激光原理与激光束的传输
激光原理高斯光束
高斯光束的基本性质
振幅分布及光斑半径
A(r)
A0
A0 e
0 r =ω(z) r
ω(z) =ω0
1+
z f
2
=ω0
λz 2
1
+
πω02
P67
=f π= ω02 1 L 共焦腔反射镜的焦距 λ2
NJUPT
高斯光束的基本性质
振幅分布及光斑半径
ω(z)
F
ω0
z
−ω0
F
ω(z) 随z以双曲线函数变化
f
时：ω0′
≈
F l
ω0
结论
l >> F，时， l 越大， F 越小，聚焦效果越好。 NJUPT
高斯光束的聚焦
F 一定时，ω0′与 l′ 随 l 的变化情况
l
′
F 2(l − F ) = F + (F − l )2 + f 2 ,
（3）l = F
ω
′2
F 2ω 2
= 0
0 (F − l)2 + f 2
E( x, y= , z)
A0
exp[−ik x2 + y2 + = z2 ] A0 exp(−ikr)
x2 + y2 + z2
R
R= x2 + y2 + z2 ，光源到点 ( x, y, z) 的距离
与坐标原点距离为常数 ，是以原点为球心的一个球面，在 这个球面上各点的位相相等，即该球面是一个等相位面。
z =± f =± πω02 | R(z) |= 2 πω02 （极小值）
λ
λ
| z |≤ πω02 λ
激光发射器 原理
激光发射器原理
激光发射器是一种利用激光谐振腔产生、放大和发射激光束的装置。
它基于三个主要原理：受激辐射、光放大和光反射。
首先，激光发射器的核心组件是激光介质，通常是由固体（如Nd:YAG晶体）、液体（如染料溶液）或气体（如二氧化碳）
构成。
当激活激光介质时，它的原子或分子处于高激发态，此时如果有一个外来入射光子与之相互作用，它可以使一个处于高激发态的粒子跃迁到一个更低的激发态，并在此过程中释放出一个激光光子。
这种光子产生的过程称为受激辐射。
接下来，激光介质中的激光光子被放大。
在激光介质中，一部分激光光子经过受激辐射释放出来，但同时还有一些光子通过受激吸收被吸收。
这种吸收和释放激光光子的过程被称为光放大。
为了增加光放大效应，通常会在激光介质周围设置一个反射镜和一个半透明的输出镜。
反射镜能够反射激光光子形成光强反射，使光光子可以多次在激光介质中来回传播，从而进行多次的受激辐射和光放大，增强光场强度。
而半透明的输出镜则允许一部分光子透过，形成激光束的输出。
最后，激光发射器的工作过程中还需要一定的能量源来激活激光介质。
能量源可以是电能（例如通过电流激发固体激光器）、光能（例如通过激光器照射染料溶液）、化学能（例如通过化学反应产生气体激光器所需的高压气体）等。
通过给予激光介质足够的能量，就可以实现激活和维持激光发射器的工作。
总的来说，激光发射器的工作原理是通过受激辐射、光放大和
利用反射镜实现的。
通过这些原理，激光发射器能够产生高强度的激光束，广泛应用于科学研究、医疗、通信、材料加工等领域。
激光原理、技术与应用课件：3_3 高斯光束的传播特性
exp ix,
y, z
二、基模振幅分布和光斑尺寸
1、振幅分布
对基横模TEM00
U 00
Cmn
exp
1
2
2
x2 y2
s2
基横模TEM00的光强
I 00
U
2 00
Cm2 n
exp
1
4
2
x2 y2
s2
——基模截面是高斯函数
2、光斑尺寸振幅下降为最大值1/e时的光斑半径
2z L
(z) s
2
1 2 s
在横截面内的场振幅分布按高斯函数所描述的规律从 中心(即传输轴线)向外平滑地降落。
花样：沿x方向有m条节线，沿y方向有n条节线。
2 exp ix, y, z ：位相因子，决定了共焦腔的位相分布
umn x, y, z CmnHm
2 1
2
2 ws
x Hn
2 1
2
2 ws
yexp12 2x2 y2 ws2
由于透射、散射和吸收等因素而产生的损耗；δd为激光在谐振腔中因衍射
而产生的损耗。
因此，选横模的实质是使需要的横模（一般为基模TEM00）满足阈值条 件产生振荡，而使不需要的横模（一般为高阶模）不满足阈值条件而被抑 制，从而达到滤去高阶模的目的。由于G、δi、δm对不同横模来说是相 同的，因而满足振荡阈值条件主要由衍射损耗δd来决定。为了达到上述目 的，应当尽量减小δi和δm，或相对增长δd，使得腔的总损耗a中衍射损 耗δd能起决定作用，因而有利于选模。
L
镜面有效截面半径
3、 (z在) 纵截面上的表达式
( 0
z)
1 2
L [1 2 s
(
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
光纤激光的工作原理
光纤激光的工作原理
光纤激光是一种通过光纤传输激光的技术。
它利用光纤的高折射率和低损耗特性，将激光信号传输到较远的位置。
光纤激光的工作原理可以概括为以下几个步骤：
1. 激光发射：激光器产生高能量、高聚集度、单色性好的激光光束。
2. 入射光纤：将激光光束通过一个耦合器入射到光纤中。
耦合器通常采用折射率逐渐变化的光纤尖端，以确保最大的能量传输效率。
3. 光纤传输：在光纤中，激光光束会一直进行全内反射，沿着光轴方向传输。
这是因为光线在光纤纤芯和包层的界面上发生了全内反射。
4. 光纤输出：在光纤的一端，光束可以通过一个耦合器耦合到另一个光纤或设备中，实现远距离激光传输。
在光纤激光传输过程中，要注意以下几点：
1. 光纤的折射率和几何参数：光纤的折射率和几何参数会影响光纤中光的传输特性。
不同类型的光纤有不同的折射率和几何参数，因此需要选择适合的光纤来传输激光信号。
2. 光纤的损耗：光纤中的光会因为散射、吸收、弯曲等原因而逐渐损失能量。
因此，需要考虑光纤的损耗，选择低损耗的光
纤来传输激光信号。
3. 光纤的光束质量：光纤激光器的输出光束质量对于传输距离和功率密度的要求都有很高的要求。
优化光纤的设计和制造工艺，可以提高光束质量，减小光纤传输中的功率损耗和光束扩散。
总之，光纤激光器利用光纤的特性实现了激光信号的远距离传输。
它在通信、医疗、材料加工等领域具有广泛的应用前景。
激光原理pdf
激光原理pdf激光，全称为“光学激振射光”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），是一种特殊的光源。
激光原理是指通过一定的方法产生激光，其产生的基本原理是受激辐射。
激光是一种特殊的光，具有很强的单色性、方向性和相干性，因此在许多领域有着广泛的应用。
激光的产生主要依靠激光器。
激光器是将一种能量转换成光的装置，它的工作原理是在激发剂的作用下，原子或分子能级跃迁，产生受激辐射，放大并反射出一束光。
激光的产生过程可以分为三个步骤，激发、放大和反射。
首先，通过外界能量的输入，使激光介质中的原子或分子激发到高能级；然后，在激发的作用下，原子或分子发生跃迁，产生受激辐射，放大成为一束光；最后，这束光在激光器内部来回反射，形成激光输出。
激光的特性主要表现在以下几个方面，单色性、方向性、相干性和高能量密度。
首先，激光是一种单色光，其波长非常狭窄，可以集中在很小的空间范围内。
其次，激光是一种方向性很强的光，激光束几乎是平行的，能够远距离传输而不会发散。
再次，激光是一种相干光，具有很强的干涉性和衍射性，能够产生明显的干涉条纹。
最后，激光具有很高的能量密度，能够在很小的空间内提供大量的能量。
激光在各个领域都有着广泛的应用。
在医学领域，激光被用于手术、治疗和检测，如激光治疗近视、白内障手术等。
在工业领域，激光被用于切割、焊接、打标等加工工艺。
在通信领域，激光被用于光纤通信和激光雷达。
在科研领域，激光被用于光谱分析、光学实验等。
在军事领域，激光被用于制导武器、激光防御等。
总的来说，激光作为一种特殊的光源，具有很强的单色性、方向性、相干性和高能量密度，因此在医学、工业、通信、科研、军事等领域都有着广泛的应用。
随着科学技术的不断发展，激光技术也将会得到更广泛的应用和发展。
激光束的原理
激光束的原理激光束是一种高度聚焦且高度定向的光束，由于其独特的性质和各种应用而备受关注。
激光被定义为一种特殊的光波，其具有极高的光强度和长时间的相干性。
在此解释激光束的原理。
1. 激光的产生激光产生的原理是通过激活某些原子或分子，在激活后，这些原子或分子会从高能状态回到低能状态，由此释放出光子。
这种产生光子的过程称为激发发射，是激光的能源来源。
主要有三种方法产生激发发射：(1)自发辐射：当原子或分子处于激发态时，它们会自发地向低能级跃迁并释放出光子。
(2)受激辐射：当光子与处于激发态的原子或分子相遇时，这些粒子会被激活并释放出相同的光子，形成同相位同频率的光束。
(3)电子跃迁：在激发态的原子或分子中，电子跃迁到低能态时会产生光子。
2. 激光输出之前的准备工作在输出激光之前，需要对产生的激光进行一系列的处理。
其中的两个关键步骤是增益介质和反射。
(1) 增益介质：激光产生时会有大量的光子形成，但并非所有的光子都能决定激光的输出。
只有一小部分光子会被增益介质吸收，并将它们的能量传递给其他未被激活晶体的电子。
随着输运和传输，这些电子之间形成的能量导致更多的光子释放。
(2) 反射：如果激光束一直保持在增益介质中，那么它可能会漂移或分散，导致输出激光变得不准确。
需要一种方法来减少这种漂移和分散，并将大部分光子集中在一起。
反射是减少漂移和分散的方式之一。
通过在增益介质两端放置高反射镜和部分反射镜，可以使大部分光子在镜子之间多次反射，并以高度定向的形式输出激光束。
3. 激光束的特性(1) 高单色性：激光束只产生单一频率的光子，从而使其成为各种精确测量和检测工具的理想选择。
(2) 高相干性：激光束的相位一致，使其在干涉仪和其他光学设备中的使用效果更好。
(3) 高定向性：激光束以高度定向的形式输出，也就是说，大部分的光子都沿着主轴线方向传播。
(4) 高功率密度：激光束中的光子非常聚焦，使得其功率密度远高于常规光波，从而使其成为加工和切割设备中的理想选择。
《激光原理》3.3高斯光束的传播特性(新)
z = f, 即镜面处R最小,且等于镜面本身曲率半径
证 R(z) z f 2
z
dR
f2
dz 1 z2 0
zf
R( f ) ( f f 2 ) 2 f R f
z
-f 0
f
R02 x2 y2 z z0 R0 2
1.当 z0 0 时，R(z0 ) 2.当 z0 时，R(z0 ) 3.当 z0 f 时，R(z0 ) z0 4.当 z0 f 时，R(z0 ) L 2 f
束腰处的等相位面为平面， 曲 率中心在无穷远处
无穷远处等相位面为平 面，曲率中心在z=0处
光束可近似为一个 由z=0点发出的半径 为z的球面波。
由 0s 20 可知,镜面上的光斑尺寸,基模体积和远
V000
L
2 0
发散角等高斯光束的参数都可以通过
2 2 基模腰斑半径(“腰粗”)ω0来表征,故 0 “腰粗”是高斯光束的一个特征参数.
计算表明： 2 内含86.5%的光束总功率
Area
立体角的单位为sr，称为球面度。1sr是这样的 立体角：其顶点位于球心，它在球面上所截取 的面积等于以球半径为边长的正方形面积。
f ' z0 f 2 2 2z0
可以证明，在近轴情况下，共焦场的在z0处的等相位面近 似为球面，其曲率半径为：
R0
2
f
'
z0 [1
(
f z0
)2 ]
z0 [1
(L 2z0
)2 ]
(3 38)
则有：
z
z0
x2 y2 2R0
R0
x2 y2 1 R02 R0
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。
激光原理与激光束的传输
粒子数反转
一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能 引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数 目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超 过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发 射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处 在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称 为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都 处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实 现粒子数反转则是产生激光的必要条件。
激光的产生及其基本性质
1、 光的波粒二象性 光的波动性----光是横向电磁波。 光波的波长λ、长波速度v与振动频率v的关系 v=λv 光在真空中的速度为3×105km/s。在物质中的传 播速度是不相同的。光波真空中的传播速度与物 质中的传播速度比为物质的折射率 n=c/v （c为真空中的光速，v为物质图
激光的特点
激光与其他光源相比具有三大特点 1 方向性好 2 单色性好 3 相干性好
激光器谐振腔及其稳定条件
谐振腔：不但为激光振荡提供正反馈，还起到 限制激光振荡模式的作用，其作用不仅在于产 生激光，更重要的是决定输出光束的质量。 接下来分析谐振腔的结构。 定义结构参数：
光学谐振腔结构
谐振腔的作用
(1) 使激光具有极好的方向性( 沿轴线) (2) 增强光放大作用( 延长了工作物质 ) (3) 使激光具有极好的单色性( 选频 )
产生激光的第五个条件
这些晶体和谐振腔都会使光子产生损 耗。只有使光子在腔中振荡一次产生 的光子数比损耗掉的光子多得多时， 既要产生相长的振荡，才能有放大作 用，这是产生激光的第五个条件
产生激光的第三个条件：
前面分析了产生激光的必要条件是受激 辐射，而粒子数反转又是产生激光的一 个条件，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。在这种介质中可以实现粒子数反 转，以制造获得激光的必要条件。显然 亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转 是非常必须的。
激光束的传输规律
激光束的传输规律王佳威北京工业大学 应用数理学院 000611班指导教师：俞宽新摘要 从激光器输出的光束称为高斯光束，它有许多与其它光束，如平面波、球面波不同的特点，研究其传输规律，特别是通过透镜时的变化规律，将为激光束的聚焦和准直技术打下良好基础。
关键词 激光束，传输，q 参数一、激光束的基本性质使用稳定的球面腔的激光器所发出的基模激光将以高斯光束的形式在空间传播。
本部分主要研究高斯光束的传输规律, 并研究简单透镜系统对高斯光束的变换。
这些都是激光原理与实际应用中经常遇到的具有实际意义的问题。
无论是方形镜共焦腔还是圆形镜共焦腔,他们所激发的基模行波场都是一样的,由于其横向振幅分布为高斯函数, 所以称之为基模高斯光束, 或简称为高斯光束。
射Z 坐标原点在光束的腰处, w0为高斯光束的腰斑半径,ƒ为产生高斯光束的共焦腔焦参数。
高斯光束的解析表达式如下:()22221202()()0,,()x y x x y i k z tg R z f w z w E x y z E e e w z −⎧⎫⎡⎤+⎪⎪+−+−⎢⎥⎨⎬−⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎩=⎭ （1） 式中,R(z),w(z)分别表示z 坐标处高斯光束的等相位面曲率半径及等相位面上的光斑半径。
1、光斑半径高斯光束在任意z 坐标处,其横向振幅分布为高斯分布,光斑半径随z 坐标而变,在z=0处,w(0)=w0为腰斑半径。
2、等相位面分布沿高斯光束轴线每一点处的等相位面都可以视为球面,曲率半径也随z坐标而变,即:()w z w w == 在z = 0及z =∞处, R(0)与R(∞)都为∞,表明在高斯光束腰处及无穷远处的等相位面都是平面。
在z 的绝对值为ƒ处,R(ƒ)的绝对值为2ƒ,这是等相位面曲率半径数值的极小值。
当z >0时,R(z)>0,等相位面凸向z 轴正方向。
当z <0时,R(z)<0,等相位面凸向z 轴负方向。
图1中画出了五个位于z >0范围内的等相位面及其曲率中心的位置示意图。
激光原理
激光相关知识激光在20世纪60年代开始出现，并以极快的速度发展，它作为一门新的学科与一种新的技术，使光学技术起了巨大的变革。
激光束是电磁波在光波段的一种新的传播方式，与普通光源不同，既不是均匀平面光波也不是均匀球面光波，而是一种具有亮度高，方向性、相干性、单色性好的高斯光束，正是因为激光具有的这些特殊的性能，它在生产、科研、医学、军事及SSHQ等许多领域都获得了广泛的应用。
以下简单的介绍一些激光的形成原理及半导体二极管激光器的一些相关知识。
第一章激光原理一、光子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。
作为对相干性的粗略描述，常使用相干体积的概念。
相干体积：Vc=AcLcVc：相干体积Ac：光传播方向的截面上的相干体积Lc：沿传播方向上的相干长度或：Vc=AcτcCτc：相干时间C：光速普通光源发光，是大量独立振子（例如发光原子）的自发辐射，每个振子发出的光波是由持续一段时间△t或在空间占有长度c△t的波列组成。
不同振子发出的光波的相位是随机变化的，对于原子谱线来说，△t即为原子的激发态寿命（≈10-8 秒），对波列进行频谱分析，就得到它的频带宽度△v≈1/△t，如下图1：V0△v≈1/△t图1△v是光源单色性的量度。
由物理光学，光波的相干长度就是光波的波列长度，即L C=c△t=c/△v于是，相干时间τc与光源频带的关系为：τc=△t =1/△v上式表明，光源单色性越好，则相干时间越长。
二、光子简并度相干光强：具有相干性的光波场的强度；从相干性的光子描述出发，相干光强决定与具有相干性的光子的数目或同态光子的数目。
这种处于同一光子态的光子数称为光子简并度n ，光子简并度具有以下几种相同的含义：1、 同态光子数；2、 同一模式内的光子数；3、 处于相干体积内的光子数；4、 处于同一相格内的光子数。
三、光的受激辐射与自发辐射1、 自发辐射为简化问题，只考虑两个能级E2和E1，并有E2-E1=hv ；单位体积内处于两能级的原子数分别用n2和n1表示。
《激光原理》4.3激光束的变换(新)
一、核心问题：改善光束的方向性，即压缩光束的发散角
二、方法：①用单透镜；② 用望远镜。
①用单透镜
高斯光束发散角:
2
2 0
Байду номын сангаас
通过透镜后，像高斯光束发散角：2 ' 2
'0
由此可见，对于有限大小的，0' 无法使 2 ' 。0因此，要用单个透镜将高
斯光束转换成平面波，从原理上说，是不可能实现的。
如何借助透镜改善高斯光束的方向性？
(
2 0
s
)2
]
s f
R
f
[1
(
f
2 0
)
2
]
1 11 R R f
R
f
[1
(
f
2 0
)
2
]
s
1
R
(
R 2
)2
0
1
(
s
2 0
)
2
象方腰斑位于透 镜的前焦面上
比较：
s f
几何光学： s'
高斯光束： s' f
2.象方束腰半径:
s f
0
1
(
s
2 0
)2
R
1
R (2
)2
1
2 (2
)2
R
经透镜变换后的束腰位置、腰斑大小由以上两式决定.
已知高斯光束的腰斑大小和位置，整条高斯光束传输规律就确定了。
4.3.2 高斯光束的聚焦 0' 0
实际应用中，为了提高激光的光功率密度， 需要对高斯光束进行聚焦。
图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换
核心问题：由
激光器的工作原理
激光器的工作原理激光器是一种能够产生高强度、相干、单色和定向的光束的设备。
它在科学、工业、医疗和通信等领域有广泛的应用。
激光器的工作原理是通过受激辐射过程将输入能量转化为光能，并通过光的反馈和放大来实现激光放大。
激光器的工作过程可以分为三个基本步骤：激励、增益和输出。
首先是激励阶段。
激光器需要能源来激发其工作质子。
激光器可以通过电能、光能或化学能等不同形式的能源来激励，具体的激励方式根据激光器的种类而不同。
无论使用何种方式，激光器都需要通过能源输入来提供激发粒子所需的能量。
例如，气体激光器通过电宇放电产生光子，固体激光器通过用闪光灯激励固体材料来产生光子。
然后是增益阶段。
在激励阶段之后，激光器中的激励粒子会被激发到一个高能态，并在这个态中处于激发田之中。
这时，当一个光子经过这个激发田时，它会激励一个已激发的粒子回到其低能态，从而产生两个相干的光子并释放出更多的能量。
这个过程被称为受激辐射，它是激光器产生相干光的关键。
受激辐射过程如何发生呢？在激光器中，激光介质被包围在一个光学腔内，该腔包含两个镜子：一个是部分透明的输出镜，另一个是高反射率的反射镜。
当光子进入激光介质中时，它会与激励粒子发生相互作用，并可能通过受激辐射方式产生其他激光光子。
这些产生的激光光子会沿着腔中的光学轴向前传播。
当它们经过反射镜时，一部分光子会被反射回激光介质，而另一部分光子则通过输出镜逸射出来。
这样，反射和透射的光子都成为了激励粒子周围的更多激励源，进一步刺激产生更多的激光光子。
这种通过反射和透射不断放大的光子被称为激光。
最后是输出阶段。
通过透射出光是激光工作的目的，这需要控制激光的发射方向。
在激光器的输出镜上，可以通过改变其反射率来调整激光的输出能量和方向。
通常使用工艺精细的部分透明膜来实现这种效果。
激光光子在部分反射的同时也会透射出来，形成激光束。
这束激光经过进一步整形和聚焦，可以用于科学研究、医疗治疗、材料加工以及通信等领域。
光纤激光原理
光纤激光原理光纤激光是一种利用光纤传输激光能量的技术，它在通信、医疗、材料加工等领域有着广泛的应用。
了解光纤激光的原理对于深入理解其应用具有重要意义。
本文将介绍光纤激光的原理及其相关知识。
光纤激光的原理基于光纤和激光器的相互作用。
光纤是一种能够将光信号传输的细长光学纤维，而激光器则是一种能够产生激光的装置。
在光纤激光系统中，激光器产生的激光被输入到光纤中，通过光纤的传输作用，激光能够远距离传输并保持其高能量密度和高质量的特性。
光纤激光的原理首先涉及到激光器的工作原理。
激光器通过受激辐射产生一种高度一致的光，这种光具有高度的单色性和相干性。
激光器中的活性介质受到外部能量的激发，从而产生光子的放射跃迁，最终产生激光。
激光的特性包括波长狭窄、方向性好、能量密度高等，这些特性使得激光在光纤传输中具有独特的优势。
光纤作为光学传输介质，具有优良的光学特性。
光纤内部的光信号通过全反射的方式传输，几乎不会发生衰减和色散，能够保持光信号的高质量。
光纤的直径通常在几个微米到几十个微米之间，可以实现高密度的光信号传输。
此外，光纤还具有柔韧性和耐腐蚀性，能够适应各种复杂的环境和工作条件。
光纤激光系统的工作原理是将激光器产生的激光输入到光纤中，通过光纤的传输作用，激光能够远距离传输并保持其高能量密度和高质量的特性。
在光纤激光系统中，光纤的直径和材料的选择、激光器的输出功率和波长等参数都会影响光纤激光系统的性能。
光纤激光的原理及其应用是一个复杂而又具有重要意义的课题。
通过对光纤激光系统的原理进行深入的研究和理解，可以为其在通信、医疗、材料加工等领域的应用提供重要的理论基础和技术支持。
相信随着科学技术的不断发展，光纤激光技术将会有更广泛的应用和更深入的研究。
激光传输的概念
激光传输的概念激光传输是指利用激光光束进行信息传输的一种通信方式。
激光传输的基本原理是利用激光器产生激光光束，将信息信号转换成激光脉冲信号，并通过光纤或自由空间传输到接收端，再将光信号转换成电信号进行解码和处理。
激光传输具有高速、大容量、低损耗、抗干扰等优点，使其在现代通信、数据存储、光纤通信、卫星通信、激光雷达等领域得到广泛应用。
以下是对激光传输的主要内容进行详细介绍。
一、激光器的产生激光传输中最重要的组成部分是激光器，它主要由激光介质、粉碎腔和泵浦装置组成。
激光介质通过吸收能量，并在受激辐射的作用下，将能量转移到激光光子上，形成强相干、高能量、准单色的激光光束。
粉碎腔用于放大和增强激光光束，泵浦装置则提供能量给激光介质，激活受激辐射过程。
二、激光传输的方式激光传输分为光纤传输和自由空间传输两种方式。
1. 光纤传输光纤传输是通过光纤进行激光信号的传输。
激光光束经过调制，将信息信号转换成光脉冲信号，然后通过光纤传输。
在光纤中，激光信号通过反射、衍射和折射等现象，经过光纤的弯曲、连接点等，传输到接收端。
光纤的特点是传输损耗小、抗干扰能力强，可以承载较大容量的数据传输。
光纤传输应用广泛，主要用于长距离通信、高速数据传输等领域。
2. 自由空间传输自由空间传输是指激光直接通过空气等介质传输。
激光器将信息信号转换成光脉冲信号，然后将光脉冲通过自由空间进行传输。
自由空间传输的特点是传输距离远，但与光纤传输相比，传输损耗较大，受大气湍流、大气透明度等因素的影响较大。
自由空间传输应用广泛，主要用于卫星通信、激光雷达、光电传感等领域。
三、激光传输的优点激光传输具有以下优点：1. 高速传输：激光传输速度快，传输带宽大，能够实现高速率的数据传输。
2. 大容量传输：激光传输可以实现多通道传输，通过多束激光光束传输不同的信息，实现大容量的数据传输。
3. 高质量传输：激光传输的信号质量稳定，光束的准单色性好，能够保证信息的传输质量。
简述激光工作原理
简述激光工作原理
激光（laser）是一种通过激光器产生的非常强大和聚焦的光束。
激光器中的原子或分子被激发到高能级，然后在光学谐振腔的作用下，这些高能态原子或分子会受到跃迁诱发的辐射，释放出一束高度相干和单色的光。
激光工作的基本原理是受到三个过程的驱动：激发过程、跃迁过程和放大过程。
在激光器中，激发过程是通过能量输入使得物质中的原子或分子被激发到高能态。
常见的激发方式有电子激发、光照射和电子束注入等。
通过给予物质足够的能量，原子或分子的电子会跃迁到高能级。
跃迁过程是当激发态的电子返回到低能级时，它们会释放出光子。
根据原子或分子的性质，释放的光子将具有不同的波长和频率。
这个过程通常是通过受激辐射实现的，即一个被迫跟随来自于其他激发态原子或分子的光子的释放。
在放大过程中，激发态原子或分子释放的光子会经过光学谐振腔来进行反射和放大。
谐振腔是由两个反射镜构成的空腔，其中至少一个镜子是半透明的，使得一部分光子可以通过而另一部分光子被反射。
当光子来回在谐振腔中传播时，一部分光子会经过跃迁过程激发更多的原子或分子，从而放大光束。
这种放大过程是通过光的叠加和相干性实现的。
最终，放大的光束会通过谐振腔中的一个反射镜逸出，形成一
个非常强大和聚焦的激光束。
这束激光具有高度单色性、相干性和定向性，可以应用于许多领域，如通信、医学、制造业和科学研究等。
激光仪工作原理
激光仪工作原理
激光仪是一种基于激光原理的测量仪器，通过测量激光束的特性来实现测量目标物体的距离、形状、速度等信息。
以下是激光仪的工作原理：
1. 激光发射：激光仪内部有一个激光器，通过电流或光强激发，使激光器产生一束高强度、高单色性、狭窄且相干的激光束。
2. 激光传输：激光束从激光器发射出来后，通过透镜或反射镜等光学元件进行传输，保持激光束的质量。
3. 目标物反射：激光束照射到目标物体上，一部分激光被目标物体吸收，而另一部分则被目标物体表面反射回来。
4. 接收激光：激光仪在测量范围内设置接收器，接收反射回来的激光束。
接收器通常由光电二极管、光电倍增管等光电元件组成。
5. 激光测距：接收到的激光信号会经过电子处理器进行放大、滤波和判别，提取出目标物体反射回来的有效信号。
6. 距离计算：通过测量激光信号的时间（通常使用飞行时间法）或通过分析激光信号的频率（多普勒效应），可以计算出目标物体与激光仪之间的距离。
7. 数据输出：激光仪会将测量结果通过显示屏、接口线、无线传输等方式输出，供使用者进行观察和数据处理。
总结来说，激光仪的工作原理是通过发射激光束、接收目标物体反射的激光信号，并通过测量激光信号相关参数来获取目标物体的距离、形状、速度等信息。
激光发射原理
激光发射原理
激光是一种光的形式，其发射是通过激光器实现的。
激光器的发射原理基于受激辐射和光放大的过程。
首先，激光器中存在一个激光介质，比如气体、固体或半导体等。
这个介质包含能够吸收能量的原子或分子。
第二，激光器中有一个能量源，比如闪光灯、电流或其他激发源，用来提供能量。
在激发源的作用下，激光介质中的原子或分子会被激发到一个高能级。
这些激发态的原子或分子是不稳定的，它们会迅速回到基态，并释放出能量。
在这个过程中，有些原子或分子会释放出光子，而这些光子与其他处于激发态的原子或分子之间的能量差相等。
第三，当激光介质中的原子或分子释放出光子时，这些光子在介质内发生多次碰撞，激发更多原子或分子到激发态。
这种现象被称为受激辐射，它可以导致光子数量不断增加而形成一个光子密集的系统。
第四，激发态的原子或分子会通过自发辐射回到基态。
在回到基态的过程中，它们会以同样的能量差再次释放出光子。
最后，当光子数量达到一个临界值时，即时它们发生在不同位置和方向上的碰撞，它们的相干性会增强。
这就是光子的共振放大效应。
通过反射器或增透镜等光学元件对光子进行光程延迟和调节，最终可以实现激光的聚焦、定向和发射。
总之，激光的发射原理基于激光介质中的受激辐射和光放大过程。
这种过程利用激发源提供的能量，通过原子或分子的激发态和基态之间的跃迁来产生相干的、高强度和单色性的光束。
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2 球面波
球面波振幅函数为
E(x,y,z)=E0e-ikR/R
R为观察点(x,y,z)到传播中心的距离，同一等相 面内振幅值与球面半径有关。如图所示
R z
3缓变振幅近似下的亥姆赫兹方程的解—高 斯光束
高斯光束的振幅
k r2 E00 r2 E (r , z ) exp 2 exp i z z 2 Rz
2 激光的产生
普通光源的发光——受激吸收和自发辐射
常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质 在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中 的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子 被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级 （E2)的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外 界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光 （电磁波）辐射。辐射光子能量为 hυ=E2-E1 这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随 机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所 辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、 偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射 光的频率也不是单一的，而有一个范围。
光的颜色是由光的波长决定的。
从380nm到760nm (1nm=10-9m)之间为可见波段， 其颜色分别为380nm～430nm紫、430nm～485nm 蓝、485nm～570nm黄、585nm～610nm橙、 610～760nm红， 其他小于380nm的为紫外波段大 于760nm为红外波段，这些波段为不可见光波段
Center of Curvature
C
2w0
O
z
R
Basic parameters describing a Gaussian beam
高斯光束的复参数表示
高斯光束可以由R(z)、ω(z)和z中任意两个即可 确定，因此用复参数q将这三个量联系起来。 定义q为
1 1 i 2 q R
N3 E2 N2
N1
四能级系统
在外界激励下，基态E1的 粒子大量地跃迁到E4，然 后迅速转移到E3。E3能级 为亚稳态，寿命较长。E2 能级寿命较短，因而到达 E2上的粒子会很快回到基 态E1。所以在E3和E2之间 可能实现粒子数反转。由 于激光下能级不是基态， 而是激发态E2，所以在室 温下激光下能级的粒子数 很少，因而E3和E2间的粒 子数反转比三能级系统容 易实现。
激光的产生及其基本性质
1、 光的波粒二象性 光的波动性----光是横向电磁波。 光波的波长λ、长波速度v与振动频率v的关系 v=λv 光在真空中的速度为3×105km/s。在物质中的传 播速度是不相同的。光波真空中的传播速度与物 质中的传播速度比为物质的折射率 n=c/v （c为真空中的光速，v为物质中的光速）
其中：
0 为光束的束腰半径，为最小的光斑尺寸
z z 0 1 Z 0
2
高斯光束的束宽
瑞利长度或共焦长度
1 2 Z 0 k0 2
2 0
瑞利长度为高斯光束的准直范围，在这段长 度内，高斯光束可以认为是平行的。所以， 瑞利长度越长，就意味着高斯光束的准直范 围越大，反之亦然。
即
0 g 2 g1 1
0 g 2 g1 1
稳定腔
0 g 2 g1 或 g 2 g1 1 非稳定腔
g 2 g1 1 或 g 2 g1 0 界稳腔
高斯光束及其传输变换
高斯光束是亥姆赫兹方程在缓变振幅近 似下的一个特解，它可以足够好地描述 基模激光束的性质。使用高斯光束复参 数表示和ABCD定律能统一而又简洁地处 理高斯光束在腔内、外的传输变换。
1
上式表征的是高斯光束在空间传输距 离z时相对与几何相移的附加相移
综上所述：
高斯光束在其轴线附近可以看作是一种非 均匀高斯球面波，在传播过程中曲率中 心不断变化，其振幅在横截面内为一高 斯函数，强度集中在轴线及其附近，且 等相面保持为球面。这就是基模高斯光 束的基本性质。
BeamWaist
Wave Front
远场发散角
0 lim z z 0
高斯光束远场发散角在数量级上等于束腰半 径光束的衍射角，即已达到衍射极限。而且， 发散部分的贡献。
z
高斯光束的相移
z tan Z 0
激光产生和激光器的组成
灯泵浦的激光器结构图
激光的特点
激光与其他光源相比具有三大特点 1 方向性好 2 单色性好 3 相干性好
激光器谐振腔及其稳定条件
谐振腔：不但为激光振荡提供正反馈，还起到 限制激光振荡模式的作用，其作用不仅在于产 生激光，更重要的是决定输出光束的质量。 接下来分析谐振腔的结构。 定义结构参数：
d g1 1 R1 d g2 1 R2
其中R1,R2,d 分别为两个反 射镜的曲率半径及镜间间距
各种谐振腔结构
g1=g2=1,R1=R2= ∞ g1=g2~1,R1=R2＞＞d g1=g2=0,R1=R2= d g1=g2=-1,R1=R2= d/2 g1=1，g2=0,R1=∞,R2=d
光的粒子性
1900年普朗克提出电磁辐射的能量子假设。 1905年爱因斯坦发展了量子假说，提出了光量 子理论，认为光在本质上是由确定能量的光子 （光量子）组成。光子的能量与光的频率成正 比。
光的波粒二象性
波粒二象性是一切物质所共有的特性。 光的波动性，也不是惠更斯所刷的波， 而是几率波。遵循统计规律。简单地 说，大量光子显波动性，少量光子显 粒子性，光在传播过程中主要表现为 波动性，当光与物质相互作用时，主 要表现为粒子性。
激光
激光英文单词为：Laser,它是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写,意思是受激辐射的光放大。
受激辐射和光的放大
受激辐射的概念是爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射 公式时，第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐 射的可能性，这是激光的基础。 受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外 来光子所带的能量hυ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可 以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受 激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同 的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以 及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两 个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大这种在受激过 程中产生并被放大的光，就是激光。
本课主要内容
光子和光子学 激光的产生及其基本性质 激光器工作原理和激光器件 激光的传输与变换 激光器的基本技术 激光生物医学原理
光子和光子学
光子与电子的异同： 不同点： 电子是物质，光子是能量 电子的质量是9.1×10-31kg、电荷是1.6×10-19k. 光子没有质量也没有电荷 电子有大小，光子没有大小 相同点： 都具有波长，具有波动性等
粒子数反转
一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能 引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数 目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超 过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发 射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处 在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称 为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都 处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实 现粒子数反转则是产生激光的必要条件。
三能级系统
如果激励过程使原子从基态E1以 E3 很大概率W抽运到E3能级，处于 E3的原子可以通过自发辐射跃迁 回到E2或E1。假定从E3回到E2的 概率A32大大超过从E3回到E1的 概率A31，也超过从E2回到E1的 概率A21，则利用泵浦抽运使W＞ E1 W23或W＞W12时，E2和E1之间 就可能形成粒子数反转。
激光原理与激光束的传输与变换
主要参考书籍
伍长征等。激光物理学。复旦大学出版社。1989 吕百达。激光光学光束传输变换与光腔物理。高 等教育出版社。2003 朱箐。激光医学。上海科学技术出版社。2003 刘敬海，徐荣甫。激光器件与技术。北京理工大 学出版社。1995 W.克希耐尔。孙文，姜泽文译。固体激光工程。 科学出版社。2003。
光子和光子学
•光子学也可称光电子学，它是研究以光子代替电 子作为信息载体和能量载体的科学，主要研究光 子是如何产生及其运动和转化的规律。 •光子技术，主要是研究光子的产生、传输、控制 和探测的科学技术。现在，光子学和光子技术在 信息、能源、材料、航空航天、生命科学和环境 科学技术中的广泛应用，必将促进光子产业的迅 猛发展。
光学谐振腔结构
谐振腔的作用
(1) 使激光具有极好的方向性( 沿轴线) (2) 增强光放大作用( 延长了工作物质 ) (3) 使激光具有极好的单色性( 选频 )
产生激光的第五个条件
这些晶体和谐振腔都会使光子产生损 耗。只有使光子在腔中振荡一次产生 的光子数比损耗掉的光子多得多时， 既要产生相长的振荡，才能有放大作 用，这是产生激光的第五个条件
谐振腔的稳定条件 它是衡量谐振腔的特性的首要因素，特别是对 于增益系数小的介质，希望光束能在腔内更多 地来回传播，以便获得足够大的增益。 定义： 把光束不逸出腔外的谐振腔体称为稳定腔。 若光束仅仅往返几次便逸出腔外，这种腔体 称为不稳定腔。
腔的稳定条件： d d 0 (1 )(1 ) 1 R1 R2
E4
E3 E2
(快） (慢）
N4
N3
N2
E1
N1
产生激光的第四个条件 激光器中开始产生的光子是自发辐射产生 的，其频率和方向杂乱无章。要使频率单 纯，方向集中，就必须有一个振荡腔。这 是产生激光的第四个条件。通信所用的半 导体激光器就是利用半导体前后两个端面 与空气之间的折射率不同，形成反射镜而 组成振荡腔的。