大学物理激光课件讲义知识讲解
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大学物理课件激光
半导体材料及器件结构
01 02 03
半导体材料
半导体材料是指导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。常 见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）以及砷化镓 （GaAs）等。这些材料具有独特的能带结构和电子特性， 使得它们能够用于制造各种电子器件和光电器件。
半导体器件结构
半导体器件结构是指利用半导体材料制成的各种电子器件的 结构形式。常见的半导体器件结构包括二极管、晶体管、场 效应管等。这些器件结构具有不同的工作原理和特性，可用 于实现放大、开关、调制等功能。
受激辐射
原子或分子在外界光场的作用下， 从高能级向低能级跃迁并发射出一 个与入射光子完全相同的光子的过 程。
激光产生条件
粒子数反转
谐振腔
高能级上的粒子数大于低能级上的粒 子数，这是产生激光的必要条件。
激光器中的谐振腔提供了正反馈机制， 使得受激辐射的光子能够在腔内多次 往返并被放大，最终形成稳定的激光 输出。
增益大于损耗
在激光器中，增益介质提供的增益必 须大于各种损耗（如反射、吸收、散 射等）的总和，才能实现光放大并产 生激光。
激光器基本结构增益介质来自提供粒子数反转和光放大的物质， 如气体、液体、固体或半导体等。
泵浦源
为增益介质提供能量，使其实现 粒子数反转的装置，如闪光灯、 激光二极管等。
谐振腔
由两个反射镜组成的光学腔体， 提供正反馈机制并决定激光的波 长、方向性和模式等特性。
激光束质量评价
01
光束发散角
指激光束在传播过程中的发散程度，通常以毫弧度（mrad）为单位。
发散角越小，激光束的准直性越好，能够保持更长的有效照射距离。
02
光束稳定性
指激光束在时间和空间上的稳定性。稳定性越好，意味着激光束在传播
激光原理及应用 ppt课件
(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
ppt课件
13
4.重叠率计算——Overlap
激光器 扫描镜
• 场镜：聚焦系统为F-θ 平场透镜，选用焦距 f=254mm。普通聚焦透镜像高y与入射角度θ 的关 系符合y=f tgθ ，当入射光偏转时其在焦平面上 的扫描速度不断变化；对普通透镜作改进后使像
高y=f θ ，以等角速度偏转的入射光实现线性扫 描，这种线性成像物镜称为F-θ 镜。
振镜
扫描振镜其专业名词叫做高速扫描振镜Galvo scanning system。所谓振镜，又可以称之 为电流表计，它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法，镜片取代了表针，而探头的信号由计 算机控制的-5V—5V 或-10V－+10V 的直流信号取代，以完成预定的动作。同转镜式扫描系统 相同，这种典型的控制系统采用了一对折返镜，不同的是，驱动这套镜片的步进电机被伺服电
场镜
ppt课件
16
振镜是一种优良的矢量扫描器件。它是一种特殊的摆动电机 ,基本原理是通电线圈在磁场中产 生力矩 ,但与旋转电机不同 ,其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩 ,大小与转子偏 离平衡位置的角度成正比 ,当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时 ,电磁力矩与 回复力矩大小相等 ,故不能象普通电机一样旋转 ,只能偏转 ,偏转角与电流成正比 ,与电流计一 样 ,故振镜又叫电流计扫描振镜(galvanomet ric scanner) 。
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
ppt课件
13
4.重叠率计算——Overlap
激光器 扫描镜
• 场镜：聚焦系统为F-θ 平场透镜，选用焦距 f=254mm。普通聚焦透镜像高y与入射角度θ 的关 系符合y=f tgθ ，当入射光偏转时其在焦平面上 的扫描速度不断变化；对普通透镜作改进后使像
高y=f θ ，以等角速度偏转的入射光实现线性扫 描，这种线性成像物镜称为F-θ 镜。
振镜
扫描振镜其专业名词叫做高速扫描振镜Galvo scanning system。所谓振镜，又可以称之 为电流表计，它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法，镜片取代了表针，而探头的信号由计 算机控制的-5V—5V 或-10V－+10V 的直流信号取代，以完成预定的动作。同转镜式扫描系统 相同，这种典型的控制系统采用了一对折返镜，不同的是，驱动这套镜片的步进电机被伺服电
场镜
ppt课件
16
振镜是一种优良的矢量扫描器件。它是一种特殊的摆动电机 ,基本原理是通电线圈在磁场中产 生力矩 ,但与旋转电机不同 ,其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩 ,大小与转子偏 离平衡位置的角度成正比 ,当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时 ,电磁力矩与 回复力矩大小相等 ,故不能象普通电机一样旋转 ,只能偏转 ,偏转角与电流成正比 ,与电流计一 样 ,故振镜又叫电流计扫描振镜(galvanomet ric scanner) 。
大学物理激光ppt课件-2024鲜版
高斯光束定义
传输特性
在垂直于传播方向的平面上，光强分布呈高 斯函数形式的光束。
高斯光束在自由空间中传输时，其光斑大小、 光强分布以及波前曲率半径等参数会发生变 化。
瑞利长度
聚焦特性
高斯光束在传输过程中，光斑大小变化缓慢 的区域称为瑞利长度，它是高斯光束的一个 重要参数。
高斯光束经过透镜聚焦后，焦点附近的光强 分布和光斑大小与透镜焦距、光束腰斑大小 及波长等因素有关。
研究基于量子力学原理的激光技术，如量子点激光器、量子级联激光 器等。
2024/3/28
29
未来发展趋势预测
2024/3/28
激光技术的微型化和集成化
随着微纳加工技术的发展，未来激光器将更加微型化、集成化，实现 更高的性能和更广泛的应用。
智能化和自动化
借助人工智能、机，提高激光应用的便捷性和效率。
新型固体材料和新技术的发展为固体激 光器的发展提供了新的机遇和挑战。未 来，需要探索更多具有优异性能的新型 固体材料和新技术，以推动固体激光器 的创新和发展。同时，也需要解决新材 料和新技术的可靠性、稳定性和成本等 问题。
2024/3/28
22
06
光纤通信系统中激光技术应用
2024/3/28
23
光纤传输原理及特点
绿色环保
发展低能耗、低污染、高效率的激光技术，推动绿色环保的能源利用 和产业发展。
跨学科融合
加强激光技术与生物学、医学、材料科学等学科的交叉融合，开拓新 的研究领域和应用前景。
30
THANK YOU
2024/3/28
31
3
激光产生机制
01
02
03
粒子数反转
通过外界激励使高能级粒 子数多于低能级，实现粒 子数反转分布。
大学物理激光课件讲义
受激辐射
发光前 发光后
。
受激辐射的光放 大示意图
表明 ，处于低能级的电子数大于高能级的电子数， 这种分布叫做粒子数的正常分布.
1 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布
二 激光原理
已知
叫做粒子数布居反转 , 简称粒子数反转或称布居反转.
1 自发辐射
原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级 自动跃迁到低能级 ，这种跃迁称为自发跃迁. 由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.
一 自发辐射 受激辐射
。
发光后
自发辐射
自发辐射
单击添加文本
单击添加文本
2 光吸收
原子吸收外来光子能量 , 并从低能级 跃迁到高能级 , 且 , 这个过程称为光吸收.
2 单色性好
激光的单色性比普通光高 倍.
能量集中
END
相干性好 普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光 , 激光的发光过程是受激辐射, 它发出的光是相干光.
吸收后
。
吸收前
.
受激吸收
3 受激辐射
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
原子中处于高能级 的电子, 会在外来光子 (其频率恰好满足 ) 的诱发下向低能级 跃迁, 并发出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射.
红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石
。
。
全反射镜
半透射镜
红宝石棒
。
脉冲灯
红宝石激光示意图
。
01
02
03
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
04
激光器发展的主要方面
扩展了激光的波长范围.
激光的功率大大提高.
激光器能实现小型化.
2024年度激光原理及应用PPT课件
4
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
24
未来发展趋势预测
06
与挑战分析
2024/3/24
25
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
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
25
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
《激光》 讲义
《激光》讲义一、激光的定义和基本原理激光，全称为“受激辐射光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），是一种具有高度相干性、单色性和高强度的光源。
其基本原理基于原子或分子的能级结构。
在普通光源中，原子或分子的发光是自发的，各个原子或分子的发光过程相互独立，频率、相位和方向都是随机的。
而在激光中，通过外部能源（如电能、光能等）的激励，使得处于高能级的原子或分子数量超过低能级的数量，这种状态被称为“粒子数反转”。
当具有一定频率的光子与处于高能级的原子或分子相互作用时，会引发受激辐射。
受激辐射产生的光子与入射光子具有相同的频率、相位和传播方向，从而实现了光的放大。
为了实现稳定的激光输出，还需要一个光学谐振腔。
光学谐振腔由两个反射镜组成，使得光在其中来回反射，只有满足特定频率和相位条件的光才能形成稳定的振荡并从谐振腔中输出。
二、激光的特性1、高度相干性相干性是指光波在时间和空间上的相位关系。
激光具有高度的时间相干性和空间相干性。
时间相干性意味着激光的光波在时间上具有非常稳定的相位关系，这使得激光在干涉测量、光谱分析等领域具有重要应用。
空间相干性则表示激光在空间上的各点具有相同的相位，使得激光可以聚焦成非常小的光斑，用于高精度的加工和医疗等领域。
2、单色性激光的单色性非常好，即其波长或频率的范围非常窄。
这使得激光在光谱学、通信等领域能够提供非常精确的频率标准。
3、高强度激光能够在很小的空间内集中大量的能量，从而具有极高的强度。
这使得激光在材料加工、激光武器、核聚变等领域发挥着重要作用。
三、激光的产生方式1、气体激光器常见的气体激光器有氦氖激光器、二氧化碳激光器等。
以氦氖激光器为例，它利用氦气和氖气的混合气体，通过放电激发实现粒子数反转，产生激光。
二氧化碳激光器则常用于工业加工，其输出功率较大。
2、固体激光器固体激光器的工作物质通常是晶体或玻璃，如红宝石激光器、钕玻璃激光器等。
激光技术基础讲座ppt课件
激励能源系统
• 工作物质获得激活能的方式 光泵：氪灯、氙灯是常用光源，现在半 导体激光用作光泵源，体积小，效率高 气体放电：气体工作物质在电压作用下 放电，在碰撞下使微粒能级发生变化。 电流激励：半导体的PN结通过大电流时 形成能量转换。
激光谐振腔
• 谐振腔由二块反射镜组成：一块全反镜， 另一块部分反射镜，相对放置且与激光 器共轴。 • 医用激光器中用得最多的是平行平面腔 与平凹腔
• 光能与其它能量一样，计量单位为焦耳和尔格 1焦耳=107尔格 • 脉冲激光的参数有单脉冲能量、峰值功率和平均功率 单脉冲能量：一个光脉冲的能量，常以mj计 峰值功率：光脉冲最大处的功率 平均功率：每秒内脉冲能量之和 • 连续激光用光功率表示光的强弱 光功率：每秒钟发射的光能，单位为瓦（w）
• 激光的能量密度和功率密度
物质的能级结构
• 物质的结构是非连续的，由原子、分子 等组成 • 物质的能级结构是非连续的：基态和一 系列激发态。 • 基态：常温时处于最低的能量状态E0 • 激发态：E1,E2 …En …
Ü Ä En
• 量 •E2
E1 E0 nn n2 n1 n0 × ´ Ì ¬ Ê ý
物质中粒子数按能级的分布
激光束的特性
• 高斯光束：TEM00模振荡状态产生的光束强度分布为 2/2 -2r I=I0e • 发散角：很小，常用激光器在10mrad以下 • 光束的三大特点：方向性好：优于任何其它光源，因 此亮度大，亮度B=p/s,p:光功率，S=发射面积，： 发射立体角 单色性好：频带极窄因是固定能级间的跃迁 相干性好：因是受激发射，光子的产生是相关的，空 间相干性和时间相干性好。
光是电磁波，是电场和磁场在空间周期性 变化的传播 电场、磁场和传播方向三者相互垂直，在 空气中的传播速度为30万公里/秒 速度V= ：光的波长 ：光的频率
《激光基础知识》课件
感谢您的观看
汇报人：PPT
原理：通过发射激 光束并接收反射信 号，测量距离和速 度
应用：自动驾驶、 机器人、测绘等 领域
优势：精度高、 速度快、抗干扰 能力强
发展趋势：小型 化、低成本、高 可靠性
激光手术：用于眼科、皮肤科、 牙科等手术
激光治疗：用于癌症、心血管 疾病等疾病的治疗
激光诊断：用于医学影像、病 理诊断等领域
激光美容：用于皮肤美容、整 形等领域
激光的产生：通过受激辐射产生光子，形成激光 激光的特性：单色性、相干性、方向性和亮度高 激光的应用：通信、医疗、工业、军事等领域 激光的安全：激光操作需要遵守安全规定，防止眼睛和皮肤受到伤害
方向性好：激光束在传播过程中几乎不发散，具有很高的方向性。 亮度高：激光的亮度比普通光源高出数亿倍，甚至更高。 单色性好：激光的波长非常单一，具有很高的单色性。 相干性好：激光的相干性非常好，可以产生干涉、衍射等光学现象。
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 美容等
科研领域：激光测距、激光 雷达、激光通信等
娱乐领域：激光投影、激光 表演等
激光的产生与控制
激光的产生原理： 受激辐射
激光的产生过程： 原子或分子吸收 能量后，从低能 级跃迁到高能级， 再跃迁回低能级， 释放出光子
激光的波长：取 决于产生激光的 原子或分子的能 级差
激光对生物体的影响主要体现在热效应、光化学 效应和生物效应三个方面。
热效应：激光照射生物体时，生物体吸收激光能 量，产生热效应，导致生物体组织温度升高，甚 至烧伤。
光化学效应：激光照射生物体时，生物体 吸收激光能量，产生光化学效应，导致生 物体组织发生化学反应，甚至破坏生物体 组织。
激光基础知识ppt课件
亮度- 单位面积单位立体角内传出去的功率
• 发光在输出端面,发光面积小 • 方向性好,即发散角小 • 发光时间短,Q-开关技术为ns级,锁模技术为ps和fs级
强度-被照射表面激光的强弱
• 可以用透镜来增大
编辑版pppt
11
激光的相干性
• 激光是同相位的光,光的相位间有一定的 规律性
• 相干的程度叫做相干性
• 相干性 好
编辑版pppt
8
激光的单色性
激光的发光机制和 谐振腔结构
1. 粒子数反转 2. 只有特定波长满足干涉
加强条件,形成有效振荡
气体最好,固体次之, 半导体激光器最差
编辑版pppt
9
激光的方向性
• 激光与激发它的光波方向相同 • 谐振腔只准沿轴向传播的光振荡
编辑版pppt
10
激光的高亮度和强度
激光基础知识
编辑版pppt
1
主要内容
• 什么是激光? • 激光的发明和产生 • 激光的物理特性 • 激光器的基本结构和分类 • 激光的生物学特性
编辑版pppt
2
光谱图
Excimer
KTP
Holmium
Nd:YAG Er:YAG
190 - 390 488 - 514
532 577-630
694 755 1064 2100 2940 10600
• milli = one thousandth (10-3) • micro = one millionth (10-6) • nano = one billionth (10-9)
• 1 nanometer (nm) = 1/1,000,000,000 meter • 1000 nm = 1 micrometer (µm) = 1
• 发光在输出端面,发光面积小 • 方向性好,即发散角小 • 发光时间短,Q-开关技术为ns级,锁模技术为ps和fs级
强度-被照射表面激光的强弱
• 可以用透镜来增大
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激光的相干性
• 激光是同相位的光,光的相位间有一定的 规律性
• 相干的程度叫做相干性
• 相干性 好
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8
激光的单色性
激光的发光机制和 谐振腔结构
1. 粒子数反转 2. 只有特定波长满足干涉
加强条件,形成有效振荡
气体最好,固体次之, 半导体激光器最差
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9
激光的方向性
• 激光与激发它的光波方向相同 • 谐振腔只准沿轴向传播的光振荡
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10
激光的高亮度和强度
激光基础知识
编辑版pppt
1
主要内容
• 什么是激光? • 激光的发明和产生 • 激光的物理特性 • 激光器的基本结构和分类 • 激光的生物学特性
编辑版pppt
2
光谱图
Excimer
KTP
Holmium
Nd:YAG Er:YAG
190 - 390 488 - 514
532 577-630
694 755 1064 2100 2940 10600
• milli = one thousandth (10-3) • micro = one millionth (10-6) • nano = one billionth (10-9)
• 1 nanometer (nm) = 1/1,000,000,000 meter • 1000 nm = 1 micrometer (µm) = 1
大学物理下册——激光ppt
（3）粒子束反转分布
能量注入
泵浦源（激励源）
1．气体放电激励 2．光激励(光泵)
理学院物理系光学教研室
Page 13
4. 如何产生激光？ 有了受激辐射，粒子束反转分布机制就能产生激光吗？
（4）激光谐振腔使光往返放大
Page 14
理学院物理系光学教研室
4. 如何产生激光？ 激光器的组成
1. 受激辐射
1966年，研制成固体锁模激光器，激光器获得超短脉冲； 1970年，研制成了准分子激光器； 1977年，研制成了红外波段的自由电子激光器；
1984年，研制出光孤子激光器。
Page 29
理学院物理系光学教研室
6、 激光器的发展 近20年来，形成一系列新的交叉学科和应用领域：
信息光电子技术，激光医疗与光子生物学， 激光(微)加工，激光检测与计量，激光全息技术， 激光光谱分析技术，非线性光学，超快光子学， 激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，
激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新 生，而且导致整个一门新兴产业的出现； 激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段， 去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。
Page 27
理学院物理系光学教研室
6、 激光器的发展 6 激光器的发展 1961年： ⑴ 2月（A.Javan）贝尔实验室，研制成了He—Ne混合气体 激光器。
同频率，同相位， 同方向，同偏振
Page 9
理学院物理系光学教研室
3. 为什么有这些区别？
普通光源发光 “自发辐射”
激光光源发光 “受激辐射”
Page 10
理学院物理系光学教研室
4. 如何产生激光？ 有了受激辐射机制就能产生激光吗？
最终版大学物理课件10激光.ppt
I I dI
受激辐射的光能量是： o z
z
dN21 h BN2w h
净增加的光能量是： 课件
dE Sdzdt
(N2
N1 )Bw
h
I0
光强与光能量关系是
dz I I dI
dI dE Sdt
I cw
oz
z
dI dz
(N2
N1)B
I c
h
利用三个系数关系
dI I
dz
(N2
N1)
c2 A21
8 2
I I0ez 课件
——增益系数
显然： 0 光强减少 光吸收 0 光强增加 光放大
N2 N1 （称为粒子数反转）
二、激光工作物质
En
Nn
问题提出:
N2
在平衡态下，原子数目按能
级分布服从玻耳兹曼统计分布：
N1
En
Nn e kT
N2 < N1 课件
在什么条件下，可以实现粒子数反转：
它是单个原子单位时间内发生自发辐射概率。
注意到：dN21= –dN2 于是有
d N2
N 2N(t2)
A21 d
N 20e
t
A21t
课件
指数衰减律
10 自发辐射的各原子发的光是独立的、无关的
非相干光 。
20 考虑原子在E2能级的平均停留时间
1
N 20
0
N20 t(dN2 )
1 N 20
p 光源亮度：
B Δp
S
Δ S Δ Ω
亮度：
1016 W m2 Sr ～ 1010 B太阳
强B～度：非聚焦状态 I > 1011 W m2
聚焦状态可达到 I 1017 W/cm2
2024版大学物理课件10激光
01激光基本概念与原理Chapter激光定义及特点定义特点激光与普通光相比，具有更好的方向性，即光束发散角小；更好的单色性，即光谱线宽度窄；更好的相干性，即光波之间相位关系稳定。
增益介质激励源光学谐振腔030201产生激光必要条件激光发展历程与现状发展历程现状应用领域及前景展望应用领域激光在工业领域可用于切割、焊接、打孔、打标等；在医疗领域可用于手术、治疗、诊断等；在通信领域可用于光纤通信、激光雷达等；在军事领域可用于制导、测距、干扰等。
前景展望随着科技的不断发展，激光技术将在更多领域得到应用，同时激光器的性能也将不断提高，为人类社会带来更多的便利和进步。
例如，超快激光、超强激光等新型激光器的出现，有望在材料科学、生命科学等领域开辟新的应用前景。
02激光器种类与工作原理Chapter泵浦方式工作物质固体激光器常采用光泵浦方式，通过外部光源激发工作物质中的电子。
特点工作物质泵浦方式特点液体激光器工作物质液体激光器的工作物质为某些有机染料溶液或无机盐溶液。
泵浦方式液体激光器常采用光泵浦或化学泵浦方式，通过外部光源或化学反应激发工作物质。
特点液体激光器具有调谐范围宽、输出功率大、光束质量好等优点，但稳定性和寿命相对较差。
泵浦方式半导体激光器采用电注入方式，通过向PN 结注入电流激发工作物质。
工作物质半导体激光器的工作物质为半导体材料，如砷化镓、磷化铟等。
特点半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，广泛应用于光通信、光存储、光电子等领域。
半导体激光器03激光束性质与传播规律Chapter光强分布01束腰与束宽02发散角03脉冲激光连续激光调制激光激光束传播过程中的变换衍射激光束在传播过程中会发生衍射现象，导致光斑扩大和强度分布变化。
折射与反射激光束在介质界面处会发生折射和反射现象，遵循光的折射和反射定律。
散射与吸收激光束在介质中传播时，会与介质中的粒子发生散射和吸收作用，影响激光束的传播特性。
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物理学
第五版
*15-11 激光
大学物理激光课件讲义
第十五章 量子物理
1
物理学
第五版
*15-11 激光
2 光吸收
原子吸收外来光子能量 h , 并从低能
级E1
E2
E2 E1 h
跃迁到高能级 , 且
,这
. 个过受 激程称E为2 光吸收h. 吸 E1
.
E2
E1 。
收
吸收前
吸收后
第十五章 量子物理
2
物理学
第十五章 量子物理
9
物理学
第五版
*15-11 激光
三 激光器 1 氦氖气体激光器
A
K
部分反射镜 全反射镜 氦氖激光器
氦1 2
亚稳态
氖 632.8 nm
3
基态
氦和氖的原子能级示意图
第十五章 量子物理
10
物理学
第五版
*15-11 激光
2 红宝石激光器
红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石
晶体,它发出的激
脉冲灯
光是脉冲激光，
全
。U。0
半 波长为694.3 nm.
反
透
射
红宝石棒
射
镜
镜
。U 。
红宝石激光示意图
第十五章 量子物理
11
物理学
第五版
*15-11 激光
激光器发展的主要方面 （1）扩展了激光的波长范围. （2）激光的功率大大提高. （3）激光器能实现小型化.
第十五章 量子物理
12
物理学
第五版
*15-11 激光
四 激光器的特性和应用
1 方向性好 利用激光准直仪可使长为2.5 km的隧道 掘进偏差不超过16 nm.
2 单色性好 激光的单色性比普通光高 1010 倍.
第十五章 量子物理
13
物理学
第五版
*15-11 激光
3 能量集中
4 相干性好
普通光源的发光过程是自发辐射,发出 的不是相干光 , 激光的发光过程是受激辐 射, 它发出的光是相干光.
N1 N2表明 ，处于低能级的电子数大于 高能级的电子数， 这种分布叫做粒子数的 正常分布.
第十五章 量子物理
5
物理学
第五版
*15-11 激光
N2 N1 叫做粒子数布居反转 , 简称粒 子数反转或称布居反转.
粒子数正常分布和粒子数布居反转分布
E2 .. .. . N2
E1 。。。E。。2。。。。。。E。1。N1
*15-11 激光
E2 .
h
E1
发光前
E2 。 h h
E1 .
发光后
受激辐射的光放 大示意图
第十五章 量子物理
4
物理学
第五版
二 激光原理
*15-11 激光
1 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布
Ni CeEi / kT N1 E1 N2 E2
N1 / N2 e(E1E2 )/ kT 已知 E2 E1
第十五章 量子物理
14
物理学
第五版
*15-11 激光
此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！ 感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢
第十五章 量子物理
15
粒子数的正常分布
E2 ............. N2
E1 。E。2 。。E。1 N1
粒子数反转分布
第十五章 量子物理
6
物理学
第五版
*15-11 激光
美国物理学家梅曼于1960年9月制成第 一台红宝石固体激光器.
E3
。激发态
.
亚稳态
E2
. E1
。 基态
红宝石中铬离子能级示意图
第十五章 量子物理
7
物理学
第五版
*15-11 激光
2 光学谐振腔 激光的形成
光在粒子数反转的工作物质中往返传播 ,使谐振腔内的光子数不断增加,从而获得很 强的光, 这种现象叫做光振荡.
加强光须满足驻波条件 l k
2
第十五章 量子物理
8
物理学
第五版
*15-11 激光
光学谐振腔
全反射镜
.
激光光束
l
部分透光反射镜
光学谐振腔示意图
第五版
*15-11 激光
3 受激辐射
原子中处于高能级 E2 的电子, 会在外
来光子 (其频率恰好满足 h E2 E1 ) 的 诱发下向低能级 E1 跃迁, 并发出与外来辐射得到的放大了的光是相干 光,称之为激光.
第十五章 量子物理
3
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受激辐射
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2 光吸收
原子吸收外来光子能量 h , 并从低能
级E1
E2
E2 E1 h
跃迁到高能级 , 且
,这
. 个过受 激程称E为2 光吸收h. 吸 E1
.
E2
E1 。
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吸收前
吸收后
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部分反射镜 全反射镜 氦氖激光器
氦1 2
亚稳态
氖 632.8 nm
3
基态
氦和氖的原子能级示意图
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2 红宝石激光器
红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石
晶体,它发出的激
脉冲灯
光是脉冲激光，
全
。U。0
半 波长为694.3 nm.
反
透
射
红宝石棒
射
镜
镜
。U 。
红宝石激光示意图
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激光器发展的主要方面 （1）扩展了激光的波长范围. （2）激光的功率大大提高. （3）激光器能实现小型化.
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四 激光器的特性和应用
1 方向性好 利用激光准直仪可使长为2.5 km的隧道 掘进偏差不超过16 nm.
2 单色性好 激光的单色性比普通光高 1010 倍.
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3 能量集中
4 相干性好
普通光源的发光过程是自发辐射,发出 的不是相干光 , 激光的发光过程是受激辐 射, 它发出的光是相干光.
N1 N2表明 ，处于低能级的电子数大于 高能级的电子数， 这种分布叫做粒子数的 正常分布.
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N2 N1 叫做粒子数布居反转 , 简称粒 子数反转或称布居反转.
粒子数正常分布和粒子数布居反转分布
E2 .. .. . N2
E1 。。。E。。2。。。。。。E。1。N1
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E2 .
h
E1
发光前
E2 。 h h
E1 .
发光后
受激辐射的光放 大示意图
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二 激光原理
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1 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布
Ni CeEi / kT N1 E1 N2 E2
N1 / N2 e(E1E2 )/ kT 已知 E2 E1
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粒子数的正常分布
E2 ............. N2
E1 。E。2 。。E。1 N1
粒子数反转分布
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*15-11 激光
美国物理学家梅曼于1960年9月制成第 一台红宝石固体激光器.
E3
。激发态
.
亚稳态
E2
. E1
。 基态
红宝石中铬离子能级示意图
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7
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2 光学谐振腔 激光的形成
光在粒子数反转的工作物质中往返传播 ,使谐振腔内的光子数不断增加,从而获得很 强的光, 这种现象叫做光振荡.
加强光须满足驻波条件 l k
2
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光学谐振腔
全反射镜
.
激光光束
l
部分透光反射镜
光学谐振腔示意图
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3 受激辐射
原子中处于高能级 E2 的电子, 会在外
来光子 (其频率恰好满足 h E2 E1 ) 的 诱发下向低能级 E1 跃迁, 并发出与外来辐射得到的放大了的光是相干 光,称之为激光.
第十五章 量子物理
3
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第五版
受激辐射