第三章典型激光器报告
激光原理与应用讲 第三章
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第 三 章 激 光 器 的 输 出 特 性
3.2.1 共焦腔镜面上的场分布
(2)位相分布：本征函数 umn x, y 为实函数，镜面本身构成光场的一个等相位面。 (3)单程衍射损耗：一般忽略不计，但是在讨论激光器单横模的选取时必须考虑 单程衍射损耗 （4.1节） 。
u 以外， q1 应能够将 u q 再现出来，两者之间应有 关系： uq1 uq
§
.
图3-2 镜面上场分布的计算示意图
综合上两式可得：
ik uq ( x, y ) 4 ik u ( x, y ) 4
u ( x' , y' )
q M'
e ik
e ik
(1 cos )ds' (1 cos )ds'
第 三 章 激 光 器 的 输 出 特 性
本征值幅角与自再现模腔内单程渡越后所引起的总相移有关。
uq 1 uq arg uq 1 arg arg uq
自再现模在对称开腔中单程渡越所产生的总相移定义为：
arg uq1 arg uq arg
§
3 1 光 学 谐 振 腔 的 衍 射 理 论
X 2 2
, Fn (Y ) H n (Y )e
Y 2 2
,则有
2 2 umn Cmn Fm ( X ) Fn (Y ) I mn umn Fm ( X ) Fn2 (Y )
图(3-5)画出了m = 0，1，2和n = 0，1的 Fm ( X ) X及Fn (Y ) Y 的变化曲线，同 时还画出了相应的光振动的镜面光强分布：
§
3 1 光 学 谐 振 腔 的 衍 射 理 论
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
第三章激光器的输出特性
第3章激光器的输出特性前两章由发光的物理基础出发,对激光产生的工作原理进行了研究，对于在激光谐振腔中受激辐射大于自发辐射而导致光的受激辐射放大的过程和条件进行了很详细的讨论，为研究从激光谐振腔中传播，到其在腔外的光束强度与相位的大小与分布，也就是激光的输出特性打下了基础。
激光器作为光源与普通光源的主要区别之一是激光器有一个谐振腔，谐振腔倍增了激光增益介质的受激放大作用长度以形成光的高亮度，提高了光源发光的方向性。
实际上激光的第三个重要特点——高度的相干性也是由谐振腔决定的。
由于激光器谐振腔中分立的振荡模式的存在，大大提高了输出激光的单色性，改变了输出激光的光束结构及其传输特性。
因此本章从谐振腔的衍射理论开始研究激光输出的高斯光束传播特性，激光器的输出功率以及激光器输出的线宽极限。
3.1光学谐振腔的衍射理论2.1节中利用几何光学分析方法讨论了光线在谐振腔中的传播、谐振腔的稳定性问题以及谐振腔的分类。
而有关谐振腔振荡模式的存在、各种模式的花样也就是光束结构及其传输特性、衍射损耗等，只能用物理光学方法来解决。
光学谐振腔模式理论实际上是建立在标量理论的菲涅耳——基尔霍夫衍射积分以及模式再现概念的基础上的，本节用这种方法来讨论光学谐振腔。
3.1.1菲涅耳——基尔霍夫衍射公式惠更斯为了描述波的传播过程，提出了关于子波的概念，认为波面上每一点可看作次球面子波的波源，下一时刻新的波前形状由次级子波的包络面所决定。
菲涅耳引入干涉的概念，补充了惠更斯的原理，认为子波源所发的波应是相干的，空间光场是各子波干涉叠加的结果。
基尔霍夫进一步用格林函数方法求解波动方程，得到惠更斯一菲涅耳原理的数学形式，就是菲涅耳——基尔霍夫衍射公式(3-1)，其意义如图（3-1）所示。
图（3-1）惠更斯一菲涅耳原理设波阵面∑上任一源点'P 的光场复振幅为'(')u P ，则空间任一观察点P 的光场复振幅()u P 由下列积分式计算()'(')(1cos )'4ik ik e u P u P ds ρθπρ-∑=⎰⎰＋ (3-1)式中ρ为源点'P 与观察点P 之间的距离；θ为源点'P 处的波面法线n 与'PP 的夹角； 2k πλ=为光波矢的大小，λ为光波长；'ds 为源点'P 处的面元。
第三章、激光干涉测量
第三章、激光干涉测量干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行高精密测量的一门技术。
20世纪60年代激光的出现，才使干涉测量技术得到了长足的发展。
因为激光出现以前，所用以光源单色灯经过滤光片滤光作为单色光源，其相干长度只有几mm ，且干涉条纹比较模糊，只能微小变化的测量。
激光的出现，由于激光束的高亮度和很长的相干长度（He-Ne 激光器，相干长度几十Km ），使得干涉测量的测量精度、可测量长度都有了质的提高。
激光干涉测量的应用范围很广，可用于长度、位移、角度、形状、介质折射率（通过折射率的变化还可以测量压力、温度等）变化。
激光干涉测量的原理就是将入射激光束分成两束，一束为参考光束，一束为测量光束，测量两束光的光程差的信息或n l kl n l n M j j j N i i i ⇒=-=∆∑∑==211λ。
本章主要介绍激光干涉长度测量、激光干涉微小间隙测量以及光纤干涉传感器所构成的温度、压力测量。
首先介绍激光干涉长度测量。
§3.1 激光干涉长度测量一、 激光干涉测长的基本原理干涉测长仪是一种利用“增量法”的测长仪器。
最基本的测长仪光路采用Michelson(迈克尔逊)干涉仪，参考反射镜M 1固定不动，目标反射镜M 2与被测对象固联，当目标反射镜随被测对象移动时，两路光束的光程差发生变化，因为两光束来自于同一相干光源（同一台激光器），两光束产生的干涉条纹也将发生明暗交替的变化（因为两反射镜M 1、M 2不可能完全垂直，故应为等厚干涉）。
假设目标反射镜从M 2移至'2M ，则二光束的光程差变化量为：nL l l n l L l n c m c m 2)(2)(2=---+=∆ （3-1-1） 当用光电探测器接收干涉条纹的明暗变化时，两光束的光程差每变化一个波长（λ），干涉条纹就明暗变化一次，所测得的干涉条纹变化次数λλ/2/nL k =∆=，n 为介质折射率，在空气中，n~1，故2/λk L =。
激光加工_03常用激光器
10
为了提高激光器的输出功率，二氧化碳激光器 一般都加进氮（N2）、氦（He）、氙（Xe）等 辅助气体和水蒸汽。
气体混合比对输出功率有很大影响，一般采用 的比例是： CO2： N2：He：Xe：H2O=1：1.5~2：6~8：0.5： 0.1
¾He--在CO2+ N2的激光器中加入大量的He，可使输出功率提高5~10倍。它的作用是抽
空低能级。因为He的导热性好，使放电管内热量向管壁传递的速率提高，使激光介质冷
却，降低工作气体的温度，十分有利于提高激光器的输出功率。
¾Xe-在CO2+ N2+He的激光器中加进Xe，可使输出功率提高25~30%。Xe的作用是降低放
32
调Q技术
• 在激光技术中，通常用Q值，即谐振腔的品质 因素，来表示腔损耗的大小，其定义是
Q
=
2πγ
21
⋅
腔内存贮能量 每秒损耗能量
• 所谓调Q技术，就是通过一定的方法使谐振腔 内的品质因素Q值按一定的规律变化。
调Q工作原理
• 当激励刚刚开始时，先使谐 振腔内具有高损耗（低Q 值），激光器由于损耗高 （即阈值高），而不能产生 波长为的激光振荡。于是激 光工作物质中的粒子反转数 可以积累到很高的水平。然 后在适当的时候，使腔内损 耗突然降低到很低水平（高 Q值），阈值也随之突然降 低。此时粒子反转数大大超 过阈值，于是在极短时间内 原来贮存的大部分粒子的能 量转变为激光能量，在输出 端有一个很强的波长为的激 光巨脉冲输出
• 氙灯发出的光能在聚光器的作用下聚集在工作 物质上，一般可将氙灯发出来的80%左右的光 能集中在工作物质上。
激光_光学实验报告
一、实验目的1. 熟悉激光的基本原理和应用。
2. 掌握激光器的基本结构和工作原理。
3. 学习使用激光器进行光学实验，观察激光的传播、干涉、衍射等现象。
4. 提高实验操作技能和数据分析能力。
二、实验原理1. 激光原理：激光是一种相干光，具有单色性好、方向性好、亮度高等特点。
激光的产生基于受激辐射原理，即当高能粒子（如电子）跃迁到高能级时，受到特定频率的光子激发，产生相同频率的光子，从而实现光的放大。
2. 激光器基本结构：激光器主要由增益介质、光学谐振腔和激励能源组成。
增益介质提供受激辐射的粒子，光学谐振腔形成驻波，放大受激辐射的光子，激励能源提供粒子跃迁所需的能量。
三、实验仪器与设备1. 实验仪器：激光器、光具座、分光计、干涉仪、衍射光栅、法布里-珀罗干涉仪等。
2. 实验设备：电源、计算机、数据采集卡等。
四、实验内容与步骤1. 激光器基本特性实验（1）观察激光束的传播：将激光器放置在光具座上，调整激光器使其发出的激光束垂直于光具座，观察激光束在空气中的传播情况，记录激光束的传播路径和形状。
（2）测量激光束的功率：使用激光功率计测量激光束的功率，记录数据。
2. 激光的干涉现象实验（1）双缝干涉实验：搭建双缝干涉实验装置，调整双缝间距和光源位置，观察干涉条纹，记录干涉条纹的形状和间距。
（2）白光干涉实验：将白光通过狭缝，形成单缝衍射图样，观察干涉条纹，记录干涉条纹的形状和间距。
3. 激光的衍射现象实验（1）单缝衍射实验：搭建单缝衍射实验装置，调整单缝宽度，观察衍射图样，记录衍射图样的形状和宽度。
（2）光栅衍射实验：搭建光栅衍射实验装置，调整光栅常数，观察衍射图样，记录衍射图样的形状和宽度。
4. 法布里-珀罗干涉仪实验（1）观察法布里-珀罗干涉仪的原理：搭建法布里-珀罗干涉仪实验装置，调整干涉仪，观察干涉条纹，记录干涉条纹的形状和间距。
（2）测量干涉仪的腔长：通过调整干涉仪的腔长，观察干涉条纹的变化，记录腔长与干涉条纹间距的关系。
第三章-激光工作物质的增益kp
在气压不太高时，有：
均匀加宽来源于自然加宽和碰撞加宽 均匀加宽谱线宽度为
3. 晶格振动加宽
3.2 谱线加宽和线型函数
由于晶格原子的热振动，镶嵌在晶体里的激活离子处在随时间变化的晶格场中, 导致其能级位置在一定范围内发生变化从而引起谱线加宽
晶格热振动对所有发光离子的影响是相同的,属均匀加宽。晶格振动加宽是固体 工作物质主要均匀加宽因素
原子自发辐射、受激辐射和受激吸收概率
3.3 激光器的速率方程 一、自发辐射、受激辐射和受激吸收概率的修正
3.3 激光器的速率方程 对自发辐射来说，n2个原子中单位时间内发生自发辐射跃迁的原子总数为（保持不变）：
对于受激辐射：
3.3 激光器的速率方程
3.3 激光器的速率方程 则受激跃迁概率为： 实际应用中常引入吸收和发射截面来表示。
用经典电磁场理论描述光；用量子力学模型描述原子 可处理与光的波动性相关的物理现象(包括非线性现象), 但不能处理与光的粒子 性(量子光学)有关的问题，例如光的量子起伏，光子统计等。
第三章 激光工作物质的增益 (3)(全)量子理论－量子电动力学理论处理方法
辐射场与原子都作量子化处理 量子电动力学处理光—光子 量子力学模型处理原子
功率为P(ν) d ν，则自发辐射的总
功率为：
3.2 谱线加宽和线型函数
本质：反映发光粒子或光源 光谱线形状
3.谱线宽度
3.2 3谱.2线谱加线宽加和宽线和型线函型数函数
线宽的其他表示形式: 用波长差表示的线宽:
3.2 谱线加宽和线型函数
举例 •两种加宽机制：均匀加宽、非均匀加宽
3.2 谱线加宽和线型函数
该能级具有无限长寿命
上、下能级宽度分别为
激光器的输出特性
3.4.2 稳定球面腔的光束传播特性
等效共焦腔的束腰半径和原球面腔镜面的基横模光束有效 截面半径 (1) 等效共焦腔的束腰半径
LR1 L R2 L R1 R2 L 1 2 LR1 L R2 L R1 R2 L 4 R1 R2 2 L 0 2 R R 2 L 1 2 L ' 0 并且L' 2 f 2 f
D
2
15
非均匀增宽型介质激光器的输出功率
(1) 单频激光器的输出功率 a总 a内
1 1 ln r1r2 ln[1 (a1 t1 )] 2L 2L
若腔内只允许一个谐振频率，且 ν ν0 ，激光器在理想的情况下，仍 有： a t
a内 0; r2 1; a总
1 1
激光器输出光强也可以表示为：
I out
若激光光束的平均截面为A，则其输出功率为：
P AIout
I s 2 LG 0 t1I t1 ( 1) 2 a1 t1
1 2LG 0 t1I s A( 1) 2 a1 t1
10
3.5.1 均匀增宽型介质激光器的输出功率
输出功率与诸参量之间的关系 (1) P与Is的关系: 两者成正比 (2) P与A的关系: A越大，P越大；而高阶横模的光束截面要比基横 的大 (3) P与t1的关系: 实际中总是希望输出功率大镜面损耗小，即希望
5
3.4.2 稳定球面腔的光束传播特性
谐振频率
(1)方形镜一般稳定球面腔的两个反射镜面顶点处的位相因子 分别为：
L x2 y 2 ( x, y, z ) k[ (1 ) ] ( m n 1 )( ) 2 2 1 L 2
典型激光器介绍大全(精华版)ppt课件
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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DFB半导体激光器示意图
DBR半导体激光器示意图
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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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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。
激光实验报告
激光实验报告he-ne激光器模式分析一．实验目的与要求目的：使学生了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。
对本实验使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理，性能，学会正确使用。
要求：用共焦球面扫描干涉仪测量he-ne激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶横模的阶次；观察激光器的频率漂移记跳模现象，了解其影响因素；观察激光器输出的横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。
二．实验原理1.激光模式的一般分析由光学谐振腔理论可以知道，稳定腔的输出频率特性为：vmnq?l1/21lc[q?(m?2n?1)]cos-1[(1—)(1—)] r2?r12?l (17)其中：l—谐振腔长度； r1、r2—两球面反射镜的曲率半径；q—纵横序数； m、n—横模序数；η—腔内介质的折射率。
横模不同（m、n不同），对应不同的横向光场分布（垂直于光轴方向），即有不同的光斑花样。
但对于复杂的横模，目测则很困难。
精确的方法是借助于仪器测量，本实验就是利用共焦扫描干涉仪来分析激光器输出的横模结构。
由（17）式看出，对于同一纵模序数，不同横模之间的频差为：mn:mn?ll1/2 c1(?mn)cos-1[（1－）(1－)] （18） r1r22?l?其中：δm=m－m′；δn=n－n′。
对于相同的横模，不同纵模间的频差为q:q?c?q 2?l 其中：δq=q－q′，相邻两纵模的频差为q?c 2?l （19）由（18）、（19）式看出，稳定球面腔有如图2—1的频谱。
（18）式除以（19）式得ll?mn:mn1?(?m??n)cos-1[(1－)(1－)]1/2 r1r2??q?（20）设：mn:mnq ； s=1?cos-1[(1－ll)(1?)]1/2 r1r2 δ表示不同的两横模（比如υ00与υ比，于是（20）式可简写作： 10）之间的频差与相邻两纵模之间的频差之(?m??n)?? s （21）只要我们能测出δ，并通过产品说明书了解到l、r1、r2（这些数据生产厂家常给出），那么就可以由（21）式求出（δm+δn）。
激光原理第三章激光放大器与振荡器
谐振腔
用于选择和限制放大输出的光 束质量。
放大器的应用
军事领域
用于高精度制导、激光雷达、光电对抗等。
医学领域
用于激光治疗、手术、诊断等。
工业领域
用于激光切割、焊接、打标等加工工艺。
科研领域
用于光谱学、量子光学、非线性光学等研究 。
02
CATALOGUE
03
气体振荡器
当光信号在气体放电管中传播时，会不断发生反射和散射，形成反馈机
制，使光信号在放电管中不断反射和传播，形成振荡。
振荡器的应用
光学反馈振荡器（OFDR）
01
用于光纤通信、光学传感等领域。
光纤振荡器（FO）
02
用于光纤激光器、光纤传感等领域。
气体振荡器
03
用于气体激光器、光谱分析等领域。
03
激光振荡器
优点是可产生高功率、高质量的激光 束，具有较高的光学转换效率。缺点 是结构复杂、调试难度大，需要精确 控制谐振腔的参数和激活介质的状态 。
04
CATALOGUE
激光放大器与振荡器的未来发展
技术发展趋势
新型材料的应用
随着新材料的不断涌现，未来激光放大器与振荡器将更多 地采用新型材料，如碳纳米管、二维材料等，以提高性能 和降低成本。
激光原理第三章激 光放大器与振荡器
目 录
• 激光放大器 • 激光振荡器 • 激光放大器与振荡器的比较 • 激光放大器与振荡器的未来发展
01
CATALOGUE
激光放大器
放大器的种类
01
02
03
04
固体激光放大器
利用固体激光介质实现光的放 大，常见于高功率激光系统。
激光光谱技术及应用 第三章
腔的Q值与腔的损耗成反比，损耗越小Q值越高。
Q开关的思想：设法控制光腔在泵浦期间的损耗，使在泵浦前期腔的损耗很大，光 的增益超过不了损耗，达不到激光起振的阈值；在泵浦脉冲作用下粒子数反转数持 续增长，待粒子反转数积累到很大数量，介质的增益足够大时，突然减小损耗，于 是光的增益将大大超过损耗，在瞬间建立起很强的激光。 Q开关技术通常分为主动调Q与被动调Q两大类，其中主动调Q是采用外界控制的调制
由于总的粒子数是一定的，因此三分速率之和为零。引进泵浦率
r p B20 N0 N2 N
Nr 为将粒子从能级0泵浦到能级2的净速率。当粒子数达到平衡时，有下式 成立
N2 A21 B21 N1 A10 B21
(3-10)
N1 A10 N2 A20 rN
如果光束不是基模，则(3-4)式变为
r 2 2 z ik r 2 2 R z i kz E x, y, z E0 0 H m x k L H n y k L e e e z
(3-5)
这里我们略去理论推导，直接给出腔内场的完整表达式
r 2 2 z ik r 2 2 R z i kz E x, y, z E0 0 e e e z
(3-4)
它以高斯函数形式描述光束中的场分布，所以称为高斯光束。
ik eik ES x, y ES x, y ds 1 cos S 4
(3-2)
由于矩形的反射镜对x，y轴是对称的，因此可将 Es(x , y)和 Es′ (x′ , y′)分解为 x，y两
激光的相关实验报告
一、实验目的1. 理解激光的基本原理，掌握激光器的结构和工作原理。
2. 学习使用激光器进行实验操作，观察激光的特性。
3. 掌握激光在光学实验中的应用，提高实验技能。
二、实验原理激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）是一种通过受激辐射放大光子的现象产生的特殊光源。
激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等特点。
本实验主要研究激光的以下特性：1. 激光的光谱特性：观察激光的光谱线，分析激光的波长、线宽等参数。
2. 激光的方向性：观察激光束的传播路径，验证激光的高方向性。
3. 激光的相干性：观察激光干涉现象，验证激光的高相干性。
4. 激光的聚焦性：观察激光束聚焦后的光斑大小，验证激光的高聚焦性。
三、实验仪器与设备1. 激光器：He-Ne激光器、半导体激光器等。
2. 光具组：透镜、分光计、狭缝、光栅等。
3. 测量工具：钢板尺、光电计时器、频谱分析仪等。
四、实验步骤1. 激光器光谱特性实验：（1）将He-Ne激光器接入实验装置，调整激光器输出功率；（2）将激光束通过透镜聚焦，使光斑聚焦到光电计时器上；（3）调整分光计，使激光束入射到光栅上，观察光谱线；（4）记录光谱线位置、线宽等参数，分析激光的波长、线宽等特性。
2. 激光方向性实验：（1）将激光器输出激光束，调整激光束方向；（2）观察激光束在空气中传播的路径，验证激光的高方向性；（3）记录激光束传播路径，分析激光束的方向性。
3. 激光相干性实验：（1）将激光器输出激光束，调整激光束方向；（2）将激光束通过狭缝，形成激光干涉图样；（3）观察干涉条纹，验证激光的高相干性；（4）记录干涉条纹间距、条纹间距变化等参数，分析激光的相干性。
4. 激光聚焦性实验：（1）将激光器输出激光束，调整激光束方向；（2）将激光束通过透镜聚焦，观察聚焦后的光斑大小；（3）记录光斑大小、聚焦距离等参数，分析激光的高聚焦性。
激光分类_物理实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解激光的基本原理和分类方法。
2. 掌握不同类型激光的特性及其应用。
3. 通过实验操作，加深对激光理论知识的理解。
二、实验原理激光是一种受激辐射的光放大现象，具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特点。
根据激光介质的不同，激光可分为固体激光、气体激光、液体激光和半导体激光等。
三、实验仪器与材料1. He-Ne激光器2. 气体激光器3. 固体激光器4. 半导体激光器5. 光谱仪6. 光电探测器7. 光具座8. 纸张、笔四、实验步骤1. 观察He-Ne激光器（1）将He-Ne激光器安装在光具座上，调整激光器至最佳工作状态。
（2）观察激光束的传播方向和光斑形状，记录观察结果。
（3）利用光谱仪分析He-Ne激光的波长，记录波长值。
2. 观察气体激光器（1）将气体激光器安装在光具座上，调整激光器至最佳工作状态。
（2）观察激光束的传播方向和光斑形状，记录观察结果。
（3）利用光谱仪分析气体激光的波长，记录波长值。
3. 观察固体激光器（1）将固体激光器安装在光具座上，调整激光器至最佳工作状态。
（2）观察激光束的传播方向和光斑形状，记录观察结果。
（3）利用光谱仪分析固体激光的波长，记录波长值。
4. 观察半导体激光器（1）将半导体激光器安装在光具座上，调整激光器至最佳工作状态。
（2）观察激光束的传播方向和光斑形状，记录观察结果。
（3）利用光谱仪分析半导体激光的波长，记录波长值。
五、实验结果与分析1. He-Ne激光器观察结果：He-Ne激光束为红色，传播方向性好，光斑形状为圆形。
分析：He-Ne激光器是典型的气体激光器，其波长为632.8nm，具有良好的单色性和相干性。
2. 气体激光器观察结果：气体激光束颜色多样，传播方向性好，光斑形状为圆形。
分析：气体激光器种类繁多，如CO2激光器、氩离子激光器等，具有不同的波长和特性。
3. 固体激光器观察结果：固体激光束颜色多样，传播方向性好，光斑形状为圆形。
苏教版第三章光与物质的相互作用
第三章光和物质的相互作用Interaction of Radiation and Atomic Systems激光的基本理论电介质的极化光和物质相互作用的经典理论简介谱线加宽和线型函数典型激光器速率方程均匀加宽工作物质的增益系数非均匀加宽工作物质的增益系数•光频电磁场与物质的相互作用（特别是共振相互作用）是激光器的物理基础•对大多数激光器，指光与组成物质的原子（或离子、分子）内的电子之间的共振相互作用•强度特性（烧孔效应，兰姆凹陷，增益饱和等）激光的基本理论•经典理论：用经典电动力学的Maxwell方程组描述电磁场，将原子中的运动视为服从经典力学的振子，也称为经典原子发光模型•半经典理论：采用经典Maxwell方程组描述光频电磁波，而物质原子用量子力学描述（兰姆理论）•量子理论：对光频电磁波和物质原子都作量子化处理，并将二者作为一个统一的物理体系加以描述（量子电动力学）•速率方程理论：量子理论的简化形式，从光子（量子化的电磁场）与物质原子的相互作用出发，忽略了光子的相位特性和光子数的起伏特性•激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上的量子理论，它在原则上可以描述激光器的全部特性。
•用不同近似程度的理论去描述激光器的不同层次的特性，每种近似理论都揭示出激光器的某些规律，但也掩盖着某些更深层次的物理现象。
物质的能级结构跃迁物质都是由原子组成的，原子的经典模型可以看成是简谐振动的电偶极子。
实际上原子模型要运用到量子概念。
原子中的电子可以在一些特定的轨道上运动，处于定态，并具有一定的能量。
这样一来．高中化学中学过了电子云实际就是电子态。
处于不同电子态的原子具有不同的能量，称之为原子系统（电子）的能级。
每种原于就有一系列的与不同定态对应的能级，各能级间的能量不连续。
波尔假说：（1922年诺贝尔物理学奖）1.原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。
原子定态的能量只能采取某些分立的值E1、E2、。
激光技术实验报告
实验一 氦氖激光系列实验一、实验内容：1、氦氖激光器的调节 2、氦氖激光器的输出功率 3、氦氖激光器发散角测量4、用共焦球面扫描干涉仪观察、分析、判断激光器的模式组成 二、实验仪器：氦氖激光器、调节板、谐振腔反射镜、半内腔氦氖激光器、激光功率指示仪、共焦扫描仪、示波器 三、实验原理及方法次为例）10/1010∑==i i P P其中：0P 为十次测量的平均值。
激光器功率漂移=η%100/0⨯∆P P 其中2/)(min max P P P -=∆固定输出镜，调至出光，旋转输出镜俯仰倾斜旋钮，结合功率计，将其输出调至最大。
打开激光器电源并预热20～30分钟，将激光器光束对准激光功率指示仪探头中心位置，每隔10分钟记录一次，测量氦氖激光器的输出功率随时间变化曲线。
3. 用刀口法可以测定光斑的大小和验证光斑的光强分布是高斯分布。
实验中使刀口平行于y 轴，沿垂直于x 轴方向移动当刀口缓慢推入光束时，设刀口挡住了a x ≤的所有点。
未被刀口挡住而通过的光功率P 用余误差函数表示为：)2(2),(0a Werfc P dxdy y x I P a==⎰⎰ 如果先用刀口把光束全部挡住，然后把刀口缓慢拉出时，未被刀口挡住而通过的光功率可用相应的误差函数表示。
)exp(),(2220σy x p y x I +-=)2(210σaerfc p p = 其中2/W =σ是数理统计中的标准偏差。
根据上式作出的归一化高斯分布和相对功率与刀口位置关系曲线如下图所示可以证明，相对功率为0.25和0.75的点分别位于高斯分布曲线极大值两侧，其距离σ6745.0=p e 。
所以从由实验得到的相对功率与刀口位置的关系曲线就可确定p e 的值。
算出σ值后就可计算P/0P 的理论值，进行曲线拟合。
如果拟合的好，就证明基横模光强是高斯分布。
用p e 的值可以计算光斑大小：)2(4826.1p e W = )2(7456.12/1p e D =如图所示，将刀口位于激光光斑边缘位置，并将功率计置于刀口后面来测量未被刀口挡住的激光光功率。
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钕玻璃激光器采用四能级系统，发射的波长是1.06μm。
3.2
气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
He-Ne激光器结构
由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。
放电管是氦一氖激光器的心脏，是产生激光的地方。放电管通常由毛细管和贮
气室构成。放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）气体，当电极加上 高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。贮气室 与毛细管相连，这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放 气或吸附气体造成He，Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。 放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用热 胀系数小的石英玻璃制作。激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射
振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。
图3-8 He-Ne激光器的基本结构形式
3.2
气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
内腔式He-Ne激光器
优点是使用时不必进行调整，非常方便，阴极与毛细管同轴放置，其结
构紧凑、不易碎裂，安装方便。 缺点是在工作过程中放电管受热变形
时，谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损耗增加，输出下降。 激光管越长，其热稳定性越差，所以内腔式激光管的长度一般不超过一 米。而且当谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面污染后也无 法清除。并且由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易污染窗片，使用 寿命低，同时由于阴极大量发射电子，阴极区易发热，使同轴式激光管 功率的稳定性不如旁轴式。
图3-6 Nd3＋:YAG 晶体的吸收光谱
3.1 固体激光器
钕玻璃激光器
钕玻璃是在光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。最佳掺入Nd2O3量 为1%-5%重量比。对应3%的掺入量,Nd3+的浓度为3×1020/cm3。
Nd3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。
玻璃的制备工艺比较成熟，易获得良争好的光学均匀性,玻璃的形状 和尺寸也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达1-2m，直径30-
3.2
气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
He-Ne激光器的输出特性
(1) 谱线竞争: He-Ne激光器三条强的激光谱线：3S2P 0.6328m ， 2S2P 1.15m ， 3S3P 3.39m 中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔 介质膜反射镜的波长选择。 0.6328um和3.39umm两条激光谱线有共同的激光上能级3S,而后者增益系 数比较高，如果不进行抑制,则3.39um的辐射在腔内振荡过程中将消耗大 量的3S2态原子。抑制3.39um辐射的办法主要有: ①选用对3.39um的光具有低反射率的谐振腔反射镜，使3.39um达不到阈 值条件，如下图所示,在腔内加色散棱镜，将两谱线分开,通过调整谐振腔 反射镜的位置，只允许0.6328um的辐射起振，而使3.39um辐射偏离出谐 振腔外； ②腔内放置甲烷吸收盒，因为甲烷对3.39um的光具有强吸收而对 0.6328um的光透明，因此可用甲烷抑制3.39um振荡;
3.1 固体激光器
掺钕钇铝石榴石(Nd3+：YAG)
能级结构
属于四能级系统。激光上能级是4F3/2，激光 下能级为4I11/2，基态为4I9/2，其主要吸收峰 为0.81 μm和0.75 μm ， 4F3/2 是一个亚稳态。 1.06 μm比1.35 μm的荧光约强四倍，1.06 μm
0.87μm 0.81 μm 0.75μm
元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。
3.1 固体激光器
掺钕钇铝石榴石(Nd3+：YAG)
激光工作物质-掺钕钇铝石榴石
Nd3+:YAG的激活离子为Nd3+，基质是YAG晶体(钇铝石榴石晶体Y3Al5O12)。 Nd3+部分取代YAG中的Y3+即成为Nd3+:YAG。一般含Nd3+量为1%原子比， 此时Nd3+的密度为1.38×1020cm-3，颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比 例的A1203、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶 系，是各向同性晶体。
2 4
F9 / 2 F7 / 2
(中心波长7500A)
(中心波长8000A) 4 E3:三条激光谱线公共的激光上能级 F3 / 2 E2: 含二条激光谱线的二个激光下能级 (四能级系统), 即 4 4 I13 / 2 ( 4 F I 1 3 / 2 ，对应1.4μm谱线） 3/2
4
I 11 / 2
(4 F3 / 2
图3-3 红宝石中铬离子的能级结构
510nm 693.4nm 694.3nm 360nm
如图3-3所示，4A2是基态又是激光下能级，其简并度g1=4，2E是亚稳态，它是 由能量差为29cm-1的2A和E二能级组成，其简并度都为2。4F1和4F2是两个吸收
能带。红宝石有两条强荧光谱线(R1和R2线)，室温下对应的中心波长分别为
3.2
气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
外腔式He-Ne激光器
优点是这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离，可增加储气量。同时 溅射物质不易污染窗片，所以寿命比同轴式长，放电管的热变形对谐振腔 影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳定输出。放电 管的两端贴有布儒斯特窗片，还可使激光得到线偏振的激光输出。缺点是 由于反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要经常调整，使用不方 便，体积大，安装使用不方便，易破碎。
图3-9 与激光跃迁有关的Ne原子 的部分能级图
3.2
气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
根据能量跃迁选择定则，Ne原子可以产生很多条谱线，其中最强的谱线 有三条，即0.6328 m 、3.39 m和1.15 m ，对应跃迁能级分别为 3S2→2P4，3S2→3P4和2S2→2P4。2P和3P态，不能直接向基态跃迁，而 向1S态跃迁很快。lS态向基态的跃迁是被选择定则禁止的，不能自发地 回到基态，但它与管壁碰撞时，可把能量交给管壁，自己回到基态。这 就是为什么He—Ne激光器中要有一根内径较细的放电管的原因。 从能级图可见，He—Ne激光器是典型的四能级系统。
Hale Waihona Puke 图3-9 与激光跃迁有关的Ne原子 的部分能级图
3.2
气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
He-Ne激光器的激发过程
在He-Ne激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下： 第一是共振转移。由能级图可见，He原子的21S0、23S1态分别与Ne原子 的3S、2S态靠得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高， 可达95%，其转移过程如下：
化学表示式为Cr3+: Al203，激活离子是Cr3+，基质是A12O3晶体(刚玉)； 红宝石属六方晶系，是无色透明的负单轴晶体。红宝石是在Al2O3中掺 入适量的Cr3+，使Cr3+部分地取代Al3+而成。掺入Cr2O3的最佳量一般 在0.05%(重量比)左右。
3.1 固体激光器
红宝石激光器
红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。原子Cr的外层 电子组态为3d54s1，掺入Al2O3后失去外层三个电子 成为Cr3+，Cr3+的最外层电子组态为3d3。红宝石的 光谱特性就是Cr3+的3d壳层上三个电子发生跃迁的 结果。Cr3+在很强的晶格场作用下，呈现出复杂的 能级分裂和重新组成的情况。通过实验和理论分析， 已确定红宝石中Cr3+的工作能级属三能级系统。
694.3nm和693.4nm。通常红宝石激光器中只有 694.3nm线才能形成激光输出。
3.1 固体激光器
红宝石激光器
红宝石的吸收光谱如图3-4所示。由
4A 向4F 跃迁吸收紫蓝光，峰值波长 2 1
在0.36um附近，称为紫外带或U带。
由4A2向4F2跃迁吸收黄绿光，峰值波 长在0.51μm附近，称为黄绿带或Y 带。这是两个很强很宽的吸收谱带， 吸收带宽均约0.1um左右。 由于红宝石晶体的各向异性，它的吸收特性与光的偏振状态有关。在入射光 的振动方向与晶体光轴C相垂直或平行这两种情况下，其吸收曲线略有差 别，见图3-4。
4
I 11 / 2，对应1.06μm谱线）
图3-7 钕玻璃的能级结构和跃迁光谱
E1:基态，一条激光谱线的激光下能级(三能级 系统): 4 4 4 I 9 / 2 ( F3 / 2 I 9 / 2 对应0.9μm谱线)
3.1 固体激光器
钕玻璃激光器
跃迁谱线:
①1.06μm:四能级系统, 跃迁几率大, 通常可观察到; ②1.4μm: 四能级系统, 跃迁几率较小, 不一定可观察到; ③0.9μm:三能级系统, 难实现粒子数反转, 一般不出现.
图3-4 红宝石中铬离子的吸收光谱
3.1 固体激光器
红宝石激光器
缺点
阈值高(因是三能级)和性能易随温度变化。
优点
机械强度高，能承受很高的激光功率密度；容易生长成较大尺寸；亚稳态 寿命长，储能大，可得到大能量输出；荧光谱线较宽，容易获得大能量的 单模输出；低温性能良好，可得到连续输出；红宝石激光器输出的红光 (694.3nm)，不仅能为人眼可见，而且很容易被探测接收(目前大多数光电
3.2
气体激光器
氦-氖(He-Ne)激光器
氦和氖原子的能级图
He-Ne激光器的工作气体是He和Ne，其中产生激 光跃迁的是Ne气。Ne原子有10个电子，基态1S0 (电子分布为1S22S22P6)。激发态为1S、2S、3S、 2P、3P等，它们对应的外层电子组态分别为 2P53s、2P54s、2P55s、2P53P、2P54P。He是辅助 气体，用以提高Ne原子的泵浦速率。如图3-9所 示，He原子有两个电子，没激发时这两个原子都 分布在1S0壳层上，He原子处于基态。当He原子 受激时，使其中一个电子从1S激发到2S，He原子 成为激发态。 He原子有两个亚稳态能级，分别 记为23S1、21S0。