物理激光的基本原理及其特性
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
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
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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.
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
激光产生的基本原理
激光产生的基本原理
激光是一种特殊的光束，它具有高聚焦性、高强度、高纯度、频谱窄带和方向稳定等特点。
激光产生是一种物理过程，它是一种特殊的光束，它是由于激发原子或分子而发出的光。
激光器的原理也是基于这一原理，激光器的主要作用是使激光源发出满足一定条件的光，才能产生激光。
激光器的主要原理是量子级石墨烯激发。
石墨烯是一种简单的碳结构，其最小颗粒就是量子级单胞石墨烯。
该物质的激发原理是将单胞石墨烯中的单个碳原子向垂直方向激发。
当单个碳原子激发的时候，其位置上的电子就会从稳定的能量状态跃迁到更高的能量状态，从而释放出能量作为激光。
激发过程发生后，激光的产生将被激发原子折射，从而产生激光。
这些折射的电子辐射的波长将确定激光的波长，同时这些折射的电子也会使激光产生集中性，从而形成一条激光线条。
激光的输出功率取决于激发原子的激发能量。
当激发能量较低时，激光输出功率的增加速度较慢，而当激发能量较高时，激光输出功率的增加速度较快。
另外，激光器还具有可调功率的功能，即可以根据需要在一定的范围内调节激光的功率。
这种功能可以增强激光的针对性，从而扩大激光的应用范围，使其能够更加精确地实现某一特定目的。
激光的应用非常广泛，从军事、气象、航天、医学、通信等方面都有重要作用。
激光被广泛应用于各种技术领域，可以实现各种精密
的操作。
激光是人类技术发展的重要技术资源，为人类科学技术发展做出了重要贡献。
激光的物理原理及应用
激光的物理原理及应用一、激光的物理原理激光是一种特殊的光，具有高度的单色性、高度的定向性和高度的相干性。
它与普通光相比具有明显的差别，这些差别源于激光的物理原理。
1. 激发过程激光的产生是通过能传递电磁辐射的粒子或电磁波作用于物质的原子或分子上。
激光的产生主要是通过激发过程完成的，即外界能量的输入使原子或分子跃迁到一个能量较高的能级，然后返回到基态时产生辐射。
2. 反射和共振激光能产生高度的定向性和相干性，主要得益于激光的反射和共振效应。
在激光器中，光线被分别反射和放大，使得光线仅在特定方向上被放大，并且具有相同的频率和相位。
二、激光的应用激光作为一种特殊的光，具有各种各样的应用。
以下是一些常见的激光应用：1. 切割与焊接激光切割和焊接广泛应用于金属材料的加工领域。
激光切割通过高能量激光束将材料焦化和蒸发，从而实现高精度的材料切割。
激光焊接则利用高能量激光束将两个或多个材料的接触面加热到融化点，从而实现材料的连结。
2. 医疗美容激光在医疗美容领域有着广泛的应用。
激光可以用于皮肤去除、刺青去除、毛发去除等。
激光在医疗美容中的应用由于其高度的定向性和高度的单色性，可以精确地作用于皮肤组织，从而实现更精细的治疗效果。
3. 印刷与制图激光打印技术已经成为现代印刷行业的重要组成部分。
激光打印通过激光束照射感光鼓，使得鼓表面的电荷分布发生变化，从而实现对纸张的印刷。
激光打印具有高速、高精度和高分辨率的特点，在印刷行业中得到了广泛的应用。
4. 雷射测距激光测距是一种常见的测距技术，广泛应用于测绘、建筑和工程等领域。
激光测距利用激光束的光程差原理，通过发射激光束到目标并接收回波的时间差来计算目标距离。
5. 光纤通信激光在光纤通信中也起到了关键作用。
通过将光信号转换为脉冲激光信号，可以在光纤中传输远距离的信号。
激光的高度的定向性和相干性使得光信号能够在光纤中保持较小的损耗和失真。
结论激光的物理原理和应用非常广泛，不仅在科学研究中有重要地位，也在各个领域得到了广泛的应用。
激光原理_第1章_激光的基本理论
3.简并态—— 同一能级的各状态称简并态 例：计算1s和2p态的简并度
原子状态 n l
ml ms 简并度
1s
1
00
f1=2
1
2p
21
0
f2=6
-1
18
第一章 激光的基本原理
二、玻耳兹曼分布及粒子数反转
1. 玻耳兹曼分布(热平衡分布)
(19.77eV) 10-6 S
23
四、黑体辐射及其公式 1、描述黑体辐射的典型物理量
①单色能量密度 ,T：单位体积内，频率处于 附近
单位频率间隔内的电磁辐射能量，它是频率和温度的函 数。
注：寻求 的,T 函数形式进而确定单色辐出度的形式是当
时黑体辐射研究者们的一大目标！
②单光位波频模率密间度隔内n的：光腔波内模单式位数体。积中频率处于 附 近
n f e 2
2 (E2 E1 ) / kbT
讨论(设f i= f j) :
n1 f1
(1)如果E2 - E1很小,且满足 △E = E2 - E1＜＜kbT,则
n2 e (E2 E1 ) / kbT 1
n1
19
第一章 激光的基本原理
n f e 2
2 ( E2 E1 ) / kbT
第一章 激光的基本原理
前言
光具有波粒二象性，在描述光的性质是，可 以从其粒子性和光的波动性两个方面来描述光的 性质，进而引入了光波模式和光子模式来描述；
在激光产生的过程中，受激辐射和自发辐射 是其产生的基本原理，同时分析要实现光的受激 辐射放大需要满足集居数反转（粒子数反转）。
1
第一章 激光的基本原理
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
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。
激光原理第一章1.5
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。
太原理工大学物理与光电工程学院
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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太原理工大学物理与光电工程学院
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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。
医用物理20激光
• 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(第1章)
tc ＝ Dt ＝ 1/Dv
上式说明，光源单色性越好，则相干时间越长。
物理光学中曾经证明：在图1.1.4中，由线度为Dx的光源A照明的
S1和S2两点的光波场具有明显空间相干性的条件为 DxLx/R ≤ (1.1.18) (1.1.19) (1.1.20)
式中 为光源波长。距离光源R处的相干面积 Ac 可表示为
上 述 基 本 关 系 式 (1.1.1) 和 (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，任意电 磁场可看作是一系列单色平面电磁波(它们以波矢k为标志)的线 性叠加，或一系列电磁波的本征模式(或本征状态)的叠加。但 每个本征模式所具有的能量是量子化的，即可表为基元能量hv 的整数倍。本征模式的动量也可表为基元动量 hkl 的整数倍。 这种具有基元能量hvl和基元动量hkl的物质单元就称为属于第 l 个本征模式(或状态)的光子。具有相同能量和动量的光子彼此 间不可区分，因而处于同一模式(或状态)。每个模式内的光子 数目是没有限制的。
空间称为相空间，相空间内的一点表示质点的一个运动状态。
当宏观质点沿某一方向(例如：x轴)运动时，它的状态变化对应 于二维相空间(x, Px)的一条连续曲线，如图1.1.2 所示。但是，
光子的运动状态和经典宏观质点有着本质的区别，它受量子力
学测不准关系的制约。
测不准关系表明：微观粒子的坐标和动量不能同时准确测定，
hv
式中 h＝6.626×10-34Js，称为普朗克常数。
激光原理及应用复习资料(1)
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。
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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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
2022/1/22
物理激光ppt课件
2
二。激光产生的机
8
（抽运装置）
9
10
11
激活介质
12
铬离子经过两次跃迁处于E2能级
波长 694.3nm
13
14
15
激光工作原理：
激光工作物质
全
半
反
反
射
射
镜
镜
out 光放大原理
16
17
18
19
20
21
（谐振腔有选频作用）
22
23
一、激光
1、概念： 激光准确内涵是“来自受激辐射的放大、
增强的光”。 英文全称为 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
缩写为Laser，中文也常音译为“镭射”。 2、产生机理：
激光的产生原理是利用了物质原子受激辐射 后发生跃迁的特性。
1
特点 作用
应用实例
相干光 可进行调制、传递信息
光纤通信
传播很远距离能保持一定强 激光雷达
平行度 度，可精确测距测速
非常好 可会聚于很小的一点，记录 DVD、CD、
信息密度高
VCD机，计算机
光驱
可在很小空间短时间内集中 激光切割、焊接、
亮度高 很大能量
打孔医疗手术
产生高压引起核聚变
人工控制聚变反 应
激光在医学应用的物理原理
激光在医学应用的物理原理1. 激光的基本概念和特性•激光是一种高度聚束的、单色、相干性极强的光束。
•激光的特性包括波长狭窄、方向性强、光强高、相干性好等。
2. 激光的发光原理•激光的发光原理基于受激辐射的过程。
•原子或分子在受到外界能量激发后，会处于各能级之间的激发态。
•当一个已经激发的原子或分子受到一个与其激发态能级间能量差相等的光子激发时，就会通过辐射的方式释放出与激光光子完全相同的光子。
•这些释放出的光子再次激发其他处于激发态的元件，从而形成一个相互协作的辐射过程，最终产生一束激光。
3. 激光和组织的相互作用•激光和生物组织之间的相互作用是激光在医学应用中的关键。
•激光光束在通过组织时会被吸收、散射、透射和反射。
•不同组织对激光的相互作用会引起不同的生物效应，如热损伤、光动力治疗等。
4. 激光在医学诊疗中的应用•激光在医学中有广泛的应用，包括激光手术、激光治疗、激光诊断等。
•激光手术常用于眼科、整形外科等领域，用于切割、磨削、焊接等操作。
•激光治疗包括光动力治疗和激光溶脂等，常用于肿瘤治疗、皮肤病治疗等。
•激光诊断则包括激光扫描、激光显微镜等技术，用于检测疾病和病理变化。
5. 激光在医学影像学中的应用•激光也广泛应用于医学影像学中的光学成像技术。
•光学相干层析成像（OCT）利用激光的相干性，可以实现对生物组织的高分辨率、非侵入性成像。
•激光在超声成像、放射学等领域也有应用，用于提高图像质量和诊断的准确性。
6. 激光在医学美容中的应用•激光在医学美容领域中也有广泛应用。
•激光脱毛是最常见的激光美容技术，通过激光的选择性热损伤来达到去除毛发的效果。
•激光光谱技术可以用于皮肤色素病变的治疗，如雀斑、黄褐斑等。
•激光刺激胶原蛋白再生，可以改善皮肤松弛、皱纹等问题。
7. 激光在医学应用中的安全性考虑•激光在医学应用中需要考虑安全性。
•激光的输出功率、波长和光束直径等参数要符合相应的安全标准。
•医务人员和患者需要佩戴适当的防护装备，以防止激光对眼睛、皮肤等造成的伤害。
激光物理学
激光 是20 世纪 的四 项重 大的 发明 之一
1：激光的发展史
1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了
关于激光器的经典论文，奠定了激光发展 的基础。 1960年，美国加利福尼亚州休斯航空公司 实验室的研究员梅曼发明了世界上第一台 红宝石激光器。 1965年，第一台可产生大功率激光的器件-二氧化碳激光器诞生。 1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。
形形色色的激光武器
机载激光武器
激光在信息技术领域的应用
全息照相
光存储
大屏幕显示
(1) 全息照相
激光束用分光镜一分为二，其中一束照到
被拍摄的景物上，称为物光束；另一束直 接照到感光胶片即全息干板上，称为参考 光束。当光束被物体反射后，其反射光束 也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄 制过程 全息照片和普通照片截然不同
激光全息存储的优点
信息存储容量大---可达1Tb/cm3 记录速度快 记录信息不易丢失---寿命可达数百年
便于长期保存---每一碎片都包含完整信息
便于拷贝、复制
体全息信息存储
体全息信息存储原理
（3）DPL大屏幕显示
采用二极管泵浦的固体激光器，
倍频输出 红绿蓝三基色的 激光全色显示具有色彩十 分丰富多彩，亮度高、 清晰度高等优点预 计未来10年内在计算机投影仪、 大屏幕高 清晰显示和数字电视 方面得到广泛应用
速率，传输距离2-4公里 4）安全保密性强 5）协议透明 6）成本低—是光纤到楼的1/10到1/3 7）便 携性
的通信系统，即以大气为媒介的激光通信 系统 两种工作波长：850纳米 1550纳米 850纳米设备便宜，应用于传输距离短的场 合 1550纳米红外光波可被视角膜吸收，照不 到视网膜，可增大传输功率，适用于传输 距离远的场合
激光技术的物理原理和实现方法
激光技术的物理原理和实现方法激光技术指的是利用激光器产生的高度凝聚的单色光进行科学研究和实际应用的一种技术。
在激光技术的应用领域，激光器的功率密度和光束的方向性是关键参数。
激光技术的特点是高亮度、高聚焦、高重复频率、高能量密度和高空间分辨率等。
下面将从物理原理和实现方法两个方面来探究激光技术。
一、激光技术的物理原理激光的产生和放大难度较大，与通常的光源相比，激光的一大特点是单色性好、相干性好和方向性好。
激光是由一束单色光经过放大器放大，达到大功率后被用于进行实验和应用。
激光能够准确地切割、焊接、打孔和刻印等，可以应用于航空航天、半导体、显示器、医学和军事等领域。
1. 激光的概念激光是指由具有放大和反射功能的激光器发出的单色、相干、高辐射功率、高亮度、可调谐和聚焦能力极高的光束。
2. 激光的发挥激光器的特点是需要具备精细平衡的光学组件以及高精度的激光媒质。
当激光器内部的媒质受到光束激励时，会振荡放出光子，这些光子将在光学腔内不断反射扩散，直到被外界放入一个减少反射的透镜中，并且通过激光抑制和同步功能来进行放大、相干的激光波形。
3. 激光的分类按激光媒质类型：气体激光、固体激光、半导体激光等。
按工作方式：脉冲激光、连续激光。
按波长：紫外线激光、可见光激光、红外线激光等。
二、激光技术的实现方法激光技术的实现离不开激光器的产生和放大器的媒质使用。
在实际应用中，不同的场合需要使用不同的激光器。
1. 激光器激光器可以理解为一台立柱式放大器，主要是利用反射器件和白炽灯等消化光源产生的光将特定波长的光转换成激光，类似于声波放大器，将信号放大到特定设定。
2. 加工设备激光加工设备是将激光器输出光束利用一系列光学组件，以便使光束聚焦在清晰的嘴部或形状较复杂的曲面中，以达到切割、刻印和焊接等效果。
其中，气体激光强度高、穿透力强、速度快；固体激光被广泛应用于医学和诊断领域。
对于加工设备来说，激光加工头、扫描器、支撑平台和控制系统等基础组件直接影响着加工效果和加工质量等。
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衍
D
2 衍
（
）2
D
空间相干性
发光面上不同点在同一时间内发出辐射的相干性.
➢ 相干面积
Ac
( )2
➢
相干长度
Lc
c c
c 2
➢
相干体积
Vc
Ac Lc
1 2
(
)2
c
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
B
P
A ( )2
• 一束脉宽为纳秒量级的脉冲激光,其亮度可达1018
• 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
方向性与空间相干性
方向性
• 普通光源:4π
• 激光:毫弧度
eGL ( 4L ) 2 da
16( L )2 e8 2981 da
L 2981
da
4
d a 0.0059(m) 5.9mm
• 例已知Ｎd:YAG激光材料增益系数Ｇ＝ 10m-1，设材料长度Ｌ＝0.5m，直径 da=0.1m,试问小信号单次通过该介质光强 能否达到饱和？
( 4 0.5 ) 2 400 0.1
总计
课时
12 8 7 4 8 6
45
考核方式
考试 • 平时(出勤+作业+平时表现) 20%
• 实验
30%
• 期末考试
50%
第1章 激光的基本原理及特性
• 1.1 激光的特性 • 1.2 激光产生的必要条件 • 1.3 激光产生的充分条件 • 1.4 谱线加宽 • 1.5 谱线加宽下的增益系数 • 1.6 激光器的速率方程
Nu0e
u
蓝宝石
u
1 Aul
表1.1
u
1 Aui
i
二.受激跃迁
(一)受激吸收
ρ
W1u B1u
( dNu dt
) ab
- dn dt ab
W1u N1
(二)受激辐射
Wu1 Bu1
( dNu dt
) st
dn
dt st
Wu1 N u
三.Einstein辐射系数之间的关系
当三种过程都存在时 , Nu 总变化率为
• 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
dNu dt
Wu
N
u
1 (
u
Bu1I ) c
• 稳态时
Nu
1
u
Wu Bu1 I
c
Wu
Aul Bul
• 小信号情况 Nu Wu u
• 随光强Ｉ的增长，Ｎu减小，
• 使Ｎu 减小为小信号值的１／２时的光强为饱和光强
• 其中
Bu1 I s 1
c
u
8 2h h
IS
c2 Au1 u
u1 u
u1
c2
8 2
Au1
受激辐射截面
Au1
8h 3
c3
Bu1
G u1N u1
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
园柱形增益介质，假设介质中已经实现了反转粒子分布
I
c
dI Idz
( Nu Bul
N1B1u )
h
c
I I0eGz
G
(Nu
gu g1
N1
Nu
gu g1
N1
• 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
e5 148 400
• 微弱光信号单次通过该工作物质光强达不到饱和
1.4 谱线加宽
• 原子系统能级的弥散 • 1.4.1 概述 • 海森堡测不准关系
E h 2
h
2
Au
• 相干辐射的中心频率为
0
Eu0
E10 h
• 上下边频分别为
EuM
E1m h
• 谱线宽度为
Eum
E1M h
1 h
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
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
( dNu dt
) sp
Au1Nu
Eu E1
h
t
Nu (t)
N e Ault u0
(Eu
E1)
1 (
2 l
Aui
j
A1 j )
dNu dt
( dNu dt
) sp
( dNu dt
) ab
( dNu dt
) st
B1u g1 Bu1 gu
或B1u
gu g1
Bu1
简并度
Au1
8h 3
c3
Bu1
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 N1B1u )hdAdz
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
➢ ⑶ 陈玉清等编著，《激光原理》 高等教育出版社
➢ ⑷ 李相银等编著，《激光原理技术及应用》 哈尔滨工业大学出版社
教学组织方式与学时分配
• 利用多媒体授课
教学内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第六章 第七章
• 1.7 连续与脉冲工作 • 1.8 粒子数反转分布条件 • 1.9 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
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
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
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 (A l)Nu
Au1h
A
4L2
eGL
Is
光强等于单位截面的能量
•设
l 1 G
eGL ( 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.