激光原理教案第五章
高斯光束的振幅和强度分布 激光原理及应用 [电子教案]电子
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高斯光束的振幅和强度分布——激光原理及应用教案章节：一、引言1.1 激光的概念与发展历程1.2 高斯光束的基本特性1.3 激光在现代科技中的应用二、高斯光束的数学描述2.1 高斯函数及其特性2.2 高斯光束的振幅分布2.3 高斯光束的强度分布三、高斯光束的传输规律3.1 自由空间中的光传播3.2 介质中的光传播3.3 高斯光束的聚焦与发散四、激光器的工作原理4.1 激光器的类型与结构4.2 阈值条件与增益介质4.3 激光器的模式匹配与输出特性五、激光应用实例解析5.1 激光通信5.2 激光切割与焊接5.3 激光医疗与生物成像本教案将围绕高斯光束的振幅和强度分布，深入解析激光原理及应用。
从引言部分了解激光的概念、发展历程以及高斯光束的基本特性。
接着，通过数学描述部分，掌握高斯光束的振幅和强度分布公式。
基础上，分析高斯光束在自由空间和介质中的传输规律，探讨激光器的工作原理及其在实际应用中的重要作用。
通过实例解析，了解激光在通信、切割、医疗等领域的应用。
在教学过程中，注重理论联系实际，引导学生从数学描述转向实际应用，提高学生对激光技术及其应用的认识和理解。
结合现代科技发展趋势，展望激光技术在未来的发展前景。
六、高斯光束的衍射与模式转换6.1 衍射的基本概念6.2 高斯光束的夫琅禾费衍射6.3 高斯光束的夫琅禾费-菲涅尔衍射七、高斯光束的聚焦与发散特性7.1 聚焦特性7.2 发散特性7.3 高斯光束聚焦与发散的数学描述八、激光器的工作物质与谐振腔8.1 工作物质的选择8.2 谐振腔的类型与设计8.3 激光器的工作原理与性能评估九、激光的放大与模式锁定9.1 激光的放大原理9.2 模式锁定技术9.3 激光放大器的性能优化十、激光技术在现代科技领域的应用10.1 激光在信息技术中的应用10.2 激光在精密制造中的应用10.3 激光在医疗、生物科学和科研中的应用在的五个章节中，我们将进一步探讨高斯光束的衍射与模式转换、聚焦与发散特性，详细解析激光器的工作物质、谐振腔、放大与模式锁定等关键技术与原理。
激光原理 讲义
第一章 光学谐振腔理论光学谐振腔是激光器不可缺少的组成部分。
它的作用是提供激光振荡所必需的负反馈，选择振荡模式，并且为激光输出腔外提供一定的耦合。
本章主要研究开放式光腔。
这类光学谐振腔通常由线度有限的两面光学反射镜相距一段距离共轴放置而形成。
与微波波段的封闭式谐振腔相比较，光学开腔敞开了侧面边界，以降低振荡的本征模式数目。
两面反射镜之间的轴向距离，称为腔长。
腔长远大于波长，也远大于反射镜的线度，一般为厘米或米的量级。
一面反射镜的反射率尽量接近１，以减小能量的损失，另一方面反射镜具有适当的透过率，以便能够输出一定的能量。
对于开腔式光腔的处理方法主要有两种，一种是建立在衍射理论基础上的，另一种是建立在几何理论基础上的。
为了对谐振腔理论有个较全面的理解，本章对那些不能用几何光学理论研究的谐振腔，则以方形对称共焦腔为例，采用衍射理论进行研究讨论，对于两面球面腔等，采用几何光学理论的处理方法，其中包括一些等效方法。
第一节 光学谐振腔概论如图1－1所示，考虑一个长、宽、高分别为l b a ,,矩形谐振腔中的本征模式，麦克斯韦方程的本征解的电场分量为：t i z t i y t i x p n m p n m p n m e z l p y b n x a m E t z y x E e z l p y b n x a m E t z y x E e z lp y b n x a m E t z y x E ,,,,,,sin cos sin ),,,(sin sin cos ),,,(cos sin sin ),,,(000ωωωπππππππππ---⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛= （1.1－1） 其中波矢z z y y x x e k e k e k k ++=，lp k b n k a m k z y x /,/,/πππ===（ ,3,2,1,0,,=p n m ），谐振角频率： ()()()222,,////l p b n a m ck c p n m πππω++== （1.1－2）（1．1．1）式表明在x ，y ，z 三个方向上，每一个本征模式的空间分布都是稳定的驻波分布，任意（m ，n ，p ）表征一种空间驻波分布。
2024版《激光原理》课件
工作原理
气体激光器的工作原理基于气体放电产生的粒子数反转。当放电管中的工作气体受到电场激励时，气体分子或原 子被激发到高能级，然后通过自发辐射或受激辐射跃迁到低能级，释放出光子。这些光子在谐振腔中来回反射， 不断激发更多的粒子数反转，从而实现光放大和激光输出。
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气体激光器性能特点及应用领域
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激光产生机制
01
02
03
受激辐射
原子或分子在外部能量作 用下，从高能级向低能级 跃迁，同时发射出与激发 光相同性质的光子。
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粒子数反转
通过泵浦等方式，使得高 能级上的粒子数多于低能 级，形成粒子数反转分布。
光学谐振腔
提供正反馈机制，使得受 激辐射的光在腔内多次反 射、放大，最终形成强光 束输出。
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液体与光纤激光器性能特点及应用领域
液体激光器
主要应用于科研、光谱分析、生物医学等 领域。
VS
光纤激光器
主要应用于工业加工、通信、医疗等领域。
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半导体激光器与量子级联 激光器
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半导体激光器结构及工作原理
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结构
半导体激光器主要由P型半导体、N型半导体以及它们之间的有源层构成。P型和N型半 导体之间形成PN结，是激光器的核心部分。
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准分子激光器
准分子激光器以稀有气体卤化物为工作物质，其输出波长在紫外波段。准分子激光器具有脉 冲能量大、重复频率高等优点，被广泛应用于科研和医疗等领域。
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液体激光器与光纤激光器
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激光原理与应用教案
激光原理与应用教案一. 绪论本节课教学目标：让学生了解激光的历史，激光形成及发展、理论体系的形成。
让学生了解激光科学的分支及激光在军事、信息技术、医疗等方面的应用；本节课教学内容：1．激光的概念：激光——利用受激辐射的光放大。
LASER——Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation2．激光的发现：最早在1917年——Einstein首次预言受激辐射激光，历史上首先在微波波段实现量子放大（1953），1954年——C. H. Townes, I. P. Gorden, H. J. Zeiger 使用NH3分子射束实现Maser向更短波长进发——ammonia beam maser，1958年——A. L. Schawlow, C. H. Townes, A. M. PoxopoB提出将Maser原理推广到光波段——laser，1960年——T. H. Maiman of Bell Lab 红宝石首次实现laser l=6943Å 红光（早期的名称：莱塞、光量子振荡器、光激射器受激光，“激光”——钱学森在1963年提出。
61年中国（亚洲）第一台激光器诞生在长春（长春光机所和光机学院），由王之江院士发明。
激光科学技术发展的基础学科——光谱学，物理光学，固体物理，物质结构，无线电电子学。
推动力——广阔的应用领域：核聚变，加工，热处理，通讯，测距，计量，医疗可调谐性和超短脉冲——高时间、空间分辨、能量分辨。
3．激光与普通光源的区别？（1）良好的单色性。
单色性指光源发射的光波长范围很小，测距。
（2）良好的方向性。
激光的光束几乎只沿着一个方向传输。
测距，通信。
（3）高亮度。
激光功率集中在极小的空间范围内。
切割，手术，军事。
（4）极好的相干性。
各列波在很长的时间内存在恒定的相位差。
精确测距。
4．激光的应用。
（1）信息科学领域。
激光雷达，空间通信。
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。
光的受激辐射 激光原理及应用 [电子教案]电子
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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。
激光原理与技术完整ppt课件
够存在于腔内的驻波(以某一波矢k为标志)称为电磁被的模式或光波模。一种模式是电
磁波运动的一种类型，不同模式以不同的k区分。同时，考虑到电磁波的两种独立的偏振，
同一波矢k对应着两个具有不同偏振方向的模。
精选ppt
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下面求解空腔v内的模式数目。设空腔为V=ΔxΔyΔz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
第八章 激光器特性的控制和改善
8.1 模式选择 8.2 频率稳定 8.3 Q调制 8.4 注入锁定 8.5 锁模
精选ppt
5
第九章 激光器件
9.1 固体激光器 9.2 气体激光器 9.3 半导体激光器 9.4 染料激光器
精选ppt
6
第一章 激光的基本原理
本章概激光器基本原理。讨论的重点是光的相干性和光波模式的联系、光的受激辐
（1.1.4）
式中E0为光波电场的振幅矢量，ν为单色平面波的频率，r为空间位置坐标矢量，k为波
矢。而麦克斯韦方程的通解可表为一系列单色平面波的线性叠加。
在自由空间，具有任意波矢k的单色平面波都可以存在。但在一个有边界条件限制的
空间V(例如谐振腔)内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波。这种能
第六章 激光器的放大特性
6.1 激光放大器的分类 6.2 均匀激励连续激光放大器的增益特性 6.3 纵向光均匀激励连续激光放大器
的增益特性 6.4 脉冲激光放大器的增益特性 6.5 放大的自发辐射（ASE） 6.6 光放大的噪声
精选ppt
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第七章 激光振荡的半经典理论
7.1 激光振荡的自洽方程组 7.2 原子系统的电偶级距 7.3 密度距阵
二、光波模式和光子状态相格 从上面的叙述已经可以看出，按照量子电动力学概念，光波的模式和光子的状态是等
《激光原理》教案
《激光原理》教案激光原理教案第 2 页组织教学〗调节课堂气氛调动学生积极性， 共同创设和谐活跃的课堂气氛〖导入任务〗各位同学大家好，欢迎来到“激光原理”课程。
光是我们获取外界信息的源泉，如这张M51星云的天文照片所示，由星体发出光经历3100万年的长途“奔波”才来到我们的地球，被我们所观察到，3100万年的历史也在光的传播路径上逐渐展开。
通过我们在大学物理课程的基本学习，我们了解到光是我们电磁波谱中的一段，那么除了我们自然中存在的天然光线，有没有与自然光完全不同的人造线呢？这里我们来看一段视频。
任务 播放电影片段播放电影《星球大战前传2：西斯的复仇》电影片段任务 提问任务 激光名称的由来讲解“激光”名称的由来：“死光”：引入式教学，发引导学生思考：与众不同的人造光线？ 学习的目标对象与需要注意的重点：独特特点。
多媒体演示启发学生思考：自己概念中的激光是什么？童恩正，《珊瑚岛上的死光》，1978年 “镭射” ：LASER 的音译 • LASER ：– Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation• 激光：– 受激辐射光放大任务 激光名称的由来 讲解激光发明史，将光学的最初发展与近现代物理的相关成就进行展示，讲解对于光的认识的发展历程： 17世纪 惠更斯， 虎克 19世纪 麦克斯韦 19世纪末 电磁场理论19世纪末 “两朵乌云 1900年 普朗克 “量子” 1905年 普朗克 “光子” 1913年 玻尔 “原子结构” 1917年 爱因斯坦 “受激辐射” 1928年 Landenburg “受激辐射” “负吸收” 1947年 Lamb“氢原子光谱” 1954年 Townes“Maser” 1960年 Maiman “Laser” 着重讲解梅曼的发明历史故事： • 1960年5月，休斯实验室的Maiman 和Lamb 共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm 的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。
激光原理第五章答案
第五章 激光振荡特性2．长度为10cm 的红宝石棒置于长度为20cm 的光谐振腔中，红宝石694.3nm 谱线的自发辐射寿命3410s s τ-≈⨯，均匀加宽线宽为5210MHz ⨯。
光腔单程损耗0.2δ=。
求(1)阈值反转粒子数t n ∆；(2)当光泵激励产生反转粒子数 1.2t n n ∆=∆时，有多少个纵模可以振荡？(红宝石折射率为1.76)解：(1) 阈值反转粒子数为：222212112337217344210 1.764100.2 cm 10(694.310) 4.0610cm H s t n l l πνητδδσλπ----∆∆==⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯⨯=⨯ (2) 按照题意 1.2m t g g =，若振荡带宽为osc ν∆，则应该有22221.222H t t osc H g g ννν∆⎛⎫ ⎪⎝⎭=∆∆⎛⎫⎛⎫+⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 由上式可以得到108.9410Hz osc H νν∆==⨯相邻纵模频率间隔为10831022( 1.76())2(10 1.7610) 5.4310Hzq c c l l L l ν⨯∆==='⨯+-⨯+=⨯ 所以1088.9410164.65.4310osc q νν∆⨯==∆⨯ 所以有164~165个纵模可以起振。
3．在一理想的三能级系统如红宝石中，令泵浦激励几率在t =0瞬间达到一定值13W ，1313()t W W >[13()t W 为长脉冲激励时的阈值泵浦激励几率]。
经d τ时间后系统达到反转状态并产生振荡。
试求1313/()d t W W τ-的函数关系，并画出归一化1313//()d s t W W ττ-的示意关系曲线(令1F η=)。
解：根据速率方程(忽略受激跃迁)，可以知道在达到阈值之前，在t 时刻上能级的粒子数密度2()n t 与时间t 的关系为2113()1322113()1 (1)A W tnW n t e A W -+⎡⎤=-⎣⎦+ 当d t τ=时，t n n ∆=∆，即2113()1322113()1 (2)22d A W d t nW ne A W n n nττ-+⎡⎤=-⎣⎦++∆=≈由(1)可知，当时间t 足够长的时候1322113()nW n t A W ≈+由上式可知1321()t W A =由(2)式可得13211313211313131313131321ln 2()1 ln 1()1()()d tt t W A W W A W W W W W W W τ⎛⎫= ⎪+-⎝⎭⎛⎫ ⎪⎪=⎡⎤ ⎪-+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦ 所以1313131313132()1ln 11()()d ts t t W W W W W W ττ⎛⎫⎪⎪= ⎪+- ⎪⎝⎭所以归一化1313//()d s t W W ττ-的示意关系曲线为sd ττ/tW W )/(13134．脉冲掺钕钇屡石榴石激光器的两个反射镜透过率1T 、2T 分别为0和0.5。
激光原理教案公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件
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单原子发光光波列和频谱
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光源单色性越好, 相干时间越长
光源相干体积
如要求传播方向限于之内并含有频带宽度光波相干, 则光源空间体积应小于VCS。。
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从光子观点分析下列: 由面积为(X)2光源发出动量为p限于立体角内光子，由动量测不准关系知:
第一章 激光基本原理
§1-1 相干性光子描述§1-2 光受激辐射基本概念§1-3 光受激辐射放大§1-4 光自激振荡§1-5 激光特性
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§1-1 相干性光子描述
一. 光子基本性质
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光子含有两种也许独立偏振状态, 相应于光波 场两个独立偏振方向。。
光子含有自旋, 并且自旋量子数为整数。因此大量光子集合, 服从玻色—爱因斯坦统计规律。处于同一状态光子数目是没有限制, 这是光子与其它服从费米统计分布粒子(电子、质子、中子等)主要区别。。
增益饱和效应:n2(z)-n1(z)随Z增长而减少,因而增益系数G(z)也随z增长而减小效应。
单位体积内聚居数差值
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I0为饱和光强。G0小信号增益系数（ I<< I0 ）。 I<< I0不满足时称为大信号增益系数(或饱和增益系数)
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增益系数也是光波频率 函数, G(,I)随改变曲线称为增益曲线, 称为增益曲线宽度。
二、振荡条件
阈值振荡: G0= 腔内光强维持在初始光强
振荡条件另一个形式表示形式:
G0l称为单程小信号增益
第55页
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1.满足了以上两个条件后，还要采用什么办法使受激辐射成为增益介质中主要发光过程，而不是自发辐射？
光的受激辐射 激光原理及应用 [电子教案]电子
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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1.2 激光的特点1.3 激光的发展历程第二章：光的受激辐射2.1 受激辐射的概念2.2 激光的产生原理2.3 激光的放大原理第三章：激光器的工作原理3.1 激光器的类型3.2 气体激光器3.3 固体激光器3.4 半导体激光器第四章：激光的应用领域4.1 激光在工业中的应用4.2 激光在医疗领域的应用4.3 激光在科研领域的应用4.4 激光在信息技术领域的应用第五章：激光技术的发展趋势5.1 激光技术的创新点5.2 我国激光技术的发展现状5.3 激光技术的发展前景第六章：激光在通信技术中的应用6.1 激光通信的基本原理6.2 激光通信的优势与挑战6.3 光纤通信技术的发展6.4 卫星激光通信的应用前景第七章：激光在材料加工中的应用7.1 激光切割与焊接7.2 激光打标与雕刻7.3 激光烧蚀与表面处理7.4 激光加工技术的创新与发展第八章：激光在生物医学领域的应用8.1 激光手术与治疗8.2 激光诊断与成像8.3 激光生物传感器与检测技术8.4 激光在基因工程与药物研发中的应用第九章：激光在科研与探索中的应用9.1 激光光谱分析与计量9.2 激光加速与粒子物理研究9.3 激光在天文观测中的应用9.4 激光在地球与环境科学研究中的作用第十章：未来激光技术的发展趋势与挑战10.1 激光技术在新能源领域的应用前景10.2 激光技术在智能制造中的应用与挑战10.3 激光技术在国防科技中的应用与发展10.4 激光技术在太空探索与星际通信中的潜在价值重点和难点解析1. 激光的定义与特点：理解激光的特定波长、相干性、平行性、亮度等特点，以及激光与普通光线的区别。
2. 激光的产生原理：掌握激光产生的基本过程，包括受激辐射、增益介质、光学谐振腔的作用。
3. 激光器的工作原理：了解不同类型激光器（气体、固体、半导体）的结构和工作机制，特别是半导体激光器的广泛应用。
《激光原理》PPT课件
2024/1/28
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前沿动态及发展趋势预测
超快激光技术
实现飞秒、皮秒级超短脉冲输出，用 于精密加工、生物医学等领域。
高功率激光技术
发展高能量、高效率的激光器，应用 于国防、能源等领域。
2024/1/28
激光显示技术
利用激光作为光源的显示技术，具有 色域广、亮度高等优点，是未来显示 技术的重要发展方向。
概述光纤激光器的工作原理、 优势及在通信、传感等领域的 应用前景。
其他典型固体激光器
简要介绍其他类型的固体激光 器，如半导体激光器、拉曼激
光器等。
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气体激光器原理与技术
2024/1/28
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气体放电过程及发光机制
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气体放电基本概念
电子与气体原子或分子碰 撞，引发电离和激发过程 ，产生带电粒子和光子。
液体染料激光器技术特点பைடு நூலகம்
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。
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半导体材料发光机制及器件结构
2024/1/28
利用半导体材料的特性实现受激辐射，具有 体积小、效率高、寿命长等优点，广泛应用 于通信、显示等领域。
2024/1/28
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固体激光器原理与技术
2024/1/28
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固体激光材料及其发光机制
2024/1/28
固体激光材料种类与特性
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包括晶体、玻璃、陶瓷等，具有不同的发光特性和应用场景。
激光原理课程设计
激光原理课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解激光的基本原理，掌握激光产生的物理机制；2. 掌握激光的特性和应用领域，了解激光在科学技术中的重要性；3. 掌握激光器的分类和基本构成，了解不同类型激光器的工作原理。
技能目标：1. 能够运用激光原理分析实际问题，提出合理的解决方案；2. 培养学生实验操作能力，熟练使用激光实验设备进行基本实验操作；3. 培养学生查阅资料、整理信息的能力，能够独立完成与激光相关的课题研究。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对激光科学的兴趣，激发学生探索未知世界的热情；2. 增强学生的团队合作意识，培养学生在学术讨论中尊重他人观点的良好品质；3. 提高学生的环保意识，了解激光技术在环保领域的应用，培养学生关爱环境的责任感。
课程性质：本课程为物理学科选修课程，以理论讲授和实验操作相结合的方式进行。
学生特点：学生处于高中年级，具有一定的物理基础和实验操作能力，对激光技术感兴趣，但可能对激光原理的理解有限。
教学要求：结合学生特点，注重理论联系实际，以生动有趣的方式讲解激光原理，加强实验环节，提高学生的实践能力。
同时，注重培养学生的创新意识和科学素养，使学生在掌握激光知识的同时，能够将其应用于实际问题分析和解决。
通过本课程的学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关领域的学习和研究打下坚实基础。
二、教学内容1. 激光基本原理：激光的产生、放大和发射过程，涉及受激辐射、能级跃迁等物理概念。
- 教材章节：第二章“激光的基本原理”2. 激光特性与应用：激光的相干性、平行性、单色性等特点及其在工业、医疗、通信等领域的应用。
- 教材章节：第三章“激光的特性与应用”3. 激光器类型与工作原理：气体激光器、固体激光器、半导体激光器等常见激光器的工作原理及特点。
- 教材章节：第四章“激光器的类型与工作原理”4. 激光实验操作：基本实验技能训练，包括激光器的使用、光路调整、激光测量等。
- 教材章节：第五章“激光实验技术”5. 激光技术在环保领域的应用：介绍激光技术在环境监测、治理等方面的应用案例。
激光热加工原理 激光原理及应用 [电子教案]电子
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激光热加工原理激光原理及应用第一章：激光概述1.1 激光的概念激光的定义激光的特点1.2 激光的产生原理激光的工作原理激光的产生过程1.3 激光的性质激光的单色性激光的方向性激光的相干性第二章：激光热加工原理2.1 激光加热原理激光加热的过程激光加热的机制2.2 激光热加工的特点高能量密度局部加热快速加工2.3 激光热加工的应用范围材料加工生物医学能源领域第三章：激光切割与焊接3.1 激光切割原理及设备激光切割的原理激光切割设备的组成3.2 激光切割的应用金属材料切割非金属材料切割3.3 激光焊接原理及设备激光焊接的原理激光焊接设备的组成3.4 激光焊接的应用金属材料焊接微电子器件焊接第四章：激光表面处理4.1 激光熔覆原理及工艺激光熔覆的原理激光熔覆的工艺参数4.2 激光熔覆的应用改善材料性能修复磨损零件4.3 激光打标原理及工艺激光打标的原理激光打标的工艺参数4.4 激光打标的应用产品标识防伪技术第五章：激光加工技术的未来发展5.1 激光加工技术的发展趋势激光器技术的进步激光加工技术的创新应用5.2 激光加工技术在制造业的应用自动化生产智能制造5.3 激光加工技术在科研领域的应用生物医学研究新材料研究第六章：激光热加工技术在材料加工领域的应用6.1 金属材料加工激光切割、焊接、打标、雕刻在金属加工中的应用激光熔覆技术在改善金属表面性能中的应用6.2 非金属材料加工激光切割、打标在塑料、玻璃、陶瓷等非金属材料中的应用激光雕刻在木材、皮革等材料加工中的应用6.3 复合材料加工激光加工技术在复合材料切割、焊接、打标等中的应用激光加工技术在复合材料结构件制造中的应用第七章：激光热加工技术在生物医学领域的应用7.1 激光切割、焊接在生物医学中的应用激光加工技术在生物医学器械制造中的应用激光加工技术在组织切割、焊接中的应用7.2 激光打标、雕刻在生物医学中的应用激光打标技术在生物医学器械标识中的应用激光雕刻技术在生物医学模型制造中的应用7.3 激光热加工技术在生物组织工程中的应用激光熔覆技术在生物支架制造中的应用激光加工技术在生物医用材料表面改性中的应用第八章：激光热加工技术在能源领域的应用8.1 激光切割、焊接在能源领域的应用激光加工技术在太阳能电池板制造中的应用激光加工技术在燃料电池制造中的应用8.2 激光打标、雕刻在能源领域的应用激光打标技术在能源设备标识中的应用激光雕刻技术在能源器件制造中的应用8.3 激光热加工技术在新型能源材料加工中的应用激光熔覆技术在制备新型能源材料中的应用激光加工技术在能源材料表面改性中的应用第九章：激光热加工技术的环境保护与安全9.1 激光加工技术对环境的影响激光加工技术的环境友好性激光加工技术的环保措施9.2 激光加工技术的安全问题激光加工过程中的安全防护激光加工设备的安全操作9.3 激光加工技术的环保与安全监管激光加工技术的环保法规与标准激光加工技术的安全管理制度第十章：激光热加工技术的创新与发展趋势10.1 激光加工技术的创新新型激光器的研究与应用激光加工技术的集成与自动化10.2 激光加工技术的发展趋势激光加工技术在更多领域的应用激光加工技术与其他制造技术的融合发展10.3 激光加工技术的产业化与商业化激光加工技术的产业化进程激光加工技术的商业化前景重点和难点解析重点环节1：激光的产生原理及过程激光的产生原理涉及到光学、物理学等多个领域的知识，对于理解激光热加工原理至关重要。
激光原理教案第5章
《激光原理技术及应用》讲义（第5章典型激光器）王菲长春理工大学2007年5月第五章 典型激光器（2学时）§1. 气体激光器一、 氦氖激光器He-Ne 激光器：连续光，波长：红632.8nm ，1.15um,3.39um,橙（612nm,604nm ）,黄594nm,绿543nm1. 结构组成:放电管、电极和光学谐振腔。
增益低，多采用平凹腔，平面镜为输出镜，T=1-2%。
放电管由毛细管和贮气管构成，是产生激光的地方。
毛细管的尺寸和质量是决定激光器输出性能的关键因素，放电只限于毛细管，贮气管里不发生放电，贮气管的作用是增加了放电管的工作气体总量。
电极采用冷阴极材料。
按放电管和谐振腔的放置方式分为内腔式、外腔式、半内腔式。
2.工作原理工作物质是He 原子和Ne 原子混合气体。
激光跃迁产生于Ne 原子的不同激发态间，He 原子是辅助气体，用作对Ne 原子的共振激发能量转移。
共振激发能量转移：亚稳态原子A *与基态原子B 相碰撞，使B 变为受激原子B ’，而A *变为基态原子A 的过程。
He 的亚稳能级23S 1、21S 0分别和Ne 的亚稳能级2S 2、3S 2重合。
混合气直流放电时，高能电子把He 原子由基态激发到各种激发态，在衰变过程中大部分被23S 1、21S 0收集，通过共振能量转移，使Ne 原子被激发到2S 2、3S 2中。
二、CO 2激光器CO 2激光器的工作气体是CO 2、N 2和He 的混合气体。
波长9-11um 间，处于大气传输窗口（吸收小，2-2.5um;3-5um;8-14um ）。
利用同一电子态的不同振动态（对称、弯曲和反对称振动）的转动能级间的跃迁。
CO 2激光器中与激光跃迁有关的能级是由CO 2分子和N 2分子的电子基态的低振动能级构成的。
CO 2振动模型如图。
工作原理：激光跃迁主要发生在0001→1000和0001→0200两个过程，泵浦过程：1）电子碰撞激发e *+CO 2(0000) →CO 2(0001)+e受到电子碰撞的CO 2分子被激发到高振动激发态通过振动模间能量交换，被能级0001收集。
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I ( z)
' p
信号光逐渐增长
I ( z)
' p
I pth
hv p
信号光逐渐减弱
13 (v p ) s
信号光增长或衰减 的阀值泵浦光强
激光原理与技术
二.小信号增益
若光纤放大器中信号光很弱,则放大器小 信号增益G0与信号光强无关，但和入射泵 浦光光强及掺杂光纤长度有密切关系。
0
输出信号能量为
El hvS J 0 (l , t )dt hvSJ (l )
0
激光原理与技术放大源自的能量增益El J (l ) GE E0 J (0)
利用输运方程解J(l)在小信号情况下,随l 指数增加
J (l ) J (0)e
对于强入 射信号
( 21n ) l
激光原理与技术
上式中n为光纤中掺杂(Er 3+)离子数密度。S32很大
n3 0, n( z )
I ( z)
' p
I ( z ) (1 ) I '( z ) 1
' p
n
I '( z ) 1 n1 ( z ) ' n I p ( z ) (1 ) I '( z ) 1
G p (t ) e
21n 0l
脉冲的任一部分功率增益是相等的，输出脉冲 波形没有畸变。功率增益随n0和l的增加而指数 地增加。输入光脉冲较强，这时t越大，GP(t)越 小。由于当脉冲前沿通过工作物质时反转集居效 尚未因受激辐射而抽空，而当脉冲后沿通过时， 前沿引起的受激辐射已使反转集居数降低，所以 后沿只能得到较小的增益。结果输出脉冲形状发 生畸变，矩形脉冲变成尖顶脉冲，脉冲宽度变窄。
激光原理与技术
5.2 纵向光激励连续激光放大器增益特性
一、连续激光放大器
I (l ) P (l ) G I0 P 0
以三能级光纤放大器为例讨论连续激光放大 器的增益特性。采用纵向泵浦方式，信号光强 I(z)(光功率P(z))、泵浦光强Ip(z)(光功率PP(z)) 及小信号反转集居数密度均随光传播距离z变化。 不考虑光纤中光场及激活离子的横向分布，并 假设 f1=f2，F＝1．同时忽略光纤的损耗，只 考虑泵浦光与信号光同向传输的工作方式。可 列出描述信号和泵浦光强变化的输运方程。
v) t , z ( N ) t , z ( J
光子流强度
激光原理与技术
描述J（z，t)及n(z,t)变化的方程称作脉冲行波放 大器的输运方程。光泵及自发辐射的影响在短脉冲 作用时可忽略不计， f1=f2，F＝1可得到三能级系 统脉冲行波放大器的输运方程
n( z, t ) 2 21n( z, t ) J ( z, t ) t
归一化小信号增益和归一化掺铒光纤长度关系曲线
激光原理与技术
归一化小信号增益和归一化泵浦功率关系曲线
小信号增益G0随泵浦光功率的增加而增大，当 光纤长度一定时，泵浦光过强，未被充分吸收 的过剩泵浦光能量从输出端逸出，对提高放大 器的增益不起作用。
激光原理与技术
三．饱和增益和输出功率 小信号工作状态下虽能得到较大的增益，但 光放大器的输出光功率很小，只适于用作前置 放大器。对于需要输出相当光功率的光纤放大 器，通常工作于大信号增益饱和状态。
激光原理与技术
无谐振腔的激光器，如氮分子激光器和氢分 子激光器都属于此类。无谐振腔激光器的输 出光实质上是放大的自发辐射。无谐振腔激 光器应用在真空紫外及x射线波段。
放大的自发辐射带来一些不利影响。例如，在 激光放大器中，除了输入信号被放大外，不可 避免地存在放大的自发辐射，放大的自发辐射 的存在增加了放大器的噪声。同时自发辐射引 起的受激辐射将使激光上能级寿命减少。
激光原理与技术
当泵浦光功率一定时，若光纤长度等于最 佳长度，则光放大器具有最大增益G0，相 应的最大输出光功率为Pm,由此可求出Gm 及相应的Pm和入信号光功率P0及泵浦光功 率Pp的关系。
以上分析是针对纵向泵浦的光纤放大器， 但关于增益饱和特性的变化趋势，对其他 连续激光放大器也有普遍意义。对于沿信 号光传输方向激励状态均匀的连续激光放 大器 可运用有关增益系数的知识进行理论分析.
激光原理与技术
一.输运方程
工作物质在脉冲信号入射前具有初始反转 集居数n0,在t=0时刻光脉冲信号I0(t)沿着z轴 方向射入。光信号在行进过程中不断被放大， 而反转集居数不断被消耗，单位体积中的反 转聚居数及光子数分别为n(z,t)及N(z，t)
N ( z, t ) Sdzdt [ N ( z, t ) N ( z dz, t )]Svdt t 21vn( z, t ) N ( z, t ) Sdzdt avN ( z, t ) Sdzdt
输运方程的 边界条件为
n( z, t 0) n0 (0 z l ), J (0, t ) J 0 (t )
二、脉冲放大器的输出能量及能量增益
放大器输入信 E0 hvS 0 J 0 (t )dt hvSJ (0) 号的能量为 J (0) J 0 (t )dt
激光原理与技术
输入矩形脉冲
输入矩形光脉冲时输 出光 脉冲形状的变化
入射光脉冲越强，初始反转集居数密度越 大，放大器越长，则其饱和效应越严重，因 而脉宽变窄越显著。 实际的入射光脉冲并非 矩形，输出光脉冲由于饱和效应波形变形。
激光原理与技术
5.4 放大的自发辐射(ASE)
按照激励强弱程度的不同，工作物质可处于三 种状态；①弱激发状态②反转激发状态，激励 较强，则工作物质对自发辐射有放大作用，但 不满足阈值条件，不能形成自激振荡，输出光 是放大的自发辐射。③超阈值激发状态；若激 励很强，可形成自激振荡而产生激光。输出光 中所包含的放大的自发辐射可以忽略。
J ( z, t ) J ( z, t ) v v 21n( z, t ) J ( z, t ) avJ ( z, t ) t z
对于四能级系统脉冲行波放大器式,由于在很短的 入射信号作用期间，四能级系统的激光下能级往往 来不及抽空，所以可看作准三能级系统。
激光原理与技术
激光放大 器示意图
激光原理与技术
典型固体激光放大器示意图
掺铒光纤放大器示意图
按照被放大光信号的脉宽0 及工作物质弛 豫时间的相对大小，激光放大器分为：连 续激光放大器、脉冲激光放大器和超短脉 冲激光放大器。
激光原理与技术
弛豫过程：某种状态的建立或消亡的过程，
弛豫时间：弛豫过程所需的时间。
纵向弛豫时间：由于辐射跃迁使得粒子在能级上具 有有限寿命，因此导致反转集居数的增长与衰减需 要一定的弛豫时间T1。 消相过程：在电磁场的作用下，原子产生的感应电 矩和电磁场同相。而粒子间或粒子与管壁间的碰撞 以及晶格振动引起的粒子跃迁频率的变化使原子感 应电矩的相位发生无规变化，从而导致宏观感应极 化的消失的过程。
横向弛豫时间：宏观感应电极化的产生和消亡都不 是瞬时的，P(Z,t)较E(Z,t)落后的时间T2。
激光原理与技术
5.1 放大器分类
一、放大器按时间分类 连续激光放大器:当激光放大器的输入信号是 连续波或非调Q激光脉冲时0>T1 ，光信号与 工作物质相互作用时间足够长，因受激辐射所 消耗的反转集居数来得及由泵浦抽运补充，反 转集居数及腔内光子数密度可以到达稳态数值 而不随时间变化可以用稳态方法研究放大过程。 连续放大器用稳态速率方程分析。
激光原理与技术
n l l GE (1 e ) e 2 J (0)
0
当损耗系数极小时， 可将放大器看作一无 损耗放大器，在无损 放大器中，输出能量 及能量增益随放大器 长度的增加而增加
脉冲放大器输出能 量和长度的关系
激光原理与技术
三、功率增益与脉冲宽度变窄
输入光脉冲强度很弱，功率增益
激光原理与技术
图 归一化信号输入／输出光功率特性
激光原理与技术
5.3脉冲激光放大器的增益特性
脉冲激光放大器的工作特性。主要内容为：1. 放大器的增益与长度l、初始反转集居数n0与 输入信号能量的关系。2.输出脉冲的波形。 在分析脉冲放大器的工作特性时，作如下假 设：①入射信号脉宽远小于放大器的荧光寿命， 忽略在这样短的时间内光泵抽运和自发辐射对 反转集居数的影响。在连续波放大器中，它们 的影响是不能忽略的。②在工作物质横截面内 的反转集居数均匀分布。3、工作物质谱线是 均匀加宽线型，入射信号波长为谱线中心波长。
激光原理与技术
第五章 激光放大
为了使激光振荡器输出极高的功率或能量， 必须大大增加激光工作物质的体积，但制造光 学均匀性好的大体积固体激光材料却十分困难。 而且大功率或大能量激光振荡器往往难以产生 性能(发散角、单色性、脉宽答)优良的激光束。 此外，谐振腔内高功率(能量)激光束的往返传 输还会使腔内工作物质和光学元件遭到破坏。 因此，常用一级或多级激光放大器将小功率 (能量)激光器输出的优质激光束放大。 光纤 通信中，可用激光放大器补偿光纤传输或分路 损耗，提高接收机的灵敏度。
这时输出信号光功率Pl和输入信号光功率P。 的关系曲线呈饱和状，光放大器的增益x将随 输出光功率P(l)增加而下降。曲线的平坦部分 对应于小信号工作区，增益较小信号增益下降 3db所对应的输出功率称作光放大器的饱和输 出功率，它表征光放大器的高功率输出能力。
激光原理与技术
图 掺铒光纤放大器的增益饱和特性
dI P '( z ) I '( z ) 1 ' p I p '( z ) dz I p ( z ) (1 ) I '( z ) 1
n12 (v), p n313 (vp )
掺杂光纤中信号光和泵浦光的小信号吸收系数，泵 浦光沿着光的传输方向因被吸收而逐渐衰减.