第2讲激光器件及其技术
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激光器的基本技术激光调Q技术讲解课件
的数字通信。
测量领域
利用激光的高亮度和相干性好 的特点，实现高精度的测量和 定位。
军事领域
利用激光的高亮度和方向性好 的特点，实现远距离的探测、 跟踪和瞄准。
工业领域
利用激光的高亮度和高能量密 度的特点，实现各种加工和制 造，如切割、焊接、打标等。
02
激光调Q技术介绍
调Q技术的定义
调Q技术
调Q技术是一种控制激光器输出 脉冲宽度的技术，通过调节激光 器的腔长或腔内损耗，使激光器 在脉冲状态下工作，从而获得短 脉冲和高峰值功率的激光输出。
当激光器处于低损耗状态时，腔内的光子数会逐渐增加，当腔内的光子数达到最 大值时，突然关闭腔的损耗，使腔内光子数突然剧增，导致激光器产生单脉冲输 出。
调Q技术的实现方式
机械方式
通过调节反射镜或光学元件的位 置来实现腔长或折射率的调节。
电学方式
通过改变腔内电场的分布来实现 折射率的调节。
调Q技术的优缺点
调Q技术的原理
调Q技术的原理是通过调节激光 器的腔长或腔内损耗，使激光器 在脉冲状态下工作。在脉冲状态 下，激光器的输出功率和光束质 量得到显著提高，从而获得短脉 冲和高峰值功率的激光输出。
调Q技术的分类
调Q技术可以分为被动调Q和主动 调Q两大类。被动调Q技术利用某 些材料的物理特性（如非线性折 射率变化）来实现腔内损耗的调 节；主动调Q技术则通过外部控 制电路或声光调制器等设备来实 现腔内损耗的调节。
等优点。
激光调Q技术在工业领域的应用
激光调Q技术在工业领域的应用也非常广泛，它可以用于加工各种材料，如金属、 非金属、复合材料等。
激光调Q技术还可以用于制造各种产品，如激光打印机、激光投影仪、激光传感器 等。
测量领域
利用激光的高亮度和相干性好 的特点，实现高精度的测量和 定位。
军事领域
利用激光的高亮度和方向性好 的特点，实现远距离的探测、 跟踪和瞄准。
工业领域
利用激光的高亮度和高能量密 度的特点，实现各种加工和制 造，如切割、焊接、打标等。
02
激光调Q技术介绍
调Q技术的定义
调Q技术
调Q技术是一种控制激光器输出 脉冲宽度的技术，通过调节激光 器的腔长或腔内损耗，使激光器 在脉冲状态下工作，从而获得短 脉冲和高峰值功率的激光输出。
当激光器处于低损耗状态时，腔内的光子数会逐渐增加，当腔内的光子数达到最 大值时，突然关闭腔的损耗，使腔内光子数突然剧增，导致激光器产生单脉冲输 出。
调Q技术的实现方式
机械方式
通过调节反射镜或光学元件的位 置来实现腔长或折射率的调节。
电学方式
通过改变腔内电场的分布来实现 折射率的调节。
调Q技术的优缺点
调Q技术的原理
调Q技术的原理是通过调节激光 器的腔长或腔内损耗，使激光器 在脉冲状态下工作。在脉冲状态 下，激光器的输出功率和光束质 量得到显著提高，从而获得短脉 冲和高峰值功率的激光输出。
调Q技术的分类
调Q技术可以分为被动调Q和主动 调Q两大类。被动调Q技术利用某 些材料的物理特性（如非线性折 射率变化）来实现腔内损耗的调 节；主动调Q技术则通过外部控 制电路或声光调制器等设备来实 现腔内损耗的调节。
等优点。
激光调Q技术在工业领域的应用
激光调Q技术在工业领域的应用也非常广泛，它可以用于加工各种材料，如金属、 非金属、复合材料等。
激光调Q技术还可以用于制造各种产品，如激光打印机、激光投影仪、激光传感器 等。
激光原理与应用讲教学课件
规定使用场所
激光设备应在指定的、安全的场所使用，并确保该场所没有其他人 员或物体受到激光的潜在危害。
规定操作流程
使用激光设备前，必须阅读并理解操作手册，并按照手册中的步骤 进行操作。任何违反操作流程的行为都可能导致严重的后果。
定期检查和维护
激光设备应定期进行检查和维护，以确保其处于良好的工作状态，并 消除任何潜在的安全隐患。
亮度高
激光的能量密度很大，亮 度高，可以在很短的时间 内集中很大的能量
激光的分 类
按工作物质分类 气体激光器、液体激光器、固体激光 器、化学激光器和自由电子激光器等
按输出波长分类
远红外激光器、近红外激光器、可见 激光器、紫外激光器、X射线激光器 和超短激光器等
材料加工
01
02
利用激光的高能量密度，实现金属和非金属材料的切割、 焊接、打孔等。
应用：汽车制造、航空航天、电子制造。
03
04
激光快速成型
利用激光制造三维物体，具有速度快、精度高、成本低 等优点。
05
06
应用：产品原型制造、医疗器械制造。
04 激光技术的前沿 与展望
高功率激光技 术
总结词
高功率激光技术是目前激光领域的前沿技术之一，是推动激光技术进步的重要力 量。
激光原理与应用教学课件
contents
目录
• 激光原理概述 • 激光原理的基本概念 • 激光器件及应用 • 激光技术的前沿与展望 • 激光安全与防护
01 激光原理概述
激光的产生
激光是受激辐射光放大的简称，是原子或分子中的电子在吸收能量后，从低能级跃 迁到高能级，再从高能级回落到低能级时，释放的能量以光子的形式放
详细描述
光纤激光器利用光纤作为增益介质，具有体积小、散热效果好、易于维护等优点。同时，光纤激光器的光束质量 也优于传统固体激光器，能够实现更远距离的传输和更好的聚焦效果。目前，光纤激光器已经被广泛应用于工业、 医疗、军事等领域。
激光设备应在指定的、安全的场所使用，并确保该场所没有其他人 员或物体受到激光的潜在危害。
规定操作流程
使用激光设备前，必须阅读并理解操作手册，并按照手册中的步骤 进行操作。任何违反操作流程的行为都可能导致严重的后果。
定期检查和维护
激光设备应定期进行检查和维护，以确保其处于良好的工作状态，并 消除任何潜在的安全隐患。
亮度高
激光的能量密度很大，亮 度高，可以在很短的时间 内集中很大的能量
激光的分 类
按工作物质分类 气体激光器、液体激光器、固体激光 器、化学激光器和自由电子激光器等
按输出波长分类
远红外激光器、近红外激光器、可见 激光器、紫外激光器、X射线激光器 和超短激光器等
材料加工
01
02
利用激光的高能量密度，实现金属和非金属材料的切割、 焊接、打孔等。
应用：汽车制造、航空航天、电子制造。
03
04
激光快速成型
利用激光制造三维物体，具有速度快、精度高、成本低 等优点。
05
06
应用：产品原型制造、医疗器械制造。
04 激光技术的前沿 与展望
高功率激光技 术
总结词
高功率激光技术是目前激光领域的前沿技术之一，是推动激光技术进步的重要力 量。
激光原理与应用教学课件
contents
目录
• 激光原理概述 • 激光原理的基本概念 • 激光器件及应用 • 激光技术的前沿与展望 • 激光安全与防护
01 激光原理概述
激光的产生
激光是受激辐射光放大的简称，是原子或分子中的电子在吸收能量后，从低能级跃 迁到高能级，再从高能级回落到低能级时，释放的能量以光子的形式放
详细描述
光纤激光器利用光纤作为增益介质，具有体积小、散热效果好、易于维护等优点。同时，光纤激光器的光束质量 也优于传统固体激光器，能够实现更远距离的传输和更好的聚焦效果。目前，光纤激光器已经被广泛应用于工业、 医疗、军事等领域。
长春理工大学 激光器件与技术 第二章-2讲
光性质
E
C
AB
o光 no
BC
o光 no
CE
o光 no
Page: 15
折射率
长春理工大学电子科学与技术系
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 对于e光来讲，反射前沿z轴振动， 反射后，近似沿y轴振动，由e光变 为e’光。根据各向异性介质的反射 公式
x z y
C
’ B
E
ne sin 45 ne 'sin
KD*P
全反镜
x
U /2
检偏器
y
z
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 7
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2. 带偏振器的电光调Q器件-（单偏振器） 激光 输出镜 氙灯 激光介质：Nd:YAG晶体； 偏振器：格兰棱镜； 电光晶体：KD*P（磷酸二氘钾） YAG 偏振器 KD*P
全反镜
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 20
§2.3 电光调Q
双45oQ开关的特点：
第 二 章 调 Q 技 术
①双45o电光Q开关可以省去偏振器，适用于产生自然光 的YAG、钕玻璃等。一块晶体相当于三个元件； ②对于横向运用的LN晶体，可以通过控制晶体的长度和 厚度的比值来降低半波电压值。 缺点： ①由于o光和e光在BC段中的路程不同，所以要求的半波 电压不同。为解决此问题，需要引入“光预偏置技术” ， 增加了电路的复杂性； ②晶体保证双45o的方位不容易，给加工带来了困难。 优点:
y
z
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 12
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
3. 单块双45o电光调Q器件-（无偏振器） 激光 输出镜 氙灯 YAG
E
C
AB
o光 no
BC
o光 no
CE
o光 no
Page: 15
折射率
长春理工大学电子科学与技术系
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 对于e光来讲，反射前沿z轴振动， 反射后，近似沿y轴振动，由e光变 为e’光。根据各向异性介质的反射 公式
x z y
C
’ B
E
ne sin 45 ne 'sin
KD*P
全反镜
x
U /2
检偏器
y
z
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 7
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2. 带偏振器的电光调Q器件-（单偏振器） 激光 输出镜 氙灯 激光介质：Nd:YAG晶体； 偏振器：格兰棱镜； 电光晶体：KD*P（磷酸二氘钾） YAG 偏振器 KD*P
全反镜
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 20
§2.3 电光调Q
双45oQ开关的特点：
第 二 章 调 Q 技 术
①双45o电光Q开关可以省去偏振器，适用于产生自然光 的YAG、钕玻璃等。一块晶体相当于三个元件； ②对于横向运用的LN晶体，可以通过控制晶体的长度和 厚度的比值来降低半波电压值。 缺点： ①由于o光和e光在BC段中的路程不同，所以要求的半波 电压不同。为解决此问题，需要引入“光预偏置技术” ， 增加了电路的复杂性； ②晶体保证双45o的方位不容易，给加工带来了困难。 优点:
y
z
长春理工大学电子科学与技术系
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
3. 单块双45o电光调Q器件-（无偏振器） 激光 输出镜 氙灯 YAG
激光原理及技术课件2
确制导武器的一种重要制导方式。
2014-10-16
14
激光制导的种类
激光制导的种类主要有：半主动回波 式制导、全主动回波式制导和波束式制导。 目前应用较为普遍的是半主动回波式制导。
2014-10-16
15
1 、激光驾束制导：激光接收器臵于导弹上，导弹发射时
激光器对着目标照射，发射后的导弹在激光波束内飞行。当
2、对激光接收器干扰， 如果你的spy侦察到敌方使用的激 光的特定波长，利用同类型激光照射其他物体，把激光制导 导弹引向假目标。 3、利用“复合式假目标”装臵， 使用一种粉末状激光作
用物质。这种物质在燃烧过程中，可产生照射敌激光工作频
率段的电磁波，或者燃烧后游离于燃烧区外，在冷却过程中 产生所需波段的电磁波，从而干扰来袭的激光寻找目标。
导弹偏离激光波束轴线时，接收器敏感偏离的大小和方位并 形成误差信号，按导引规律形成控制指令来修正导弹的飞行。 2 、激光半主动式自动导引：使用位于载机或地面上的激 光器照射目标，导弹上的激光导引头接收从目标反射的激光
从而跟踪目标并把导弹导向目标。
3、激光主动式自动导引：激光照射器装在导引头上。这 种激光制导的自动化程度高，但实际上还没有应用到反坦克 导弹上。
2014-10-16 17
激光制导的详细说明
常见的激光波束制导，是由激光照射器发射激光波束 对准并跟踪目标，并使导弹发射时就位于激光波束的中心。 导弹在飞向目标的过程中。一旦导弹偏离光束的中心，安 装在导弹尾部的激光接收器便会发出偏差信号，然后通过 控制系统纠正弹道偏差，很显然，激光波束制导要求地面
上的激光发射器发射的激光束与导弹的发射方向严格配合，
因此技术要求高。但整个激光波束制导系统小巧轻便，适 合单兵使用。
激光器件与技术第二章1
对于小型器件，一般采用倍压整流电路。
激光器件与技术
二、He-Ne 激光器的能级图 He-Ne激光器的工作物质为He和Ne气体，其中产生激
光跃迁的是Ne气， He是辅助气体，用于提高Ne原子的 泵浦速率，产生粒子数反转。
能级图如图所示：
图中：11 s0 为He原子基态能级
21s0 、23 s1为He原子两个激发态能级
激光器件与技术
弹性碰撞：是指粒子在碰撞过程中只交换动能和动量， 任一粒子内部都不发生电离和激发等过程。
非弹性碰撞：粒子内能发生了变化。
非弹性碰撞又分为：第一类非弹性碰撞和第二类非 弹性碰撞。
1、第一类非弹性碰撞 第一类非弹性碰撞是指一个粒子的动能转变为另一
个粒子内能的碰撞。
最常见的形式之一是快速电子与气体粒子发生 碰撞激发和电离。
632.8nm .对应的跃迁为： 3s2 2p4
1.15m .对应的跃迁为： 2s2 2p4
3.39m .对应的跃迁为： 3s2 3p4
激光器件与技术
三、Ne原子激光上能级的激发过程 1、能级共振转移 共振转移过程如下： He(10 s1) e(快) He(21s0) e（慢） He(10 s1) e(快) He(23s1) e（慢）
D点所对应的电压称为着火电压或叫起辉电压。
DE段对应着非自持放电 到自持放电的转换过程
着火过程 放电管呈负阻特性 电路中一定要加限流电阻
激光器件与技术
EF段对应的放电称为辉光放电 辉光放电是一种稳定的小电流自持放电
这段电流
FG段对应的放电称为反常辉光放电 反常辉光放电时，阴极发生强烈的溅射，一般防止 放电管在此状态下工作。 GH段对应弧光放电 G点电压：弧光着火电压。
He-Ne激光器
激光器件与技术
二、He-Ne 激光器的能级图 He-Ne激光器的工作物质为He和Ne气体，其中产生激
光跃迁的是Ne气， He是辅助气体，用于提高Ne原子的 泵浦速率，产生粒子数反转。
能级图如图所示：
图中：11 s0 为He原子基态能级
21s0 、23 s1为He原子两个激发态能级
激光器件与技术
弹性碰撞：是指粒子在碰撞过程中只交换动能和动量， 任一粒子内部都不发生电离和激发等过程。
非弹性碰撞：粒子内能发生了变化。
非弹性碰撞又分为：第一类非弹性碰撞和第二类非 弹性碰撞。
1、第一类非弹性碰撞 第一类非弹性碰撞是指一个粒子的动能转变为另一
个粒子内能的碰撞。
最常见的形式之一是快速电子与气体粒子发生 碰撞激发和电离。
632.8nm .对应的跃迁为： 3s2 2p4
1.15m .对应的跃迁为： 2s2 2p4
3.39m .对应的跃迁为： 3s2 3p4
激光器件与技术
三、Ne原子激光上能级的激发过程 1、能级共振转移 共振转移过程如下： He(10 s1) e(快) He(21s0) e（慢） He(10 s1) e(快) He(23s1) e（慢）
D点所对应的电压称为着火电压或叫起辉电压。
DE段对应着非自持放电 到自持放电的转换过程
着火过程 放电管呈负阻特性 电路中一定要加限流电阻
激光器件与技术
EF段对应的放电称为辉光放电 辉光放电是一种稳定的小电流自持放电
这段电流
FG段对应的放电称为反常辉光放电 反常辉光放电时，阴极发生强烈的溅射，一般防止 放电管在此状态下工作。 GH段对应弧光放电 G点电压：弧光着火电压。
He-Ne激光器
光电子技术课件二激光原理和技术
其他非线性光学效应简介
光学整流
光学整流是指利用非线性光学效应将交流光信号转换为直 流电信号的过程。它在光通信、光计算等领域有潜在应用 。
光学参量振荡（OPO）
OPO是一种基于非线性光学效应的频率转换技术，可以实 现宽调谐范围、高效率的激光输出。它在激光雷达、光谱 学等领域有广泛应用。
四波混频（FWM）
工作原理
通过电流注入半导体芯片，使芯片内的电子和空穴复合并释放出能 量，形成激光振荡并输出激光。
特点
具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，广泛应用于通信、 工业加工等领域。
03
激光束特性及参数测 量
激光束空间分布特性
高斯光束
基模高斯光束是激光束的 典型空间分布形式，具有 中心光强最大、向外逐渐 减小的特点。
相位调制与解调方法
相位调制
通过改变激光束的相位来加载信息。这通常使用电光调制器（如Pockels效应调制器）来实现。
相位解调
从接收到的激光信号中提取相位变化的信息。常见的方法包括使用干涉测量技术，如Mach-Zehnder干涉仪或 Michelson干涉仪。
05
非线性光学效应在激 光技术中应用
二次谐波产生（SHG）原理及应用
02
激光器结构与工作原 理
固体激光器
固体激光器的构成
特点
通常由激光工作物质、泵浦源、光学 谐振腔等部分组成。
具有体积小、重量轻、效率高、寿命 长等优点，广泛应用于科研、工业、 医疗等领域。
工作原理
通过泵浦源提供能量，使激光工作物 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 并输出激光。
新型高功率高能量密度激光技术
随着新型激光材料、新型激光器等技术的不断发展，高功率高能量密度激光技术将不断取 得新的突破。
2024版激光原理与技术PPT(很全面)
•激光基本原理•激光器类型及技术•激光束特性及控制技术目录•激光与物质相互作用•激光测量与检测技术•激光通信与信息处理技术•激光安全与防护技术光的自发辐射与受激辐射自发辐射原子或分子在没有外界作用下，由于自身能级的不稳定性而自发地从高能级向低能级跃迁，同时发射出一个光子的过程。
受激辐射原子或分子在外界光子的作用下，从高能级向低能级跃迁，同时发射出一个与入射光子完全相同的光子的过程。
区别与联系自发辐射是随机的，而受激辐射是确定的；自发辐射产生的光是非相干的，而受激辐射产生的光是相干的。
光放大当外来光信号通过激光工作物质时，受激辐射产生的光子与入射光子具有相同的频率、相位、传播方向和偏振状态，从而实现光信号的放大。
粒子数反转在激光工作物质中，高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数，形成粒子数反转分布。
实现方法通过泵浦源提供能量，使激光工作物质中的粒子被激发到高能级，形成粒子数反转分布。
粒子数反转与光放大产生条件特性应用领域030201激光的产生与特性晶体激光器玻璃激光器光纤激光器He-Ne 激光器CO2激光器以氦气和氖气作为工作气体，产生红色可见光激光，常用于精密测量和准直。
Ar+激光器染料激光器液体激光核聚变半导体激光器边发射半导体激光器面发射半导体激光器采用垂直腔面发射结构，具有低阈值电流、圆形光束和易于集成等特点，适用于光通信和光互连等领域。
激光束的传输与聚焦激光束的传输特性01激光束的聚焦原理02激光束的聚焦技术03介绍评价激光束质量的常用参数，如光束直径、发散角、光强分布等。
激光束质量评价参数阐述实验测量和数值模拟等方法在激光束质量评价中的应用。
激光束质量评价方法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。
激光束质量对应用的影响激光束的质量评价激光束的控制与整形激光束控制技术激光束整形技术激光束控制与整形的应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激光与物质相互作用的机理激光与物质相互作用的特点1 2 3激光加工的基本原理激光加工的应用领域激光加工的优势激光加工原理及应用利用激光的高能量密度和生物效应，对生物组织进行照射，以达到治疗疾病的目的。
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
第2讲激光器件及其技术
He-Ne激光器能级图
Ne激光下能级消激发 1S 到 1S0禁戒跃迁，管壁碰撞驰豫，所以用毛细管 第三届全国物理学研究生暑期学校
CO2激光器
激光上下能级为电子基态 的振转能级，能量转换效 率高，输出功率大，波长 较长，在远红外， 9-11微 米 激发：直流辉光放电 （ 1）电子碰撞激发 （ 2）窜级跃迁激发 （ 3）共振转移 +N2
第三届全国物理学研究生暑期学校
Nd3+ 4f35s25p6 4f 能级未满 不在最外层，受晶格场影响较 小，电子-声子耦合较小，谱线窄
第三届全国物理学研究生暑期学校
红宝石能级系统
工作物质 Cr3+ Cr 外层电子 3d54s1 Cr3+ 3d3
基质材料：宝石 （Al2O3), 各向异性光学单轴晶体 Cr3+的3d3电子在最外层，受基质晶格场的影响 三能级系统
θi = θ d = θ λs sin θ = λ / 2n
ω d = ωi ± ω s
第三届全国物理学研究生暑期学校
调Q
Q激光器的品质因子 定义： W
Q = 2πγ
dW
其中W为腔内储能，dW为每秒损耗的能量
2πnl Q= δλ
δ
为单程损耗
调Q：改变腔的Q因子，使激光输出窄脉冲
第三届全国物理学研究生暑期学校
第三届全国物理学研究生暑期学校
掺钛蓝宝石
吸收：蓝绿光. 对不同偏振吸收 截面不同。 E//C轴， 吸收多 荧光光谱也有偏振特性 增益峰值波长：795nm 增益范围：650-1200nm 带宽约122nm，是迄今为止最宽的
π
E⊥ C轴，
σ
吸收少
第三届全国物理学研究生暑期学校
精品课件光电子技术2激光器件12744
Eth
(2
1 l
ln
1) R
2K
连续器件：
工作物质横 截面面积
K 21lcab1 Ah p A21
Pth
(2
1 l
ln
1) R
2K
31
1.3输出能量（功率）、效率和最佳透过率
❖ 输出能量
E
out
(n2
n2th
)VRh
21
T
T
.......(1.3
1)
n2
( E in VR
)lcab1
h p
nth
1
2
三能级1
=
S32 S32 +A31
2
A21 A21 S21
四能级1
=
S32
S32 +A30
+A31
优质红宝石: 0.7 钕玻璃: 0.4
8
普通红宝石: 0.5 YAG: ~1
斯托克斯损失或斯托克斯比
E3
A31
S32
W13
E2
A21 B12 B21
E1
a) 三能级
E3
A30
S32
W03
E2
A21 B12 B21
导致应力双折射，激光输出具有部分 偏振特性。 ❖在谐振腔中有偏振元件，激光输出也 会具有偏振性
46
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BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH
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。
2024版激光原理与技术PPT精品文档
8
气体激光器
构成
主要由放电管、反射镜和电源三 部分组成。
工作原理
在放电管中充入一定种类和压强 的气体，通过高压放电激励气体 分子或原子，使其产生受激辐射 并放大，形成激光输出。
特点
具有光束质量好、输出功率大、 效率高、结构简单等优点，常用 于高精度测量、光谱分析等领域。
2024/1/25
9
液体激光器
01 02
高功率激光技术
随着科技的进步，高功率激光器已经成为激光技术发展的重要方向。高 功率激光器具有更高的能量密度和更远的传输距离，可广泛应用于工业 加工、军事、医疗等领域。
高效率激光技术
提高激光器的效率是激光技术发展的另一个重要方向。高效率激光器可 以减少能源浪费，降低成本，同时提高激光器的性能和使用寿命。
激光特性参数
波长
激光的波长决定了其颜色和应用领域， 不同波长的激光具有不同的特性和用途。
光束质量
2024/1/25
激光的光束质量决定了其聚焦能力和 传输效率，优质的光束质量可以提高
激光加工的精度和效率。
功率
激光的功率决定了其能量大小和输出 能力，高功率激光具有更强的穿透力 和加工能力。
稳定性 激光的稳定性决定了其长期运行的可 靠性和稳定性，对于高精度、高稳定 性的应用尤为重要。
构成
主要由半导体材料（如GaAs、InP等）制成的PN结或异质结构成。
工作原理
通过正向偏置电压注入电流，使电子和空穴在半导体材料中复合并 释放出能量，形成受激辐射并放大，产生激光输出。
特点
具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、易于调制等优点，广泛应 用于通信、光存储、打印等领域。
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PART 03
激光技术应用领域
气体激光器
构成
主要由放电管、反射镜和电源三 部分组成。
工作原理
在放电管中充入一定种类和压强 的气体，通过高压放电激励气体 分子或原子，使其产生受激辐射 并放大，形成激光输出。
特点
具有光束质量好、输出功率大、 效率高、结构简单等优点，常用 于高精度测量、光谱分析等领域。
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液体激光器
01 02
高功率激光技术
随着科技的进步，高功率激光器已经成为激光技术发展的重要方向。高 功率激光器具有更高的能量密度和更远的传输距离，可广泛应用于工业 加工、军事、医疗等领域。
高效率激光技术
提高激光器的效率是激光技术发展的另一个重要方向。高效率激光器可 以减少能源浪费，降低成本，同时提高激光器的性能和使用寿命。
激光特性参数
波长
激光的波长决定了其颜色和应用领域， 不同波长的激光具有不同的特性和用途。
光束质量
2024/1/25
激光的光束质量决定了其聚焦能力和 传输效率，优质的光束质量可以提高
激光加工的精度和效率。
功率
激光的功率决定了其能量大小和输出 能力，高功率激光具有更强的穿透力 和加工能力。
稳定性 激光的稳定性决定了其长期运行的可 靠性和稳定性，对于高精度、高稳定 性的应用尤为重要。
构成
主要由半导体材料（如GaAs、InP等）制成的PN结或异质结构成。
工作原理
通过正向偏置电压注入电流，使电子和空穴在半导体材料中复合并 释放出能量，形成受激辐射并放大，产生激光输出。
特点
具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、易于调制等优点，广泛应 用于通信、光存储、打印等领域。
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PART 03
激光技术应用领域
激光器件与技术
1典型激光器1.1 概述1960 年,美国休斯飞机公司的科学家梅曼博士研制成功世界上第一台红宝石激光器,其器件结构如图 1.1 所示。
图 1.1 世界上第一台红宝石激光器的基本结构( a ) 结构图 ( b) 外形图激光的诞生,为人类开发利用整个光频电磁波段掀开了崭新的一页,也为传统光学领域注入了生机,并由此产生了量子光学、非线性光学等现代光学领域的分支。
1960 年至今,人类在激光器件的研究与应用方面取得了迅猛的发展。
1.1.1 激光器的基本结构激光器的基本结构由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分构成。
其中,工作物质是激光器的核心,是激光器产生光的受激辐射放大作用源泉之所在。
泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源。
工作物质类型不同, 采用的泵浦方式亦不同。
光学谐振腔则为激光振荡的建立提供正反馈,同时,谐振腔的参数影响输出激光束的质量。
激光器的基本结构如图 1.2 所示。
图 1.2 激光器的基本结构示意图1.1.2 激光器的分类及其主要输出特性激光器种类繁多,习惯上主要按照以下两种方式划分:一种是按照激光工作物质,另一种是按照激光器工作方式。
1.2 激光器种类1.2.1 气体激光器气体激光器以气体和金属蒸气作为工作物质。
根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子,又可将气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。
原子激光器中产生激光作用的是未电离的气体原子,激光跃迁发生在气体原子的不同激发态之间。
采用的气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体和镉、铜、锰、锌、铅等金属原子蒸气。
原子激光器的典型代表是 He - Ne 激光器。
分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子,激光跃迁发生在气体分子不同的振 - 转能级之间。
采用的气体主要有 CO2、 CO、 N2、 O2、 N2O、H2 O、H2 等分子气体。
分子激光器的典型代表是 CO2 激光器。
分子激光器中还有一类叫做准分子激光器。
长春理工大学 激光器件与技术第三章-2讲
频率为v1和v-1的光波通过激光介质被放大，当它们通过调制器时，这 两个模又受到调制，调制的结果又激发了新的边频：
c 2 1 m 1 2L c 3 2 m 2 2L
2
3
c 1 m 1 2L c 2 m 2 2L
可见：一个频率为ωc的光波，经过外加频率为ωm/2的信号调制后，频 谱频率包括：ωc、上边频(ωc+ωm)、下边频(ωc-ωm)，且这三个频率的光 波相位均相同。
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 5
§3.2 主动锁模
第 三 章 超 短 脉 冲 技 术
•
• •
1 A t A sin 调制信号的波形图 m mt 2
长春理工大学电子科学与技术系
频率激发耦合,实现锁模
m , c 2m , c 3m
具有相同的初始相位 Page: 15 频率间隔相同
§3.2 主动锁模
第 三 章 超 短 脉 冲 技 术
3). 锁模的关键
c 必须使调制信号的频率和腔内纵模频率间隔相等。 vm vq 2L
0 0 m
α 0为调制器的平均损耗，Δ α 0为损耗变化的幅度，ωm为腔内损耗变化的角频率 ，其频率等于纵模频率间隔Δvq。 调制器的透过率为： T t T T cos t 0 0 m T0为平均透过率，ΔT0为透过率变化的幅度。 (3)
调制器放入腔内，未加调制信号时，调制器损耗为：
这个过程继续下去，直到落在激光线宽内的 所有纵模被耦合为止。
这些振荡模满足以下条件： ① 具有相同的初始相位； ② 频率间隔相同。
长春理工大学电子科学与技术系
锁模的条件！
c 2 1 m 1 2L c 3 2 m 2 2L
2
3
c 1 m 1 2L c 2 m 2 2L
可见：一个频率为ωc的光波，经过外加频率为ωm/2的信号调制后，频 谱频率包括：ωc、上边频(ωc+ωm)、下边频(ωc-ωm)，且这三个频率的光 波相位均相同。
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Page: 5
§3.2 主动锁模
第 三 章 超 短 脉 冲 技 术
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1 A t A sin 调制信号的波形图 m mt 2
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频率激发耦合,实现锁模
m , c 2m , c 3m
具有相同的初始相位 Page: 15 频率间隔相同
§3.2 主动锁模
第 三 章 超 短 脉 冲 技 术
3). 锁模的关键
c 必须使调制信号的频率和腔内纵模频率间隔相等。 vm vq 2L
0 0 m
α 0为调制器的平均损耗，Δ α 0为损耗变化的幅度，ωm为腔内损耗变化的角频率 ，其频率等于纵模频率间隔Δvq。 调制器的透过率为： T t T T cos t 0 0 m T0为平均透过率，ΔT0为透过率变化的幅度。 (3)
调制器放入腔内，未加调制信号时，调制器损耗为：
这个过程继续下去，直到落在激光线宽内的 所有纵模被耦合为止。
这些振荡模满足以下条件： ① 具有相同的初始相位； ② 频率间隔相同。
长春理工大学电子科学与技术系
锁模的条件！
激光器件与技术第二章2
管壁效应 瓶颈效应
He-Ne激光器要有毛 细放电管的原因？
激光器件与技术
五、 He-Ne 激光器的最佳放电条件
通过速率方程理论来讨论：
输出功率与增益有关，而增益系数正比于反转粒子 数密度，所以讨论速率方程。
设Ne原子的3s2和2p4能级上的粒子数密度分别为n3和n2. 基态能级的粒子数密度为n1.并假设简并度为1。
ln 2( 0) i D
ln 2 H D
中心频率处小信号增益系数：
Gm G0( 0 ) G0i ( 0 )WR 0 i
ln 2 H D
He-Ne 激光器的增益饱和: 非均匀加宽的烧孔效应
激光器件与技术
§2-3 He-Ne 激光器的输出特性 He-Ne 激光器的输出特性包括：
D
ln 2 1 I / Is H D
激光器件与技术
=0的曲线为纯非均匀加宽
=0.2的曲线相当He-Ne 激光器的典型情况。
越大与纯非均匀加宽的 差别也越大。
激光器件与技术
当I=0时，可得综合加宽小信号增益系数。
G0( ) G0i ( 0 )WR
2
n3 kn0n1S04ne /[(kn0 1/3)(neS4 A)]
对于激光下能级也有：
dn2 dt
n1neS02
n2neS2
n2 A
其中：S02为激发速率常数， S2为消激发速率常数， A为自发辐射几率。
稳态时，有：
dn2 dt
0
可得；n1neS02 n2neS2 n2 A 0 或 n2 n1neS02 /(neS2 A)
当i 较大时， n3 k1 / k2 与i 无关
He-Ne激光器要有毛 细放电管的原因？
激光器件与技术
五、 He-Ne 激光器的最佳放电条件
通过速率方程理论来讨论：
输出功率与增益有关，而增益系数正比于反转粒子 数密度，所以讨论速率方程。
设Ne原子的3s2和2p4能级上的粒子数密度分别为n3和n2. 基态能级的粒子数密度为n1.并假设简并度为1。
ln 2( 0) i D
ln 2 H D
中心频率处小信号增益系数：
Gm G0( 0 ) G0i ( 0 )WR 0 i
ln 2 H D
He-Ne 激光器的增益饱和: 非均匀加宽的烧孔效应
激光器件与技术
§2-3 He-Ne 激光器的输出特性 He-Ne 激光器的输出特性包括：
D
ln 2 1 I / Is H D
激光器件与技术
=0的曲线为纯非均匀加宽
=0.2的曲线相当He-Ne 激光器的典型情况。
越大与纯非均匀加宽的 差别也越大。
激光器件与技术
当I=0时，可得综合加宽小信号增益系数。
G0( ) G0i ( 0 )WR
2
n3 kn0n1S04ne /[(kn0 1/3)(neS4 A)]
对于激光下能级也有：
dn2 dt
n1neS02
n2neS2
n2 A
其中：S02为激发速率常数， S2为消激发速率常数， A为自发辐射几率。
稳态时，有：
dn2 dt
0
可得；n1neS02 n2neS2 n2 A 0 或 n2 n1neS02 /(neS2 A)
当i 较大时， n3 k1 / k2 与i 无关
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。
光电子器件基础与技术lecture最新课件
He-Ne激光器能级图
He 原 子 没 有 直 接 参 与 发光过程，只是为了提 高Ne原子的抽运效率
Ne 原 子 的 能 级 特 点 决 定输出有三种波长可能 ，哪一条谱线起振完全 取决于谐振腔介质膜反 射镜的波长选择
13
光电子器件基础与技术lecture最新课件
放电电流对输出功率影响
➢在最佳充气条件下，使输出功 率最大的放电电流叫最佳放电 电流 ➢He-Ne激光器存在着最佳混合 比和最佳充气总压强，即存在 最佳充气条件
光电子器件基础与技术lecture最新课件
激光原理与技术 - 1.激光原理 - 2.激光器种类 - 3.激光技术
1
光电子器件基础与技术le 气体激光器 半导体激光器 染料激光器
固体激光器，能量高，输出功率大；但工作 物质种类较少，而且单色性差。 气体激光器的单色性强（如氦-氖激光器的 单色性比普通光源要高1亿倍）；工作物质 种类繁多，可产生许多不同频率的激光。但 气体密度低，体积大。 液体激光器的最大特点是波长可以调谐，适 合于对激光波长要求严格的场合。 半导体激光器体积小，重量轻，结构简单； 但功率较小，单色性较差。
9
光电子器件基础与技术lecture最新课件
He-Ne激光器
阴极阳极之间通过充有He-Ne混合气体的毛细管放 电，激励He原子跃迁，Ne与He原子发生共振能量转移 ，实现粒子数翻转，Ne受激辐射发光。
10
光电子器件基础与技术lecture最新课件
放电中，被加速的电子撞击He原子，使其从基态 11S0跃迁到激发态 (23S和21S两个亚稳态); He 的两个亚稳 态能级与Ne的2S和3S态能级相近，位于两个亚稳态上 的 He 原子很容易与基态 Ne 原子相碰，放出能量返回 基态，而将 Ne 原子激发 :
He 原 子 没 有 直 接 参 与 发光过程，只是为了提 高Ne原子的抽运效率
Ne 原 子 的 能 级 特 点 决 定输出有三种波长可能 ，哪一条谱线起振完全 取决于谐振腔介质膜反 射镜的波长选择
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光电子器件基础与技术lecture最新课件
放电电流对输出功率影响
➢在最佳充气条件下，使输出功 率最大的放电电流叫最佳放电 电流 ➢He-Ne激光器存在着最佳混合 比和最佳充气总压强，即存在 最佳充气条件
光电子器件基础与技术lecture最新课件
激光原理与技术 - 1.激光原理 - 2.激光器种类 - 3.激光技术
1
光电子器件基础与技术le 气体激光器 半导体激光器 染料激光器
固体激光器，能量高，输出功率大；但工作 物质种类较少，而且单色性差。 气体激光器的单色性强（如氦-氖激光器的 单色性比普通光源要高1亿倍）；工作物质 种类繁多，可产生许多不同频率的激光。但 气体密度低，体积大。 液体激光器的最大特点是波长可以调谐，适 合于对激光波长要求严格的场合。 半导体激光器体积小，重量轻，结构简单； 但功率较小，单色性较差。
9
光电子器件基础与技术lecture最新课件
He-Ne激光器
阴极阳极之间通过充有He-Ne混合气体的毛细管放 电，激励He原子跃迁，Ne与He原子发生共振能量转移 ，实现粒子数翻转，Ne受激辐射发光。
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光电子器件基础与技术lecture最新课件
放电中，被加速的电子撞击He原子，使其从基态 11S0跃迁到激发态 (23S和21S两个亚稳态); He 的两个亚稳 态能级与Ne的2S和3S态能级相近，位于两个亚稳态上 的 He 原子很容易与基态 Ne 原子相碰，放出能量返回 基态，而将 Ne 原子激发 :
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第三届全国物理学研究生暑期学校
Nd3+ 4f35s25p6 4f 能级未满 不在最外层，受晶格场影响较 小，电子-声子耦合较小，谱线窄
第三届全国物理学研究生暑期学校
红宝石能级系统
工作物质 Cr3+ Cr 外层电子 3d54s1 Cr3+ 3d3
基质材料：宝石 （Al2O3), 各向异性光学单轴晶体 Cr3+的3d3电子在最外层，受基质晶格场的影响 三能级系统
第三届全国物理学研究生暑期学校
染料激光器
以染料分子作为激光增益介质 都有交替的单双健碳原子链。荧光波长主要取决于碳原子链的长度 激光上下能级为
π
电子激发态和基态
第三届全国物理学研究生暑期学校
染料分子为大分子，一般有几十个原子，振动和转动能级很多，转 动能级几乎连成一片，使激发态和基态都很宽，荧光带宽很宽，使 激光波长可以在大范围内调谐。
第三届全国物理学研究生暑期学校
第三届全国物理学研究生暑期学校
染料激光一般采用光泵 目前最常用的是采用 固定波长的激光器作 为泵源
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脉冲激光器进展
60年代 70年代 Q-Switching 10-9 s (ns )
Modelocking 10-12 s(ps)
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气体激光器
（增益介质为气体。可以是原子，分子或离子） He-Ne, 原子激光器， CO2 分子激光器
He-Ne 结构： 放电管：毛细管 电极：阳极为钨针 阴极为圆筒状 铝或铝合金 光学谐振腔 一般为平凹腔 凹面镜全反 平面镜 1-2%输出
第三届全国物理学研究生暑期学校
第三届全国物理学研究生暑期学校
掺钛蓝宝石
吸收：蓝绿光. 对不同偏振吸收 截面不同。 E//C轴， 吸收多 荧光光谱也有偏振特性 增益峰值波长：795nm 增益范围：650-1200nm 带宽约122nm，是迄今为止最宽的
π
E⊥ C轴，
σ
吸收少
第三届全国物理学研究生暑期学校
掺钛蓝宝石
泵源：一般采用蓝绿光激光如Ar+, 倍频YAG, 倍频YLF 与蓝宝石激光同光路 晶体端面切成布儒斯特角 平面输出镜M0 双折射滤光片调谐波长 M1,M2曲率半径为10cm左右 腔长1.5-2m
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第一台红宝石激光器
第三届全国物理学研究生暑期学校
灯泵聚光腔
固体激光棒 灯 侧向泵浦 椭圆柱反射（漫反射）腔 冷却水管
第三届全国物理学研究生暑期学校
掺钕钇铝石榴石 Nd3+:YAG Nd3+ 4f35s25p6 4f能级未满 四能级系统 YAG: Y3Al5O12 （ Y2O3 和 Al2O3按 3： 5克分子比） 光学各向同性 Nd3+ 代替 Y3+
1、工作介质 气体激光器： He-Ne, Ar+, CO, CO2, XeF, KrCl 固体激光器 : Ruby, YAG, YLF, Ti:Sapphire 染料激光器 : DCM, R6G 半导体激光： GaN, GaAs 自由电子激光：电子在周期静磁场中通过 相干辐射 2、激光特性 连续 脉冲 （ 调 Q、锁模）
第三届全国物理学研究生暑期学校
第三届全国物理学研究生暑期学校
第三届全国物理学研究生暑期学校
激光器基本构造（普通密封型）
（1）放电管，水冷管， 储气回气管 （2）电极 冷阴极，其材料帮助 CO+O2---CO2 （3）谐振腔 大多采用大曲率半径 的平凹腔 （4）电源 数万伏直流电源
第三届全国物理学研究生暑期学校
He-Ne激光器能级图
Ne激光下能级消激发 1S 到 1S0禁戒跃迁，管壁碰撞驰豫，所以用毛细管 第三届全国物理学研究生暑期学校
CO2激光器
激光上下能级为电子基态 的振转能级，能量转换效 率高，输出功率大，波长 较长，在远红外， 9-11微 米 激发：直流辉光放电 （ 1）电子碰撞激发 （ 2）窜级跃迁激发 （ 3）共振转移 +N2
第三届全国物理学பைடு நூலகம்究生暑期学校
l激光器三个主要部分： 增益介质──激光工作物质 上能级粒子数反转， 提供受激放大 谐振腔 ── 选模， 限制波形和提供反馈、增益 提供稳定振荡 泵浦源 ── 提供能量，使粒子数反转，最后转 化成激光能量 器件介绍：气体激光器： He-Ne, , CO2 固体激光器 : Ruby, YAG, Ti:Sapphire 染料激光器
超快超强激光物理学
第二讲 激光器件及其技术
主讲：蒋红兵
北京大学物理学院现代光学研究所 人工微结构和介观物理国家重点实验室 中科院－北京大学联合超快光科学和激光物理中心
第三届全国物理学研究生暑期学校
一 激光发展史 二 激光原理 三 激光器件简介 四 激光技术
第三届全国物理学研究生暑期学校
激光分类：
第三届全国物理学研究生暑期学校
一般激光振荡只发生在 R1线 （粒子数多，荧光强） 荧光寿命： 3ms (室温下） 线宽： 11cm-1(室温下）
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掺钛蓝宝石
Ti3+掺入Al2O3单晶，取代Al3+ Ti3+ ：1s22s22p63s23p63d1 1个3d电子 l=2,s=1/2 2l+1=5；5重简并 受晶体内场的影响，能级分裂 电-声耦合作用异常地强烈，使基 态和激发态能级分布范围很广， 吸收及辐射谱带很宽 室温下激发态寿命3.3微秒
选频
9-11微米，相邻谱线间隔1-2cm-1, 共有一百多条谱线 振动能级寿命：微秒 转动能级寿命：10-1微秒 同一振动能级上各转动能级按波尔兹曼分布 转动能级竞争效应，通常只能在几条强线上发生激光输出 选频：光谱吸收型 光学色散型
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固体激光器
工作物质：基质材料和掺杂离子 掺杂离子：三能级系统或四能级系统 基质：晶体. 掺杂离子取代晶体中的一种离子 特点：晶体的各向异性，吸收特性与光的偏振 态有关；离子能级受晶格场的影响 玻璃 掺杂浓度高，均匀 缺点：热性能，机械性能较差 谱线较宽（缺陷加宽） 特点：掺杂离子浓度大，一般为1010-1020cm-3 激光上能级寿命较长（亚稳态），一般10-3— 10-4 s 储能大 泵源：一般用光泵激励 激光器组成： 固体工作物质，谐振腔，泵源光源系统
Nd3+ 4f35s25p6 4f 能级未满 不在最外层，受晶格场影响较 小，电子-声子耦合较小，谱线窄
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红宝石能级系统
工作物质 Cr3+ Cr 外层电子 3d54s1 Cr3+ 3d3
基质材料：宝石 （Al2O3), 各向异性光学单轴晶体 Cr3+的3d3电子在最外层，受基质晶格场的影响 三能级系统
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染料激光器
以染料分子作为激光增益介质 都有交替的单双健碳原子链。荧光波长主要取决于碳原子链的长度 激光上下能级为
π
电子激发态和基态
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染料分子为大分子，一般有几十个原子，振动和转动能级很多，转 动能级几乎连成一片，使激发态和基态都很宽，荧光带宽很宽，使 激光波长可以在大范围内调谐。
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第三届全国物理学研究生暑期学校
染料激光一般采用光泵 目前最常用的是采用 固定波长的激光器作 为泵源
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脉冲激光器进展
60年代 70年代 Q-Switching 10-9 s (ns )
Modelocking 10-12 s(ps)
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气体激光器
（增益介质为气体。可以是原子，分子或离子） He-Ne, 原子激光器， CO2 分子激光器
He-Ne 结构： 放电管：毛细管 电极：阳极为钨针 阴极为圆筒状 铝或铝合金 光学谐振腔 一般为平凹腔 凹面镜全反 平面镜 1-2%输出
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掺钛蓝宝石
吸收：蓝绿光. 对不同偏振吸收 截面不同。 E//C轴， 吸收多 荧光光谱也有偏振特性 增益峰值波长：795nm 增益范围：650-1200nm 带宽约122nm，是迄今为止最宽的
π
E⊥ C轴，
σ
吸收少
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掺钛蓝宝石
泵源：一般采用蓝绿光激光如Ar+, 倍频YAG, 倍频YLF 与蓝宝石激光同光路 晶体端面切成布儒斯特角 平面输出镜M0 双折射滤光片调谐波长 M1,M2曲率半径为10cm左右 腔长1.5-2m
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第一台红宝石激光器
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灯泵聚光腔
固体激光棒 灯 侧向泵浦 椭圆柱反射（漫反射）腔 冷却水管
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掺钕钇铝石榴石 Nd3+:YAG Nd3+ 4f35s25p6 4f能级未满 四能级系统 YAG: Y3Al5O12 （ Y2O3 和 Al2O3按 3： 5克分子比） 光学各向同性 Nd3+ 代替 Y3+
1、工作介质 气体激光器： He-Ne, Ar+, CO, CO2, XeF, KrCl 固体激光器 : Ruby, YAG, YLF, Ti:Sapphire 染料激光器 : DCM, R6G 半导体激光： GaN, GaAs 自由电子激光：电子在周期静磁场中通过 相干辐射 2、激光特性 连续 脉冲 （ 调 Q、锁模）
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激光器基本构造（普通密封型）
（1）放电管，水冷管， 储气回气管 （2）电极 冷阴极，其材料帮助 CO+O2---CO2 （3）谐振腔 大多采用大曲率半径 的平凹腔 （4）电源 数万伏直流电源
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He-Ne激光器能级图
Ne激光下能级消激发 1S 到 1S0禁戒跃迁，管壁碰撞驰豫，所以用毛细管 第三届全国物理学研究生暑期学校
CO2激光器
激光上下能级为电子基态 的振转能级，能量转换效 率高，输出功率大，波长 较长，在远红外， 9-11微 米 激发：直流辉光放电 （ 1）电子碰撞激发 （ 2）窜级跃迁激发 （ 3）共振转移 +N2
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l激光器三个主要部分： 增益介质──激光工作物质 上能级粒子数反转， 提供受激放大 谐振腔 ── 选模， 限制波形和提供反馈、增益 提供稳定振荡 泵浦源 ── 提供能量，使粒子数反转，最后转 化成激光能量 器件介绍：气体激光器： He-Ne, , CO2 固体激光器 : Ruby, YAG, Ti:Sapphire 染料激光器
超快超强激光物理学
第二讲 激光器件及其技术
主讲：蒋红兵
北京大学物理学院现代光学研究所 人工微结构和介观物理国家重点实验室 中科院－北京大学联合超快光科学和激光物理中心
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一 激光发展史 二 激光原理 三 激光器件简介 四 激光技术
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激光分类：
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一般激光振荡只发生在 R1线 （粒子数多，荧光强） 荧光寿命： 3ms (室温下） 线宽： 11cm-1(室温下）
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掺钛蓝宝石
Ti3+掺入Al2O3单晶，取代Al3+ Ti3+ ：1s22s22p63s23p63d1 1个3d电子 l=2,s=1/2 2l+1=5；5重简并 受晶体内场的影响，能级分裂 电-声耦合作用异常地强烈，使基 态和激发态能级分布范围很广， 吸收及辐射谱带很宽 室温下激发态寿命3.3微秒
选频
9-11微米，相邻谱线间隔1-2cm-1, 共有一百多条谱线 振动能级寿命：微秒 转动能级寿命：10-1微秒 同一振动能级上各转动能级按波尔兹曼分布 转动能级竞争效应，通常只能在几条强线上发生激光输出 选频：光谱吸收型 光学色散型
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固体激光器
工作物质：基质材料和掺杂离子 掺杂离子：三能级系统或四能级系统 基质：晶体. 掺杂离子取代晶体中的一种离子 特点：晶体的各向异性，吸收特性与光的偏振 态有关；离子能级受晶格场的影响 玻璃 掺杂浓度高，均匀 缺点：热性能，机械性能较差 谱线较宽（缺陷加宽） 特点：掺杂离子浓度大，一般为1010-1020cm-3 激光上能级寿命较长（亚稳态），一般10-3— 10-4 s 储能大 泵源：一般用光泵激励 激光器组成： 固体工作物质，谐振腔，泵源光源系统