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 75107510782143212168=⨯=⨯⨯⨯=πτ=ν∆-（4）有一个谐振腔，腔长L=1m ，两个反射镜中,一个全反，一个半反，半反镜反射系数r=0.99，求在1500MHz 的范围内所包含的纵模个数，及每个纵模的线宽(不考虑其它损耗)解： MHz Hz .L c q 150105112103288=⨯=⨯⨯==ν∆ 11]11501500[]1[=+=+ν∆ν∆=∆q q005.0201.02===T δ s c L c 781067.6103005.01-⨯=⨯⨯==δτ MHz cc 24.01067.614.321217=⨯⨯⨯==-πτν∆(5） 某固体激光器的腔长为45cm ，介质长30cm ，折射率n=1.5，设此腔总的单程损耗率0。
激光的工作原理和应用
激光的工作原理和应用工作原理•激光的产生：激光是一种由聚集的光束构成的光，其产生基于光子的刺激辐射。
激光的产生通过将光传导到能量激发的介质中进行。
当光通过介质时，光的能量被吸收并且电子从低能级跃迁到高能级。
然后，这些激发的电子退回到低能级时释放出能量，并且产生了进一步放大的光。
这一过程在激光器中循环发生，产生了高度有序且聚集的光束。
•激光的放大：在激光器中，激发的电子释放出的能量被放大，从而产生了更强的光束。
这种放大通过激光器中的两个镜子实现。
一个镜子是部分透明的，使光束能够通过，而另一个镜子是完全反射的，将光束反射回去。
•激光的聚焦：激光具有高度聚焦的能力。
这是因为激光的光束是由相干光产生的，相干光是一种波长相同、相位相同、频率相同的光。
因此，激光光束能够保持高度聚焦的特性，并且能够在长距离传播时保持其辐射特性。
应用领域激光在多个领域具有广泛的应用。
以下是一些主要应用领域：1.医疗领域：•激光用于眼科手术，如激光角膜矫正手术。
•激光在皮肤整容、脱毛和纹身去除等方面也有广泛的应用。
•激光在牙科手术中被用于治疗齿龈疾病和白斑症等。
2.工业制造：•激光在材料加工中常用于切割、焊接和打孔等。
激光切割可以实现非常精确和高速的切割，适用于不同种类的材料。
•激光打标用于在产品上进行永久标记，如条形码和序列号等。
3.科学研究：•激光在物理学、化学和生物学等科学研究中被广泛应用。
激光可以用于精确测量和实验，如光谱分析和原子激发等。
•激光也用于实验室中的光学干涉、光学显微镜和光学透射等。
4.通信技术：•光纤通信是一种利用激光光束传输大量信息的技术。
激光器发出的光通过光纤传输，能够实现高速和远距离的通信。
5.激光雷达：•激光雷达通过发送激光脉冲并测量其返回时间来测量目标的距离。
激光雷达在遥感、测绘和自动驾驶等领域具有重要应用。
6.军事应用：•激光被广泛应用于军事技术，如激光瞄准、激光导引和激光通信等。
总结激光作为一种特殊光束，具有独特的工作原理和广泛的应用。
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4F
其激光上能级E3 3/2，激光下能 级为4I13/2 、 4I11/2，荧光谱线波长为 1.35m、1.06m。
4I 11/2相应于基态E1。
为4F
10
1.06m
1.35m
3/2
8
6
4I 15/2 4I 13/2 4I 11/2 4I 9/2
4
2
0
由于 1.06m 比 1.35m 波长的荧光强 约4倍，所以在激光振荡中，将只产 生1.06m的激光。
§6.2 电泵浦气体激光器
CO2有三种振动方式：对称、弯曲、反对称振动，如图。 l 3 表示 用量子数 1 2
O C O
ν1
O
C O
ν2
O C
ν3
O
图示为与激光有关的振动能级
00011000: 10.6 m 几率大 00010200: 9.6 m
3000
ΔE18cm-1
0001 能 量 2000 / (102m-1) 1000
YLF的主要缺点是机械性能和热性能较差，晶体生长的工艺 难度较大。
4. 五磷酸钕(NdPP)
五磷酸钕是适应固体激光器小型化的需要而发展起来的一种高 掺杂浓度的激光晶体。
特点是Nd3+既是基质的一部分，又是激活离子，最佳掺钕浓度 比Nd3+:YAG高出30倍，且浓度淬灭的影响很小，具有高效、低 阈值等优点。 一种国产的五磷酸钕染料调 Q手持式激光器，五磷酸钕晶体尺寸 为2.5×2.5×2.5(mm3)，激光头重量只有46克，输出脉冲峰值功率 达3MW。 还有其他晶体材料，数量有数十种，各有优缺点。
He:Ne~5:1
§6.2 电泵浦气体激光器
相关激光产生的He、Ne能级如图 633nm：3S22P4 1.15m：2S22P4 3.39m：3S23P4 He-Ne多产生 633nm激光 阴极发射e向阳极运动 同时被电场加速
170
He
21S0
23S1
共振能 量转移
Ne
3S 2S
集居数翻转途径：
a. 基态Ar+直接与电子碰撞4P
再级联辐射4P
15
10 5
Ar+ 基态
3P5
b. 基态Ar+与电子碰撞高于4P能级
Ar
c. 基态Ar+电子碰撞低于4P的亚稳态
再与电子碰撞4P
§6.2 电泵浦气体激光器
Ar电离能量(15eV)和激光上能级的激发能量(20eV)较高，激光运转
碰撞
10.6m
ν=1
9.6m
激发过程：
1000
0200
0000态CO
2与e碰撞直接
0001
0
碰撞
0000态CO2与e碰撞 000n 0001 =0 e碰撞 =1 亚稳态 0000态CO2与N2(=1)碰撞 0001
0110 碰撞 0000 ν=0
§6.2 电泵浦气体激光器
CO2激光器种类
CO2种类较多，主要有4种： 纵向流动、横向流动、封离型、波导
§6.2 电泵浦气体激光器
1. 纵向慢流CO2激光器 结构类似于内腔式He-Ne激光器，气体从放电管的一端流入， 另一端抽出。气流、放电电流均和光轴方向一致。 气体流动的目的是排除 CO 2 与电子碰撞是分解出来的 CO 气 体，并补充新鲜气体。 放电电流密度和气体压强均有一使输出功率最大的最佳值。 在最佳放电条件下，激光器的输出功率约为50~60W/m。 2. 横向流动CO2激光器 气流方向与光轴垂直，气体流动截面大，流动路径短，因
激光原理与技术
西安电子科技大学 物理与光电工程学院
刘继芳
第六章 典型激光器简介
§6.1 激光器分类
一、按激光器工作物质的状态
1. 固体激光器 红宝石(世界上第一台激光器)、 YAG、钛宝石
2. 气体激光器 He-Ne、Ar+、N2、He-Cd、铜蒸汽
3. 半导体激光器 4. 光纤激光器 GaAs、IP、GaN、
二、Ar 激光器
§6.2 电泵浦气体激光器 +
Ar原子电子组态3P6
b
Ar原子与电子碰撞
基态Ar+
(3P5)
35 30
c 亚稳态 a
3P44P
激光
Ar+ 激发态3P44P、 3P44S有若干 电子组态，其间跃迁有9条谱线。 最强：488nm、515.5nm
3P44S
能 量 25
20
72nm
/ eV
二、按激光器输出方式 三、按泵浦方式
连续激光器、脉冲激光器
光激励、电激励、其他
第六章 典型激光器简介
§6.2 电泵浦气体激光器
一、He-Ne激光器
最早研制成功的气体激光器 在可见光和红外可产生多条谱线， 最强633nm、1.15m、3.39m 气体放电泵浦方式 输出功率依放电管长度 mW~数十mW 工作物质Ne，辅助气体He提高泵浦效率
激光下能态抽空过程：
主要是碰撞过程 1000、0200 态CO2 与0000态CO2碰撞 0100，且 1000、0200 、0100态达热平衡，满足玻尔兹曼分布
0100态CO2与 0000态CO2碰撞返回基态的概率很小 0100态CO2与 基态He碰撞大大减小该能级寿命
CO2激光器谐振腔一般采用平凹腔。高反射镜采用金属镜 输出耦合镜用Ge、GaAs等材料制成
CO2激光器工作物质：CO2、N2、He混合气体 激光跃迁发生在CO2电子基态的两个振动转动能级之间 N2提高激光上能级的激励效率 He帮助抽空激光下能级的。
分子总能量： (1) 电子绕核运动动能 (2) 原子振动动能 (3) 分子转动动能 (3) 分子平动动能 电子能级:振动能级:转动能级=104:102:1 量子化的
§6.2 电泵浦气体激光器
波长选择：
632.8nm、1.15m、3.39m那一条谱线起振，由谐振腔介质膜 反射镜的反射波长选择。
632.8nm 和 3.39 m 两条谱线有相同上能级，其间存在强烈的竞 争。由于G 3 ，较长的632.8nm He-Ne激光器，虽然反射镜对 632.8nm具有高的反射率，仍然会产生较强的3.39m波长的放大 的自发辐射和激光，这将使上能级集居数减少而导致 632.8nm激 光功率下降。
2 3.39m 5 2 632.8nm 5
3P 2P
能 量 /(103cm-1)
160 150 140 130 120
电 子 碰 撞 激 励 11S0
1.15m
1 4 10 1 4 10
1S
自发辐射跃迁
无辐射跃迁
基态He与e非弹性碰撞激发到21S0 21S0为亚稳态，可积累大量He
11S0
基态Ne与21S0的He(He*)非弹性碰撞激发到3S2——共振能量转移 3S2寿命100ns，2P4寿命10ns 3S22P4间形成集居数反转
Nd3+:YAG的能级结构
Nd3+:YAG激光器的突出优点是阈值低和具有优良的热学性质，这 就使得它适于连续和高重复率工作。 YAG是目前能在室温下连续工作的惟一实用固体工作物质，在中 小功率脉冲器件中，特别是在高重复率的脉冲器件中，目前应用 Nd3+:YAG的量，远远超过其它固体工作物质。
三、 其它常用的固体工作物质
冷却水
为提高放电电流密度，加 轴向磁场，利用洛仑兹力 约束电子和离子。
反射镜
钨盘 激光 放电电源 回气孔 陶瓷管
磁场Biblioteka 三、CO2激光器§6.2 电泵浦气体激光器
CO 2 激光器的特点： 输出功率大，能量转换效率高，输出波长 (10.6 m) 正好处于大气窗口。应用于激光 加工、医疗、大气通信及其它军事领域。
荧光谱线有两条：中心波长分别为0.6943m和0.6929m 。
二、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)
Nd3+:YAG是将一定比例的A12O3、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中进行熔 化，并结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3+)，与 激光产生有关的能级结构如图所示，属于四能级系统。
§6.3 固体激光器
光泵浦灯结构
灯泵浦椭圆腔
§6.3 固体激光器
2. 半导体激光器(LD)泵浦
半导体激光器电光转换效率高，发射谱线正好对准某些激光 材料的吸收峰，泵浦效率高。
端面泵浦方式
如图：
LD
工作物质
M1 M2
侧面泵浦方式
全反射镜
反射板
输出镜
如图：
LD阵列 工作物质
§6.3 固体激光器
端面泵浦结构
侧面泵浦结构
一、红宝石(Cr3+:Al2O3)
红宝石是在 Al2O3 中掺入少量的 Cr2O3生长成的晶体。激活铬离 子(Cr3+)与激光产生有关的能级结构如图所示，属三能级结构。
图2.4-3红宝石中Cr3+的能级结构
能级结构
图2.4-4红宝石中Cr3+的吸收光谱曲线
Cr3+吸收光谱
其激发态E3为4F1和4F2能带，激光上、下能级E2和E1分别为2E和4A2 。
§6.3 固体激光器
泵浦方式：
一般采用光泵浦方式！但又可细分为：
全反射镜
工作物质 聚光镜
部分反射镜
1. 灯泵浦
脉冲激光器采用脉冲氙灯 连续激光器采用氪灯或碘钨灯
灯
激光
通常采用椭圆或紧包聚光腔
椭圆聚光腔的结构如图所示：内壁镀有高反射层的 椭圆柱聚光腔中，激光棒和激励灯置于两个焦点上 紧包腔中，激光棒和激励灯贴近平行放置，外裹一 紧包圆柱腔，内壁镀高反射层。
此较低的流动速度就可达到纵向快流的同样冷却效果。而且其