新激光ppt课件第三章 典型激光器(1)
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新激光第三章典型激光器01PPT课件
02 激光原理概述
激光产生的基本原理
受激发射
当原子或分子吸收特定频率的光 子后，其电子从低能级跃迁至高 能级，当电子从高能级回落到低 能级时，会释放出与原光子频率
相同的光子。
光学共振腔
为了形成持续的激光输出，需要 一个光学共振腔来选择特定频率 的光子，并维持光子在其中的共
振。
泵浦机制
通过外部能量源（如电流或光泵 浦）为原子或分子提供能量，使 其从低能态跃迁至高能态，为受
激光与其他技术的结合
随着科技的不断发展，激光技术将与其他技术如人工智能 、物联网等结合应用，实现更高效、更智能的技术解决方 案。
05 结论
本章总结
01
02
03
04
理解了典型激光器的原理和结 构，包括气体、固体、染料和
半导体激光器等。
掌握了不同类型激光器的特点 和优缺点，以及它们在不同领
域的应用。
激光在科学研究领域的应用
激光光谱学
利用激光技术进行光谱分析，研究物质的分 子结构和化学性质。
激光显微镜
利用激光技术提高显微镜的分辨率和观察能 力，可观察微小生物和细胞结构等。
激光雷达
利用激光技术进行遥感测量和环境监测，具 有高精度、高分辨率等特点。
激光操控
利用激光能量对微观粒子进行精确操控，如 量子计算、量子通信等。
通信。
测量
由于激光的高亮度和方向性， 可以用于各种高精度测量，如 距离、角度、速度等。
加工
激光的高能量密度可用于各种 材料的加工，如切割、焊接、 打标等。
医学
激光可用于各种医学治疗和诊 断，如眼科手术、皮肤科治疗
、肿瘤治疗等。
03 典型激光器介绍
气体激光器
激光原理第三章 华中科技大学课件 光学谐振腔幻灯片课件
• 具有这样特点的腔被称为开放式光学谐振腔。 • 除此以外，还有由两块以上的反射镜构成的折叠腔与环形腔，以及由
开腔内插入光学元件的复合腔； • 对于常用的共轴反射镜腔，当满足前面得到的稳定性条件 0 g1g2 1
时，称为稳定腔；
• 当 g1g 2 0或g1g 2 1 时，称为非稳腔； • 当 g1g 2 0或g1g 2 1 时，称为临界腔；
严格的理论证明，只要满足条件 a2 / L 1 ，则腔 内损耗最低的模式仍可以近似为平面波，而 a2 / L
是光腔的菲涅尔数，它描述了光腔衍射损耗的大小。
3.2.1自由空间中的驻波
沿z方向传播的平面波可以表示为： 沿-z方向传播的平面波为：
e1(z,t) E0 cos 2 (t z / )
发生重叠时的电磁场分布为：
–分别以两个反射镜的曲率半径 为直径，圆心在轴线上，作反 射镜的内切圆，该圆称为σ圆；
–若两个圆有两个交点，则为稳 定腔；
–若没有交点，则为非稳腔； –若只有一个交点或者完全重合，
则为临界腔；
3.2光学谐振腔的模式
• 3.2.1平平腔的驻波
– 均匀平面波近似 一般的开放式光学谐振腔都满足条件：a , L 在满足该条件时，可以将均匀平面波认为是腔内存在 的稳定电磁场的本征态，为平行平面腔内的电磁场提 供一个粗略但是形象的描述；
• 自再现模经一次往返所发生的能量损耗定 义为模的往返损耗，它等于衍射损耗；
• 自再现模经一次往返所产生的相位差定义 为往返相移，往返相移应为2π的整数倍， 这是由腔内模的谐振条件决定的。
3.4.1开腔模式的物理概念
• 孔阑传输线
• 开腔物理模型中衍射的作用
– 腔内会随机的产生各种不同的模，而衍射效应将其中可以实现自 再现的模式选择出来；
开腔内插入光学元件的复合腔； • 对于常用的共轴反射镜腔，当满足前面得到的稳定性条件 0 g1g2 1
时，称为稳定腔；
• 当 g1g 2 0或g1g 2 1 时，称为非稳腔； • 当 g1g 2 0或g1g 2 1 时，称为临界腔；
严格的理论证明，只要满足条件 a2 / L 1 ，则腔 内损耗最低的模式仍可以近似为平面波，而 a2 / L
是光腔的菲涅尔数，它描述了光腔衍射损耗的大小。
3.2.1自由空间中的驻波
沿z方向传播的平面波可以表示为： 沿-z方向传播的平面波为：
e1(z,t) E0 cos 2 (t z / )
发生重叠时的电磁场分布为：
–分别以两个反射镜的曲率半径 为直径，圆心在轴线上，作反 射镜的内切圆，该圆称为σ圆；
–若两个圆有两个交点，则为稳 定腔；
–若没有交点，则为非稳腔； –若只有一个交点或者完全重合，
则为临界腔；
3.2光学谐振腔的模式
• 3.2.1平平腔的驻波
– 均匀平面波近似 一般的开放式光学谐振腔都满足条件：a , L 在满足该条件时，可以将均匀平面波认为是腔内存在 的稳定电磁场的本征态，为平行平面腔内的电磁场提 供一个粗略但是形象的描述；
• 自再现模经一次往返所发生的能量损耗定 义为模的往返损耗，它等于衍射损耗；
• 自再现模经一次往返所产生的相位差定义 为往返相移，往返相移应为2π的整数倍， 这是由腔内模的谐振条件决定的。
3.4.1开腔模式的物理概念
• 孔阑传输线
• 开腔物理模型中衍射的作用
– 腔内会随机的产生各种不同的模，而衍射效应将其中可以实现自 再现的模式选择出来；
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
第3讲 典型激光器介绍及光线传输矩阵
能级
图
封离式CO2激 光器结构示意 图
12
3.1 典型激光器介绍
13
3.1 典型激光器介绍
▪ Ar+离子激光器
➢ Ar＋激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组 成。如下图所示为石墨放电管的分段结构 。
分段石墨结构Ar+激光器示意图
14
3.1 典型激光器介绍
15
3.1 典型激光器介绍
3、不同介质介面（平面）
ro ri 0
ro
0
1 2
ri
1
ro ro
0
0
1 2
ri ri
Байду номын сангаас
由近轴近似，折射定律可以写成
1 sin ri 2 sin ro 1 ri 2 ro
辐射不是基于原子分子或离子的束缚电子能级间的跃磁韧致辐射带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用会作加速运动从而产生辐射当速度接近光速的电子作圆周运动时将会辐射出光子由于这种辐射1947年在同步加速器上被发现的因而被命名为同步辐射synchrotronradiation切伦科夫辐射当电子在介质中运动时如果它们的速度比光在介质中的相速度大电子也会产生光辐射其波长随着电子速度而变化虽然光很弱但却是单色性很好的辐射光
➢ 谱线范围宽 ---目前有数百种气体和蒸气可以产生激光，已经观测到 的激光谱线近万余条，谱线覆盖范围从亚毫米波到真空紫外波段， 甚至 X射线、射线波段。
➢ 光束质量优---工作物质均匀一致保证了气体激光束的优良光束质量， 在光束的相干性、单色性方面优于固体、半导体激光器，如He-Ne 激光的单色性很高，Δλ很容易达到10-9～10-11nm，其发散角只有l～ 2毫弧度。
典型激光器简介
非均匀加宽可忽略，在整个温度范围内都以均匀加宽为主
21
钕玻璃的非均匀加宽由配位场的不均匀性引起，均匀加
宽则由玻璃网络体的热振动引起。二者所占比例因材料
而异。在室温下，1.06mm谱线非均匀加宽为120～
3600GHz，均匀加宽为60～225GHz。虽然非均匀加宽
大于均匀加宽，但由于交叉弛豫过程，钕玻璃的增益饱 和特性与均匀加宽工作物质相似。
光器比较容易获得大能量输出，适合于调Q
固体工作物质通常加工成圆棒状(或盘片状)，棒侧面磨毛。 对棒两端面的加工要求很高：两端面为垂直于棒轴向的平
行平面，平行误差在5″~10″之间；端面与棒轴向的垂直度
<1″；端面的平整度小于半个光圈。为避免端面反射和内部
寄生振荡，端面镀有增透膜
19
光圈：镜片和样板放在一起的时候会形成干涉条纹，成
10
应用：光纤通信、光存储、光信息处理、科研、医疗等 激光光盘、激光高速印刷、全息照相、办公自动化、激光 准直等等
1962年，第一台半导体激光器——GaAs激光器问世
11
(5) 化学激光器
通过化学反应实现粒子数反转产生激光辐射 工作物质：目前主要是气体，HF、DF、氧碘
激励：化学能，一般采用一些引发措施促成化学反应，光
②
分子激光器：跃迁发生在气体分子不同的振-转能级之间。 主要采用CO2、N2、O2、N2O、H2、H2O等气体分子。代 表CO2激光器
6
③
准分子激光器：分子激光器的一种。 准分子：在基态离解为原子而在激发态暂时结合成分子的 不稳定缔合物。 激光跃迁发生在束缚态和自由态之间。 采用的气体主要有XeF、KrF、ArF、XeCl、XeBr等 典型代表：XeF准分子激光器
典型激光器介绍大全(精华版)ppt课件
• 钛蓝宝石（钛宝石，Ti3＋：AL2O3） • Nd:YAG泵浦的Co2+:MgF2激光器。
敏化剂
• 在晶体中除了发光中心的激活离子外，再掺入一种或多种 施主离子，主要作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量， 并将吸收到的能量转移给激活离子。
• 双掺或多掺杂晶体生长困难，工艺复杂。
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27
1、红宝石的基本特性
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10
氦-镉激光器
以镉金属蒸气为发光物质，主要有两条连续 谱线，即波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝 光，典型输出功率分别为1～25mW和1～100mW。主 要应用领域包括活字印刷、血细胞计数、集成电 路芯片检验及激光诱导荧光实验等。
俄罗斯PLASMA公司的氦 镉激光器
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由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的 激光器。
特点：体积最小、重量最轻，使用寿命长，有 效使用时间超过10万小时。
输出波长范围：紫外、可见、红外 输出功率：mW、W、kW。
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14
DFB半导体激光器示意图
DBR半导体激光器示意图
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15
垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）
量子级联激光器(quantum cascade lasers, QCLs)
基于电子在半导体量 子阱中导带子带间跃 迁和声子辅助共振隧 穿原理的新型单极半 导体器件。
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16
光纤耦合（尾纤型-pigtail package）半导体激 光器件
ProLite型光纤耦合单发射激光器
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谱线已达数千种 (160nm~4mm)
工作方式：连续运转（大多数）
多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。
敏化剂
• 在晶体中除了发光中心的激活离子外，再掺入一种或多种 施主离子，主要作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量， 并将吸收到的能量转移给激活离子。
• 双掺或多掺杂晶体生长困难，工艺复杂。
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1、红宝石的基本特性
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氦-镉激光器
以镉金属蒸气为发光物质，主要有两条连续 谱线，即波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝 光，典型输出功率分别为1～25mW和1～100mW。主 要应用领域包括活字印刷、血细胞计数、集成电 路芯片检验及激光诱导荧光实验等。
俄罗斯PLASMA公司的氦 镉激光器
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由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的 激光器。
特点：体积最小、重量最轻，使用寿命长，有 效使用时间超过10万小时。
输出波长范围：紫外、可见、红外 输出功率：mW、W、kW。
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垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）
量子级联激光器(quantum cascade lasers, QCLs)
基于电子在半导体量 子阱中导带子带间跃 迁和声子辅助共振隧 穿原理的新型单极半 导体器件。
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光纤耦合（尾纤型-pigtail package）半导体激 光器件
ProLite型光纤耦合单发射激光器
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谱线已达数千种 (160nm~4mm)
工作方式：连续运转（大多数）
多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。
激光器的工作原理ppt课件
定条件可以合并成一个，即： R1=R2=R＞L/2
.
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
R
L
证明：∵ R1＞L ,
g1
1
L
;
R1
R2
∞, g2= 1
∴ 0 ＜ 1 1 gR L 1＜ 1 ＜ 故有 0 ＜ g 1g 2 1
.
3.凹凸稳定腔:
第二部分 激光产生的 基本原理
2.激光器的基本结构
n w 21 A 21
w 2 1 n1 STE光子集中在几个模式
轴向模
非轴向模
技术思想的重大突破 － F-P 光谐振腔 • 开放式光谐振腔使特定（轴向）模式的增加, 其它（非轴向）模式数
逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。
• 工作物质, 光学谐振腔, 激励能源是一般激光器的三个基本部分。
图(2-2) 共轴球面腔的稳定图
3.利用稳定条件可将球面腔分类如下:
(1) 稳定腔 (0<g1 g2 <1)
➢双凹稳定腔，由两个凹面镜组成，对应图中 ➢l、2、3和4区.
➢平凹稳定腔，由一个平面镜和一个凹面镜组成，
➢对应图中AC、AD段
图(2-2) 共轴球面腔的稳定图
➢凹凸稳定腔，由一个凹面镜和一个凸面镜组成，对应图中5区和6区。
条件有两种情况.
R1
R2
其一为: R1<L, R2>L
L
此时 g11R L10 g21R L20
所以 g1 g2＜0
.
其二为: R1+R2＜L
可以证明: g1 g2＞1 (证明略)
2.平凹非稳腔 稳定条件: R1＜L , R2= ∞
.
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
R
L
证明：∵ R1＞L ,
g1
1
L
;
R1
R2
∞, g2= 1
∴ 0 ＜ 1 1 gR L 1＜ 1 ＜ 故有 0 ＜ g 1g 2 1
.
3.凹凸稳定腔:
第二部分 激光产生的 基本原理
2.激光器的基本结构
n w 21 A 21
w 2 1 n1 STE光子集中在几个模式
轴向模
非轴向模
技术思想的重大突破 － F-P 光谐振腔 • 开放式光谐振腔使特定（轴向）模式的增加, 其它（非轴向）模式数
逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。
• 工作物质, 光学谐振腔, 激励能源是一般激光器的三个基本部分。
图(2-2) 共轴球面腔的稳定图
3.利用稳定条件可将球面腔分类如下:
(1) 稳定腔 (0<g1 g2 <1)
➢双凹稳定腔，由两个凹面镜组成，对应图中 ➢l、2、3和4区.
➢平凹稳定腔，由一个平面镜和一个凹面镜组成，
➢对应图中AC、AD段
图(2-2) 共轴球面腔的稳定图
➢凹凸稳定腔，由一个凹面镜和一个凸面镜组成，对应图中5区和6区。
条件有两种情况.
R1
R2
其一为: R1<L, R2>L
L
此时 g11R L10 g21R L20
所以 g1 g2＜0
.
其二为: R1+R2＜L
可以证明: g1 g2＞1 (证明略)
2.平凹非稳腔 稳定条件: R1＜L , R2= ∞
最新激光原理-激光技术教学讲义ppt
图21.1. -73 Q开关激光脉冲建立过程
在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值(Qo)状态，故阈值很 高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至 t0时刻， 粒子数反转达到最大值△ni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下 降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此△ni >>△nt(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质 存储的能量在极短的时间
设三个振动频率分别为ν1 、 ν2 、 ν3 的三个光波沿同一方向传播，
且有关系式： ν3=3ν1，
ν2= 2ν1 , E1 = E 2 =E3 = E0
若相位未锁定，则此三个不
E(t)
v3=3v1, v2=2v1， 初相位无 规 律
E0
-E0
I(t)
v2 v3
v1
同频率的光波的初位相 1 、 2 、 3 彼此无关，如左图， 由于破坏性的干涉叠加，所
可以推得总光强：
N 2
E
2 m
该式说明了平均光强是各个纵模光强之和,每
个脉冲的宽度 约为：
1
q
假如各个模的振幅及相位都固定，也可推得输出脉冲的峰值功率
正比于
N
2
E
2 0
，因此，由于锁模，峰值功率增大了N倍。
每个脉冲的宽度
窄的锁模脉冲。
1 1 , 可见增益线宽愈宽，愈可能得到
N q
二、锁模的基本原理 先看三个不同频率光波的叠加：Ei = E0cos(2π νi t+ i ) i=1,2,3
21世纪的激光技术与产业的发展将支撑并推进高速宽带海量的光通信以及网络通信并将引发一场照明技术革命小巧可靠寿命长节能半导体led发光将主导市场此外将推出品种繁多的光电子消费类产品如vcddvd数码相机新型彩电掌上电脑电子产品智能手机手持音响播放设备摄影投影和成像办公自动化光电设备如激光打印传真和复印等以及新型的信息显示技术产品如crtlcd及pdpfedoel平板显示器等并进入人们的日常生活中
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
激光原理与技术PPT(很全面)
04
激光与物质相互作用
激光与物质相互作用的基本过程
激光束在物质中的传播
包括反射、折射、吸收和散射等现象。
激光与物质相互作用的机理
包括光热作用、光电效应、光化学效应等。
激光与物质相互作用的特点
如高能量密度、高亮度、高方向性等。
激光加工原理及应用
1 2
激光加工的基本原理
通过高能激光束对材料进行加热、熔化、汽化或 达到其他物理或化学变化，以实现加工目的。
应用领域
适用于气体、液体和固体等多种介质的流速测量，如风速测量、 血流速度测量等。
激光光谱分析技术
光谱原理
不同物质具有不同的光谱特征，通过测量物质的光谱信息可以分析 其成分和性质。
分析方法
包括激光拉曼光谱分析、激光荧光光谱分析等，可用于物质的定性、 定量分析。
应用领域
广泛应用于化学、生物、医学、环境等领域，如药物分析、环境监测 等。
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。
特性
方向性好，亮度高，单色 性好，相干性好。
应用领域
激光加工、激光测距、激 光雷达、激光通信、激光 治疗等。
02
激光器类型及技术
固体激光器
晶体激光器
使用掺杂稀土元素的晶体 作为增益介质，如Nd:YAG 激光器。
典型激光器发光原理
6 5
Ar（3P ns） e(n 4,5) 5 4 Ar（3P ） e Ar（3P nd） e(n 3, 4) Ar（ 4 3P 4p） e
4
2018/11/4 15
b、“一步过程”
低气压放电过程
Ar （3P 6） e Ar（ 3P 4 4P）+2e'
35能级跃迁产生激光产生产生1产生120171025241113在光照激励下处于基态的大量钕离子吸收外来光子跃迁到上能级以上的各能级寿命很短这些能级上的粒子很快就以无辐射跃迁的形式跃迁到亚稳态能级能级的寿命较长约有240s这样在上可积累大量粒子在上能级和下能级之间建立粒子数反转分布形成激光输出
满壳层结构的基态1s2 2s2 2 p 6恰好形成一个 封闭的壳层，称为原子实。 原子实的轨道角动量、自旋角动量以及总角 动量均等于0
2018/11/4
5
（3）跃迁过程 1 ）高速电子碰撞He原子，激发到 上能级2 S0和2 S1 He+e He (2 S0 )+e ' e：碰撞前电子，e ：碰撞后电子 * 3 ' He+e He (2 S1 )+e “”表示处于激发态
* 1 '
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能级 4 I 11和 4 I 13，可将Nd3+:YAG激光器认为是四能级
2 2 4
系统，如果跃迁到 I 9，则是三能级系统。
2
对于三能级系统，基态粒子数很多，只有在低温 下才能实现0.914 m谱线的激光振荡，对于 4 F3 到
2 4
I 13 和 4 I 11的跃迁，虽然可同时实现粒子数反转。
2 2
2018/11/4 3
Ar（3P ns） e(n 4,5) 5 4 Ar（3P ） e Ar（3P nd） e(n 3, 4) Ar（ 4 3P 4p） e
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b、“一步过程”
低气压放电过程
Ar （3P 6） e Ar（ 3P 4 4P）+2e'
35能级跃迁产生激光产生产生1产生120171025241113在光照激励下处于基态的大量钕离子吸收外来光子跃迁到上能级以上的各能级寿命很短这些能级上的粒子很快就以无辐射跃迁的形式跃迁到亚稳态能级能级的寿命较长约有240s这样在上可积累大量粒子在上能级和下能级之间建立粒子数反转分布形成激光输出
满壳层结构的基态1s2 2s2 2 p 6恰好形成一个 封闭的壳层，称为原子实。 原子实的轨道角动量、自旋角动量以及总角 动量均等于0
2018/11/4
5
（3）跃迁过程 1 ）高速电子碰撞He原子，激发到 上能级2 S0和2 S1 He+e He (2 S0 )+e ' e：碰撞前电子，e ：碰撞后电子 * 3 ' He+e He (2 S1 )+e “”表示处于激发态
* 1 '
2018/11/4 6
能级 4 I 11和 4 I 13，可将Nd3+:YAG激光器认为是四能级
2 2 4
系统，如果跃迁到 I 9，则是三能级系统。
2
对于三能级系统，基态粒子数很多，只有在低温 下才能实现0.914 m谱线的激光振荡，对于 4 F3 到
2 4
I 13 和 4 I 11的跃迁，虽然可同时实现粒子数反转。
2 2
2018/11/4 3
新激光ppt课件第三章 典型激光器03
激光束的空间分布示意图
光谱特性:如图是GaAs激光器的发射光谱。其 中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为 几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的 激光光谱，谱宽达几十埃。
仍比气、
固宽
得多
GaAs激光器的发射光谱
转换效率:
注入式半导体激光器把电功率直接转换为光功 率，转换效率极高。
4.单异质结半导体激光器:
激活区厚度 d 2m 光波导效应
阈值电流密度降低
由于有源区宽度和光波导传输差这两个原因,致 使同质结受激发射的阈值电流密度较高,在室温下,
脉冲工作的典型阈值电流密度达3X104~5X104A/cm2,
而异质结(SH)激光器的阈值电流密度降低至约
8000A/cm2。
在单异质器件中,有源区宽度d值是关键 因素。如图为SH的Jth-d实验曲线。可见它 存在最佳值.这是因为若d值过大,则异质结对 载流子的限制作用减弱;d值太小则在非对称 波导内光波传输的损耗过大。对于 质量好的典型单异质结激光器, d值的范围在2~2.5um之间。 单异质结激光器的Jth虽比 同质结小若干倍,但仍d较高, 所以常与同质结器件一样用 作脉冲器件。这种器件的脉 冲功率可达数十瓦,寿命可 达数万小时以上.
固体的能带
不同的能带之间可以有一定的能量间隔，在这
个间隔范围内电子不能处于稳定状态，实际上形成一
个能级禁区，称为“禁带”。此间距用禁带宽度 Eg
来
衡量。如图说明了电子轨道、能级及能带之间的对应 关系。
电子轨道,能级,和能带
在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带 叫做“价带”如某一能带被电子填满，则称之为 “满带”，而在未激发情况下无电子填入的能带 叫做“空带” ，若价带中的电子受激而进入空带，则此 空带称为“导带”，同时，价带上由于价电子激发到导带 后留下一些空着的能级称为“空穴”。
光谱特性:如图是GaAs激光器的发射光谱。其 中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为 几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的 激光光谱，谱宽达几十埃。
仍比气、
固宽
得多
GaAs激光器的发射光谱
转换效率:
注入式半导体激光器把电功率直接转换为光功 率，转换效率极高。
4.单异质结半导体激光器:
激活区厚度 d 2m 光波导效应
阈值电流密度降低
由于有源区宽度和光波导传输差这两个原因,致 使同质结受激发射的阈值电流密度较高,在室温下,
脉冲工作的典型阈值电流密度达3X104~5X104A/cm2,
而异质结(SH)激光器的阈值电流密度降低至约
8000A/cm2。
在单异质器件中,有源区宽度d值是关键 因素。如图为SH的Jth-d实验曲线。可见它 存在最佳值.这是因为若d值过大,则异质结对 载流子的限制作用减弱;d值太小则在非对称 波导内光波传输的损耗过大。对于 质量好的典型单异质结激光器, d值的范围在2~2.5um之间。 单异质结激光器的Jth虽比 同质结小若干倍,但仍d较高, 所以常与同质结器件一样用 作脉冲器件。这种器件的脉 冲功率可达数十瓦,寿命可 达数万小时以上.
固体的能带
不同的能带之间可以有一定的能量间隔，在这
个间隔范围内电子不能处于稳定状态，实际上形成一
个能级禁区，称为“禁带”。此间距用禁带宽度 Eg
来
衡量。如图说明了电子轨道、能级及能带之间的对应 关系。
电子轨道,能级,和能带
在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带 叫做“价带”如某一能带被电子填满，则称之为 “满带”，而在未激发情况下无电子填入的能带 叫做“空带” ，若价带中的电子受激而进入空带，则此 空带称为“导带”，同时，价带上由于价电子激发到导带 后留下一些空着的能级称为“空穴”。
激光技术ppt课件
超快激光技术面临的挑战主要包括如何提高激光器的重复 频率和稳定性，如何降低制造成本和提高生产效率，以及 如何解决超快激光对材料和环境的影响等问题。
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
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
激光基础知识课件
其他粒子，继续引起受激辐射，而获得大量特征完全 相同的光子。这便是受激辐射的光放大。
第四十五页，本课件共有148页
频率、发射方向、偏 振态和相位
hv
输入 hv
hv
hv
hv
输出
hv
hv
光放大示意图
第四十六页，本课件共有148页
正常分布：
处于高能态的原子数远远小于处于低能态的原子 数，这种分布称为正常分布。
第六十四页，本课件共有148页
准分子激光器
氩（Ar2)、氪（Kr2）、 氙（Xe2)
主要分为 稀有气体 和 稀有气体卤 化物准分子激光器两类，是一种高效的短
波激光器。
稀有气体和卤化 物的混合气体
第六十五页，本课件共有148页
准分子激光手术： 以193nm波长的紫外光与角膜组织接触时发
生光化学反应，每个激光脉冲可精确切削0.25μm ，将角膜前表面进行精确修饰，改变了角膜的曲 率，从而矫正近视。
处于高能态的原子是
不稳定的，其平均寿 命约为10-8s
激发态原子
自发辐射 受激辐射
基态
第三十九页，本课件共有148页
（2）自发辐射：
处于高能态的粒子极不稳定，其会自发地向低能态 跃迁，并发射出能量为hv =E2-E1 的一个光子，这称为
自发辐射。
如普通光源的发光。构成光源的各个
粒子是独立发光体，是非相干的、向四面八方
第二十八页，本课件共有148页
重要用途： 用激光做光源进行光的干涉、衍射实验，
可以得到非常好的效果。
第二十九页，本课件共有148页
三. 激光产生的基本原理
第三十页，本课件共有148页
基本概念 原子由带正电的原子核和带负电的电子 组成。按照波尔的理论，电子只能处在一些 特定的“高度”，每个“高度”都具有特定 的能量，我们称之为“能级”。
第四十五页，本课件共有148页
频率、发射方向、偏 振态和相位
hv
输入 hv
hv
hv
hv
输出
hv
hv
光放大示意图
第四十六页，本课件共有148页
正常分布：
处于高能态的原子数远远小于处于低能态的原子 数，这种分布称为正常分布。
第六十四页，本课件共有148页
准分子激光器
氩（Ar2)、氪（Kr2）、 氙（Xe2)
主要分为 稀有气体 和 稀有气体卤 化物准分子激光器两类，是一种高效的短
波激光器。
稀有气体和卤化 物的混合气体
第六十五页，本课件共有148页
准分子激光手术： 以193nm波长的紫外光与角膜组织接触时发
生光化学反应，每个激光脉冲可精确切削0.25μm ，将角膜前表面进行精确修饰，改变了角膜的曲 率，从而矫正近视。
处于高能态的原子是
不稳定的，其平均寿 命约为10-8s
激发态原子
自发辐射 受激辐射
基态
第三十九页，本课件共有148页
（2）自发辐射：
处于高能态的粒子极不稳定，其会自发地向低能态 跃迁，并发射出能量为hv =E2-E1 的一个光子，这称为
自发辐射。
如普通光源的发光。构成光源的各个
粒子是独立发光体，是非相干的、向四面八方
第二十八页，本课件共有148页
重要用途： 用激光做光源进行光的干涉、衍射实验，
可以得到非常好的效果。
第二十九页，本课件共有148页
三. 激光产生的基本原理
第三十页，本课件共有148页
基本概念 原子由带正电的原子核和带负电的电子 组成。按照波尔的理论，电子只能处在一些 特定的“高度”，每个“高度”都具有特定 的能量，我们称之为“能级”。
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红宝石中铬离子的能级结构
4).温度的影响
温度
中心波长向长波方向移动
荧光线宽加宽
量子效率下降
红宝石晶体低温下性能优良,室温下以脉冲方式运转
5).主要优缺点
2.掺钕钇铝石榴石 (Nd3＋ :YAG) 谱线加宽:
在整个温度范围内,以均匀加宽为主
晶体的物理性质:
在钇铝石榴石(Y3Al5O12)中掺入0.725%的Nd2O3 各向同性
晶体的激光性质:
1).能级结构
红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的 氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。它的吸收光谱特性 主要取决于铬离子(Cr3＋) 。它属于三能级系统， 如图为其简化能级模型。
2).吸收光谱
蓝光带：410nm 绿光带：550nm
3).荧光光谱
E4A2 2A4A2
694.3nm 692.9nm
2.激光脉冲泵浦 能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主
要有氮分子激光器(0.337m)，红宝石激光器 (0.6943m)，钕玻璃激光器(1.06m)，铜蒸气激 光器(0.5106m、0.5782m)，准分子激光器(主要 在紫外区) 以及这些激光的二次、三次谐波等。
如图为经常采用的三镜 腔式染料激光器结构示 意图。
3.如图椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采 用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截 面是一个椭圆。
4. 固体激光器的泵浦系统还 要冷却和滤光。常用的冷却方 式有液体冷却、气体冷却和传 导冷却等，其中以液冷最为普 遍。Leabharlann 图(5-6) 椭圆柱聚光腔
5.泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光 中的紫外光谱。
图(5-22) 典型染料激光器原理示意图
六、新型固体激光器 1. 半导体激光器泵浦的固体激光器
➢半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体 激光器相比有其主要优点 ➢半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有端泵浦 方式和侧泵浦方式。
半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图
2. 可调谐固体激光器
➢可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光 器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作 的可调谐激光器。
1. 染料分子能级 染料分子能级图是如图所示的准连续态能级结构。
染料分子能级图
2. 染料分子的光辐射过程 ➢染料的吸收-荧光光谱图
3. 染料分子的三重态“陷阱” 消除方法：
选择染料、加入猝灭剂、 窄脉冲泵浦
染料的吸收-荧光光谱图
二、染料激光器的泵浦
1.闪光灯脉冲泵浦
➢ 泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。
三、工作物质的热效应及散热
１.工作物质的热效应
热应力 连续激光器的热效应 热透镜
脉冲激光器的热效应
单脉冲 t 重复脉冲 t
t
2.冷却与滤光 1).冷却: 液体、气体、传导 2).滤光: 滤光液 滤光玻璃
3. 光学补偿法 4. 采用非圆柱工作物质
单脉冲 准稳定 连续
3.4 染料激光器
一、 染料激光器的激发机理
单一氟化物 CaF2 混合氟化物 LiYF4
掺杂离子
三价稀土金属离子 二价稀土金属离子 过渡金属离子 锕系金属离子
固体工作物质特点： 参与受激辐射作用的离子浓度高，激光上能级的
寿命长，故易获得大能量输出，适于调Q。 加工要求：
圆棒状，侧面磨毛，两端面平行度5~10秒，面轴 垂直度〈1秒，端面平整度〈0.5个圈,且镀增透膜.
三镜腔式染料激光器
三、染料激光器的调谐
1. 光栅调谐 ➢如图是一种光栅-反射镜调谐腔，放在腔中的光 栅G具有扩束和色散作用。
光栅-反射镜调谐腔
2. 棱镜调谐 ➢如图是一种折叠式纵向泵浦染料激光器原 理图，腔内放置的棱镜是一种色散元件。
棱镜调谐腔
3. 双折射滤光片调谐 利用双折射滤光片调谐，是目前染料激光器广泛采 用的调谐方法，国内外的Ar＋激光、YAG倍频激光泵浦 的染料激光器，都使用这种方法调谐。如图给出的典 型染料激光器就是利用双折射滤光片进行调谐的。
淡紫色
晶体的激光性质:
Nd3+的外层电子组态为4f35s25p6,其中4f壳层没有 填满,3个电子可处于不同运动状态而形成一系列 能级.
1).能级结构
位于激光上能级的Nd3+,可向 多个能级辐射跃迁,有的为四 能级系统,有的为三能级系统.
Nd3＋:YAG 的能级结构
2).吸收光谱： 如图， Nd3+的吸收带主要有5条, (0.53μm、0.58μm、0.75μm、0.81μm、0.87μm）
3.3 固体激光器
1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman)发明了
世界上第一台红宝石激光器。 一、固体工作物质
(一).概述
固体工作物质 固体基质材料 少量掺杂离子
物理性质 光谱特性
氧化物晶体
晶体
基质材料
氟化物晶体 硅酸盐玻璃
玻璃 硼酸盐玻璃
磷酸盐玻璃
单一氧化物 Al2O3 混合氧化物 YAG、YAP
3. 高功率固体激光器
➢高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百 瓦以上的各种连续、准连续及脉冲固体激光器，它 一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。
➢从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激 光器，就是针对克服工作物质中的热分布及其引 起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛 盾而提出的一种结构方案，其结构如图。
Nd3＋:YAG 晶体的吸收光谱
3).荧光光谱 有3条明显的窄谱带(1.064μm、0.94μm、1.35μm)
4).主要优缺点 3.钕玻璃 谱线加宽:
均匀加宽、非均匀加宽均有
晶体的物理性质:
在钕玻璃中掺入适量的Nd2O3 ，玻璃为各向同性材料 光学均匀性好，性能稳定。
晶体的激光性质:
能级结构与其在晶体中基本相同，属四能级系统；
(二).典型固体工作物质介绍
固体工作物质的加宽有均匀加宽和非均匀加宽
1.红宝石晶体 谱线加宽:
Cr3+:Al2O3
红宝石晶体在低温时,主要是非均匀加宽
在高温时,主要是均匀加宽.
晶体的物理性质: Cr3+离子掺量为:0.03~0.07%
各向异性
平行于光轴
红宝石有三种生长方向 垂直于光轴
与光轴成60°
光谱特性也与其在晶体中基本相同。
二、固体激光器的泵浦系统
1. 固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵 浦激励。目前的泵浦光源多为工作于弧光放电状态 的惰性气体放电灯。
泵浦光源
惰性气体放电灯 半导体激光二极管
金属蒸汽灯 卤化物灯
2. 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而 固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了 将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采 用聚光腔。