激光的基本原理及特性)
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(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．
激光的基础知识
激光的基础知识相信激光这名词对大家来说一点也不陌生。
在日常生活中，我们常常接触到激光，例如在课堂上我们所用的激光指示器，与及在计算机或音响组合中用来读取光盘资料的光驱等等。
在工业上，激光常用于切割或微细加工。
在军事上，激光被用来拦截导弹。
科学家也利用激光非常准确地测量了地球和月球的距离，涉及的误差只有几厘米。
激光的用途那么广泛，究竟它有哪些特点，又是如何产生的呢？以下我们将会阐释激光的基本特点和基本原理。
激光的特性高亮度、高方向性、高单色性和高相干性是激光的四大特性。
（1）激光的高亮度：一般规律认为，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，就称为光源在该方向上的亮度。
激光在亮度上的提高主要是靠光线在发射方向上的高度集中。
激光的发射角极小（一般用毫弧度表示），它几乎是高度平等准直的光束，能实现定向集中发射。
因此，激光有高亮度性。
固体激光器的亮度更可高达1011W/cn2Sr 。
不仅如此，一束激光经过聚焦后，由于其高亮度性的特点，能产生强烈的热效应，其焦点范围内的温度可达数千度或数万度，能熔化甚至于气化对激光有吸收能力的生物组织或非生物材料。
如工业上精密器件的焊接、灯孔、切割；医学上切割组织（光刀）、气化表浅肿瘤以及显微光谱分析等这些新技术都是利用激光的高亮度性所产生的高温效应。
激光功率密度的单位为mw/cm2或W/cm2，能量密度为焦尔/厘米2。
（2）激光的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地传递较长距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。
1962年人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，这两点都是激光加工的重要条件。
（3）激光的高单色性：光的颜色由光的波长（或频率）决定。
一定的波长对应一定的颜色。
太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。
激光的原理特性和应用
第二章激光与半导体光源激光的原理、特性和应用发光二极管与半导体激光器§2-1 激光的工作原理一、光的发射与光的吸收当原子从高能级向低能级跃迁时，将两能级之差部分以光子形式发射出去，称光的发射；当原子从低能级向高能级跃迁时，将吸收两能级之差部分的光子能量，称光的吸收。
光的发射和吸收过程满足相同的规律：两能级之差决定发射和吸收光子的频率光发射的三种跃迁过程1自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图；2 受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图；两种辐射过程特点的比较：自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光；受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向均与外来的光波相同，辐射的光波是相干光。
3 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受激辐射和受激吸收过程同时存在。
当吸收过程占优势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。
二、粒子数反转与光放大当一束频率为的光通过具有能级E1和E2（假定E2>E1)的介质时，将同时发生受激辐射和受激吸收过程，在dt时间内，单位体积内受激吸收的光子数为dN12，受激辐射的光子数为dN21 ，设两能级上的原子数为N1、N2（正常情况下N2> N1），有dN21/ dN12 =B N2/ N1，比例系数B与能级有关。
1、N2/ N1<1时，高能级E2上原子数少于低能级E1上原子数（称正常分布），有dN21 < dN12，表明光经介质传播的过程中受激辐射的光子数少于受激吸收的光子数，宏观效果表现为光被吸收。
13.1,13.2激光的原理,特点,应用
一、方向性好
发散角是衡量光束方向性好坏的标志，方向性表明光能量 在空间分布上的集中性。普通光源发出的自然光向四面八方射 出，而激光由于受激辐射的光子行进方向相同以及谐振腔对腔 内离轴光子的淘汰作用，使得只有沿轴方向的光波才能输出， 因而有很好的方向性。激光束的发散角一般在10-4～10-2 rad， 与普通光束比相差10～104倍。这一特性被用作精密长度的测量， 准直、目标照明、通讯和雷达等方面。
二、亮度高、强度大 亮度高、
亮度是衡量光源发光强弱程度的标志，表明光源 亮度 发射的光能量对时间与空间方向的分布特性。激光 器由于其输出端发光面积小、光束发散角小、输出 功率大，而使其亮度高，尤其是超短脉冲激光的亮 度可比普通光源高出1012～1019倍。因此激光器是目 前世界上最亮的光源。 对同一光束，强度 强度与亮度成正比。激光极高的亮度加之 强度 方向性好而能被聚焦成很小的光斑，故激光的强度比普 通光大得惊人。目前激光的强度可达1017w.cm-2，而氧炔 焰的强度不过为103w.cm-2。故可用于制造激光武器以及 工业上的打空、切割、焊接等。临床治疗中的手术刀及 体内碎石。还有望用于实现受控热核聚变。
激光通信和激光冷却正在开发和利用中。
第三节 激光的医学应用
医学是激光的首批应用领域。1961年世界上第一台医 用激光器---红宝石视网膜凝固机在美国问世，至80 年代末已建立较为系统、完整的理论体系。于是， 一门新的交叉学科——激光医学便逐渐形成了。目 前它包括激光医学基础、临床检测诊断与治疗、医 学生物学用激光器械与技术、激光的安全与防护等 四部分内容。
3. 光化作用 生物大分子吸收激光光子的能量受激活
而引起生物组织内一系列的化学反应称之为光化反应。
4. 电磁场作用 激光是电磁波，激光对生物组织的
激光成像的基本原理
激光成像的基本原理
激光成像是一种高分辨率的成像技术，利用激光器产生的高能光束，将物体表面反射或散射的光信号捕捉并重建成图像。
下面将详细介绍激光成像的基本原理。
一、激光的特性
激光是一种单色光，具有高亮度、高方向性、高相干性等特点。
这些特性赋予了激光成像技术高分辨率、高精度的较强优势。
二、激光成像原理
1. 激光照射
激光束通过扫描系统，照射到被成像物上，被照射的表面会和激光产生相互作用，造成反射或散射。
2. 光探测
接收反射或散射的光信号，将光信号转化成电信号。
一般利用光电探测器进行光信号的转换。
3. 信号处理
将产生的电信号进行放大、滤波、数字化等处理，以便进行图像重建。
4. 图像重建
在计算机处理后，将处理好的图像信号还原成图像。
图像处理主要包
括激光束的扫描、光信号的探测以及信号处理等过程。
三、激光成像技术的优缺点
优点：
1. 分辨率高：激光束具有较小的波长，可以在微观级别上进行成像，
分辨率极高。
2. 精度高：采用激光束经过物体扫描的方式进行成像，精度高，误差小。
3. 适用范围广：激光成像技术广泛应用于工业制造、医学、生物学等
各个领域中。
缺点：
1. 昂贵：激光器等设备价格高昂。
2. 安全性问题：高能量、高亮度的激光束会对人体造成伤害，需要严
密的安全措施。
3. 依赖性较强：激光成像技术对环境要求高，需要较为理想的实验条
件。
总之，激光成像技术作为一种高分辨率成像技术，可以在微观级别上进行成像，广泛应用于工业制造、医学、生物学等领域。
激光技术1
（1） 自发辐射
没有外界干预 E2 E1
E2 .
h E2
。 h
E1
发光前
E1 .
发光后
A N 单位时间内，因自发辐射跃 d N21
迁而产生的光子数的密度为 dt
21 2
A21自发辐射系数，物理意义
1、光与物质的相互作用
d N2 d N21 A21N2 d t
d N2 N2
一种特殊的激发态，寿命特别长，10-4~1秒 亚稳态
如铬离子、氦原子、二氧化碳等粒子中都存在
1、光与物质的相互作用
（2） 受激吸收
原子吸收外来光子能量 hν , 并从低能 级E1 跃迁到高能级E2
E2
E2 E1 h
E2
.
. E1
E1 。
d N12 dt
B12 ( )N1
ρ(ν)外来光单色辐射能量密度
2. 激光器的应用
激光通讯系统方框图
2. 激光器的应用
激光通信与无线通信相比，优点： （i）传递信息容量大，传送路数多。
理论指出，载波频率越高，传输的信息量越大。
以中波无线电通信为例，各电台间互不干扰，每个电台需 要占用10KHz左右的频率范围。收音机的中波波段为1000KHz， 整个波段只能安排100个电台同时广播，拥挤。在厘米波中，每 个电台需占用10MHz的频率范围，整个厘米波段的频带宽度为 103MHz，也只有同时发送100套节目。
红宝石激光器
1、固体激光器
氙灯和红宝石棒平行地 放置在聚光器内的对称 位置上，聚光器内壁抛 光并镀上金属反射层
如果氙灯发出的光足够强，红宝石棒中大量 的激活离子被激发，并使激活离子在激光上、下 能级之间形成粒子数反转；当光的增益超过损耗 时，就产生激光振荡，在部分反射镜一端输出很 强的激光
激光的原理与特点
激光的原理与特点
激光，是指具有高度一致的光波振荡特性的一种光束。
激光的原理是通过三级系统（包括基态、激发态和亚稳态）之间的电磁辐射相互作用而产生的。
具体来说，激光的原理包括光放大、光共振、正反馈等。
激光的特点主要有以下几个方面：
1. 高度的单色性：激光的频率非常纯净，只有极少的频率成分，因此它具有非常高的单色性。
这是由于激光光波是由一个频率极为准确的谐振振荡系统所产生的。
2. 高度的方向性：激光光束具有非常高的方向性，激光光束在传播过程中很少发生散射，能够以非常窄的角度进行定向传播。
这是由于激光的振荡介质是一个长而细的谐振腔。
3. 高度的相干性：激光光束具有非常高的相干性，所有的光波的振幅和相位都高度一致。
这是由于激光光波是由许多同样频率和相位的原子或分子发射的。
4. 高度的能量密度：激光光束具有非常高的能量密度，能够集中大量的能量在一个很小的空间范围内。
由于激光的强度非常大，因此它可以用来进行高精度的切割、焊接等工业加工。
总之，激光作为一种特殊的光线，具有高度的单色性、方向性、相干性和能量密度，这些特点使得激光被广泛应用于科学、医学、工业等多个领域。
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R1＋ R2 ＝ 1
对称共心腔：R
＝
1
R2
＝ L/2
（6）、虚共焦腔： R 1/2 ＋ R 2/2＝ L，
非稳腔的特点: • 具有较大的模体积 • 具有较好的选模能力 • 能实现光束的侧向耦合输出
第二部分 激光产生的 基本原理
激光的基本原理及特性
3、谐振腔的纵模及驻波条件
（1)、 模式表示方法及模式特征参数 • TEMmnq－Transverse Electromagnetic wave
共轴球面镜腔的稳定性条件
• 共轴球面镜腔 两反射镜为球面镜, 有共同光轴
凹面镜 R > 0; 凸面镜 R < 0; 平面镜 R＝∞
• 稳定条件: 几何偏折损耗 稳定腔 任何傍轴光线可以在腔内往返无限多次不会 逸出腔外 几何偏折损耗小 (低损耗腔)
非稳定腔 傍轴光线有限次反射后便逸出腔外
几何偏折损耗大(高损耗腔) 几何光学方法 两种不同的腔的理论处理方法, 设计方法不同
• 利用几何光学光线矩阵方法分析腔中的几何偏折损耗
激光的基本原理及特性
第二部分 激光产生的 基本原理
稳定判据 表达式
0 g1g2 1 稳定腔
g1 g2 0
其中
g1
1
L R1
g2
1
L R2
g2
• 只适用于简单的共轴球面镜腔(直腔)
• 稳定腔因腔损耗小，适用于中、 小功率激光器；
• 非稳腔可用于大功率激光器中， 其优点是模体积大，还可限制 模式
• 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。
激光的基本原理及特性
第二部分 激光产生的 基本原理
3、激光产生的基本条件及激光形成过程
基本条件：
1、实现粒子数反转（粒子数反常分布） 2、满足阈值条件（增益大于或等于损耗）
阈值：产生激光所要需的最低能量
激光形成过程： 泵浦（抽运） 放大
c 2L
q
c 2L
激光的基本原理及特性
4、横模及横模的形成
横模－相同的横向场分布的模式（不同光斑花样） （1）x, y 轴对称 TEMmn m－X向暗区数 n－Y向暗区数
第二部分 激光产生的 基本原理Βιβλιοθήκη TEM00TEM10
TEM20
TEM03
TEM11
TEM31
（2）旋转对称 TEMmn m－暗直径数；n－暗环数(半径方向)
-1 g1g2 = 1
1
g1g2 = 1
01
g1
-1
激光的基本原理及特性
2、激光器中常用光学谐振腔的结构形式
（1）、平行平面镜腔：
L
R 1 ＝ R 2 ＝ ∞ 腔的模体积大，衍射损耗比较
大，常用在固体激光器中。
（2）、共焦腔： R 1＝ R 2＝ L，腔的模体积最小，几何损耗小。
（3）、双凹腔： R 1 > L， R 2 > L，或者
TEM00
TEM01
TEM02
TEM10
TEM20
• 基(横)模 TEM00
• 光斑轴对称或旋转对称分布取决于增益介质的几何形状
• 增益介质的不均匀或腔内插入其它光学元件（布氏窗、
反射镜等）会破坏腔的旋转对称性，出现轴对称横模。
TEM30
激光的基本原理及特性
• 横模产生的原因 开腔模式形成的定性解释
激光的基本原理及特性
第二部分 激光产生的 基本原理
n2
f2 f1
n1
n2
f2 f1
n1
正常分布 受激吸收 占主导 光衰减，吸收 反转分布 受激辐射 占主导 光放大 有增益
N2 < N1
N2 > N1
增益介质：处于粒子数反转分布状态的物质
为实现粒子数反转分布，要求在单位时间内激发到上能级的粒子数密度越多越好， 下能级的粒子数越少越好，上能级粒子数的寿命长些好。
激光的基本原理及特性
第二部分 激光产生的 基本原理
三、激光产生的基本原理
（一）、激光的形成及产生的基本条件
1、粒子数反转分布
E
E2 E1
n3 n2
玻尔兹曼分布
n2
E2 E1
e KT
n1
n n1
E
E2 E1
n1 n2
反转分布
n3
单位时间内STE增加的光子数密度 单位时间内STA减少的光子数密度
w21n2 B21n2 w12n1 B12n1
激光的基本原理及特性
第二部分 激光产生的 基本原理
2、激光器的基本结构
n w21 A21
w21 n 1 STE光子集中在几个模式
轴向模
非轴向模
技术思想的重大突破 － F-P 光谐振腔 • 开放式光谐振腔使特定（轴向）模式的增加, 其它（非轴向）模式数
逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。
光学谐振腔的作用：提供反馈和模式选择
腔的构成与分类
第二部分 激光产生的 基本原理
h
1hh23
h2 < h1, h3
半导体激光器 介质波导腔
(a) 闭腔 (b) 开腔 (c) 气体波导腔
另：折叠腔、环形腔、复合腔 复合腔－腔内加入其它光学元件，如透镜，F－P标准具等
激光的基本原理及特性
第二部分 激光产生的 基本原理
m, n － 横模指数 ； q －纵模指数 • 模式主要特征：
* 场分布，谐振频率，往返损耗，发散角
场分布
沿光轴方向（纵向）场分布 E(z) － 纵模 垂直于光轴方向(横向)场分布E(x,y)－横模
（2）、 纵模 （干涉仪理论） － 具有相同的纵向场分布的模式
第二部分 激光产生的 基本原理
激光的基本原理及特性
第二部分 激光产生的 基本原理
粒子数反转 达到阈值
受激放大 激光输出
振荡
• 粒子数反转分布是STE占优势（产生激光）的前提条件 • 依靠外界向物质提供能量（泵浦或称激励）才能打破热平衡，
实现粒子数反转 • 激励（泵浦）能源是激光器基本组成部分之一
光(闪光灯，激光)、电(气体放电，电注入)、化学 、核
激光的基本原理及特性
（二）、光学谐振腔及激光的模式 1、光腔的构成及稳定条件
R 1 < L， R 2 < L， 但：R 1 ＋ R 2 > L 腔的模体积大于共焦腔，一般用于中小功率激光器。
（4）、平凹腔： 当 L ＝ R/2 时为半共焦腔， 一般也常用于中小功率激光器。
第二部分 激光产生的 基本原理
激光的基本原理及特性
2、激光器中常用光学谐振腔的结构形式
（5）、实共心腔：
第二部分 激光产生的 基本原理
（3）、驻波条件（相长干涉条件）
模谱
• 驻波场分布
L q q q 2
2
q
q
c; 2L
L hL
L • 不同的纵模对应腔内不同的驻波场分布
E 2E0 sinkz sint
L
• 纵模序数q 对应驻波场波节个数，q 很大，不计
• 纵模间隔
q
q
1 c
2L
q
c 2L