《激光原理与技术》课件 (1)
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激光原理与技术ppt课件
锗 34750 +5.5 16.3
0.75 0.67
单 位 J/mol %
eV eV
电子迁移率 空穴迁移率 电子扩散系数 空穴扩散系数 本征电阻率
本征载流子密度 杨氏摸量
μn μP Dn DP pi
ni E
1350 480 34.6 12.3
2.3×105 1.9×107
3900 1900 100.0 48.7 46.0
6
表1-2 SiCl4、SiHCl3、SiH4主要物理化学特性
性质 分子量 密度(液体)g/cm3 SiCl4 169.9 1.49(57.6℃) SiHCl3 135.5 1.318(31.5℃) SiH4 32.12 0.68(-111.8℃) -185 -111.8 0 -61.92 12.39(-111.8℃) -39.30
Si 2Cl2 SiCl4 Si 3HCl SiHCl 3 H2 Ge 2Cl2 GeCl4 GeO 2 4HCl GeCl 4 2H2O Si(Ge) X 4 Si(Ge) 2Si(Ge) X 2
卤元素
卤化物具有强烈的水解性，空气中吸水而冒烟， 随分子中Si（Ge）—H键的增多稳定性减弱。
室温下，硅、锗的化学性质比较稳定，但可与 强酸、强碱作用。 高温下，硅、锗的化学活性大，可与氧、卤素、 碳……等作用，生成相应的化合物 自然界中，Si主要以SiO2和硅酸盐的形式存在。 SiO2性质：坚硬、脆、难熔的无色固体。
高温（1600℃ ）
冷却 玻璃态
熔化成黏稠液体
5
（i）硅、锗与卤素或卤化氢的反应方程式
密度(气体)g/dm3
熔点℃ 沸点℃ 粘度(×10-3)Pa· s 偶极矩C· m 标准生成热(298K)kJ/mol 蒸发热kJ/mol 标准生成自由能 (298K)kJ/mol 表面张力N· s-1 发火点℃ 物理状态(298K) 化合物中硅含量%
激光原理(课堂PPT)
二反射面组成的谐振腔的谐振频率 为入射光频率
(1)当 c 时: Gmax11r1r1 1r 2G r2sG 2s激－光原最理大与增技术益
(2)当
G
1 2
Gm
ax
时:
c
41l r1rr12rG 2G s2S
v
14
讨论：①可见，仅当入射光频率在谐振腔本征 频率附近时，才能得到有效放大。
② l、Gs、r 越大，
要求：入射光需在谐振腔本 征频率附近,保证频率匹配。
r1
r2
I0 P0
g>0 I
1
I
2
I
1
I束干涉处理
工作物质单程传 输的增益为:
经过复杂的推算后得:
GS
I
2
I1
I1
I
2
G 1r1r2G s 2 1 4 r1 r1 r2 1 G srs 2G i2 sn 2 lvvc
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
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和输入信号光 功率P0及泵浦光功率Pp的关系。
脉冲放大器输出能 量和长度的关系
三、功率增益与脉冲宽度变窄
激光原理与技术
激光原理与技术
2、最大输出光强
激光原理与技术
dI(z) gm 0
I(z)dz 1 I(z) Is
Im
Is
(
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
9
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
4
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
激光原理与技术PPT(很全面)
激光束质量对应用的影响
分析激光束质量对激光加工、光通信、激光雷达等应用的影响。
激光束的控制与整形
激光束控制技术
探讨通过光学元件、机械装置等手段对激光束进行控制的原理和 方法。
激光束整形技术
介绍将激光束整形为特定形状（如平顶、环形等）的原理和方法， 以及整形后激光束的特性。
激光束控制与整形的应用
阐述激光束控制与整形在材料加工、生物医学、光通信等领域的应 用实例。
激光Байду номын сангаас眼睛的危害
激光束直接照射眼睛，可能导致视网膜烧伤、视力下降甚至失明。防护措施包 括佩戴合适的激光防护眼镜，避免直接观看激光束。
激光对皮肤的危害
激光照射皮肤可能导致烧伤、色素沉着、皮肤癌等。防护措施包括穿戴防护服 、使用防晒霜等。
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）和美国国家标准学会（ANSI）等制定了激光安全标准， 对激光产品的分类、标识、使用等做出了规定。
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。
激光手术
利用激光的高精度和可控性，进行微 创手术操作，如眼科手术、皮肤科手 术等。
生物医学成像
利用激光的高亮度和方向性，对人体 内部组织进行光学成像，以辅助医学 诊断和治疗。
05
激光测量与检测技术
激光原理与技术第一章
ຫໍສະໝຸດ t sA21
s
1
A21 : 原子在能级 E2上的平均寿命S 的倒数
激光原理与技术
设高能级En跃迁到Em的跃迁几率为Anm，则 激发态En的自发辐射平均寿命为：
1 Anm
m
hν
激光原理与技术
四、受激辐射的相干性
自发辐射是原子在不受外界辐射场控制情况 下的自发过程。大量原子的自发辐射场的相 位是无规则分布的．因而是不相干的。此外， 自发幅射场的传播方向和偏振方向也是无规 则分布的，自发辐射平均地分配到腔内所有 模式上。
一、黑体辐射的普朗克公式
绝对黑体(简称黑体)：处于温度T的物体能 够发出和吸收电磁辐射。如果某一物体能够完 全吸收任何波长的电磁辐射，则称此物体为绝 对黑体。（空腔即为绝对黑体） 热辐射(温度辐射): 物体除吸收电磁辐射外， 还会发出电磁辐射，这种 电磁辐射称为热辐射 .
激光原理与技术
黑体辐射或平衡辐射: 黑体处于某一温度T 的热平衡情况下，则它所吸收的辐射能量应 等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间 应处于能量 ( 热 ) 平衡状态。显然，这种平衡 必然导致空腔内存在完全确定的辐射场。这 种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。
h3 xyz px p y pz
又px 2k x , py 2k y pz 2kz
则xyzpxpy pz h
3
一个光波模在相空间也占有一个相格，一个光波 模等效于一个光子态。
激光原理与技术
三、光子的相干性
光的相干性：在不同的空间点上、在不同的时 刻的光波场的某些特性(例如光波场的相位)的相 关性。
激光原理与技术
二、光波模式和光子状态相格
按照量子电动力学概念，光波的模式和光子的状态 是等效的概念。
s
1
A21 : 原子在能级 E2上的平均寿命S 的倒数
激光原理与技术
设高能级En跃迁到Em的跃迁几率为Anm，则 激发态En的自发辐射平均寿命为：
1 Anm
m
hν
激光原理与技术
四、受激辐射的相干性
自发辐射是原子在不受外界辐射场控制情况 下的自发过程。大量原子的自发辐射场的相 位是无规则分布的．因而是不相干的。此外， 自发幅射场的传播方向和偏振方向也是无规 则分布的，自发辐射平均地分配到腔内所有 模式上。
一、黑体辐射的普朗克公式
绝对黑体(简称黑体)：处于温度T的物体能 够发出和吸收电磁辐射。如果某一物体能够完 全吸收任何波长的电磁辐射，则称此物体为绝 对黑体。（空腔即为绝对黑体） 热辐射(温度辐射): 物体除吸收电磁辐射外， 还会发出电磁辐射，这种 电磁辐射称为热辐射 .
激光原理与技术
黑体辐射或平衡辐射: 黑体处于某一温度T 的热平衡情况下，则它所吸收的辐射能量应 等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间 应处于能量 ( 热 ) 平衡状态。显然，这种平衡 必然导致空腔内存在完全确定的辐射场。这 种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。
h3 xyz px p y pz
又px 2k x , py 2k y pz 2kz
则xyzpxpy pz h
3
一个光波模在相空间也占有一个相格，一个光波 模等效于一个光子态。
激光原理与技术
三、光子的相干性
光的相干性：在不同的空间点上、在不同的时 刻的光波场的某些特性(例如光波场的相位)的相 关性。
激光原理与技术
二、光波模式和光子状态相格
按照量子电动力学概念，光波的模式和光子的状态 是等效的概念。
激光原理与技术总结PPT课件
射光的能量密度，必须有 (n1 n2 )
为常数，即 dn2 / dt dn1 / dt 0 (VI)变为：
n1W13 S32 A31
S32
B12 (n1
n2
)
n2
(
A21
S21 )
0
第30页/共32页
该式应该对于任意大小 的均成立，
所以只有
B12(n1 n2，) 即0 时才
可以。这样由上式可得： n1 n2
T MN
（M:原子质量；MN:原子量）
第12页/共32页
四、增益系数
增益系数： G u1 Nu1
受激辐射截面积： u1
c2
8
2
Au1
g( )
粒子数之差：
N u1
Nu
gu g1
N1
第13页/共32页
五、速率方程
1.三能级系统（1,2能级产生激光）
⑴跃迁图
第14页/共32页
⑵速率方程
S32
B12(n1 n2 ) n2 ( A21 S21)
第28页/共32页
由于： dn2 dn1 dt dt
所以：
dn2 dt
dn1 dt
2
n1W13 S32 A31
S32
B12 (n1
n2 ) n2 ( A21
S21)
(VI)
第29页/共32页
而要使入射光的能量密度等于出
dNl dt
(n2
f2 f1
n1) 21( , 0 )vNl
Nl
Rl
(IV)
第27页/共32页
其中（II）式可以改写为
dn2 dt
n3S32
B12(n1 n2 ) n2 ( A21 S21)
为常数，即 dn2 / dt dn1 / dt 0 (VI)变为：
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S32
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A21
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该式应该对于任意大小 的均成立，
所以只有
B12(n1 n2，) 即0 时才
可以。这样由上式可得： n1 n2
T MN
（M:原子质量；MN:原子量）
第12页/共32页
四、增益系数
增益系数： G u1 Nu1
受激辐射截面积： u1
c2
8
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Au1
g( )
粒子数之差：
N u1
Nu
gu g1
N1
第13页/共32页
五、速率方程
1.三能级系统（1,2能级产生激光）
⑴跃迁图
第14页/共32页
⑵速率方程
S32
B12(n1 n2 ) n2 ( A21 S21)
第28页/共32页
由于： dn2 dn1 dt dt
所以：
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2
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S32
B12 (n1
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(VI)
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而要使入射光的能量密度等于出
dNl dt
(n2
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n1) 21( , 0 )vNl
Nl
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(IV)
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其中（II）式可以改写为
dn2 dt
n3S32
B12(n1 n2 ) n2 ( A21 S21)
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
周炳坤激光原理与技术课件第一章 激光的基本原理
1 Lc = cΔt = cτ c = c Δν
τ c 即相干时间。对波列进行
频谱分析的频带宽度：
I (ν0 )
I (ν )
1 Δν = Δt
I (ν 0 ) 2
Δν
Δν 是光源单色性的量度： 1 Lc = cΔt = c Δν
相干时间与频带宽度的关系为：
ν0
ν
（1.1.16）
τ c = Δt =
1 2
cπ ⎛ m 2 n2 q 2 ⎞ ωmnq = ⎜ 2 + 2 + 2 ⎟ η ⎝ 4a 4b l ⎠ 结论：不考虑偏振态的情况下，一组(m、n、q)值 对应一个模，求出(m、n、q)值的数目就可以得到 空腔中的模数
1 2
（二）、波矢空间和模密度 1、波矢空间 ——用 k x 、 y 、 z 作为坐标建立的空间称为波矢空间 k k
2
ν
k=
2π
λ
=
2πνη c
2πη dk = dν c
模密度 nν ——单位体积内在频率ν 处单位频率间隔内的模式数：
Nν 8πν 2η 3 = nν = Vdν c3
（*）
（三）、光子状态相格
光子的运动状态，受量子力学测不准关系制约——微观粒子 的坐标和动量不能同时准确测定，遵循测不准关系：
一维： 三维：
Δk z =
π
l
⎛ 2π ⎞ 且有： k = k + k + k = ⎜ ⎟ ⎝ λ ⎠ 2 ⎛ 2 ⎞ m2 n2 q2 = + 2 + 2 ⎜ 2 ⎜ λ mnq ⎟ ⎟ 4a 4b l ⎝ ⎠
2 2 2 x 2 y 2 z
ν mnq
c ⎛ m2 n2 q 2 ⎞ = ⎜ 2+ 2+ 2 ⎟ l ⎠ 2η ⎝ 4a 4b
激光原理与技术ppt课件2024新版
激光束的传输与变换
激光束的传输特性
探讨激光束在自由空间和光学系统中 的传输特性，包括光束的发散、聚焦 和像差等。
激光束的质量控制
阐述激光束质量评价的标准和方法， 以及提高激光束质量的措施和技术。
激光束的变换方法
介绍常见的激光束变换方法，如透镜 变换、反射镜变换和光纤传输等，并 分析它们的应用场景和优缺点。
激光原理与技术 ppt课件
目录
• 激光原理概述 • 激光技术基础 • 固体激光器 • 气体激光器 • 液体激光器与光纤激光器 • 激光技术的应用与发展趋势
01
激光原理概述
激光的产生与发展
01
1917年，爱因斯坦提出 “受激辐射”理论
02
03
1954年，美国物理学家 汤斯和肖洛提出激光原 理
1960年，梅曼制成世界 上第一台红宝石激光器
03
固体激光器
固体激光器的结构与工作原理
固体激光器的组成
工作物质、泵浦源、光学谐振腔
工作原理
通过泵浦源提供能量，使工作物 质中的粒子实现粒子数反转，然 后在光学谐振腔的作用下产生激
光振荡，输出激光。
光学谐振腔的作用
提供正反馈，使受激辐射光不断 放大，同时控制激光输出的方向
和质量。
固体激光器的性能特点
液体激光器与光纤激光器的性能特点及应用
液体激光器
主要应用于可调谐激光光谱学、生物 医学成像等领域。
光纤激光器
广泛应用于工业加工、通信、医疗等 领域，如激光切割、焊接、打标等。
06
激光技术的应用与发 展趋势
激光加工技术的应用与发展
激光切割
高精度、高效率的切割方法，广泛应用于金 属、非金属材料的加工。
激光原理与技术课件课件
激光原理与技术课件一、引言激光作为一种独特的人造光，自20世纪60年代问世以来，已经在众多领域取得了举世瞩目的成果。
激光原理与技术已经成为现代科学技术的重要组成部分，并在光学、通信、医疗、工业加工等领域发挥着重要作用。
本课件旨在阐述激光的基本原理、特性以及应用技术，使读者对激光有更深入的了解。
二、激光的基本原理1.光的粒子性与波动性光既具有粒子性，也具有波动性。
在量子力学中，光被视为由一系列光子组成的粒子流，光子的能量与频率成正比。
而在波动光学中，光被视为一种电磁波，具有频率、波长、振幅等波动特性。
2.光的受激辐射受激辐射是指处于激发态的原子或分子在受到外来光子作用后，返回基态并释放出一个与外来光子具有相同频率、相位、传播方向和偏振状态的光子。
这个过程是激光产生的核心原理。
3.光的放大与谐振在激光器中，通过光学增益介质实现光的放大。
当光在增益介质中往返传播时，不断与激发态原子或分子发生受激辐射，使光子数不断增加。
同时，通过谐振腔的选择性反馈，使特定频率的光得到进一步放大，最终形成激光。
三、激光的特性1.单色性激光具有极高的单色性，即频率单一。
这是由于激光器中的谐振腔对光的频率具有高度选择性，只有满足特定频率的光才能在谐振腔内稳定传播。
2.相干性激光具有高度的相干性，即光波的相位关系保持稳定。
相干光在传播过程中能形成稳定的干涉图样，广泛应用于光学检测、全息成像等领域。
3.方向性激光具有极高的方向性，即光束的发散角很小。
这是由于激光器中的谐振腔对光的传播方向具有高度选择性，只有沿特定方向传播的光才能在谐振腔内稳定传播。
4.高亮度激光具有高亮度，即单位面积上的光功率较高。
这是由于激光的单色性、相干性和方向性使其在空间上高度集中，从而具有较高的亮度。
四、激光的应用技术1.光通信激光在光通信领域具有广泛应用，如光纤通信、自由空间光通信等。
激光的高单色性、相干性和方向性使其在传输过程中具有较低的信号衰减和干扰，从而实现高速、长距离的数据传输。
激光原理与技术课件
害等优点。
自由空间光通信
利用激光在自由空间中传输信息，具 有传输速度快、抗干扰能力强等优点 。
激光雷达
利用激光的反射和散射特性对目标进 行探测和定位，具有精度高、抗干扰 能力强等优点。
军事领域
激光雷达侦查
利用激光雷达对敌方目标进行探测和识别 ，具有探测距离远、分辨率高等优点。
A 激光武器
利用激光的高能量密度对目标进行 摧毁或致盲，具有反应速度快、命
、光谱分析等。
半导体激光器
01 总结词
利用半导体材料作为增益介质 的激光器。
02
详细描述
半导体激光器通常由半导体材 料、电极、反射镜等组成，其 中半导体材料是实现光放大的 介质。由于半导体激光器的结 构紧凑、效率高、寿命长等特 点，使其在许多领域得到广泛 应用。
03
特点
04
半导体激光器具有体积小、重量 轻、可靠性高、响应速度快等特 点，同时其成本较低，易于集成 。
激光原理与技术课件
目录 Contents
• 激光原理 • 激光技术 • 激光器件 • 激光技术应用 • 激光安全
01
激光原理
光的相干性
光的相干性是指光波在空间不同点上具有相同的相位关系。在激光中，相干性使 得光波在传播过程中能够保持稳定的相位关系，从而实现光的干涉和衍射现象。
光的干涉是指两束或多束相干光波在空间某一点相遇时，由于相位关系不同而产 生的明暗交替的现象。干涉现象在激光技术中具有重要的应用，如干涉仪和光学 薄膜等。
液体激光器
总结词
详细描述
特点
应用领域
利用液体作为增益介质的激 光器。
液体激光器通常由染料溶液 、泵浦源、反射镜等组成， 其中染料溶液是实现光放大 的介质。液体激光器的输出 波长可以通过改变染料溶液
自由空间光通信
利用激光在自由空间中传输信息，具 有传输速度快、抗干扰能力强等优点 。
激光雷达
利用激光的反射和散射特性对目标进 行探测和定位，具有精度高、抗干扰 能力强等优点。
军事领域
激光雷达侦查
利用激光雷达对敌方目标进行探测和识别 ，具有探测距离远、分辨率高等优点。
A 激光武器
利用激光的高能量密度对目标进行 摧毁或致盲，具有反应速度快、命
、光谱分析等。
半导体激光器
01 总结词
利用半导体材料作为增益介质 的激光器。
02
详细描述
半导体激光器通常由半导体材 料、电极、反射镜等组成，其 中半导体材料是实现光放大的 介质。由于半导体激光器的结 构紧凑、效率高、寿命长等特 点，使其在许多领域得到广泛 应用。
03
特点
04
半导体激光器具有体积小、重量 轻、可靠性高、响应速度快等特 点，同时其成本较低，易于集成 。
激光原理与技术课件
目录 Contents
• 激光原理 • 激光技术 • 激光器件 • 激光技术应用 • 激光安全
01
激光原理
光的相干性
光的相干性是指光波在空间不同点上具有相同的相位关系。在激光中，相干性使 得光波在传播过程中能够保持稳定的相位关系，从而实现光的干涉和衍射现象。
光的干涉是指两束或多束相干光波在空间某一点相遇时，由于相位关系不同而产 生的明暗交替的现象。干涉现象在激光技术中具有重要的应用，如干涉仪和光学 薄膜等。
液体激光器
总结词
详细描述
特点
应用领域
利用液体作为增益介质的激 光器。
液体激光器通常由染料溶液 、泵浦源、反射镜等组成， 其中染料溶液是实现光放大 的介质。液体激光器的输出 波长可以通过改变染料溶液
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2、非均匀加宽激光器中模竞争的表现
• 若纵模频率1, 2 对称分布在中心频率 0 两侧，消 耗相同速度vz的反转粒子数
• 相邻纵模的烧孔重叠 D
烧孔宽度
1
I1 Is
D
H
Dn
2
1
5.3 连续激光器的输出功率和最佳透过率
讨论稳态情况下的平均光强 估算激光器输出功率
P I TA
P 1 ITA 2
PPt
h pDntV 12 s
h pDntV F s
h pV F 21l s
h p －泵浦光子能量
F 12 －总量子效率
2. 三能级系统 • 分析方法与四能级系统类似，不同之处－激光下能级为基态
设总粒子数密度为n, E2能级阈值粒子数密度为n2t
n3 0
n1 n2 n3 n1 n2 n
一、均匀加宽激光器的振荡模式
1. 均匀加宽激光器增益曲线的均匀饱和及自选模作用
q c 2 L
1, 2 , 3.....
增益曲线
Gth
1 2l
ln r1r2
1
2
3
G0 G() G(1) I1 G(2) I2 G(3) I3
red
Gth
blue
> Gth > Gth >Gth > Gth > Gth = Gth
0
t0
t
E1
S31 S32 S21 A21
A31 S32
n1 n2 n3 n
若尚未形成自激振荡或在阈值附 近,可忽略受激辐射跃迁过程
dn3
dt
n1W13
n3
S32 A31
S32 W13, n3 0
n1W13 n3
S32 A31
n3S32
1
dn2 dt
n2
g2 g1
1600
1400
21
4. Dnt Ppt,Ept
应保证腔内各光学元件质量, 减小各种损耗
5. Ppt和Ept的实际含义
推导得出的Ppt或Ept－有效泵浦功率或泵浦能量 实际激光器Ppt或Ept 为输入泵浦光源的电功率
固体激光器为例
电源 充电 电容 放电 脉冲氙灯
发光
工作物质
部分
吸收 Dnt
+－
n1
21
,
0
vNl
n2 S21
A21 n3S32
泵浦效率 1 S32 S32 A31
荧光效率 2 A21 A21 S21
dn2
dt
n1W131 n2 A21
2
n n2
W131 n2 A21 2
可解得 当 0 t时,t0
n2
t
1W13n
1
A21
2
1W13
t
纵模，该模频率总是在增益曲线中心频率附近。由于模竞争其它
纵模被抑制而熄灭。
G0
Gth
1 2 3
...
...
2
2. 空间烧孔效应及其引起的多模振荡
轴向空间烧孔效应 (设横向分布均匀，仅考虑z向分布)
腔内驻波场分布 增益空间分布G(z) 增益的空间烧孔 轴向驻波场分布导致工作物质中各点增益不同
空间烧孔引起多模振荡的物理原因
Rl
LA
dNl dt
Nl
c
N lc
Rl
L
c
L l Ll
Nl AL
dNl dt
n2
f2 f1
n1 21 , 0 cNl
l L
Nl
c
L
Dn0
dNl dt 0
Dn0
Dnt
21 ,
0
l
Dn0
Dnt
21 ,
0
l
21 , 0
A21v2
8
2 0
g , 0
• 不同模式(频率)具有不同的受激辐射截面,Dnt值也不同
2 A21 A21 S21 2 s
单位时间，单位体积内，
1 S32 S32 A30
• E2E1 跃迁的粒子数 n2 2 或 n2 ( s 2 ) 要维持 n2 n2t
• 需要 E3E2 粒子的跃迁补充 n2 2 或 n2 (s 2) 同样多的粒子数
• 通过泵浦（吸收）E0E3 n2 ( 2 1) 或 n2 ( s 12 )
电源
• 半导体激光器 Ith 注入电流
• 气体激光器
放电电流
• 固体激光器
光泵
5.2 激光器的振荡模式
要求了解和掌握： ➢ 什么是激光振荡模式？激光输出模式由哪些因素决定的？ ➢ 增益饱和在激光振荡中所起的作用(均匀和非均匀加宽)？ ➢ 什么是模竞争？ ➢ 空间烧孔效应的产生及对模式的影响？
从增益饱和机制出发，讨论激光器的输出模式
green = Gth > Gth <Gth 0
... ... brown 1
2
3
< Gth 0
= Gth
< Gth 0
稳态增益
通过饱和效应，某一个模逐渐把别的模的振荡抑制下去，最后只
剩下它自己的现象，称之为模竞争（mode competition）
结论：一般在理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出模式为单
A21
2
1W13
讨论:1.经历两种变化过程
n2(t0)
0<t<t0 激励过程中 n2
t>t0 泵浦脉冲撤除 n2
W13
0 dn2 dt
n2
A21
2
n2
A21 S21
n2
(t)
t0
n2
(t0
)e
A21 2
(t t0
)
2. t=t0 时
n2 最大
t0 2
n2
t0
1W13n
A21
需吸收（泵浦）光子数 (1/1) 需吸收（泵浦）光子数 (n2t / 1 )
当单位体积吸收的泵浦光子数 > ( n2t / 1 ) 就能产生激光
短脉冲激光器
长脉冲或连续激光器
四能级
E pt
h
pDntV
1
Ppt
h pDntV 12 s
三能级
• 当 t0~
界于E长pt脉 h冲2与pn1V短脉冲之间)
A21 &PpSt 21的2h影1pn2响Vs不能忽
T1=0
当激励作用较强时，由于空间烧孔效 应, 不同纵模可使用腔内不同部位的高 能级粒子，纵模的空间竞争
空间烧孔的形成条件:
驻波腔 烧孔间距在波长量级 粒子空间转移速度较慢
气体: 无规热运动, 空间转移迅速，难以形成空间烧孔。 固体: 如 Cr 离子束缚在晶格结构上，转移 l/4 需10-4 S
半导体: 10-7 S
红宝石
钕玻璃
Nd:YAG
He-Ne
3.3×1011 7×1012 1.95×1011 1.5×109
3×10－3 7×10－4 2.3×10－4 7×10－9
8.7×1017 1.4×1018 1.8×1016
109
~9.5×1018 1.4×1018 1.8×1016
0.7
0.4
1
5
0.95
4.9×10－3
略，无法得到 Ept 解析表达式，t0 给定，可数值求解
讨论:
1. 四能级系统激光器阈值低于三能级系统
四能级 n1 0, 只需抽运Dnt 粒子就可使 G> 形成振荡
三能级 n1为基态, 至少要抽运 n/2 粒子, 且 n/2 >> Dnt
2. 泵浦效率 1 的提高: 采用半导体激光器泵浦
3. Ppt, Ept 与工作物质特性有关 F, 21,s,DF
A21
A21n
12W13
n2 完成增长过程达到稳定值,可按稳态处理;n1也达到稳定值
W13(t)
w13
0
t0
t
5.1 激光器的振荡阈值(Oscillation Threshold) 一. 阈值反转粒子数密度 Δnth(阈值条件)
自激振荡条件: （1） Δ n > 0; （2） G >α
推导Dnth公式的两种方法: (1)增益(光强)变化 * (2)速率方程;
Ppt
h pV F 21 sl
F ,21 , s Ppt ,Ept
均匀加宽
21
v2 A21
4
2
2 0
D
H
非均匀加宽
21
ln 2v2 A21
4 3 2 02D D
DF 21 Ppt ,Ept
荧光线宽小的介质是好的激光 工作物质(钕玻璃&YAG比较)
激光器种类
DF (Hz) s (S) Dnt (cm-3) n2t(cm-3) F Ept/ V (J/cm3) Ppt/ V (W/cm3)
I
q
G()>Gt
Nl vh
G q, Iq
I
q
I
q
G
q , Iq
Gt
dNl
0, dDn 0
dt
dt
I N
q
l
稳态光强 不变
I q
1 2
Nl
vh
P
1 2
TI
A
1 2
Nl h
vAT
P
1 2
I TA
1 2
Nl h
vAT
1. 均匀加宽激光器( =0 )
假设 T 1,
I I , I I I I
* 讨论：
即0时的阈值增益系数
Dnt
21l
(
4
v2