激光的基本知识培训课件
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3、谐振腔(半反镜与全反镜) (1)维持激光振荡 (2)改善激光质量如单色性、方向性
13
激光的基本知识
四、本征纵模频间隔
1、定义
相邻两个纵模的频率间隔
2、计算
q
c 2nL
证 由驻波条件：光波从腔内某一点出发，经过往返 一周的传播后，再回到原来的位置上时应与出发 时同相位，也就是说光波往返一周的的位相延滞 等于2pi的整数倍。数学表达式为：
（1） 氦-氖(He-Ne)激光器
• 氦一氖气体激光器：原子激光器类，1961年实现激光输出， 多采用连续工作方式，输出功率与放电毛细管长度有关；输 出激光方向性好，（发散角达1mrad以下），单色性好（ 可小于20Hz），输出功率和波长能控制得很稳定
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激光的基本知识
1960年5月15日，在休斯公司的一 个研究室里，年轻的美国物理学 家梅曼正在进行一项重要的实验。 他的实验装置里有一根人造红宝 石棒。突然，一束深红色的亮光 从装置中射出，它的亮度是太阳 表面的4倍！这是一种完全新型的 光，科学家渴望多年而自然界中 并不存在的光，它被命名为Laser， 是英文“受激辐射光放大"大缩写， 这就是激光。产生激光的装置被 称为激光器。激光和激光器的问 世，被称为20世纪最重大的科学 发现之一。
L q 其中： c
2
n
14
激光的基本知识
由上式可得：
Lq qc 2 2n
得本征纵模的频率为
q
q
c 2nL
该式的物理意义是，当谐振腔长度给定后，它
只能对频率满足该式的激光模式提供正反馈，使之 产出振荡。满足这个谐振条件的驻波场或本征纵模 有无数多个。q表示对应模序数q的本征纵模频率。
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激光的基本知识
间的分布也不随时间的变化，其相干长度可达到 100km，而普通单色光的相干长度只有米的量级。 激光横向相干面积也很大，其光截面的各个部分 都是相干波源。
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激光的基本知识
三、激光器构造
1、激光工作物质 (1)激活粒子(分子、原子、离子) 发光 (2)基质 寄存激活粒子的材料
2、泵浦源(光泵、放电管) 对激光工作物质进行激励以形成粒子数反转
由本征纵模的频率
q
q
c 2nL
可得到相邻两个本征纵模之间的频率间隔应为：
q
c 2nL
G0()
Gm
Gt
T
两红线之间的频率间隔为：
q
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激光的基本知识
五、激光器的分类
1、工作物质形态---可以分为气体、固体、半导体、 液体、等
2、工作方式---连续工作和脉冲工作
3、激光技术---调Q激光器、锁模激光器、倍频激光器、 可调谐激光器、单模和多模激光器等
3
激光的基本知识
1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器。它标志着激 光技术的诞生。
4
激光的基本知识
自发辐射跃迁 定并义 发： 射一发个光频粒率子为从高 能 E级2 EE21自的发光跃子迁。到低能级E1,
h
E2
E1
5
来自百度文库
激光的基本知识
受激辐射跃迁
定义：处于高能级E2的发光粒子在
E2
光器
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激光的基本知识
一般固体激光器：由工作物质、泵浦系统、 谐振腔和冷却滤光系统四个主要部分组成
基 工作 质 物质 掺
杂 泵浦系统
激光波长
红宝石激光器 刚玉晶体 （Al2O3）
Nd:YAG 激光器 钇铝石榴石晶体 Y3Al5O12
Cr2O3
Nd2O3
钕玻璃激光器 光学玻璃（硅酸 盐，硼酸盐、磷 酸盐）
光，其发射角很小，可在1〃以下。用红宝石激 光器将直径为1mm的光束射向月球，通过 380000km的距离，月球上的光斑直径仅有1.6km 而普通探照灯（光束直径约为0.3m）射出1km， 光斑直径就有10m。
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激光的基本知识
亮度大：目前，功率极大的激光，其亮度
可达到太阳亮度的100亿倍以上。若用透镜将起 会聚，可得到每平方厘米1万亿瓦的功率密度。 因此，它可在极小的局部范围内产生几百万摄氏 度的高温，几百万个大气压的高温和几十亿伏特 每米的强电场。
Nd2O3
钛宝石激光器 刚玉晶体 （Al2O3）
Ti2O3
脉冲氙灯、高压 汞蒸气灯
0.6943m 三能级系统
脉冲氙灯、激光器、砷化镓半导体
1.0640m 四能级系统
1.0600m 四能级系统
闪光灯泵浦、激 光泵浦 0.795m 调 谐 0.66~1.1m
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激光的基本知识
六、典型激光器
1、气体激光器
准分
工作气体在常态下为原子，当 激发时，可暂时形成寿命很短
Ar2*、 Xe2*、 XeF* 、 KrF*、ArF* KrF*、ArF*、XeCl*、
子 的分子，称为准分子
XeBr*、XeQ*、KrQ*
等
离子 利用电离后气体离子产生激光 惰性气体离子和金 氩离子（Ar+）、氦—
作用
属蒸气离子
镉 （ He-Cd ） 离 子 激
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激光的基本知识
单色性好：单一频率的光是理想的单色光。激
光近乎单一频率。例如氦氖激光器输出激光的中心 波长λ=632.8nm，激光谱线的线宽△v=10-4Hz；普 通光源中单色性最好的氪灯，λ=605.7nm，而 △v=104---106Hz。
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激光的基本知识
相干性好：激光的线谱宽度极窄，相应在空
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激光的基本知识
气体激光器:以气体或金属蒸气为发光粒子
产生激光作用的物质
所采用的物质
典型代表
未电离的气体原子
氦、氖、氩、氪、 He-Ne laser
氙、氧、溴、碘、
原子
氮、硫、碳、铯、
镉、铜、锰、锡等
金属原子蒸气
分子 未电离的气体分子
CO2、N2、O2、CO、 CO2 和 N2
N2O 和水蒸气等
h
E1
光子诱
发下,跃迁到低能级E1,并发射一与诱发光子同一
光子态的光子。
E1
E2
6
激光的基本知识
受激吸收跃迁
定义：处于低能级E1的发光粒子吸收了 子后,跃迁到高能级E2。
E2
h
光 E1
E1
E2
7
激光的基本知识
二、激光的特点
方向性强 亮度大 单色性好 相干性好
8
激光的基本知识
方向性强：激光几乎是一束定向发射的平行
激光的基本知识
一、激光的起源
激光又名镭射 (Laser)，它的全名是“辐
射的受激发射光放大” （Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）
某些物质原子中的粒子受光或电的激发，由 低能级的原子跃迁为高能级的原子，当高能级原 子的数目大于低能级原子的数目时，就发射出位 相、频率、方向等完全相同的光，这种光叫做激 光。
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激光的基本知识
四、本征纵模频间隔
1、定义
相邻两个纵模的频率间隔
2、计算
q
c 2nL
证 由驻波条件：光波从腔内某一点出发，经过往返 一周的传播后，再回到原来的位置上时应与出发 时同相位，也就是说光波往返一周的的位相延滞 等于2pi的整数倍。数学表达式为：
（1） 氦-氖(He-Ne)激光器
• 氦一氖气体激光器：原子激光器类，1961年实现激光输出， 多采用连续工作方式，输出功率与放电毛细管长度有关；输 出激光方向性好，（发散角达1mrad以下），单色性好（ 可小于20Hz），输出功率和波长能控制得很稳定
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激光的基本知识
1960年5月15日，在休斯公司的一 个研究室里，年轻的美国物理学 家梅曼正在进行一项重要的实验。 他的实验装置里有一根人造红宝 石棒。突然，一束深红色的亮光 从装置中射出，它的亮度是太阳 表面的4倍！这是一种完全新型的 光，科学家渴望多年而自然界中 并不存在的光，它被命名为Laser， 是英文“受激辐射光放大"大缩写， 这就是激光。产生激光的装置被 称为激光器。激光和激光器的问 世，被称为20世纪最重大的科学 发现之一。
L q 其中： c
2
n
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激光的基本知识
由上式可得：
Lq qc 2 2n
得本征纵模的频率为
q
q
c 2nL
该式的物理意义是，当谐振腔长度给定后，它
只能对频率满足该式的激光模式提供正反馈，使之 产出振荡。满足这个谐振条件的驻波场或本征纵模 有无数多个。q表示对应模序数q的本征纵模频率。
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激光的基本知识
间的分布也不随时间的变化，其相干长度可达到 100km，而普通单色光的相干长度只有米的量级。 激光横向相干面积也很大，其光截面的各个部分 都是相干波源。
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激光的基本知识
三、激光器构造
1、激光工作物质 (1)激活粒子(分子、原子、离子) 发光 (2)基质 寄存激活粒子的材料
2、泵浦源(光泵、放电管) 对激光工作物质进行激励以形成粒子数反转
由本征纵模的频率
q
q
c 2nL
可得到相邻两个本征纵模之间的频率间隔应为：
q
c 2nL
G0()
Gm
Gt
T
两红线之间的频率间隔为：
q
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激光的基本知识
五、激光器的分类
1、工作物质形态---可以分为气体、固体、半导体、 液体、等
2、工作方式---连续工作和脉冲工作
3、激光技术---调Q激光器、锁模激光器、倍频激光器、 可调谐激光器、单模和多模激光器等
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激光的基本知识
1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器。它标志着激 光技术的诞生。
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激光的基本知识
自发辐射跃迁 定并义 发： 射一发个光频粒率子为从高 能 E级2 EE21自的发光跃子迁。到低能级E1,
h
E2
E1
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来自百度文库
激光的基本知识
受激辐射跃迁
定义：处于高能级E2的发光粒子在
E2
光器
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激光的基本知识
一般固体激光器：由工作物质、泵浦系统、 谐振腔和冷却滤光系统四个主要部分组成
基 工作 质 物质 掺
杂 泵浦系统
激光波长
红宝石激光器 刚玉晶体 （Al2O3）
Nd:YAG 激光器 钇铝石榴石晶体 Y3Al5O12
Cr2O3
Nd2O3
钕玻璃激光器 光学玻璃（硅酸 盐，硼酸盐、磷 酸盐）
光，其发射角很小，可在1〃以下。用红宝石激 光器将直径为1mm的光束射向月球，通过 380000km的距离，月球上的光斑直径仅有1.6km 而普通探照灯（光束直径约为0.3m）射出1km， 光斑直径就有10m。
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激光的基本知识
亮度大：目前，功率极大的激光，其亮度
可达到太阳亮度的100亿倍以上。若用透镜将起 会聚，可得到每平方厘米1万亿瓦的功率密度。 因此，它可在极小的局部范围内产生几百万摄氏 度的高温，几百万个大气压的高温和几十亿伏特 每米的强电场。
Nd2O3
钛宝石激光器 刚玉晶体 （Al2O3）
Ti2O3
脉冲氙灯、高压 汞蒸气灯
0.6943m 三能级系统
脉冲氙灯、激光器、砷化镓半导体
1.0640m 四能级系统
1.0600m 四能级系统
闪光灯泵浦、激 光泵浦 0.795m 调 谐 0.66~1.1m
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激光的基本知识
六、典型激光器
1、气体激光器
准分
工作气体在常态下为原子，当 激发时，可暂时形成寿命很短
Ar2*、 Xe2*、 XeF* 、 KrF*、ArF* KrF*、ArF*、XeCl*、
子 的分子，称为准分子
XeBr*、XeQ*、KrQ*
等
离子 利用电离后气体离子产生激光 惰性气体离子和金 氩离子（Ar+）、氦—
作用
属蒸气离子
镉 （ He-Cd ） 离 子 激
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激光的基本知识
单色性好：单一频率的光是理想的单色光。激
光近乎单一频率。例如氦氖激光器输出激光的中心 波长λ=632.8nm，激光谱线的线宽△v=10-4Hz；普 通光源中单色性最好的氪灯，λ=605.7nm，而 △v=104---106Hz。
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激光的基本知识
相干性好：激光的线谱宽度极窄，相应在空
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激光的基本知识
气体激光器:以气体或金属蒸气为发光粒子
产生激光作用的物质
所采用的物质
典型代表
未电离的气体原子
氦、氖、氩、氪、 He-Ne laser
氙、氧、溴、碘、
原子
氮、硫、碳、铯、
镉、铜、锰、锡等
金属原子蒸气
分子 未电离的气体分子
CO2、N2、O2、CO、 CO2 和 N2
N2O 和水蒸气等
h
E1
光子诱
发下,跃迁到低能级E1,并发射一与诱发光子同一
光子态的光子。
E1
E2
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激光的基本知识
受激吸收跃迁
定义：处于低能级E1的发光粒子吸收了 子后,跃迁到高能级E2。
E2
h
光 E1
E1
E2
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激光的基本知识
二、激光的特点
方向性强 亮度大 单色性好 相干性好
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激光的基本知识
方向性强：激光几乎是一束定向发射的平行
激光的基本知识
一、激光的起源
激光又名镭射 (Laser)，它的全名是“辐
射的受激发射光放大” （Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）
某些物质原子中的粒子受光或电的激发，由 低能级的原子跃迁为高能级的原子，当高能级原 子的数目大于低能级原子的数目时，就发射出位 相、频率、方向等完全相同的光，这种光叫做激 光。