激光原理课件
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《激光的基本原理》课件
利用光子学技术，可以实现高灵敏度、高分辨率的医学成 像和诊断。同时，光子学技术还可以用于生物科学研究， 如荧光共振能量转移等技术可以用于研究生物分子间的相 互作用和动力学过程。此外，光子学技术还可以用于光热 治疗、光动力治疗等领域，为癌症治疗等提供新的手段。
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详细描述
超快激光技术可以用于超快光谱学、 超快成像等领域，为物质科学研究提 供新的工具。同时，超快激光技术还 可以用于微纳加工、光刻等领域，提 高加工精度和效率。
光子晶体激光器的研究与应用
总结词
光子晶体激光器是一种新型的激光器件，具 有高效率、高稳定性等优点，在光通信、光 计算等领域具有广阔的应用前景。
随着技术的进步和应用需求的不断增长，激光技术逐渐拓展 到工业、医疗、通信、军事等领域，成为现代科技的重要组 成部分。
激光的重要性和应用领域
激光具有高亮度、高方向性、高单色 性和高相干性等优点，因此在科学研 究、工业生产、医疗卫生、军事等领 域有广泛的应用。
此外，激光还在通信、测量、军事等 领域中发挥着重要的作用，有力地推 动了科学技术的发展和社会进步。
1960年，美国物理学家梅曼发明了第一台红宝石激光器，标志着激光技 术的诞生。
激光的英文名称是“Laser”，是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的缩写，意为“受激发射光放大”。
激光的发展历程
激光技术经历了从初步实现到逐步成熟的发展过程，各种不 同类型的激光器也不断涌现，如气体激光器、固体激光器、 液体激光器和半导体激光器等。
例如，在工业领域中，激光可以用于 打标、切割、焊接、热处理等；在医 疗领域中，激光可以用于治疗眼科疾 病、皮肤病、口腔疾病等。
《激光的基本原理》课件
高相干性使得 激光在许多应 用中具有独特 的优势，如激 光通信、激光
雷达等
05
激光的应用
工业制造
激光焊接：用于焊接各种金 属和非金属材料
激光切割：用于切割各种金 属和非金属材料
激光打标：用于在产品上标 记文字、图案、条形码等
激光清洗：用于清洗各种表 面污垢和锈蚀
医学领域
激光治疗：用于皮肤病距：测 量距离、高度、
速度等参数
激光通信：实 现远距离、高 速率的信息传
输
激光加工：切 割、焊接、打 孔等精密加工
激光医疗：治 疗疾病、美容 等医疗领域应
用
06
激光的未来发展
新材料的应用
激光器：新型激光材料可以提高激光器的性能和稳定性 光学器件：新型光学材料可以提高激光的传输效率和稳定性 激光加工：新型材料可以提高激光加工的精度和效率 激光医疗：新型材料可以提高激光医疗的安全性和效果
高方向性
激光束在传播过程中保持高度集 中，不易发散
激光束的传播距离可以非常远， 可以达到几千公里甚至更远
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
激光束的直径可以非常小，只有 几微米甚至更小
激光束的亮度非常高，可以达到 太阳表面亮度的数百万倍
单色性
激光是一种单色光， 其波长非常单一
单色性使得激光在 传输过程中不易发 生色散，从而保证 了激光的稳定性和 准确性
高功率激光器的研究
激光器的发展历 程：从低功率到 高功率的演变
高功率激光器的 应用领域：军事、 工业、医疗等
高功率激光器的 技术挑战：散热 、稳定性、安全 性等
高功率激光器的 未来趋势：更高 功率、更小体积 、更稳定等
激光在新能源领域的应用
激光原理课件
吸收跃迁： 低 吸收能量 高 辐射跃迁： 高 辐射能量 低
（自发辐射）
h E1 E2
3. 受激辐射：
激光原理 . 第一章
爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁， 黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达 到热平衡，还必须存在受激辐射。
二、自发辐射、受激吸收和受激辐射
1. 自发辐射
E2
h
E1
发光前
发光后
h E2 E1
激光原理 . 第一章
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、 振动方向、相位不一定相同——为非相干光。
A 自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）： 21
1
A21 S
原子在能级 E2 的平均寿命
只与原子本身性质有关，与辐射场无关
爱因斯坦——1917年，提出受激辐射概念。 1. 黑体辐射的Planck公式：
任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。
黑体：能够完全吸收任何波长 的电磁辐射的物体。
空腔辐射体
热平衡状态：
激光原理 . 第一章
黑体吸收的辐射能量 黑体发出的辐射能量
单色能量密度
：
dE
dVd
Planck辐射能量量子化假说：
激光原理 . 第一章
A21 B21
8 h 3
c3
n h
B12 f1 B21 f2
f1 f2
B12 B21 W12 W21
A21
8 h
c3
3
B21
结论：
激光原理 . 第一章
1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故 正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。
激光原理及应用PPT课件
激光治疗
通过激光照射病变组织，达到治 疗目的，如激光治疗近视、祛斑
等。
激光手术
利用激光进行微创手术，具有出 血少、恢复快、精度高等优点， 如激光心脏手术、激光眼科手术
等。
激光诊断
利用激光光谱技术对人体组织进 行检测和分析，为疾病诊断提供
依据。
军事国防领域应用
激光雷达
利用激光雷达进行目标探测、识别和跟踪，具有高分辨率、抗干 扰能力强等特点。
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。
新型激光技术
研究新型激光技术，如光纤激光器、化学激光器等，拓展激光器的 应用领域。
高功率、高效率、高稳定性挑战
高功率激光器
提高激光器的输出功率，满足高能激光武器、激光聚变等领域的 需求。
高效率激光器
优化激光器的能量转换效率，降低能耗，提高激光器的实用性。
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。
特点
结构紧凑、效率高、光束 质量好。
应用领域
工业加工、医疗、科研等。
气体激光器
工作原理
利用气体放电激励气体分子或原子， 使其产生能级跃迁并辐射出激光。
特点
应用领域
激光切割、焊接、打孔等工业应用。
输出功率大、光束质量好、效率高。
激光原理及应用PPT课 件
contents
目录
• 激光原理基本概念 • 激光技术发展历程及现状 • 激光器类型及其特点分析 • 激光在各领域应用案例分析 • 激光安全问题及防护措施探讨 • 未来发展趋势预测与挑战分析
激光原理基本概念
《激光产生的原理》课件
激光物理
利用激光的特点和研究光与 物质相互作用规律的一门学 科，具有深入揭示特点进行化学反应的引 发和调控，具有高效、环保 、可控性强等特点。
激光生物学
利用激光的特点和研究生物 体系结构和功能的学科，具 有深入揭示生命现象和本质 的特点。
激光的色纯度受到光学元件的 限制，难以达到完美的单色性 。
激光的相干性会导致其光束发 散角较小，传输距离有限。
未来展望
随着科技的不断发展，未来有望通过新材料、新技术的研发，提高激光的输出功率 和单色性。
探索新型的激光产生机制，如超快激光、量子级联激光等，将为科技发展带来新的 突破。
结合其他技术领域，如人工智能、物联网等，实现激光技术的智能化和网络化，拓 展其在各行业的应用前景。
《激光产生的原理》 ppt课件
目录
CONTENTS
• 激光简介 • 激光产生的原理 • 激光的应用 • 激光的未来发展 • 总结
01
激光简介
激光的定义
01
激光定义：激光是由原子或分子 等物质在受到外部能量激发后， 自发辐射产生的相干光。
02
激光的产生需要满足三个基本条 件：工作物质、激励能源和光学 谐振腔。
高亮度
由于光的相干性，激光可以形 成高亮度的平行光束。
03
激光的应用
工业领域
激光切割
激光焊接
利用高能激光束对材料进行精确切割，具 有高效、精准、环保等优点。
通过激光束的高能量实现金属或非金属材 料的连接，具有焊接强度高、变形小、精 度高等特点。
激光打标
激光清洗
利用激光的高能量密度在各种材料表面进 行标记和刻蚀，具有标记清晰、耐久性好 、适用范围广等优点。
激光美容
激光原理与技术PPT课件
激光手术
阐述激光手术在眼科、神 经外科等领域的应用及优 势，如精度高、创伤小等 。
05
CATALOGUE
激光测量与检测技术
激光干涉测量技术
1 2
干涉测量原理
利用激光的相干性，通过干涉条纹的变化来测量 长度、角度等物理量。
干涉测量系统组成
包括激光器、分束器、反射镜、探测器等部分。
3
干涉测量技术应用
时间特性
激光束的时间特性包括脉冲宽度、重复频率和稳定性等。其中，脉冲宽度决定 了激光的峰值功率和能量，重复频率则影响了激光的平均功率。稳定性则是确 保激光束在长时间内保持一致性的关键因素。
激光束的调制与偏转技术
调制技术
通过对激光束进行幅度、频率或相位等调制，可以实现信息 的加载和传输。常见的调制方式包括振幅调制、频率调制和 相位调制等。这些调制技术使得激光束能够携带更多的信息 ，并在通信、传感等领域得到广泛应用。
对皮肤的危害
长时间或高强度激光照射皮肤， 可能导致皮肤烧伤、色素沉着、 皮肤癌等严重后果。
激光安全标准与防护措施
激光安全标准
国际电工委员会（IEC）和美国激光产品安全标准（ANSI）等制定了激光产品的 安全标准，包括激光等级分类、安全警示标识、使用说明等。
防护措施
使用激光产品时，应佩戴合适的防护眼镜或面罩，避免直接照射眼睛或皮肤；同 时，应在激光工作区域内设置明显的安全警示标识，提醒他人注意安全。
偏转技术
激光束的偏转技术主要是通过改变激光束的传播方向来实现 。常见的偏转方式包括机械偏转、电光偏转和声光偏转等。 这些偏转技术使得激光束能够灵活地指向目标，并在激光雷 达、光学扫描等领域发挥重要作用。
激光束的聚焦与整形技术
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。
激光的基本原理课件
单色性好
激光的波长范围很窄，颜色纯度高， 因此其单色性非常好，常用于光谱分 析和精密测量。
相干性好
激光的频率单一且稳定，因此其相干 性非常好，常用于干涉仪和全息成像 等光学实验。
激光的分类
01
02
03
04
按工作物质分类
根据工作物质的不同，激光可 以分为固体激光、气体激光、 液体激光和半导体激光等。
20世纪50年代，随着光学技术和电子技术的不断发展，激光技术开始进入实用阶段。
激光的发展历程
1960年，梅曼发明了第一台红 宝石激光器，标志着激光技术的
诞生。
随后，各种不同类型的激光器不 断涌现，如二氧化碳激光器、固
体激光器、气体激光器等。
随着技术的不断进步，激光技术 的应用领域也不断扩大，涉及到 通信、医疗、军事、工业制造等
激光美白
通过激光照射，能够刺激 皮肤胶原蛋白的再生和修 复，使皮肤更加紧致有弹 性，达到美白效果。
激光脱毛
利用激光能量破坏毛囊的 生长能力，实现永久性脱 毛，具有安全、无痛、效 果持久等优点。
科研实验
激光光谱学
利用激光的特性，研究物质与光 相互作用的规律，广泛应用于化
学、物理、生物等领域。
激光雷达
按输出功率分类
根据输出功率的大小，激光可 以分为低功率激光、中功率激
光和高功率激光。
按波长分类
根据波长的不同，激光可以分 为可见光激光、红外激光和紫
外激光等。
按工作方式分类
根据工作方式的不同，激光可 以分为连续激光和脉冲激光。
04 激光的应用领域
工业制造
激光切割
激光打标
利用高能激光束对材料进行精确切割， 具有切割速度快、精度高、切口质量 好等优点。
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。
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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。
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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，
《激光原理》PPT课件
对未来学习建议
深入学习激光原理相关知识
包括激光器设计、激光光束质量控 制、非线性光学等，为从事激光相 关领域工作打下坚实基础。
关注前沿动态
及时了解激光领域的最新研究进展 和前沿动态，把握发展趋势。
拓展跨学科知识
学习光学、电子学、材料学等相关 学科知识，拓宽视野，为深入研究 激光技术提供多维度支持。
实践与应用
通过实验操作、项目实践等方式， 将所学知识应用于实际问题的解决 中，提升实践能力和创新能力。
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感谢观看
液体染料激光器技术特点
具有宽调谐范围、高转换效率、短脉冲输出等优点。同时 ，液体染料激光器也存在染料稳定性差、需要定期更换等 缺点。
液体染料激光器应用领域
广泛应用于光谱学、生物医学、光化学等领域。例如，可 用于荧光光谱分析、激光医疗、光动力疗法等。
半导体材料发光机制及器件结构
半导体材料发光机制
半导体材料中的电子在导带和价带之间跃迁时，会释放出能量并以光子的形式发出。通过 控制半导体材料的能带结构和载流子浓度，可以实现不同波长的激光输出。
量子点激光器优势
宽频带可调谐、低阈值电流、高稳定性等
其他新型激光器简介
表面等离激元激光 器
利用表面等离激元效应实现光放大和激光
微腔激光器
利用微纳加工技术实现高品质因子微腔，实现低阈值激光
生物激光器
利用生物组织或细胞中的荧光物质实现激光输出，具有生 物相容性和可降解性等优点。
06
激光调制、检测与应用 技术
典型案例分析：激光雷达测距系统
工作原理
激光雷达测距系统通过发射激光 束并接收目标反射回来的光信号 ，根据光信号的时间差或相位差 计算出目标距离。
激光原理 全套课件 共214页
来研究平平腔内模式的方法；
• 优点
uq1 Kuqds' S
– 理论上可以研究任何类型的光学谐振腔；
– 通过迭代法近似计算证明了自再现模的存在性；
– 计算过程与开腔模式的物理机制类似，方便理解；
• 缺点
– 收敛性不好，计算量大；
– 对高阶模式的计算误差较大；
11.1 平行平面腔自再现模式的迭代解法
12.1 衍射积分方程及其解析解
• 通过分离变量求得：
mFm(X)
ie2ikL
1/
2
c Fm(X')eiXX'dX'
c
nGn(Y)
ie2ikL
1/
2
c Gn(Y')eiYY ' dY'
c
• 寻找方形镜共焦腔自再现模的问题等价于求解这两个本征
激光原理与技术·原理部分
第11讲 平行平面腔自再现模式
11.0 平行平面腔
• 平行平面腔
– 优点：光束方向性好、模体积较大、容易获得 单横模振荡；
– 缺点：调整精度要求较高、损耗比稳定腔大；
• 分析平行平面腔的方法
– 分析平平腔的主要内容就是分析其振荡模式， 也就是求解平平腔条件下的菲涅尔-基尔霍夫衍 射积分公式；
• 可以通过迭代得到另一种形式的稳 定解，如右图所示，图中的相对振 幅在镜中心处为零，在镜边缘处也 为最小值，然而在镜中心和边缘中 间存在两个极值，在镜面上出现了 场振幅为零的节线位置，整体的分 布具有奇对称特性，这样的模称为 条状腔的最低阶奇对称模，以 TEM1表示。
• 腔中还存在着其他的高阶模式；
a
(1)
激光原理与应用课件
9
1 ．3 激光工作物质的能级结构
一、三能级系统
激发态的平均寿命只有10-8(s)。然而在原子的能 级中，有一种特殊的能级，其寿命可达10-3(s)甚
至更长。我们称这种状态为原子的亚稳态。
在He、Ne、CO2 、N2等物质中都有这种能级结 构
10
物质三能级系统的示意图
抽运
快 E3
E2 (亚稳态)
n 受激辐射出的光子，与入射光子具有相
同的频率，相同的初相，相同的传播方
向，相同的偏振态等。
E2
hv
E1
hv
E2
hhvv
输入 hv
hv hv
hv hv 输出
E1
hv
受激辐射示意图
受激辐射光放大示意图
6
1 ．2 粒子数反转
n 处在温度为T的平衡态下，各能级上分布的分 子数，服从玻尔兹曼分布，
n 高能态En'上分布的分子数与低能态En上分布的 分子数之比为：
34
3．4 激光在几何参数测量方面的应用
一、激光测距技术
1、激光脉冲计数方法
2、相位测距法
B
X A
He-Ne激 光
45°
二、利用激光技术和几M何学d原理可以对板N参材考平面
的厚度进行测量
激光测厚原理示意图
35
3.5 激光条码检测技术
n 条码技术是通过一定形状和间隔的条纹 组合来表达计算机“0” 、“1”语言的一种方 法。
慢
E1 (基态)
n 应该注意：三能级系统，是指激光器在运转过 程中，所涉及到的三级能级。并不是指该系统 仅有这三条能级。
11
二、四能级系统
抽运
快 E4
E3 (亚稳态)
1 ．3 激光工作物质的能级结构
一、三能级系统
激发态的平均寿命只有10-8(s)。然而在原子的能 级中，有一种特殊的能级，其寿命可达10-3(s)甚
至更长。我们称这种状态为原子的亚稳态。
在He、Ne、CO2 、N2等物质中都有这种能级结 构
10
物质三能级系统的示意图
抽运
快 E3
E2 (亚稳态)
n 受激辐射出的光子，与入射光子具有相
同的频率，相同的初相，相同的传播方
向，相同的偏振态等。
E2
hv
E1
hv
E2
hhvv
输入 hv
hv hv
hv hv 输出
E1
hv
受激辐射示意图
受激辐射光放大示意图
6
1 ．2 粒子数反转
n 处在温度为T的平衡态下，各能级上分布的分 子数，服从玻尔兹曼分布，
n 高能态En'上分布的分子数与低能态En上分布的 分子数之比为：
34
3．4 激光在几何参数测量方面的应用
一、激光测距技术
1、激光脉冲计数方法
2、相位测距法
B
X A
He-Ne激 光
45°
二、利用激光技术和几M何学d原理可以对板N参材考平面
的厚度进行测量
激光测厚原理示意图
35
3.5 激光条码检测技术
n 条码技术是通过一定形状和间隔的条纹 组合来表达计算机“0” 、“1”语言的一种方 法。
慢
E1 (基态)
n 应该注意：三能级系统，是指激光器在运转过 程中，所涉及到的三级能级。并不是指该系统 仅有这三条能级。
11
二、四能级系统
抽运
快 E4
E3 (亚稳态)
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1. 工业应用 精密测量(距离、位移) 激光加工(切割、焊接、打孔、雕刻) 光谱分析
2. 医学应用 眼科 普通外科 牙科 皮肤科
激光原理课件
激光原理 . 绪论
3. 军事应用 激光测距 激光侦察 大气激光通信
激光制导
激光原理 . 绪论
激光原理课件
激光武器
激光原理 . 绪论
激光原理课件
4. 日常应用 激光打印机 电脑光驱 激光防伪 激光霓虹灯 CD/VCD
激光原理
激光原理课件
内容概要
第一章：概述激光器基本原理
第二章：开放式光谐振腔理论 与高斯光束 第四章：阐明光和物质相互作用的基本物理过程 第五章、第六章：激光振荡和放大理论 第七章：介绍控制和改善激光器特性的基本技术 第九章：介绍典型激光器的工作原理及特性
目标
对激光技术中的物理问题有较系统全面的认识； 建立正确的基本概念； 掌握一定的有关激光器技术方面的知识。
条形码扫描器
激光原理 . 绪论
激光原理课件
激光原理 . 绪论
激光原理课件
5. 通信领域的应用 （1）空间激光通信
激光原理 . 绪论
激光原理课件
（2）光纤通信
光纤的优越性： • 宽带 • 不受电磁干扰 • 重量轻 • 低损耗
激光原理 . 绪论
光纤通信用光源： 短距离通信用0.85um； 长距离通信用1.31um，1.55um
xLx R
Lx R
x 2Βιβλιοθήκη 2光源的相干面积激光原理课件
光源的相干体积：
激光原理 . 第一章
Vc
Ac Lc
2
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Phcn0，
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PxPyPz
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xyz 2 ( )2 Vc
结论3：相格的空间体积 相干体积。 激光原理课件
xyzpxpypzh3 P h k
2
3 3
kxkykz
xyz V
结论2：一个光波模式 一个光子态。 激光原理课件
二、光子的相干性
激光原理 . 第一章
相干光波：频率相同、振动方向一致、位相差恒定的两束光波。
相干长度：沿传播方向的相干长度。 空间相干性 相干面积：垂直于光传播方向截面上的相干面积。
相干体积：空间体积 V c 内各点的光波场都具有明显 的相干性，则V c 为相干体积。
有限空间V内：存在具有特定波矢的单色平面驻波。
y
x
/2
V xyz
x
m
2
y n 2
驻波条件
z
q
2
激光m原、理课n件、q为正整数
k2/
kx
2
ky
2
kz
2
x
m
2
y
n 2
z
q 2
激光原理 . 第一章
kx
x
m
ky
y
n
kz
z
q
每组m、n、q对应一种光波模式 （含两个偏振态）
激光原理课件
相邻模间隔：kx
x
, ky
y
, kz
z
波矢空间中每个光波模式所占体积：
3 3
kxkykz
xyz V
第一象限中 k k dk区间体积：
kx
激光原理 . 第一章
kz k ky
14k2dk1k2dk
8
2
此体积内光波模式数：
1k2dk
2
3 k2dk V22 V
k 2 2 c
2 d
dk c激光原理课件
V体积空腔内，
频率 d内
光波模式数：
8 2d
M c3 V
2. 光子（状）态：
相空间： x， y， z， px， py， pz
空间坐标
动量
相空间内一点表示质点的一个运动状态。
激光原理 . 第一章
测不准关系： xyzpx py pzh3
相格：同一光子态的光子所占的相空间体积元。
结论1：同一相格中的光子运动状态无法区分， 它们属于同一光子态。
一、光波模式与光子态
波动说－电磁理论 －波动属性： 光波模式
光的波粒二象性
微粒说－光子理论 －粒子属性： 光子态
激光原理课件
1. 光波模式（用波动观点求光波模式数）
激光原理 . 第一章
波矢： k kn0
k2/
n 0 ：波的传播方向
一个波矢对应两个光波模式
激光原理课件
激光原理 . 第一章
自由空间中：具有任意波矢的单色平面波都可能存在；
激光原理课件
激光原理
一、激光的特性
1. 方向性好
绪论
激光原理 . 绪论
激光原理课件
2. 单色性好
激光原理 . 绪论
激光原理课件
3. 能量集中 空间高度集中：亮度比太阳表面高 1 0 倍1 0 。 时间高度集中：功率峰值为 1 0 瓦1 2 。
4. 相干性好
激光原理 . 绪论
激光原理课件
二、激光的应用
结论：
激光原理 . 第一章
相格空间体积
一个光波模式所占空间体积
同一光子态所占空间体积
相干体积
三、光子简并度 n
处于同一相格中的光子数， 处于同一模式中的光子数， 处于相干体积内的光子数， 处于同一光子态的光子数。
决定了相干光强，反映光源的单色亮度。
Vc Ac Lc
激光原理课件
激光原理 . 第一章
相干时间：光沿传播方向通过相干长度 L c 所需的时间。
c Lc c
I ( )
I
I
2
0
c
1
c
Lc
单色性越好，相干性就越好
激光原理课件
由杨氏双缝干涉实验讨论光波的相干体积：
x
S1
x
Lx
z
激光原理 . 第一章
S2
R
S1、S2 两光波场具有明显相干性的条件：
激光原理课件
五、激光器种类 根据工作物质
激光原理 . 绪论
固体激光器 ：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃 气体激光器 ：He—Ne，CO2，离子激光器 液体激光器 ：染料激光器 半导体激光器
激光原理课件
第一章 激光的基本原理
激光原理 . 第一章
§1.1 相干性的光子描述 光波模式、光子状态、相格、相干体积
光纤放大器： 1.55um波段的掺铒光纤放大器（EDFA）； 1.31um的掺镨光纤放大器（PDFA）； 1.27～1.67um全光波段的拉曼放大器 （RFA）
1480nm和980nm波长的半导体激光器是EDFA的泵浦光源
激光原理课件
三、激光技术发展史
激光原理 . 绪论
1.1917年：爱因斯坦在《关于辐射的量子力学»一文预言了 原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性;
2. 20世纪50年代：汤斯和肖洛的光激射器理论； 激光器方案的提出；
3. 1960年：梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器；
4.1960年至今：激光技术飞速发展。
四、 Laser －“激光” Laser
Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation “通过受激辐射实现光放大”
2. 医学应用 眼科 普通外科 牙科 皮肤科
激光原理课件
激光原理 . 绪论
3. 军事应用 激光测距 激光侦察 大气激光通信
激光制导
激光原理 . 绪论
激光原理课件
激光武器
激光原理 . 绪论
激光原理课件
4. 日常应用 激光打印机 电脑光驱 激光防伪 激光霓虹灯 CD/VCD
激光原理
激光原理课件
内容概要
第一章：概述激光器基本原理
第二章：开放式光谐振腔理论 与高斯光束 第四章：阐明光和物质相互作用的基本物理过程 第五章、第六章：激光振荡和放大理论 第七章：介绍控制和改善激光器特性的基本技术 第九章：介绍典型激光器的工作原理及特性
目标
对激光技术中的物理问题有较系统全面的认识； 建立正确的基本概念； 掌握一定的有关激光器技术方面的知识。
条形码扫描器
激光原理 . 绪论
激光原理课件
激光原理 . 绪论
激光原理课件
5. 通信领域的应用 （1）空间激光通信
激光原理 . 绪论
激光原理课件
（2）光纤通信
光纤的优越性： • 宽带 • 不受电磁干扰 • 重量轻 • 低损耗
激光原理 . 绪论
光纤通信用光源： 短距离通信用0.85um； 长距离通信用1.31um，1.55um
xLx R
Lx R
x 2Βιβλιοθήκη 2光源的相干面积激光原理课件
光源的相干体积：
激光原理 . 第一章
Vc
Ac Lc
2
c
c3
3 ( )2
Phcn0，
Ph
c
P
x
P
h c
P
y
P
h c
Pz
P
h c
h3 3 ( )2
PxPyPz
c3
c3
xyz 2 ( )2 Vc
结论3：相格的空间体积 相干体积。 激光原理课件
xyzpxpypzh3 P h k
2
3 3
kxkykz
xyz V
结论2：一个光波模式 一个光子态。 激光原理课件
二、光子的相干性
激光原理 . 第一章
相干光波：频率相同、振动方向一致、位相差恒定的两束光波。
相干长度：沿传播方向的相干长度。 空间相干性 相干面积：垂直于光传播方向截面上的相干面积。
相干体积：空间体积 V c 内各点的光波场都具有明显 的相干性，则V c 为相干体积。
有限空间V内：存在具有特定波矢的单色平面驻波。
y
x
/2
V xyz
x
m
2
y n 2
驻波条件
z
q
2
激光m原、理课n件、q为正整数
k2/
kx
2
ky
2
kz
2
x
m
2
y
n 2
z
q 2
激光原理 . 第一章
kx
x
m
ky
y
n
kz
z
q
每组m、n、q对应一种光波模式 （含两个偏振态）
激光原理课件
相邻模间隔：kx
x
, ky
y
, kz
z
波矢空间中每个光波模式所占体积：
3 3
kxkykz
xyz V
第一象限中 k k dk区间体积：
kx
激光原理 . 第一章
kz k ky
14k2dk1k2dk
8
2
此体积内光波模式数：
1k2dk
2
3 k2dk V22 V
k 2 2 c
2 d
dk c激光原理课件
V体积空腔内，
频率 d内
光波模式数：
8 2d
M c3 V
2. 光子（状）态：
相空间： x， y， z， px， py， pz
空间坐标
动量
相空间内一点表示质点的一个运动状态。
激光原理 . 第一章
测不准关系： xyzpx py pzh3
相格：同一光子态的光子所占的相空间体积元。
结论1：同一相格中的光子运动状态无法区分， 它们属于同一光子态。
一、光波模式与光子态
波动说－电磁理论 －波动属性： 光波模式
光的波粒二象性
微粒说－光子理论 －粒子属性： 光子态
激光原理课件
1. 光波模式（用波动观点求光波模式数）
激光原理 . 第一章
波矢： k kn0
k2/
n 0 ：波的传播方向
一个波矢对应两个光波模式
激光原理课件
激光原理 . 第一章
自由空间中：具有任意波矢的单色平面波都可能存在；
激光原理课件
激光原理
一、激光的特性
1. 方向性好
绪论
激光原理 . 绪论
激光原理课件
2. 单色性好
激光原理 . 绪论
激光原理课件
3. 能量集中 空间高度集中：亮度比太阳表面高 1 0 倍1 0 。 时间高度集中：功率峰值为 1 0 瓦1 2 。
4. 相干性好
激光原理 . 绪论
激光原理课件
二、激光的应用
结论：
激光原理 . 第一章
相格空间体积
一个光波模式所占空间体积
同一光子态所占空间体积
相干体积
三、光子简并度 n
处于同一相格中的光子数， 处于同一模式中的光子数， 处于相干体积内的光子数， 处于同一光子态的光子数。
决定了相干光强，反映光源的单色亮度。
Vc Ac Lc
激光原理课件
激光原理 . 第一章
相干时间：光沿传播方向通过相干长度 L c 所需的时间。
c Lc c
I ( )
I
I
2
0
c
1
c
Lc
单色性越好，相干性就越好
激光原理课件
由杨氏双缝干涉实验讨论光波的相干体积：
x
S1
x
Lx
z
激光原理 . 第一章
S2
R
S1、S2 两光波场具有明显相干性的条件：
激光原理课件
五、激光器种类 根据工作物质
激光原理 . 绪论
固体激光器 ：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃 气体激光器 ：He—Ne，CO2，离子激光器 液体激光器 ：染料激光器 半导体激光器
激光原理课件
第一章 激光的基本原理
激光原理 . 第一章
§1.1 相干性的光子描述 光波模式、光子状态、相格、相干体积
光纤放大器： 1.55um波段的掺铒光纤放大器（EDFA）； 1.31um的掺镨光纤放大器（PDFA）； 1.27～1.67um全光波段的拉曼放大器 （RFA）
1480nm和980nm波长的半导体激光器是EDFA的泵浦光源
激光原理课件
三、激光技术发展史
激光原理 . 绪论
1.1917年：爱因斯坦在《关于辐射的量子力学»一文预言了 原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性;
2. 20世纪50年代：汤斯和肖洛的光激射器理论； 激光器方案的提出；
3. 1960年：梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器；
4.1960年至今：激光技术飞速发展。
四、 Laser －“激光” Laser
Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation “通过受激辐射实现光放大”