[物理]激光的基本原理及其特性
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激光的基本原理及其特性
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
•光的放大作用的大小通常用放大 光的放大作用的大小通常用放大 增益）系数G来描述。 （增益）系数G来描述。P8!
I ( z)
I (l ) I + dI I
dI = G ( z ) I ( z )dz
原子数按能级分布
热平衡时， 热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布
玻尔兹曼分布律: 玻尔兹曼分布律:
N2 −( E2 −E1 ) kT =e N1
E E2 E1 N1 N2 N
高 能 级 低 能 级
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
§1.2.1 二能级系统的三种跃迁
3-01光源、光波叠加.exe
3、光子简并度与激光的强度 、
激光的强度： 激光的强度：
I = cωv= nchv /η
光子简并度越大， 光子简并度越大，同一光子态的光的能量越大 激光的简并度是很高的， 激光的简并度是很高的，如He—Ne激光器 激光器
n = 4×10 ×
11
对于普通光源到目前为止还没有发现 n > 1 的
光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿 单位立体角所发射的能量 普通光源的亮度，太阳表面的亮度比蜡烛大30万 普通光源的亮度，太阳表面的亮度比蜡烛大30万 30 比白炽灯大几百倍。 倍，比白炽灯大几百倍。 普通的激光器的输出亮度， 普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大 10亿倍 亿倍。 10亿倍。 激光器的输出功率并不一定很高， 激光器的输出功率并不一定很高，但由于光束很 光脉冲窄，光功率密度却非常大。 细，光脉冲窄，光功率密度却非常大。
∴ B21 · ρ (ν21) · N1 >> B12 · ρ (ν21) · N2
激光的产生原理及其特性课件
未来需要加强激光技术与其他领域的交叉融合，开拓新的应用领域，推动激光技术 的创新发展。
同时，需要加强激光技术的安全性和稳定性研究，确保其在应用过程中的安全可靠 。
THANKS
感谢观看
研发更高功率的激光器， 以满足工业、医疗和科研 等领域对高能量激光的需 求。
新型激光材料
探索新型激光材料，如有 机激光晶体、光子晶体等 ，以提高激光器的性能和 稳定性。
微型激光器
研究微型化、集成化的激 光器，用于微纳加工、光 通信和生物医疗等领域。
激光技术的改进与创新
新型调制技术
研究新型的激光调制技术，以提 高激光的传输效率和稳定性。
03
激光的应用
工业制造
激光切割
利用高能激光束对材料 进行精确切割，具有高 精度、高效率的特点。
激光焊接
通过激光束将材料熔化 并连接在一起，广泛应 用于金属制品的焊接。
激光打标
在各种材料表面进行永 久性标记，广泛应用于
产品标识和防伪。
激光清洗
利用激光能量去除物体 表面的污垢、油渍等， 具有环保、高效的优点
高亮度
总结词
激光的亮度极高，远超过普通光源。
详细描述
由于激光的单色性和方向性，使得激光在单位面积上能够产生更高的亮度。这种高亮度特性使得激光 在科学研究、工业加工等领域具有广泛的应用，例如激光切割、激光焊接等。
相干性
总结词
激光的相干性极高，光波列整齐有序 。
详细描述
由于激光的频率单一、相位一致，因 此激光具有极高的相干性。这种特性 使得激光在干涉测量、全息成像等领 域具有广泛的应用。
光的干涉
光的干涉是指两束或多束光波在空间相遇时，由于光波的振 动相位关系而产生的加强或减弱的现象。在激光产生过程中 ，干涉作用使得光波能量在空间中形成有规律的分布，从而 形成稳定的干涉图案。
同时，需要加强激光技术的安全性和稳定性研究，确保其在应用过程中的安全可靠 。
THANKS
感谢观看
研发更高功率的激光器， 以满足工业、医疗和科研 等领域对高能量激光的需 求。
新型激光材料
探索新型激光材料，如有 机激光晶体、光子晶体等 ，以提高激光器的性能和 稳定性。
微型激光器
研究微型化、集成化的激 光器，用于微纳加工、光 通信和生物医疗等领域。
激光技术的改进与创新
新型调制技术
研究新型的激光调制技术，以提 高激光的传输效率和稳定性。
03
激光的应用
工业制造
激光切割
利用高能激光束对材料 进行精确切割，具有高 精度、高效率的特点。
激光焊接
通过激光束将材料熔化 并连接在一起，广泛应 用于金属制品的焊接。
激光打标
在各种材料表面进行永 久性标记，广泛应用于
产品标识和防伪。
激光清洗
利用激光能量去除物体 表面的污垢、油渍等， 具有环保、高效的优点
高亮度
总结词
激光的亮度极高，远超过普通光源。
详细描述
由于激光的单色性和方向性，使得激光在单位面积上能够产生更高的亮度。这种高亮度特性使得激光 在科学研究、工业加工等领域具有广泛的应用，例如激光切割、激光焊接等。
相干性
总结词
激光的相干性极高，光波列整齐有序 。
详细描述
由于激光的频率单一、相位一致，因 此激光具有极高的相干性。这种特性 使得激光在干涉测量、全息成像等领 域具有广泛的应用。
光的干涉
光的干涉是指两束或多束光波在空间相遇时，由于光波的振 动相位关系而产生的加强或减弱的现象。在激光产生过程中 ，干涉作用使得光波能量在空间中形成有规律的分布，从而 形成稳定的干涉图案。
激光什么原理是什么
激光什么原理是什么
激光的原理是基于激光放大的过程。
激光的产生是通过受激辐射过程和光学谐振器的共同作用实现的。
首先，需要有一个激活介质。
激活介质可以是固体、液体或气体，通常包含具有激发能级的原子、分子或离子。
当激活介质中的原子、分子或离子受到外界输入的能量或光子的激发时，它们会升级到一个高能级。
这个激发态是不稳定的，原子、分子或离子倾向于回到低能级并释放出多余的能量。
在光学谐振器中，通常由两个反射镜构成，一个是半透镜，另一个是完全反射镜。
当处于高能级的原子、分子或离子回到低能级时，它们会通过受激辐射的过程释放出能量。
这些能量被反射镜反射并传输回受激介质中，进一步激发更多的原子、分子或离子到高能级。
这样的连锁反应导致了大量的原子、分子或离子从高能级跃迁到低能级，释放出更多的能量。
这个能量以高度一致的频率和相位在光学谐振器中反复传播，形成了一束非常集中而且相干性极高的光，即激光。
总结一下，激光的原理是通过受激辐射过程和光学谐振器的作用，将激活介质中的原子、分子或离子从高能级回到低能级释放能量，形成高度一致的频率和相位的光束。
激光的产生原理及其特性(精)
受激辐射:处在激发态能级上的原子，若有一个外来光子趋 近它，这原子就可能受了外来光子的“刺激”(或者称 “感应”)，从高能级En向基态Em跃迁而辐射出光子，这 个过程称做受激辐射，受激辐射产生的光子和外来光子有 完全相同的特征，就是它们的频率、位相、振动方向和传 播方向都相同,是特征完全相同的相干光.
激光的亮度高和方向性极好的特点，研究啦激光测距仪， 激光雷达和激光准直仪。 下面这个图就是用激光雷达来测量风速的装置
激光加工．在现代工业中，一些强 度大且熔点商的材料的使用相当普 遍。如果进行打孔或切割，用机械 方 法是很困难的。例如．加工手表中 的钻石轴承．是在比芝麻还要小的 钻石上打孔．要求误差不能超过头 发的l／20，目前使用激光来打孔， 比机械打孔的效率提高100倍。 在加工工业中，高功率的c 激光器可 用于打孔．切割与焊接等．通过微 机控制可以作复杂形状的切割． 而低功率的COz激光器可用于切割 塑料、陶瓷和纺织品等．切后边缘 比较平整，不需进一步处理。
激光通信．又叫做光纤通信．它是刺用比头发还细的玻璃纤 维来传播光信号的．光纤通信的优点是t频带 宽，通信容量大，传输速度快．一根光鲆可同时传送l0”路电 话和l0’套彩电节目．而一根普通导线只能同时通 2—3路电话．目前．应用光奸敖据传输速度为3．4Gblt／s， 而实验室试验光纤的速度已达16Gblt／s．整套大英百 科全书的内窖可在不到一秒的时J可内传送完毕．
澈光武器．叉名死光武器．它的子 弹是光子．速度是3xloIm／s．一旦 瞄准目标，几乎不用多少时间就可 把目标摧毁．激光武器的破坏作用 有两十方面．一是高能激光束的机 械破坏作用．使飞机或卫星的重要 部件穿 孔而损坏，二是激光的光学破坏作 用．凳胃陆军正在发展PL 一s激光 武器，可装到M —l6步枪上．它能 使敲 ^双目失明而丧失战斗力，还能探测 和破坏敲^的光学传感器．据 算， 飞机驾驶员被激光致盲lO-3Os，就 可 导承飞机坠毁．
激光原理与技术
激光的特性：方向性好、单色好、相干性好、亮度高。
由于谐振腔对光振荡方向的限制，激光只有沿腔轴方向受激辐射才能振荡放大，所以激光具有很高的方向性。
半导体激光器的方向性最差。
衍射极限θm≈1.22λD(λ为波长，D为光束直径)；激光是由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，所以单色性极好。
单模稳频气体激光器的单色性最好，半导体激光器的单色性最差；激光是通过受激辐射过程形成的，其中每个光子的运动状态（频率、相位、偏振态、传播方向）都相同，因而是最好的相干光源。
激光是一种相干光这是激光与普通光源最重要的区别；激光的高方向性、单色性等特点，决定了它具有极高的单色定向亮度。
相干性包括时间相干和空间相干，有时用相干长度L C=C∆V 来表示相干时间。
自发辐射：处于高能级E2的原子自发地向低能级跃迁，并发射出一个能量为hv=E2−E1的光子，这个过程称为自发跃迁。
自发辐射跃迁概率（自发跃迁爱因斯坦系数）A21=（dn21dt ）sp1n2=−1n2dn2dt（n2为E2能级总粒子数密度；dn21为dt时间内自发辐射跃迁粒子数密度）；受激辐射：在频率为v=(E2−E1)/h的光照激励下，或在能量为hv=E2−E1的光子诱发下，处于高能级E2上的原子可能跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与诱发光子的状态完全相同的光子，这个过程称为受激辐射跃迁W21=（dn21dt ）st1n2=−1n2dn2dt。
受激辐射跃迁与自发辐射跃迁的区别在于，它是在辐射场（光场）的激励下产生的，因此，其月前概率不仅与原子本身的性质有关，还与外来光场的单色能量密度ρv成正比，W21=B21ρv，B21称为爱因斯坦系数；受激吸收：处于低能级E1的原子，在频率为v的光场作用（照射）下，吸收一个能量为h v21的光子后跃迁到高能级E2的过程称为受激吸收跃迁，受激吸收恰好是受激辐射的反过程。
受激吸收跃迁概率W12=（dn12dt ）st1n1=1n1dn2dt，与上个概念类似，W12=B12ρv，B12称为爱因斯坦系数。
激光的原理与特性
3、亮度高强度大
亮度是光源在单位面积上，向某一方向的 单位立体角内发射的功率.
1米长的40W日光灯,与1米长的40W CO2 激光器 相比亮度相差1010=100亿倍. 红宝石脉冲激光器1016KW/cm2比太阳高100 亿倍.
可用于制造微光武器，在千分之几秒内将 钢板击穿，也可用于控核聚变，触发氢弹。 激光碎石术正是利用此特性。
• 辐射亮度,与人眼对不同波长的感觉无关. YAG激光看不见,但可以切割骨骼、肿瘤等， He-Ne激光能看见，但只能做理疗。
相干性好
若频率相同、振动方向相同的两列波，在相 遇处位相差恒定，这两列波就是相干的。
激光是受激辐射，受激辐射的光子其频率和 振动方向均相同，且光子之间又相互关联，所 以在较长时间内位相差可保持恒定的。因此， 激光具有很好的相干性。
2、激光生物作用机理
• 光致发光作用 • 光致发热作用 • 光敏压强作用 • 光致化学反应 • 光的电磁场作用 • 光致生物刺激作用
3、激光治疗的基本方法及其原理
激光外科术 激光针灸术 激光光动力学术
激光理疗术 激光内镜术
a.激光外科手术
切割:激光光刀(热光刀、冷光刀) 止血:激光光凝 缝合:激光焊接粘合
c、激光穴位治疗
用弱激光的生物刺激作用代替传统的针和灸的刺激进 行治疗称之为激光穴位治疗。
激光穴位治疗对人体作用的基础实验 He-Ne激光穿透能力研的究实验研究
穴位的特异性实验研究 热效应实验研究 对皮肤电阻影响实验研究 对神经系统及肌肉组织的影响实验研究 激光穴位治疗循经传导实验研究 对免疫功能影响的实验研究 镇痛作用实验研究 激发经络隐性传感实验研究
4A2
R2 ：629.9nm 基态
红宝石中Cr3+能级
激光器的工作原理
(3) 非稳腔 :g1 g2＞1 或 g1 g2＜0
对应图中阴影部分的光学谐振腔都是非稳腔。
g2
4 (0,0) 0
5 (-1,-1)
2 (1/2,1) ,(1,1/2) 1 (1,1)
g1
1——平行平面腔 2——半共焦腔 3——半共心腔 4——对称共焦腔 5——对称共心腔
3 (0,1) ,(1,0)
稳区图
稳定图的应用
一.制作一个腔长为L的对称稳定腔，反射镜曲率半径的
取值范围如何确定？
由于对称稳定腔有: R1= R2= R
即: g1 = g2
所以对称稳定腔的区域在稳定图
的A、B的连线上.
图(2-2) 共轴球面腔的稳定图
g1 g 2
(1
L )(1 R1
L R2
)
最大曲率半径R1= R2
R1
R2
R1R2
R1R2
即
g1g2＜1
0＜ g1g2＜1
如果 R1=R2 ，则此双凹腔为对称双凹腔，上述的两种稳
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
速率方程组与粒子 数反转
三能级系统和四能级系统
一. 二能级系统 *(光与粒子相互作用过程只涉及二个能级)
1.能级图
E2
W12
W21 A21 ω 21
约定: 实线箭头代表辐射跃迁; 虚线箭头代表非辐射跃迁。
E1
其中 ：W12——受激吸收几率(激励几率)
• 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。
对应图中阴影部分的光学谐振腔都是非稳腔。
g2
4 (0,0) 0
5 (-1,-1)
2 (1/2,1) ,(1,1/2) 1 (1,1)
g1
1——平行平面腔 2——半共焦腔 3——半共心腔 4——对称共焦腔 5——对称共心腔
3 (0,1) ,(1,0)
稳区图
稳定图的应用
一.制作一个腔长为L的对称稳定腔，反射镜曲率半径的
取值范围如何确定？
由于对称稳定腔有: R1= R2= R
即: g1 = g2
所以对称稳定腔的区域在稳定图
的A、B的连线上.
图(2-2) 共轴球面腔的稳定图
g1 g 2
(1
L )(1 R1
L R2
)
最大曲率半径R1= R2
R1
R2
R1R2
R1R2
即
g1g2＜1
0＜ g1g2＜1
如果 R1=R2 ，则此双凹腔为对称双凹腔，上述的两种稳
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
速率方程组与粒子 数反转
三能级系统和四能级系统
一. 二能级系统 *(光与粒子相互作用过程只涉及二个能级)
1.能级图
E2
W12
W21 A21 ω 21
约定: 实线箭头代表辐射跃迁; 虚线箭头代表非辐射跃迁。
E1
其中 ：W12——受激吸收几率(激励几率)
• 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。
yz第一章_激光的基本原理
二.光波模式和光子状态（相格）
光波模式：在一个有边界条件限制的空间V内，存在的 一系列具有特定波矢 k 的平面驻波。
1.1
19
相 干 性 的 光 子 描 述
1.从波动性描述光波模式 求体积为V的空腔内模式数目。 设空腔为V=Δ xΔ yΔ z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：
4
1917年以后近四十年内： 量子理论的发展; 粒子数反转的有效实现;电 子学与微波技术的发展
1954：美国汤斯(C.H.Townes)
前苏联巴索夫(N.G.Basov) 与
普洛霍洛夫 (A.M.Prokhorov)
第一次实现氨分子微波量子振荡器(MASER)
由于在量子电子学方面的卓越成就和激光器发展上的 突出贡献,普罗霍罗夫,巴索夫和美国物理学家汤斯一
单位体积内处于两能级的原子数分别用n2和n1表示，如 P10图 (1.2.2)所示。
1.自发辐射
处于高能级E2的一个原子自发地向E1跃迁，并发射 一个能量为 hv 的光子。这种过程称为自发跃迁。由原 子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。
光 的 受 激 辐 射 基 本 概 念
1.2
33
自发跃迁过程用自发跃迁几率A21描述。A21定义为： 单位时间内n2个高能态原子中发生自发跃迁的原子数与 n2的比值：
zhangyuscaueducn电子科学与技术教研室光电子学是汇集光子学电子学光子技术与电子技术的一门学科电子学研究电子作为信息和能量载体的科学光子学研究光子作为信息和能量载体的科学光子技术相干光的产生激光原理激光原理48学时相干光的控制调制偏转光频率波长变换相干光的检测及应用光电子技术电子技术光与电是兄弟光是波长更短的电磁波lightamplificationstimulatedemission科学技术发展规律基础理论研究新技术产品开发产业激光是一批科学家集体智慧的发明激光受激辐射光放大改变世界的光二十世纪对世界文明最有影响的发明之一1917
激光原理第一章1.5
太原理工大学物理与光电工程学院
四、激光的时间相干性和单色性
1、时间相干性描述复习 相干时间 c 相干长度 Lc 线宽 (单色性)
1 Lc c c c 来自2、关系：单色性越好，则时间相干性越好。 3、单色性、时间相干性与激光模式的关系 (1)对单横模TEM00工作的激光器，激光的单色性和 时间相干性取决于纵模结构和模式的频带宽度。 纵模数越少，单模线宽越窄，则单色性和时间相 干性越好。
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TEM 00
基横模
三、激光的空间相干性和方向性
1、关系：方向性越好，则光束的空间相干性越好 。
方向性描述：用光束发散角。发散角越小，光束 方向性越好。 ①对普通光：只有当光束发散角小于某一限宽即：
x
时，光束才具有明显的空间相干性。
②对理想的平面波： 0 ，故具有完全的空间 相干性。 2、影响激光空间相干性和方向性的因素
B
2h
2
n
光源的单色亮度正比于光子简并度，而激光 具有极高的光子简并度。
太原理工大学物理与光电工程学院
太原理工大学物理与光电工程学院
太原理工大学物理与光电工程学院
⑴横模的影响 ①基横模TEM00的发散角小，方向性好。高次横模 的发散角大，方向性差。 ②工作在单横模，则方向性好，同时，同一模式内 的光波场是空间相干的；工作在多横模，则方向性 差，同时，不同模式内的光波场是空间非相干的。 ⑵工作物质的均匀程度、光腔类型、腔长、激励方 式、激光器的工作状态的影响 ⑶光衍射效应的影响 激光所能达到的最小光束发 散角不能小于激光通过输出 孔径时的衍射极限角。
1.22 m 2a 2a
2a：光腔输出孔径
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四、激光的时间相干性和单色性
1、时间相干性描述复习 相干时间 c 相干长度 Lc 线宽 (单色性)
1 Lc c c c 来自2、关系：单色性越好，则时间相干性越好。 3、单色性、时间相干性与激光模式的关系 (1)对单横模TEM00工作的激光器，激光的单色性和 时间相干性取决于纵模结构和模式的频带宽度。 纵模数越少，单模线宽越窄，则单色性和时间相 干性越好。
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TEM 00
基横模
三、激光的空间相干性和方向性
1、关系：方向性越好，则光束的空间相干性越好 。
方向性描述：用光束发散角。发散角越小，光束 方向性越好。 ①对普通光：只有当光束发散角小于某一限宽即：
x
时，光束才具有明显的空间相干性。
②对理想的平面波： 0 ，故具有完全的空间 相干性。 2、影响激光空间相干性和方向性的因素
B
2h
2
n
光源的单色亮度正比于光子简并度，而激光 具有极高的光子简并度。
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⑴横模的影响 ①基横模TEM00的发散角小，方向性好。高次横模 的发散角大，方向性差。 ②工作在单横模，则方向性好，同时，同一模式内 的光波场是空间相干的；工作在多横模，则方向性 差，同时，不同模式内的光波场是空间非相干的。 ⑵工作物质的均匀程度、光腔类型、腔长、激励方 式、激光器的工作状态的影响 ⑶光衍射效应的影响 激光所能达到的最小光束发 散角不能小于激光通过输出 孔径时的衍射极限角。
1.22 m 2a 2a
2a：光腔输出孔径
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高中物理激光教案
高中物理激光教案一、激光的定义激光是一种特殊的光，具有高度的一致性、单色性和聚焦性。
二、激光的产生原理激光的产生是在激发态粒子受到光量子激发后，由于受到外界的使能而进行能级跃迁，从而产生相干辐射。
三、激光的特点1. 单色性：激光是纯净的光，只有一个波长。
2. 高度一致性：激光是高度一致的相干光。
3. 聚焦性：激光由于能量高度集中，可以实现非常精确的聚焦。
第二部分：激光的应用一、激光在医学中的应用1. 治疗近视：激光可以通过改变眼睛的角膜弯曲度，从而纠正视力问题。
2. 医学影像：激光可以用于拍摄医学影像，如CT、MRI等。
3. 外科手术：激光可以代替传统的手术刀进行外科手术。
二、激光在通信中的应用1. 光纤通信：激光在光纤通信中起到了关键作用，可以实现高速传输。
2. 激光雷达：激光雷达使用激光来探测目标的位置和速度。
三、激光在工业中的应用1. 激光切割：激光可以用于对金属、塑料等材料进行精确的切割。
2. 激光打印：激光打印机可以实现高分辨率的打印。
第三部分：实验教学一、实验名称：激光的产生和特性测量实验原理：通过氦氖激光器产生的激光，利用准直透镜和凹透镜测量激光的横截面和光斑大小。
实验目的：了解激光的产生原理和特性。
二、实验步骤：1. 搭建氦氖激光器实验装置。
2. 使用准直透镜将激光聚焦到一点。
3. 使用凹透镜测量激光的光斑大小。
4. 记录实验数据并进行分析。
三、实验结果与结论：通过实验测量，得出激光的横截面和光斑大小，验证激光的聚焦性和一致性。
第四部分：课堂讨论与总结一、激光的应用领域和发展趋势激光在医学、通信、工业等领域有着广泛的应用，未来随着技术的发展，激光的应用将会更加广泛。
二、激光的优势和不足激光具有高度的一致性和聚焦性，但是激光也存在一定的安全隐患，需要谨慎使用。
三、如何正确使用激光使用激光时需要遵守相关规定，不可直接照射眼睛和皮肤，确保安全使用。
以上就是本次激光物理教案的内容，希望能帮助学生更好地了解激光的基本概念和应用。
第一章 激光的基本原理及其特性习题
q 1 23 n2 5 . 0277 10 h 6.63 10 34 3 10 9
2.在红宝石Q调制激光器中，有可能将全部Cr3＋(铬离子) 激发到激光上能级并产生巨脉冲。设红宝石直径0.8cm， 长8cm，铬离子浓度为2×1018cm－3，巨脉冲宽度为 10ns。求：(1)输出0.6943m激光的最大能量和脉冲平均 功率；(2)如上能级的寿命＝10－2s，问自发辐射功率为多 少瓦？ （1）最大能量
（2）
1 N自 n20 e dt n20 1 0 e 1 P 瓦 145 自 N自h 2.3 1 e
A21t
3．(1) 一质地均匀的材料对光的吸收为0.01mm-1、光通 过10cm长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几? (2) —光束通过长度为1m的均匀激活的工作物质，如果出 射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。 解：（1）
第一章 激光的基本原理 及其特性 习题
一、典型例题
1.试计算连续功率均为1W的两光源，分别发射λ＝ 0.5000m， λ =3000MHz的光，每秒从上能级跃迁到下 能级的粒子数各为多少？ 解：粒子数分别为：
q n1 h
1 6.63 1034
0.5 106 18 2 . 5138 10 c 6.63 1034 3 108
I ( z ) I (0)e
Az
I ( z) 1 0.01100 e 0.368 I (0) e
（2）
Gz
I ( z ) I (0)e
I ( z) e G1 2 G ln 2 0.693m 1 I (0)
医用物理20激光
– 将组织的一部分切片在显微镜下进行病理诊断。
• 光学活检（optical biopsy）
第三十一页，编辑于星期六：十九点 二分。
生物体的光谱测量和诊断
Spectral measurement and diagnosis of organisms
• 临床病理诊断的活检（biopsy）
– 将组织的一部分切片在显微镜下进行病理诊断。
第十九页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的种类 Types of lasers
• 燃料激光器Fuel laser：
–1966年，人们第一次利用巨脉冲红宝石激光 器泵浦氯化铝酞化菁和花菁类燃料，获得了 受激辐射。此后，染料激光器得到了迅速的 发展。
–特点：输出激光波长可调谐，某些染料波长 的可调节宽度达上百纳米；激光脉冲的宽度 可以很窄（可达10-15秒量级）；输出功率大， 可与固体激光器比拟，并且价格便宜。
• 固体激光器Solid-state laser：
–以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃为工作物质。最 常采用的是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石 等三种。
–特点：输出能量大（可达数万焦耳），峰值功 率高（连续功率可达数千瓦），结构紧凑牢固 耐用。
第十八页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的种类 Types of lasers
第十四页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的组成
Composition of laser
产生激光的装置称为激光器。激光器主要 由三部分组成：激光工作物质、谐振腔和 激励源。
第十五页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的种类 Types of lasers
• 按工作物质
–固体激光器（如红宝石激光器） –气体激光器（如氦氖激光器） –液体激光器（如染料激光器） –半导体激光器（如砷化镓激光器） –自由电子激光器 –化学激光器（如氟化氢激光器）…
• 光学活检（optical biopsy）
第三十一页，编辑于星期六：十九点 二分。
生物体的光谱测量和诊断
Spectral measurement and diagnosis of organisms
• 临床病理诊断的活检（biopsy）
– 将组织的一部分切片在显微镜下进行病理诊断。
第十九页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的种类 Types of lasers
• 燃料激光器Fuel laser：
–1966年，人们第一次利用巨脉冲红宝石激光 器泵浦氯化铝酞化菁和花菁类燃料，获得了 受激辐射。此后，染料激光器得到了迅速的 发展。
–特点：输出激光波长可调谐，某些染料波长 的可调节宽度达上百纳米；激光脉冲的宽度 可以很窄（可达10-15秒量级）；输出功率大， 可与固体激光器比拟，并且价格便宜。
• 固体激光器Solid-state laser：
–以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃为工作物质。最 常采用的是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石 等三种。
–特点：输出能量大（可达数万焦耳），峰值功 率高（连续功率可达数千瓦），结构紧凑牢固 耐用。
第十八页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的种类 Types of lasers
第十四页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的组成
Composition of laser
产生激光的装置称为激光器。激光器主要 由三部分组成：激光工作物质、谐振腔和 激励源。
第十五页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的种类 Types of lasers
• 按工作物质
–固体激光器（如红宝石激光器） –气体激光器（如氦氖激光器） –液体激光器（如染料激光器） –半导体激光器（如砷化镓激光器） –自由电子激光器 –化学激光器（如氟化氢激光器）…
激光原理与技术完整ppt课件
1.1.1所示)。每一模式在三个坐标铀方向与相邻模的间隔为
Δkx=л/Δx，Δky=л/Δy，Δkz=л/Δy 因此，每个模式在波矢空间占有一个体积元
(1.1.6)
ΔkxΔkyΔkz =л3 /（ΔxΔyΔz）=л3 /V
(1.1. 7)
精选课件PPT
10
在k空间内，波矢绝对值处于|k|～|k|+d|k|区间的体积为(1／8)4л|k|2 d|k|，
可见，一个光波模在相空间也占有一个相格.因此，一个光波模等效于一个光子态。
一个光波模或一个光子态在坐标空间都占有由式(1.1.11)表示的空间体积。
精选课件PPT
12
三、光子的相干性
为了把光子态和光子的相干性两个概念联系起来，下面对光源的相干性进行讨论。
在一般情况下，光的相干性理解为：在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某
4.4 典型激光器的速率方程
3.5 空心介质波导光谐振腔的反馈耦合损耗 4.5 均匀加宽工作物质的增益系数
4.6 非均匀加宽工作物质的增益系数
4.7 综合均匀加宽工作物质的增益系数
精选课件PPT
3
第五章 激光振荡特性
5.1 激光器的振荡阈值 5.2 激光器的振荡模式 5.3 输出功率和能量 5.4 弛豫振荡 5.5 单模激光器的线宽极限 5.6 激光器的频率牵引
ε=hv
（1.1.1）
式中 h＝6.626×10-34J．s，称为普朗克常数。
（2）光子具有运动质量m，并可表示为
（1.1.2）
光子的静止质量为零。
精选课件PPT
7
（3）光子的动量P与单色平面光波的波矢k对应
（1
式中
n。为光子运动方向(平面光波传播方向)上的单位矢量。 4．光于具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。 5．光于具有自旋，并且自旋量子数为整数。因此大量光于的集合， 服从玻色—爱因斯坦统计规律。处于同一状态的光子数目是没有限制的， 这是光子与其它服从费米统计分布的 粒子(电子、质子、中子等)的重要区别。 上述基本关系式(1.1.1)相(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，
2-激光的物理特性及工业激光器概述
四、光束特征描述及光束传播定义
1、发散角
光的发散性决定了远距离传播时光的准直性。 衍射极限基模激光：
光束半径
( z)
激光束腰
z 2 2 ( z ) 0 2 1 2 0
0
远场发散角 光轴
d (z) z dz (z )f
三、激光束的基本物理特性
3、相干性
以适当方法将统一光源发出的光分成两束，再使两束光重合便产生明由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的杂乱光，合成后不 能形成整齐有序的大振幅光波。
激光的相位在时间上是保持不变的，合成后能形成相位整齐、规则有序的 大振幅光波。
激光
单色性决定物质对激光能量的吸收和精 细聚焦的可能性。
能 量 自然光
波长
三、激光束的基本物理特性
2、方向性
方向性：激光平行传播的程度 激光器输出的光束发散角度小于10-3~10-5弧度。 激光通过直径为D的孔径时，由于衍射会产生一定发散
(发散角)
激光束
等相位面
一个具有10mW功率的He-Ne激光器可产生比太阳高几千倍的亮度， 可在屏幕上形成面积很小但照度很大的光斑。
2、光与物质的相互作用
光子与物质粒子作用时，从一个能级 跃迁到另一个能级时，并吸收或辐射光 子，光子能量为：
电子
E3 E2 E1
原子核
hv E2 E1
h:普朗克常数, v:频率 三种作用形式：受激吸收、自发辐射、受激辐射
二、激光产生的基本原理
受激吸收：处于低能级的粒子受到一个能量 h=E2-E1 光子的作用， 从E1 能级跃迁到 E2能级的过程。
激光原理及应用复习资料(1)
3. 为什么自然界没有天然的增益介质 自然界中物质种类丰富，并不是每一种介质都能够产生激光，作为激光增益介质， 这种介质必须具有适于产生受激辐射的能级结构，即有三个或三个以上的能级， 这样才能够实现粒子数反转分布，它可以是气体、液体或固体状态，还要具有良 好的光学特性，如光学性质均匀，光学透明性良好，且性能稳定，以及具有有较 高的量子效率。现有能够作为激光增益介质的材料种类繁多，可产生的激光波长 覆盖从真空紫外到红远外波段。
尖峰：激光器开启时所发生的不连续的、尖锐的、大振幅脉冲。 （激光尖峰与弛豫振荡具体内容见书） 24.兰姆下陷：当激光器振荡模的频率被调谐至介质跃迁中心频率 0 时，输出功 率呈现出某种程度的降低。下陷宽度（介质中均匀加宽的线宽）。 25.均匀加宽激光器的模竞争：当数个模同时起振时必然存在诸模竞争反转原子
（3.添加）激光器的分类（记两三个例子）：
①按工作物质的物态分类：气体激光器：氦氖激光器，co2 激光器，氩离子激
光器等。
②固体激光器：红宝石激光器，钇铝石榴石激光器，硅酸盐等。
③半导体激光器：砷化镓，硫化镉。
④液体激光器：。。化学激光器：。。自由电子激光器：。。X 射线激光器。。光纤激
光器。
第二章：激光的物理学基础
q q 1 -q C （详见书）。 2nL
29.横模图形及线偏振腔模结构见书 30.解释①横模：腔内电磁场在垂直于其传播方向的横向 X-Y 面内也存在稳定的 场分布，称为横模。 解释②横模：在腔镜面上经过一次往返传播后能“自再现”的稳定光场分布称 为自再现模或横模。 ③横模特点：光能集中在光斑中心部分，而边缘部分光强甚小。
则处于低能级 E1 上的院子由于吸收这个能量为 h 21 的光子而受到激发跃迁到高
能级 E2 上去，此物理过程称为光的受激吸收。
尖峰：激光器开启时所发生的不连续的、尖锐的、大振幅脉冲。 （激光尖峰与弛豫振荡具体内容见书） 24.兰姆下陷：当激光器振荡模的频率被调谐至介质跃迁中心频率 0 时，输出功 率呈现出某种程度的降低。下陷宽度（介质中均匀加宽的线宽）。 25.均匀加宽激光器的模竞争：当数个模同时起振时必然存在诸模竞争反转原子
（3.添加）激光器的分类（记两三个例子）：
①按工作物质的物态分类：气体激光器：氦氖激光器，co2 激光器，氩离子激
光器等。
②固体激光器：红宝石激光器，钇铝石榴石激光器，硅酸盐等。
③半导体激光器：砷化镓，硫化镉。
④液体激光器：。。化学激光器：。。自由电子激光器：。。X 射线激光器。。光纤激
光器。
第二章：激光的物理学基础
q q 1 -q C （详见书）。 2nL
29.横模图形及线偏振腔模结构见书 30.解释①横模：腔内电磁场在垂直于其传播方向的横向 X-Y 面内也存在稳定的 场分布，称为横模。 解释②横模：在腔镜面上经过一次往返传播后能“自再现”的稳定光场分布称 为自再现模或横模。 ③横模特点：光能集中在光斑中心部分，而边缘部分光强甚小。
则处于低能级 E1 上的院子由于吸收这个能量为 h 21 的光子而受到激发跃迁到高
能级 E2 上去，此物理过程称为光的受激吸收。
教科版高中物理选修2-3：激光的特性及应用_课件1
3.激光检测
激光作用在特定几何形状上会产生特定 的散射图形（称为散斑），利用这一点可以 用它来对产品进行检测，可以发现产品的质 量缺陷，例如条纹、斑点、压痕、气泡、疵 点、针孔等，激光检测具有速度快，漏检率 小，可动态进行，能快速分类、记录，储存 数据等优点
4.激光通信
随着光导纤维、半导体激光器和光耦合 器在技术上和制作工艺上的突破，近年来激 光通信得到迅速发展。
6.激光照排
现在已经得到广泛应用的微光照排技术是印刷技 术及办公自动化的一次重大革命。激光照排是将文字 通过计算机分解为点阵，然后控制激光在感光底片上 进行扫描，用曝光点的点阵组成文字和图像。由于采 取了激光照排技术，我国古老的汉字印刷技术焕发了 青春，引起世界各国的瞩目。
7.激光唱片
激光唱片机俗称CD、VCD或DVD播放器 等，它是“结合信号激光盘系统”中的一种。 它实际包括激光唱片和唱机两部分：激光唱 片是一张以玻璃或树脂为材料，表面镀有一 层极薄金属膜的圆盘，通过激光束的烧蚀作 用，以一连串凹痕的形式将声音信号刻写储 存在圆盘上，形成与胶木唱片相似的信号轨 迹；激光唱机则是以半导体激光器作为激光
Hale Waihona Puke 激光的应用利用激光的高亮度、方向性好、单色性 好、相干性好、可调谐等特点，激光在军事、 工业、农业、科技、医学、环境保护以及公 安等社会生活的各个方面都得到了极其广泛 的应用。现选择几个方面简介如下。
1.激光加工
由于激光具有能量高度集中的特点，聚焦 后可以在焦斑上实现很高的能量密度，因此被 用来对材料或工件进行打孔、焊接、切割、划 片、微调、动平衡去重、热处理、雕刻等。其 优点是：可对高熔点、高硬度和脆性材料进行 加工，热变形、热影响区小，可避免杂质污染， 可加工复杂图形等。
第1章-激光的物理基础
k 2z q 2
k q z
x
结论
z
(jiélù
y
n)
➢ 不同(bù tónɡ)的光波模式以不同(bù tónɡ)的波矢k来区分
➢同一波矢k对应着两个(liǎnɡ ɡè)具有不同偏振方向的模
2022/1/22
15
第十五页，共76页。
2.空腔内的光波(guāngbō)模式数
设空腔为V xyz的立方体,则波矢k的三个分量 应满足条件:
在六维相空间， 子一 态个 所光 占的体积元为：
xyzP xPyP zh3
一个光子态对应间 的体 相积 空元称为相格
一个光子态所占的坐标空间体积为：
xyz
h3
PxPyPz
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24
第二十四页，共76页。
3.光子(guāngzǐ)状态数
计算 V 内 空， 间 P 动 ~ 体 P d 量 P 积 区处 间于 的
2 h
2 kn 0
n0为光子运动方向(平面光波传播方向)上的单位矢量。
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21
第二十一页，共76页。
(4)光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个 独立偏振方向。
(5)光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。因此大量光子的 集合，服从玻色—爱因斯坦统计规律。处于同一状态的光 子数目是没有(méi yǒu)限制的，这是光子与其它服从费米 统计分布的粒子(电子、质子、中子等)的重要区别。
其中(qízhōng)， 为 光程差
频率在 0
/2～ 0
某一考察点处干涉的强度为
/2的非单色光在空间(kōngjiān)
I2I01sinccos2c0
c
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光(激光)基本特性
2
Vd ν
经典粒子的状态 粒子： 描述一维经典粒子的状态： 粒子： 描述一维经典粒子的状态： x, px 用相空间描述： 用相空间描述： x x--px相空间的点描述粒子的状 态，曲线描述过程
px
微观粒子必服从测不准原理 微观粒子必服从测不准原理
∆ x∆ p x ≈ h
x
px
对于三维微观粒子： 对于三维微观粒子： 微观粒子
2. 麦克斯韦建立了光的电磁理论 19世纪初,电的发明和应用,将人类带进了电器时代。 19世纪初,电的发明和应用,将人类带进了电器时代。 世纪初 1863年英国物理学家麦克斯韦 以库仑、安培、 年英国物理学家麦克斯韦， 1863年英国物理学家麦克斯韦，以库仑、安培、法拉第在 电学上的发现为基础作了进一步发展，创立了电磁波理论。 电学上的发现为基础作了进一步发展，创立了电磁波理论。 其要点是：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场， 其要点是：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场， 二者交替产生由近及远的传播，既电磁波。 二者交替产生由近及远的传播，既电磁波。并建立了著名 的麦克斯韦方程。1887年赫兹用实验的方法产生了电磁波， 的麦克斯韦方程。1887年赫兹用实验的方法产生了电磁波， 年赫兹用实验的方法产生了电磁波 证实了麦克斯韦的电磁波理论。1901年俄国物理学家列别 证实了麦克斯韦的电磁波理论。1901年俄国物理学家列别 捷夫用实验测定了光压，结果与电磁理论十分相互， 捷夫用实验测定了光压，结果与电磁理论十分相互，从而 进一步巩固了光的电磁理论， 进一步巩固了光的电磁理论，麦克斯韦电磁波的传播速度 其速度在真空中为每秒30万公里， 30万公里 上有限的 ，其速度在真空中为每秒30万公里，与光速一 样，从而确认了光波也是电磁波。 从而确认了光波也是电磁波。 应用光的电磁波理论, 应用光的电磁波理论,基本上能比较完满地解释光的 发射、折射、干涉、衍射、偏振、双折射等与光的传播性 发射、折射、干涉、衍射、偏振、 有关的一系列重要现象。 有关的一系列重要现象。
激光的特性及其应用
利用激光准直仪可使长为2.5km的 隧道掘进偏差不超过16nm.
2.单色性好
光波的单色性可表示为
谱宽度 中心波长
or
I0
I0 2
2
2
单色性最好的氪灯Kr86 Δ=4.7×10-3 nm
稳频He—Ne激光器
109nm
3.亮度高
激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使用锁模技术，可 产生10-14s的光脉冲。由于能量被集中在极短的时间 内发射出来，因此光功率极高。
B
P
A
4.相干性好
相干时间： c
Lc c
1
相干长度：Lc
c
干的
特制的氦氖激光器输出的光束，相干长度达2107km。氪 灯只有38.5cm。
地基激光炮 (USA)
ABL设想图
机载激光武器(ABL,USA)
舰载激光武器
舰载激光武器 辽宁舰
3.信息领域
激光信息处理：光存储(光盘),激光通信(或光纤通信)
电缆
光纤
卫星通信
4.医疗应用
最早的激光医疗应用：1961年12月在美国哥伦比亚长老会 医院用红宝石激光器进行了视网膜肿瘤治疗
激光制导炸弹
空地导弹
防空导弹
火箭弹
激光制导的优点：
1. 命中率高。经多次实验证明命中率可在97%。 2. 抗电磁干扰能力强。激光属于可见光，故不受电磁波干扰。 3. 制导系统体积小，重量轻、结构简单、造价低廉。
但是，激光制导也存在其缺点：主要是受天气影响较大。 大雨浓雾、扬尘(烟幕)使激光传输受限制难以正常工作。
二、激光的应用 1.工业领域
激光打孔
2.单色性好
光波的单色性可表示为
谱宽度 中心波长
or
I0
I0 2
2
2
单色性最好的氪灯Kr86 Δ=4.7×10-3 nm
稳频He—Ne激光器
109nm
3.亮度高
激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使用锁模技术，可 产生10-14s的光脉冲。由于能量被集中在极短的时间 内发射出来，因此光功率极高。
B
P
A
4.相干性好
相干时间： c
Lc c
1
相干长度：Lc
c
干的
特制的氦氖激光器输出的光束，相干长度达2107km。氪 灯只有38.5cm。
地基激光炮 (USA)
ABL设想图
机载激光武器(ABL,USA)
舰载激光武器
舰载激光武器 辽宁舰
3.信息领域
激光信息处理：光存储(光盘),激光通信(或光纤通信)
电缆
光纤
卫星通信
4.医疗应用
最早的激光医疗应用：1961年12月在美国哥伦比亚长老会 医院用红宝石激光器进行了视网膜肿瘤治疗
激光制导炸弹
空地导弹
防空导弹
火箭弹
激光制导的优点：
1. 命中率高。经多次实验证明命中率可在97%。 2. 抗电磁干扰能力强。激光属于可见光，故不受电磁波干扰。 3. 制导系统体积小，重量轻、结构简单、造价低廉。
但是，激光制导也存在其缺点：主要是受天气影响较大。 大雨浓雾、扬尘(烟幕)使激光传输受限制难以正常工作。
二、激光的应用 1.工业领域
激光打孔
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• 自发跃迁引起Ｎu变化的速率
dNu ( ) sp N u Au1 ( )d N u Au1 g ( )d N u Au1 dt
• 即谱线加宽对其没有影响 • 受激辐射引起Ｎu变化的速率
dN u ( ) st N u Bu1 g ( )d dt
• 自然宽度
H
1 ( Aui A1 j ) 2 l j
• 2.碰撞加宽 • 当原子密度足够高时,原子之间的碰撞引起 的谱线加宽 • ① 1 加宽 1 • ② 加宽： 的速率干扰辐射原子的相 位
2
2
均匀加宽
• 特点：对同类原子中的每个个体都是相同的．
g H ( ) H 2 ( 0 ) 2 ( H 2 ) 2
激光的基本原理及特性
激光的特性
激光产生的必要条件 激光产生的充分条件 谱线加宽 谱线加宽下的增益系数 激光器的速率方程
• 1.7
连续与脉冲工作
• 1.8
• 1.9
粒子数反转分布条件
激光放大的阈值条件
• 1.10 均匀加宽激光器的模竞争和频率牵引
• 1.11 激光器的输出特性
• 1.12 激光器的泵浦技术
高亮度
• 定义:光源在单位面积上,向某一方向的单位立体角内发射 的光功率. • 截面为A的光源单色亮度
P B A ( ) 2
• 一束脉宽为纳秒量级的脉冲激光,其亮度可达1018 W/cm2.sr,它比太阳表面的亮度2*103 W/cm2.sr要高15个数 量级
1.2 激光产生的必要条件
园柱形增益介质，假设介质中已经实现了反转粒子分布
Nul Nu
设光辐射起源于介质一端长度为l的区域
• 单位时间内由自发发射产生的总辐射能
( A l ) Nu Au1h
d A 4 4L2
• 令光强经介质放大后达到饱和光强
1 A GL ( A l ) N u Au1 h e Is 2 A 4L
• 而 • 有
D 2 1 0 2 2 0 2 0
0
c
1 D 2
M 1/ 2 Mc2 D 2 g ( ) ( ) exp[ ( ) ] 2 0 2kT 2 2kT 0
g ( ) e g max
D
m c 2 D 2 ( ) 2 kT 0 2 2
1.1 激光的特性
单色性
方向性
相干性
高亮度
单色性和时间相干性
光源单色性的量度:频带宽度Δν • 时间相干性：光源中同一辐射源在不同时 间辐射出的光束之间的相干性． • 光波的相干时间: c 1
2
• 谱线宽度越窄,或单色性越好,相干时间越长,即时 间相干性越好. 普通光源:谱线宽度1014Hz的量级 单模稳频气体激光器： 10３Hz以上的量级
• 增益系数（考虑谱线加宽）
• 均匀加宽 • 多谱勒加宽
u1
c2 8
2
Au1
GH H ( )N u1
GD D ( )N u1
c2 8
2
• 其中
H ( )
Au1 ( )
Gz
gu h G ( N u N1 ) Bu1 g1 c
gu N u1 N u N1 g1
• 辐射放大 Nu1 0 • 产生激光的必要条件： • 工作物质处于粒子数反转分布状态
• 增益介质：
1.3 激光产生的充分条件
• 1.3.1.饱和光强的概念
• 饱和光强ＩＳ • 饱和长度ＬＳ
1.2.2 激光产生的必要条件
光强的增长可表示为由受激跃迁引起的光子数净增 量与单个光子能量的乘积
[I ( z dz) I ( z)]dA ( Nu Bul N1 B1u )hdAdz
I c
dI h ( N u Bul N1 B1u ) Idz c
I I 0e
h E Au 2 2 h
• 相干辐射的中心频率为
0
Eu 0 E10 h
• 上下边频分别为
EuM E1m h Eum E1M h
1 (Eu E1 ) h
求和表示可以有多种自发辐射
• 谱线宽度为
1 ( Aui A1 j ) 2 l j
•
《激光原理与技术》
普通高等教育”十五”国家级规划教材 阎吉祥主编 2004年7月
学习目的
• 通过学习掌握激光的基本原理及工作特性, 谐振腔理论,典型激光器,半导体激光器,激 光调Q技术和锁模技术,频率变换等.
课程内容
• 第1章 激光的基本原理及特性 • 第2章 光学谐振腔理论 • 第3章 典型激光器
• 第4章 半导体激光器
• 第5章 激光调制技术
• 第6章 调Q技术与琐模技术
• 第7章 激光频率技术
参考书目
⑴ 俞宽新等编著，《激光原理与技术》 北京工业大学出版社 ⑵ 周炳琨等编著，《激光原理》 国防工业出版社 著，《激光原理技术及应用》 哈尔滨工业大学出版社
• 考虑自然加宽和碰撞加宽，总的均匀加宽为
1 1 1 2 H ( Aui A1 j u 1 ) 2 i 1 1 2 j
• 大多数固体激光跃迁的谱线加宽
• 气体激光的碰撞加宽
L P
• 比例系数ɑ与原子间的碰撞截面，温度等有 关
1.4.3.非均匀加宽
方向性与空间相干性
方向性
• 普通光源:4π • 激光:毫弧度 衍
D
空间相干性
相干面积
2 2衍 （ ） D
发光面上不同点在同一时间内发出辐射的相干性.
Ac (
2 )
相干长度 Lc c c
c 2
2
相干体积 Vc Ac Lc 1 ( ) 2 c
表1.1
1 u Aui
i
二.受激跃迁
(一)受激吸收
ρ
W1u B1u
dNu dn ( ) ab - W1u N1 dt dt ab
(二)受激辐射
Wu1 Bu1
dNu dn ( ) st Wu1 Nu dt dt st
• 特点：不同原子或原子群对谱线的不同部分有贡 献 • 分类：多谱勒加宽和非晶态加宽
• 一、Ｄoppler 加宽（气体工作物质）
• 设有静止时辐射频率为 0的原子(光源)以速度v 朝向或背 离观察者(接收器)运动,则被探测到的频率分别为
0
c c
( )1 / 2 M 2 3 • 的取值范围在10 ～10 m/s
光强等于单位截面的能量
• 设
1 l G
e
GL
4L 2 ( ) da
• 例1.1 已知某激光工作物质增益系数为Ｇ ＝100m-1，长度Ｌ＝0.08m求满足产生激 光充分条件的da.
e GL ( 4L 2 ) da
16(
L 2 ) e 8 2981 da 2981 4
L da
d a 0.0059 ( m) 5.9m m
• 对气体原子,平均速度
8kT
0 (1 )
c
• 要求谱线宽度值 代入Maxwell速度公式
M 1/ 2 M 2 n( )d n( ) exp( )d 2kT 2kT
M 1/ 2 Mc2 2 n( )d n( ) exp( ( ) )d 0 2 0 2kT 2kT 0 c
Bu1 I s 1 c u
• 其中
8 2 h h IS 2 c Au1 u u1 u
Au1
8h 3 Bu1 3 c
u1
c2 8
2
Au1
G u1Nu1
受激辐射截面
1.3.3 产生激光的充分条件
如果在增益介质的有效长度内光强可以从 微小信号增长到ＩＳ，则对激光来说是充分 的． 求有效长度
• 原子的发光强度与发光原子数成正比
n( ) d I ( ) d g ( ) d n I
2 M Mc 1/ 2 2 高斯分布 g ( ) ( ) exp[ ( ) ] D 0 2 0 2kT 2kT 0
c
• 当
0
时，上式有极大值 c M 1/ 2 g max ( ) 0 2kT
1.2.1 二能级系统的三种跃迁 一、自发辐射 二、受激跃迁 三、Einstein辐射系数之间的关系
一.自发辐射
Eu E1 h
dN u ( ) sp Au1 N u dt
N u (t ) N u 0 e Aul t N u 0 e
t
u
蓝宝石
u
1 Aul
1 2
2(ln 2)kT 1 / 2 T 7 2 0 [ ] (7.16 10 ) 0 2 MN Mc
4(ln 2)( 0 ) 2 2 ln 2 g D ( ) exp[ ] 2 D D
• 例求氖原子辐射λ ０＝６３２．８nm光谱 线的多谱勒宽度?（T=300K）
• 谱线加宽特性的描述：线形函数 I ( ) • 定义 g ( )
I
• 线形函数是归一化的
g ( )d 1
• 分类 • 1.均匀加宽 • 2.非均匀加宽
1.4.2
g N ( )
均匀加宽
2
N
• 1.自然加宽 • 由测不准关系决定谱线加宽 • 线形函数
( 0 ) 2 ( N 2 ) 2
• 1.3.2 饱和光强的简单计算
• 当光通过增益介质时，上能级粒子数的变化率为