激光原理-概述
2024年度激光原理及应用PPT课件
激光的相干性比普通光 强很多，可用于精密测 量和全息照相等领域。
激光器组成及工作原理
激光器组成
激光器一般由工作物质、激励源和光学谐振腔三部分组成。
2024/3/24
工作原理
在激励源的作用下，工作物质中的电子被激发到高能级，形 成粒子数反转分布。当这些电子从高能级跃迁到低能级时， 会辐射出与激励源频率相同的光子，并在光学谐振腔内得到 放大和反馈，最终形成稳定的激光输出。
激光雷达
测距、成像、识别等多元化应 用
激光显示
高清晰度、大色域、节能环保
激光制造
高精度、高效率、无接触加工
2024/3/24
10
激光器类型及其特
03
点分析
2024/3/24
11
固体激光器
01
02
03
工作原理
通过激励固体增益介质（ 如晶体、玻璃等）中的粒 子，实现粒子数反转并产 生激光。
2024/3/24
根据实际需要，还可选择佩戴耳塞、手套 等个人防护装备，以降低激光对其他部位 的危害。
2024/3/24
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未来发展趋势预测
06
与挑战分析
2024/3/24
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新型激光器研发方向探讨
2024/3/24
新型材料激光器
探索新型增益介质，如量子点、二维材料等，提高激光器的性能 。
微型化与集成化
发展微型激光器，实现与其他光电器件的集成，推动光电子集成技 术的发展。
1960年，美国物理学家 梅曼制造出第一台红宝 石激光器
现代激光技术突破与创新
光纤激光器
高功率、高效率、光束质量好
量子级联激光器
覆盖中红外到太赫兹波段
2024/3/24
810激光 原理-概述说明以及解释
810激光原理-概述说明以及解释1.引言激光技术一直是现代科技领域的热门研究领域，而810激光作为一种重要的激光波长，也备受关注。
810激光是指波长为810纳米的激光，它在医疗、工业、通信等领域有着广泛的应用。
本文将深入探讨810激光的产生原理、应用领域、优势和特点，旨在为读者提供更全面的了解和认识。
} }请编写文章1.1 概述部分的内容1.2 文章结构文章结构部分主要包括以下几个部分：1. 引言：介绍810激光的概念和重要性，阐述文章的目的和意义。
2. 810激光的产生原理：探讨810激光是如何产生的，介绍相关的物理原理和技术。
3. 810激光的应用领域：详细介绍810激光在各个领域的应用情况，包括医疗、工业、通信等方面。
4. 810激光的优势和特点：总结810激光相比其他激光的优势和特点，说明其在市场上的竞争优势。
5. 结论：总结文章的主要内容，展望810激光的未来发展方向，明确结论。
1.3 目的本文的目的是通过对810激光原理、应用领域、优势和特点的介绍，让读者更加全面了解810激光技术。
通过系统性的分析，让读者明白810激光在医学、工业、通信等领域的重要性和应用前景。
同时，本文也旨在激发对810激光技术的兴趣，促进相关领域的研究和发展。
通过本文的阐述，读者将深入了解810激光技术的概念、原理，以及其在不同领域中的广泛应用，从而加深对这一前沿技术的理解和认识。
2.正文2.1 810激光的产生原理810激光的产生原理主要是通过激光器将电能转化为光能。
在810激光器中，通常使用半导体材料作为工作物质，如氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)等。
当电流通过半导体材料时，会激发其中的电子，使其跃迁至高能级状态，形成电子-空穴对。
随着电子的跃迁，会释放出能量，导致介质中的原子或分子激发跃迁，产生光子。
这些光子在被反射器反射和放大的过程中，逐渐形成相干的光束，最终输出为810纳米的激光。
在810激光器中，控制电流的大小和方向可以调节光的输出功率和波长，从而实现对激光的精确控制。
激光原理与应用讲教学课件
激光设备应在指定的、安全的场所使用，并确保该场所没有其他人 员或物体受到激光的潜在危害。
规定操作流程
使用激光设备前，必须阅读并理解操作手册，并按照手册中的步骤 进行操作。任何违反操作流程的行为都可能导致严重的后果。
定期检查和维护
激光设备应定期进行检查和维护，以确保其处于良好的工作状态，并 消除任何潜在的安全隐患。
亮度高
激光的能量密度很大，亮 度高，可以在很短的时间 内集中很大的能量
激光的分 类
按工作物质分类 气体激光器、液体激光器、固体激光 器、化学激光器和自由电子激光器等
按输出波长分类
远红外激光器、近红外激光器、可见 激光器、紫外激光器、X射线激光器 和超短激光器等
材料加工
01
02
利用激光的高能量密度，实现金属和非金属材料的切割、 焊接、打孔等。
应用：汽车制造、航空航天、电子制造。
03
04
激光快速成型
利用激光制造三维物体，具有速度快、精度高、成本低 等优点。
05
06
应用：产品原型制造、医疗器械制造。
04 激光技术的前沿 与展望
高功率激光技 术
总结词
高功率激光技术是目前激光领域的前沿技术之一，是推动激光技术进步的重要力 量。
激光原理与应用教学课件
contents
目录
• 激光原理概述 • 激光原理的基本概念 • 激光器件及应用 • 激光技术的前沿与展望 • 激光安全与防护
01 激光原理概述
激光的产生
激光是受激辐射光放大的简称，是原子或分子中的电子在吸收能量后，从低能级跃 迁到高能级，再从高能级回落到低能级时，释放的能量以光子的形式放
详细描述
光纤激光器利用光纤作为增益介质，具有体积小、散热效果好、易于维护等优点。同时，光纤激光器的光束质量 也优于传统固体激光器，能够实现更远距离的传输和更好的聚焦效果。目前，光纤激光器已经被广泛应用于工业、 医疗、军事等领域。
光的受激辐射 激光原理及应用 [电子教案]电子
![光的受激辐射 激光原理及应用 [电子教案]电子](https://img.taocdn.com/s3/m/cc01c055bfd5b9f3f90f76c66137ee06eff94e21.png)
光的受激辐射激光原理及应用第一章：激光概述1.1 激光的定义激光的中文全称：Light Amplification Stimulated Emission of Radiation 激光的特点：相干性好、平行度好、亮度高、单色性好1.2 激光的产生原理受激辐射：外来的光子与一个束缚电子发生能量交换，使电子从较低能级跃迁到较高能级，成为激发态电子。
激发态电子回到较低能级时，会释放出一个与外来光子频率、相位、偏振方向相同的光子，这就是受激辐射。
激光的放大过程：受激辐射产生的光子与入射光子具有相同的频率和相位，导致更多的束缚电子发生受激辐射，从而实现光的放大。
1.3 激光的应用领域科研领域：光谱分析、激光干涉、激光雷达等。
工业领域：激光切割、激光焊接、激光打标等。
医疗领域：激光手术、激光治疗、激光美容等。
生活领域：激光打印、激光投影、激光视盘等。
第二章：激光器的基本原理2.1 激光器的组成激光介质：产生激光的物质，如半导体、气体、固体等。
泵浦源：提供能量，使激光介质中的电子发生跃迁。
光学谐振腔：限制激光的传播方向，增强激光的放大效果。
输出耦合器：将激光输出到外部。
2.2 激光的产生过程泵浦源激发激光介质，使电子从基态跃迁到激发态。
激发态电子回到基态时，发生受激辐射，产生激光。
激光在光学谐振腔内多次反射，实现光的放大。
输出耦合器将激光输出到外部。
2.3 激光器的类型及特点气体激光器：采用气体作为激光介质，如二氧化碳激光器、氦氖激光器等。
固体激光器：采用固体材料作为激光介质，如钕激光器、钇铝石榴石激光器等。
半导体激光器：采用半导体材料作为激光介质，如激光二极管等。
光纤激光器：采用光纤作为激光介质，具有高亮度、低阈值等优点。
第三章：激光的性质与应用3.1 激光的相干性3.2 激光的平行度3.3 激光的亮度亮度高的特点：可用于激光投影、激光显示等。
3.4 激光的单色性3.5 激光的应用实例激光切割：用于金属和非金属材料的切割加工。
激光原理及应用ppt课件
激光调制前
激光调制后
4.机械运动系统
• 基片送入后，高精度伺服电机在微机的控制下转动振镜的角度；
• 激光束通过扫描镜的反射，由f-θ场镜聚焦到基片的边缘位置上；
• 在微机上通过专用的控制软件输入总的清边面积、激光束的行走速度 和需要重复的次数；
E2
E2
E1
E1
自发辐射跃迁
自发辐射光子
c. 受激辐射（激光）: 当频率为=ν（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅 速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都 相同的光子。
E2
E2
入射光子
E1
E1
受激辐射光子 入射光子
受激辐射跃迁 3-2 粒子数反转
(Top flat)
高斯
多元高斯
• 减少脉冲时间，高的峰值能量，更多的能量密度
Less pulse time, high peak power more energy density
能量密度=功率/频率/光斑面积
pulse
1.1uW/um=220W/20KHz/900um2
Hz
4.重叠率计算——Overlap
全反光镜
反光镜： （越75%
）
Shutter
激光器外形 接光纤
Q-Switch
晶体腔
功率计
激光器内部分解图（P4）
Q-Switch 半反镜
晶体腔 光纤耦合器
镜头聚焦原理——凸透镜
激光刻划原理——以P1为例
光斑
1.Beam Shaping （激光束形状）
• 一般的激光都为高斯分布的波形，即高斯光束，为实现特殊的制程需求，需要转变 成为扁平式波形的平顶光束，即Top Hat，通过透镜组改变光束质量和形状产生。
激光原理及应用论文
激光原理及应用论文激光是指由激光器产生的一种具有高单色性、高亮度、高直线度和特定相干性的电磁波。
它是由激光器内部产生的光子经过光学增益介质受到激发以及多次反射与吸收，形成高亮度的光束。
激光的原理是通过将电能、光能、动能等形式的能量输入到激光工作物质中，使其发生受激辐射，最终形成具有高度相干性的激光光束。
激光原理的核心是受激辐射。
当激光工作物质处于低温激发状态下，外界输入的能量会使激光工作物质内部的原子或分子发生能级跃迁，从而形成一个激发态。
在适当的条件下，当一个外来光子与处于激发态的原子或分子相遇时，它会刺激激发态的原子或分子从高能级跃迁回到低能级，并且辐射出两个相同频率相位相同、与入射光子相干的光子。
这两个光子再次经过多次刺激辐射过程，最终形成一束相干性极高的激光光束。
激光的应用非常广泛。
在医疗领域，激光可用于进行眼科手术、皮肤美容、癌症治疗等。
激光眼科手术包括飞秒激光角膜磨镶术（Femto-Lasik）和LASIK手术等，能够有效矫正近视、远视和散光等眼部问题。
在皮肤美容方面，激光能够去除色素、痣、疤痕和皱纹等，使皮肤更加紧致光滑。
对于癌症治疗，激光可用于进行肿瘤切除和热疗，通过选择性杀伤肿瘤细胞，保护周围正常组织。
激光还应用于工业领域。
激光切割技术广泛应用于金属材料的切割。
利用激光的高能量密度和高定向性，可对金属进行高精度切割，从而制造出各种高精度零部件。
激光还可用于打标、焊接和表面处理等。
激光打标技术能够将图案、文字或标识永久地打在产品表面上，广泛应用于电子、汽车、医疗器械等行业。
激光焊接技术具有快速、精确、无污染等优点，广泛用于汽车制造、航空航天等领域。
激光表面处理技术可用于改善金属材料的表面性能，如增强陶瓷涂层的附着力、提高金属薄膜的致密性等。
此外，激光还应用于科学研究领域。
激光在生物学、物理学和化学等领域的研究中起到了重要作用。
在生物学研究中，激光显微术可用于细胞成像和光遗传学等。
2024版激光原理与技术PPT(很全面)
•激光基本原理•激光器类型及技术•激光束特性及控制技术目录•激光与物质相互作用•激光测量与检测技术•激光通信与信息处理技术•激光安全与防护技术光的自发辐射与受激辐射自发辐射原子或分子在没有外界作用下，由于自身能级的不稳定性而自发地从高能级向低能级跃迁，同时发射出一个光子的过程。
受激辐射原子或分子在外界光子的作用下，从高能级向低能级跃迁，同时发射出一个与入射光子完全相同的光子的过程。
区别与联系自发辐射是随机的，而受激辐射是确定的；自发辐射产生的光是非相干的，而受激辐射产生的光是相干的。
光放大当外来光信号通过激光工作物质时，受激辐射产生的光子与入射光子具有相同的频率、相位、传播方向和偏振状态，从而实现光信号的放大。
粒子数反转在激光工作物质中，高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数，形成粒子数反转分布。
实现方法通过泵浦源提供能量，使激光工作物质中的粒子被激发到高能级，形成粒子数反转分布。
粒子数反转与光放大产生条件特性应用领域030201激光的产生与特性晶体激光器玻璃激光器光纤激光器He-Ne 激光器CO2激光器以氦气和氖气作为工作气体，产生红色可见光激光，常用于精密测量和准直。
Ar+激光器染料激光器液体激光核聚变半导体激光器边发射半导体激光器面发射半导体激光器采用垂直腔面发射结构，具有低阈值电流、圆形光束和易于集成等特点，适用于光通信和光互连等领域。
激光束的传输与聚焦激光束的传输特性01激光束的聚焦原理02激光束的聚焦技术03介绍评价激光束质量的常用参数，如光束直径、发散角、光强分布等。
激光束质量评价参数阐述实验测量和数值模拟等方法在激光束质量评价中的应用。
激光束质量评价方法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。
激光束质量对应用的影响激光束的质量评价激光束的控制与整形激光束控制技术激光束整形技术激光束控制与整形的应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激光与物质相互作用的机理激光与物质相互作用的特点1 2 3激光加工的基本原理激光加工的应用领域激光加工的优势激光加工原理及应用利用激光的高能量密度和生物效应，对生物组织进行照射，以达到治疗疾病的目的。
激光原理及应用
激光原理及应用
激光技术是20世纪50年代流行起来的新兴技术，它涉及到光学、电子、物理、化学等多学科，用途也越来越广泛。
激光是一种高能量密度的光，质量质量好并且能量能量稳定，具有高显像度、高密度、高精度的优点，在工业生产，新兴科技，航空航天，军用等各个领域得到越来越多的应用。
激光的原理是在特定的物质环境中，一次具有特定频率，持续出现的大功率光激发，以达到平衡放射和吸收状态。
具体来说，首先产生一种不具有定向特性的长波长、大功率的光，然后这种光经过几回反射、折射、衍射等操作后，在放射与吸收的循环中磁化、产生强度从而实现一连串的脉冲光。
激光应用在很多领域。
工业上应用的范围很广，比如精确切削、焊接、热压等过程都需要用到激光技术。
航空航天科技中，激光技术用于星体测量及地形测量，以及导引对空导飞的多导引系统。
在医学领域，激光技术用于消炎消痛，治疗各种病症和手术。
激光技术正在成为一个主要技术，在工业生产、新兴科技、航空航天、军事等领域应用得越来越广泛。
它不仅节约了能源，而且可以提高工作效率，并且拥有非凡的精度。
由于激光技术另人眼前一亮，激发了人们对前沿科技的兴趣，给科学工作者和工程师带来了极大的帮助。
激光原理与技术第一章
s
1
A21 : 原子在能级 E2上的平均寿命S 的倒数
激光原理与技术
设高能级En跃迁到Em的跃迁几率为Anm，则 激发态En的自发辐射平均寿命为：
1 Anm
m
hν
激光原理与技术
四、受激辐射的相干性
自发辐射是原子在不受外界辐射场控制情况 下的自发过程。大量原子的自发辐射场的相 位是无规则分布的．因而是不相干的。此外， 自发幅射场的传播方向和偏振方向也是无规 则分布的，自发辐射平均地分配到腔内所有 模式上。
一、黑体辐射的普朗克公式
绝对黑体(简称黑体)：处于温度T的物体能 够发出和吸收电磁辐射。如果某一物体能够完 全吸收任何波长的电磁辐射，则称此物体为绝 对黑体。（空腔即为绝对黑体） 热辐射(温度辐射): 物体除吸收电磁辐射外， 还会发出电磁辐射，这种 电磁辐射称为热辐射 .
激光原理与技术
黑体辐射或平衡辐射: 黑体处于某一温度T 的热平衡情况下，则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。显然，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。
h3 xyz px p y pz
又px 2k x , py 2k y pz 2kz
则xyzpxpy pz h
3
一个光波模在相空间也占有一个相格，一个光波 模等效于一个光子态。
激光原理与技术
三、光子的相干性
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(例如光波场的相位)的相 关性。
激光原理与技术
二、光波模式和光子状态相格
按照量子电动力学概念，光波的模式和光子的状态 是等效的概念。
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-概念复习
1、光子的概念及特点。
2、概述光和物质相互作用的三个过程。
画出其作用示意图，并且对比自发辐射和受激辐射的特点。
（30. 光与物质的相互作用有哪几种基本过程？分别解释它们的具体表现。
）3、由跃迁概率导出爱因斯坦系数关系。
4、光放大的概念、实现光放大的条件（集居粒子数反转）。
5、增益饱和现象及其物理机制（当外界光场强度增加，介质增益系数下降；大量消耗反转粒子数导致增益系数下降直至损耗系数）6、简述自激振荡形成的过程。
激光器振荡的条件（P18）。
7、增益系数的定义式及意义。
8、激光器的特点。
（激光与普通光源的区别是什么？激光具有什么特性？试列举激光的某一个特性在工业或其他领域中的应用。
答：激光的相干性。
由于激光是一种受激辐射光。
因此具有单色性、方向性、相干性和高强度这四个特性。
如氦氖激光器具有很好的方向性，可以在工业中用于准直；二氧化碳激光器具有很好的强度，可以用于金属材料的切割、焊接、打孔等。
）CH21、激光器的基本结构包括三个部分，简述这三个部分的作用。
激光工作物质，激励能源（泵浦）和光学谐振腔。
2、试列举三种激光振荡腔模式的分析方法，讨论这些分析方法的特点和应用范围。
答：激光振荡腔模式分析方法有几何光学理论、波动光学理论和费聂耳-基尔霍夫衍射积分方程等三种理论。
透镜波导可以认为是几何光学理论中的一种；波动方程理论主要是从麦克斯韦方程出发，结合光学谐振腔的具体特性。
采取适当的近似，从而达到对腔模的振幅分布、相位分布、谢振频率和衍射损耗等。
但是只有对称共焦腔才能求解出衍射积分方程的近似解析解。
但是，通过建立一般稳定球面腔与对称共焦腔之间的等价性。
可以将对称共焦腔模式解析理论结果推广到一般的稳定球面腔。
3、开腔的概念、模式的基本特征、开腔的谐振条件。
光腔的损耗。
27.什么是对称共焦腔与一般稳定球面腔的等价性。
4、自再现模的起因及特点CH41. 根据引起谱线增宽的原因不同以及谱线增宽的特点不同，分别描述谱线增宽的类型及物理机制、2、讨论均匀加宽和非均匀加宽的区别。
基于激光原理的新型光通信系统设计与优化
基于激光原理的新型光通信系统设计与优化在现代通信领域中，随着人们对高速、稳定、高带宽数据传输需求的不断增长，光通信系统逐渐成为一种重要的通信方式。
基于激光原理的光通信系统以其优异的性能在通信领域中占据主导地位。
本文将基于激光原理，探讨新型光通信系统的设计与优化。
一、激光原理概述激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）是一种基于受激辐射放大光的特殊光源。
通过光的放大、调制和发射，激光技术可以实现高速、高带宽的数据传输。
二、传统光通信系统的问题之前的传统光通信系统存在一些问题，比如系统损耗较大、容易受到外界干扰、难以实现高速传输等。
这些问题对于满足现代通信需求来说显得不够高效。
三、新型光通信系统的设计基于激光原理，新型光通信系统的设计可分为以下几个方面：1. 光源：新型光通信系统中使用的激光器需要具备高可靠性、低损耗、高光输出功率的特点。
选择合适的激光器类型，并进行相关性能测试，以确保光源的稳定性和性能满足要求。
2. 光传输：在光通信系统中，光传输是至关重要的环节。
新型光通信系统中，采用光纤作为传输介质，通过光纤来实现高速数据传输。
在光纤的选择和布线过程中，需要考虑信号衰减、色散、多路径传输等因素，并采取相应的措施进行优化。
3. 接收器：光通信系统的接收器主要用于接收、解调和放大光信号。
新型光通信系统中，可以采用高灵敏度的光电二极管作为接收器的核心组件，并搭配相应的电路设计，以实现对接收信号的高效处理。
4. 调制与解调：光信号的调制和解调是光通信系统中的关键环节。
新型光通信系统可以采用多种调制方式，如脉码调制、正交振幅调制等，以提高数据传输速率和传输效率。
四、光通信系统的优化除了系统设计外，光通信系统还可以通过一些优化手段来进一步提高性能。
以下是几种常见的优化策略：1. 光纤布线优化：合理规划光纤的布线路径，避免信号衰减和色散效应，减少频率和相位的扭曲。
激光的原理模型图解及应用
激光的原理模型图解及应用1. 激光的原理激光（Laser）是一种具有高度聚焦能力和高能量密度的光束。
其原理是通过受激辐射（Stimulated Emission）实现的。
激光器由三个基本部分组成：激光介质、抽运能源和光学共振腔。
1.激光介质：激光介质是激光器中的放大介质，通常使用的有气体、固体和半导体等。
当激活的能量输入到激光介质中时，激光介质中的原子、分子或离子受到外界能量的激发，处于高能级的状态。
2.抽运能源：抽运能源是输入到激光介质的能量源，用于将激发介质。
常用的抽运能源有光、电流或化学反应等。
通过抽运能源的作用，激光介质中的原子、分子或离子从高能级跃迁到低能级。
3.光学共振腔：光学共振腔是激光器中的一个闭合空间，其中包含镜子或其他光反射元件。
共振腔的作用是产生反馈，使得激发的能量在介质中来回传播，增强和放大激光的效果。
其中的一个镜子是部分透明的，使得激光能够通过。
2. 激光的模型图解以下是激光的模型图解，以更直观地理解激光原理。
----|||||| | ---------------||||| | 光学共振腔'''|||||''' | ---------------' '' '-------|---> 激光' ' -------- 抽运能源激光介质1.激光介质由一个长方体表示，代表介质的内部原子或离子。
2.抽运能源表示为一个箭头，指向激光介质，表示能量输入。
3.光学共振腔表示为一个空心长方形，表示激光的进出口。
4.激光表示为一条箭头，表示激光的输出。
该模型图解展示了激光的能量传递和反射过程，使得激光能够被放大和输出。
3. 激光的应用激光因其特殊的性质在许多领域得到广泛应用。
3.1 医疗领域•激光在眼科手术中被广泛应用，例如激光治疗青光眼、近视矫正手术等。
•激光可用于皮肤美容，如激光脱毛、激光祛斑等。
激光原理(第1章)
tc ＝ Dt ＝ 1/Dv
上式说明，光源单色性越好，则相干时间越长。
物理光学中曾经证明：在图1.1.4中，由线度为Dx的光源A照明的
S1和S2两点的光波场具有明显空间相干性的条件为 DxLx/R ≤ (1.1.18) (1.1.19) (1.1.20)
式中 为光源波长。距离光源R处的相干面积 Ac 可表示为
上 述 基 本 关 系 式 (1.1.1) 和 (1.1.3) 后 来 为 康 普 顿 (Arthur Compton)散射实验所证实(1923年)，并在现代量子电动力学中 得到理论解释。量子电动力学从理论上把光的电磁(波动)理论 和光子(微粒)理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来， 从而在理论上阐明了光的波粒二象性。在这种描述中，任意电 磁场可看作是一系列单色平面电磁波(它们以波矢k为标志)的线 性叠加，或一系列电磁波的本征模式(或本征状态)的叠加。但 每个本征模式所具有的能量是量子化的，即可表为基元能量hv 的整数倍。本征模式的动量也可表为基元动量 hkl 的整数倍。 这种具有基元能量hvl和基元动量hkl的物质单元就称为属于第 l 个本征模式(或状态)的光子。具有相同能量和动量的光子彼此 间不可区分，因而处于同一模式(或状态)。每个模式内的光子 数目是没有限制的。
空间称为相空间，相空间内的一点表示质点的一个运动状态。
当宏观质点沿某一方向(例如：x轴)运动时，它的状态变化对应 于二维相空间(x, Px)的一条连续曲线，如图1.1.2 所示。但是，
光子的运动状态和经典宏观质点有着本质的区别，它受量子力
学测不准关系的制约。
测不准关系表明：微观粒子的坐标和动量不能同时准确测定，
hv
式中 h＝6.626×10-34Js，称为普朗克常数。
激光概述
多路合成角度全息用于艺术品展示
全息激光防伪标签，已经是一个很大的产业
（2）激光全息存储
❖ 利用激光干涉原理将图文等信息记录在感光介 质上的大容量信息存储技术 通过将缩微胶片 上的影像转变为光信息，然后制出存储密度更 大的全息图 全息图是由干涉条纹组成的影像， 该条纹记录了入射光线的全部信息—振幅和相 位 阅读还原时，需在激光照射下利用条纹影 像的衍射原理使其再现
与其他种类电视(等离子体、液晶电视等)相比，激光电视在技术上具有明显优势。 据专家介绍，彩色电视机自1954年问世至本世纪初以来，一直以阴极射线管为基础， 通过提高荧光粉的发光效率、增大显示屏的尺寸、平面化荧光屏的显示表面、改进接 收和播放信号处理系统等提高彩色电视机的技术含量和增强市场竞争力。
随着科技的进步和发展，以阴极射线管作为显示器，逐步暴露出越来越多的缺点和不 足，如会产生对使用者身体健康非常有害的电磁辐射、荧光粉不能完美显示影像的颜 色、显示屏的尺寸难以做大、彩色电视机整机体积大，重量大等。
书中记载：放平了看，这是一块残缺的玻璃片，但斜向阳光看去， 就
有一个“仙人”坐在里面，仪容端庄，面色微红，双目炯炯，胸前飘着长长 的白须，头戴红色道冠，，穿紫色衣服， 右手执一柄羽毛扇，身旁还侍立 着一个童子。
姚元之在清代嘉庆、道光两朝，做官近40年，经历丰富，博学能文，著 述严谨。 囿于当时认识水平，姚元之把这一奇异现象解释为在雷雨时刻， 一位避劫的仙灵精气聚合不散，附着在玻璃上而成。
影，有坐着做祈祷的半裸体印第安人，有手捋胡子的白发老人，有带着一群 孩子的年轻妇人，还有手拿帽子、带着披风的印第安老农等。
在仅有八毫米的圣女像的双眼中，竟容纳这么多人，这在科学上是很难 解释的。 这些图像是怎样形成的? 还有待科学家们进一步考用分光镜一分为二，其中一束照到 被拍摄的景物上，称为物光束；另一束直 接照到感光胶片即全息干板上，称为参考 光束。当光束被物体反射后，其反射光束 也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄 制过程
激光原理
高 低
h = E1 − E2 ν
辐射能量
1.2光的受激辐射的基本概念 光的受激辐射的基本概念
第1章 激光的基本原理概述 章
二、自发辐射、受激吸收和受激辐射 自发辐射、 1. 自发辐射（Spontaneous Emission）。
E2 E1
发光前 发光后
hν
hν = E 2 − E1
普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯） 普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程 为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、 为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、 振动方向、相位不一定相同——为非相干光。 振动方向、相位不一定相同 为非相干光。
1.2光的受激辐射的基本概念 光的受激辐射的基本概念
第1章 激光的基本原理概述 章
一、光的受激辐射概念的产生
普朗克——1900年，辐射量子化假设； 年 辐射量子化假设； 普朗克 波尔——1913年，原子中电子运动状态的量子化假设； 年 原子中电子运动状态的量子化假设； 波尔 爱因斯坦——1917年，提出受激辐射概念。 年 提出受激辐射概念。 爱因斯坦
E2 E1
发光前
hν
hν = E 2 − E1
发光后
hν hν
ν 当外来光子的频率满足 h = E2 − E1时，使原子中处于高 能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。 能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。
受激辐射跃迁几率： 受激辐射跃迁几率：
W21 = B21ρν
与原子本身性质和辐射场能量密度有关
n2 A21 + n2B21ρν = n1B12ρν
=
辐射场总光子数保持不变） 吸收率 （辐射场总光子数保持不变）
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。
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16
中国各类激光器的“第一台”
名 称 红宝石激光器 He-Ne激光器 掺钕玻璃激光器 GaAs同质结半导体激光器 脉冲Ar+激光器 CO2分子激光器 研制成功时间 1961年9月 1963年7月 1963年6月 1963年12月 1964年10月 1965年9月 研 制 人 王之江等 邓锡铭等 干福熹等 王守武等 万重怡等 王润文等
U3+:CaF2 (Four level system, 1960) P. Sorokin & M.J. Stevenson HeNe (1961) A.Javan
California Man Invented Death Ray, Laser
Ruby was ruled out… (Wilde & Schalow) Pulse operation Another episode related to masers 科学家很难判断研究工作的价值和影响， 爱因斯坦做不到，梅曼也做不到
2000
2100
萌芽时期
几何光学
波动光学
量子光学/现代光学
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8
LASER
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
1、gain medium 2、pumping source 3、cavity 4、output coupler 5、laser beam Coherence Spatial coherence Temporal coherence The foundation of lasers
国家点火装置(NLF)----雅典娜 (投资 12亿美元) Yb:glass 主振----192 路光束放大---1.8 MJ
27
世界上最小的激光器
The University of Texas at Austin，施至刚 教授 &台湾清华大学，果尚志 教授
Science 337, 450 (2012)
Δ t 1/ Δ v L c Δ t
相干长度可达几十公里
• 空间相干性好 不同地点同一时刻的光之间的相干性
激光波面上各个点可以做到都是相干的（如基横模）
36
激光的特性
3、方向性好
激光束的发散角很小(几个毫弧度)，
几乎是一平行的光线。
用来测量地球到月球的距离，精度 达几厘米（17cm-2mm）； 通过测量单一激光脉冲在月球表面 和地球表面的往返时间得到。
前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。
39
激光通信
（1）大气激光通信 1960年，激光器诞生后几个月后，贝尔实验室的科学家 试验成功大气光通信，距离为25英里。 缺点：由于天气和障碍物的影响，加上地球表面为球形， 光的直线传播距离很短。
（2）空间激光通信
在接近真空的环境下进行的 激光通信，如卫星和卫星之 间的通信。
1964: Alexsander M. Prokhorov, Charles H. Townes, and Nicolay G. Basov (量子电子学与激光理论,导致激光的实现)。 1981: Nicolaas Bloembergen & Arthur L. Schawlow (激光光谱与 非线性光学)。
23
Light Amplification
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Light Amplification
25
Light Amplification
Four-level system
激发阈值
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The most powerful laser
NOVA ( LLNL 实验室)足球场大小 740mm口径 100kJ/25ns 放大后 100TW (100ps) ( 全球电量 3TW)
（2）全息防伪
激光医学
（1）强激光治疗 利用激光的光热效应对组织进行凝固、汽化或切割，从而消除病变。出血少， 操作定为精确，非接触，无菌，对周围组织损伤小。 人体组织75%以上是水 临床上最早用于强激光治疗的激光器有CO2激光器，Nd:YAG激光和Ar+激 光。 CO2激光，10.6um，广泛用于治疗皮肤科、妇科、普外科多种疾病，如色 素痣，老年斑等。
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激光的特性
4、亮度高
B 1016 W 激光亮度： m2 Sr
单位截面和单位立体角内发射的光功率 光源的亮度：
p S
p B S
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强度：
在聚焦状态
激光强度可达到
I 1017 W/cm2
脉冲瞬时功率可达～10 14 W 可产生108 K的高温，引起核聚变。
激光的亮度可比普通光源高出 1012 － 1019 倍，是目
- 多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、 热泵浦等、磁泵浦；
- 多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体（He-Ne、 CO2）、液体、染料、半导体、自由电子等；
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光纤激光器 固态激光器
半导体激光器
气体激光器
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半导体激光器
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The great mind
曼哈顿计划
The concept of “stimulated emission” (Einstein, 1916) “MASER” (pulse) (Charles H Townes, 1954, with J.Gordon, H. Zeiger) “MASER” (cw) (N. Basov & A. Prokhorov)
Black Body Emission
Rayleigh-Jeans Wien Planck
R/R
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Wavelength (m)
Max Planck, 1900
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Solar Spectrum Blackbody Emission @5200K
激光近视眼校正
用准分子激光通过对角膜瓣下基质层进行屈光性切削， 从而降低瞳孔区的角膜曲率，达到矫正近视的目的。
（2）弱激光治疗 弱激光又称为低强度、低水平激光.弱激光作用于生物组织 时,不造成生物组织不可逆的损伤,但可以刺激机体产生一系 列的生理生化反应,对组织或机体起到调节、增强或抑制的 作用,从而达到治病的目的.机制目前不是很清晰。 激光理疗，用于口腔溃疡、甲沟炎和皮肤带状疱疹等。 激光针灸治疗，包括损伤、甲状腺功能亢进、高血脂和高 血压等。 用于弱激光治疗的激光器 波长632.8nm 的He-Ne激光 波长630—690nm 半导体激光器和波长780—980nm半导 体激光器
500
1000
1500
2000
2500
Wavelength (nm)
Max Planck 1901
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Light Amplification
Albert Einstein, 1905
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Light Amplification
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Light AmBiblioteka lificationloss spontaneous emission amplification
优点：激光在真空中传播 衰减小，可用小功率激光器 实现远距离通信。 （3）水下通信。利用波长为0.46~0.53m的兰绿色激 光（能穿透几百到几千米海水）在海水中进行通信。
（ 4）激光光纤通信：让载有信号的激光束通过光导纤 维传输至对方以实现通信的方法。
激光全息
（1）全息照相 普通照相仅仅记录光波的强 度，丢失了光波的相位信息； 全息照相借助于物体的物光 和另外一束简单的参考光的 干涉，同时记录来自物体光 波的振幅和相位，也就是记 录了光波所承载的全部信息。 具有长相干长度的激光诞生后，开始了全息的新纪元。
CH3I化学激光器
YAG激光器
1966年3月
1966年7月
邓锡铭等
屈乾华等
1918, Quanta (Planck) 1921, Einstein 1947, Stimulated emission in hydrogen (Lamb & Reherford) 1950, Optical pump.(Kastler) 1964, Maser (Townes, Basov, Prokhorov) 1971, Holography (Gabor) 1981, Laser spectroscopy & Nonlinear optics (Bloembergen & Schawlow) 1989, Atomic clock (Ramsey) 1997, Laser cooling and trapping (Chu, Cohen-Tannoudji, & Phillips) 1999, Femtochemistry (Zewail) 2001, BEC (Cornell, Ketterle, &Wieman) 2005, Frequency comb (Hall & Hansch); Quantum theory of optical coherence (Glauber) 2009, Optical fiber (Kao), CCD (Boyle & Smith) 2014, Blue LED (Akasaki, Amano, & Nakamura)
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激光的特性
—与普通光的区别 极 高 强 度 极 高 亮 度 ( ) 极 好 方 向 性 极 高 相 干 性
空时 间间 相相 干干 性性
低于振荡阈值
高于振荡阈值