《激光原理与技术》概念
激光原理与技术复习
激光原理与技术复习激光（Laser）是一种产生具有高度相干性、单色性和直线传播特性的电磁辐射的装置或系统。
激光原理与技术是激光的产生、放大、调谐、传输及应用的基本原理和方法。
下面将从激光原理、激光器的结构与工作原理、激光放大原理，激光调谐原理和激光应用等方面进行复习。
激光原理：激光的基本原理是利用物质的电子、原子或分子之间的能级跃迁和光的受激辐射相互作用产生的。
激光的产生需要具备以下几个条件：工作物质具有能级跃迁，在激发态和基态之间存在一个稳定的维持装置；能比较容易地将激发态的粒子数目大于基态的粒子数目；能量输入到工作物质中来维持激光产生。
激光器的结构与工作原理：激光器的基本结构由光学腔、泵浦源和工作物质组成。
激光的产生主要经历电子和能级跃迁两个过程：激发过程和放射过程。
其中激发过程是将静态基态的电子通过吸收光共振激发到激发态；放射过程主要有自发辐射和受激辐射两种形式。
当工作物质中的激发态电子由自发辐射退激到基态时，会产生光子并放出能量。
而当一光子经过一个被激激发的原子时，能够促使该原子发射一个与之方向、频率、相位完全一致的光子，这就是受激辐射原理。
激光放大原理：激光放大的原理是利用激光受激辐射的特性，将出射光子传递到另一个有重复态的原子，使其放出同样频率、振幅和相位的光子，实现放大。
激光放大主要经过两个过程：吸收过程和放射过程。
吸收过程中，光子与工作物质中的原子相互作用，光子的能量被传递到原子中，激发原子中的电子到激发态。
放射过程中，激发态的原子由于自发辐射或受外界光的作用而跃迁到基态，释放出能量并放出同样频率、振幅和相位的光子。
激光调谐原理：激光调谐的原理是通过改变激光器的谐振光路，使激光器输出的光波长可调。
常见的调谐方法有机械调谐法、电光调谐法、热调谐法和电流调谐法。
机械调谐法通过改变激光器腔体的长度或曲率，改变光的传播路径来实现光波长的调谐。
电光调谐法通过在激光介质中施加电场调节介质的折射率来实现光波长的调谐。
激光原理与技术
激光的光化学效应与光生物效应
光化学效应
激光能够激发化学反应，改变物质的化学性 质。光化学效应在光催化、光合成等领域具 有重要应用，如利用激光诱导化学反应合成 新材料。
光生物效应
激光对生物组织的作用，包括光热作用、光 化学作用和光机械作用等。光生物效应可用 于激光治疗、光遗传学等领域，如利用激光 进行视网膜修复、神经刺激等。
激光的特性
激光具有一系列独特的特性，如方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等。这些特性使得激光在科学研 究、工业生产、医疗诊断等领域具有广泛的应用价值。
02
激光器类型与技术
固体激光器
01
02
03
晶体激光器
使用掺杂有激活离子的晶 体作为工作物质，如 Nd:YAG激光器。
玻璃激光器
以玻璃为基质，掺入激活 离子制成的激光器，如钕 玻璃激光器。
变换特性
利用光学系统，如透镜组、反射镜、波片等，可以对激光束进 行变换，如扩束、缩束、旋转、偏振状态改变等。
激光束的聚焦与整形
聚焦特性
通过透镜或反射镜等聚焦元件，可以将激光束聚焦到极小的焦点上，实现高能量密 度的集中。聚焦后的激光束可用于切割、焊接、打孔等高精度加工。
整形特性
利用特定的光学元件或算法，可以对激光束进行整形，如生成特定形状的光斑、实 现均匀照明等。整形后的激光束可应用于光刻、显示等领域。
激光治疗
利用激光的生物刺激效应，对病 变组织进行照射，以达到治疗目
的。
激光手术
使用激光代替传统手术刀进行手 术，具有精度高、出血少、恢复
快等优点。
激光美容
通过激光照射肌肤，改善皮肤质 地、去除色斑、减少皱纹等。
激光通信技术
光纤通信
激光原理与技术
激光原理与技术
激光，全称为“光电子激射”，是一种具有高度相干性、高能量密度和直线传播特性的光。
激光技术作为一种重要的现代科技应用，已经在医疗、通信、制造、军事等领域得到广泛应用。
本文将从激光的原理和技术两个方面来进行介绍。
激光的原理主要基于激光器的工作原理，激光器是产生激光的装置。
常见的激光器有气体激光器、固体激光器、半导体激光器等。
激光器的工作原理是利用受激辐射将外界能量转化为光能，然后通过光放大器放大，最终形成激光。
其中，受激辐射是指原子或分子受到外界光的作用，从基态跃迁到激发态，然后在受到外界光的作用下，从激发态跃迁回基态并释放出光子。
这一过程是激光产生的基础。
激光技术主要包括激光加工、激光医学、激光通信等多个方面。
激光加工是指利用激光对材料进行切割、焊接、打孔等加工过程。
激光医学则是利用激光技术进行医疗治疗，如激光手术、激光美容等。
激光通信则是利用激光进行通信传输，具有传输速度快、信息容量大等优点。
除此之外，激光雷达、激光测距、激光制导等技术也在军事领域得到了广泛应用。
总的来说，激光技术作为一种重要的现代科技，已经在各个领域得到了广泛应用。
随着科技的不断进步，相信激光技术在未来会有更加广阔的发展空间，为人类社会带来更多的便利和进步。
激光原理与技术 第一章 激光技术
证明：一个电磁波模式，在相空间占一个光子态 考虑到一个光波模是由两列相向传播的行波组成的驻波，
所以它的动量和波矢的关系应为
Px 2kx，Py 2k y，Pz 2kz
则4立体角内模式数为
4
d
4 2
传播方向一定，频率不同，在～＋范围内可能存在 的模式数。
由波列长度 l 决定不 可分辨的光谱宽度
1 c
t l
两个光波的频率差大 于时才能分辨出来
因此～＋范围应给
存在的模式数为l/c，
当波列为单位长度，则
模式数约为/c。
t l / c
l c
令l＝1有
要有合适的能级结构，如三能级
激励
或四能级结构
E3
抽运
E2
E1
从外界输入能量（Pump）： 泵浦，抽运，激励，光泵。
光激励； 热激励；
电激励； 化学激励
E4
E3
激励 抽运
E2
E1
光学谐振腔
引入正反馈： 产生受激辐射光放大
构成： 两个放置在工作物质两边的反射镜 组成，一个是全反射镜，一个是部 分反射镜。
p
8
C3
2
Vd，正比于
V
2
可以定性判断增益线宽 内的激光模式数
光子的状态——相格
粒子性 h
x
h
m
c
2
c2
P K
经典粒子：
(x, y, z); (Px, Py, Pz)
一维运动测不准关系： (x; Px) xPx h
px
激光原理的书籍
激光原理的书籍激光原理是现代科技领域中非常重要的一个基础概念，其被广泛应用于医疗、通信、制造等各个领域中。
为了深入理解激光原理，许多学者都从不同角度进行了研究和探索，并撰写了相关的书籍。
下面介绍几本经典的激光原理书籍。
1. 《激光原理与技术》这是一本经典的激光原理教材，由黄昆教授主编，较为系统和全面地介绍了激光的基本原理、主要性能指标、激光器的结构和工作原理、激光与物质相互作用、激光应用等方面的知识。
该书内容详实、通俗易懂，适合广大学生和科研人员学习和研究。
2. 《激光原理》这是一本由理论物理学家Charles H. Townes撰写的激光原理经典著作，被誉为激光理论的“圣经”。
该书详细介绍了激光的历史、原理、激光器的工作方式、激光与物质相互作用等内容，对激光领域的发展做出了巨大的贡献。
3. 《激光物理及其应用》该书由美国科学院院士Peter W. Milonni和J.H. Eberly共同编写，是一部比较系统和深入的激光物理学教材。
该书涵盖了激光物理学的基础知识、量子光学、非线性光学、激光与物质相互作用、激光在医学、通讯和制造等方面的应用等多个方面的内容。
该书内容全面、深入，适合专业人员和高年级本科生学习。
4. 《激光技术导论》该书是一本比较适合初学者的激光原理入门书籍，由何世根教授编写。
该书介绍了激光的基本原理、激光器的分类和基本特性、激光器的发展历程、激光与物质相互作用、激光应用等内容。
该书语言通俗易懂，适合自学和初学者的阅读。
总之，以上几本书籍都是关于激光原理的经典之作，各有特点，适合不同层次的读者学习和阅读。
如果想深入了解激光原理，不妨选择其中一本进行阅读和学习。
激光原理与技术的名词解释
激光原理与技术的名词解释激光（Laser）是一种通过光的放大和受激辐射而产生的高度聚焦的、单色的、高能量的光束。
激光技术是一项重要的现代科学技术，广泛应用于医疗、通信、制造业等领域。
本文将从激光原理、激光器种类、激光应用等方面对激光技术进行深入解释。
激光原理是指通过特定的装置和工作介质来产生激光的物理过程。
激光原理的关键在于能级跃迁和受激辐射。
能级跃迁是指原子或分子在受到外界能量激发后，电子从低能级跃迁到高能级，然后再从高能级跃迁回到低能级释放出光子。
受激辐射是指在一个已经存在的光子的作用下，原子或分子激发态上的电子从高能级跃迁回到低能级，产生与外界光子一致的光子。
通过这种循环的过程，激光得以产生和放大。
根据激光器的工作方式和工作介质的不同，激光器可以分为气体激光器、固体激光器和半导体激光器。
气体激光器利用气体（如氦氖）放电时的原子或分子跃迁产生激光。
固体激光器则利用固体晶体（如钛宝石）中的掺杂物在激光器外加入能量时跃迁产生激光。
而半导体激光器是基于半导体材料的PN结构或异质结构，在电流作用下产生激光。
激光技术具有独特的特点和广泛的应用。
首先，激光具有高度聚焦的特点，可以实现对微小区域的精确加工和切割。
例如，在制造业中，激光切割可用于金属板材、塑料制品等的切割加工。
其次，激光具有高单色性，在通信领域中，激光器可以作为发射源，通过光纤传输信息。
另外，激光还可以用于医疗领域，例如激光手术刀可实现精确切割，激光治疗可用于皮肤病的治疗。
此外，激光还可以应用于测距、测速、材料分析等领域。
除了常见的激光器外，还有一些特殊种类的激光器。
例如，有色激光器是指通过改变激光输出波长，使激光具有红、绿、蓝等特定颜色的激光器。
这种激光器广泛应用于舞台灯光、激光显示器等领域。
另外，超快激光器是指脉冲宽度极短的激光器。
它具有很高的能量密度和短时间尺度，可用于材料表面改性、光学显微镜等领域。
激光技术的应用还在不断发展和创新。
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
3激光原理与技术
E2
h
E1
自发辐射的光是非相干光
E3
E2 E1
E2
h L1
E1
设粒子体系处于能级E2上的粒子数密度为N2 单位体积、单位时间内因自发辐射产生的光子
数是： A21 N2
爱因斯坦自发辐射系数
一般激发态粒子寿命: τ 107 ~ 108 S
某些物质存在亚稳态能级: 104 ~ 1S
2.纵模
在谐振腔中只有干涉相长条件的光波才能振荡。即往返
一次相位变化j为2的整数倍。
j 2n 2L k 2 (k 0,1,2)
从而
k
c 2nL
k
L: 腔长
n: 腔内折射率
相邻两个纵模频率的间隔为
k
c 2nL
数量级估计： Ｌ～1ｍ； n～1.0； c～３×108 ms
I4
I1
光在腔内往返一次不会
I0
I2
被衰减的条件，即形成 激光振荡的阈值条件：
G阈 a内 (1 2L) ln(1 r1r2 )
I4 I0r1r2e2(Ga内 )L
I4 I0
r1r2e 2(Ga内 )L
1
G()
G阈
0
•稳定振荡条件——增益饱和效应
激光在激活介质中传输，强度会不会无限放大？
玻尔兹曼分布规律:
高
( E2 E1 )
N e 2
kT
N2
能 级
N1
E
低
E2
N1
能
级
E1
N1
N2
N
3、自发辐射、受激辐射和受激吸收
光与物质相互作用
原子 光子与 分子 相互作用
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
2024年激光原理与技术课件课件
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
激光原理与技术激光原理与技术是一门研究激光的产生、传播和应用的学科，也是光学和物理学的重要分支之一。
激光的产生原理是基于受激辐射和光放大的过程。
激光技术在现代科学和技术领域中得到广泛应用，涵盖了通信、医疗、材料加工、测量和科学研究等多个领域。
激光的原理主要包括受激辐射、光放大和能级跃迁等过程。
受激辐射是指当一个原子或分子吸收一个光子的能量后，其能级跃迁激发到一个更高的能级，随后再次发射出一个与所吸收光子相同频率、相同相位和同一方向的光子。
这种过程导致光子数目的指数增加，形成了光的放大效应。
激光的放大过程一般是通过激光器来实现的。
激光器由激发源、增益介质和反射镜组成。
当激发源提供足够的能量激发增益介质时，增益介质中的原子或分子被激发到一个高能级，并在镜面之间来回传播，逐渐放大，形成激光束。
增益介质通过选择合适的物质和能级跃迁方式来实现各种类型的激光。
不同类型的激光器具有不同的特点和应用。
常见的激光器包括氦氖激光器、二氧化碳激光器、固体激光器等。
它们在波长范围、脉冲宽度、输出功率和单色性等方面有所差异，因此被广泛应用于各类领域。
激光技术在通信领域中具有重要应用。
激光作为一种高度聚焦的光束，可以在光纤中传输大量的信息。
光纤通信系统利用激光器产生激光束，并通过光纤将信息传输到目的地。
激光的窄束和低衰减使得信息传输速度更快、距离更远。
目前，光纤通信已经成为主要的通信方式之一，广泛应用于电话、互联网和电视等领域。
激光技术在医疗领域也发挥了重要作用。
激光器可以用于激光手术、激光治疗和激光诊断等多个方面。
激光手术利用激光的高能量和高度聚焦能力，对组织进行切割、烧蚀或照射，达到治疗病症的目的。
激光治疗通过激光的生物刺激效应，促进伤口愈合或减轻疼痛。
激光诊断则利用激光的光散射和吸收特性，来获取目标组织的信息。
激光技术在材料加工领域的应用也非常广泛。
激光加工可以通过激光的高能量密度和高精度控制，对材料进行切割、焊接、打孔和表面改性等操作。
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。
激光原理与技术第一部分
2.光的受激辐射基本概念
黑体辐射的普朗克公式： 黑体辐射：黑体吸收的能量与辐射场的能量之 间处于能量的平衡状态的辐射场称为黑体辐射。 黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率v的函数， 并用单色能量密度 来描述。 定义为：在单位体积v 内，频率处于v附近的单 位v 频率间隔中的电磁辐射能量。
激光原理与技术第一部分
光波的模式
光子状态的相格
从经典波动光学的角度出发：
单色平面波的描述方程：
E (r, t )
E ei 2vtikr 0
在自由空间，具有任意波矢的单色波都可以存 在，但是当光被约束在有限空间,其本征模式 不同于平面单色波,在一个有界的空间V内，只 有一系列特定的平面单色驻波存在。
激光原理与技术第一部分
激光发展的历史
1958， 汤斯(Towns)和肖洛(A.L.Schawlow)提 出开放式光学谐振腔(利用的F-B干涉仪的思想） 实现了光振荡的新思路。
布隆伯根(N.Bloembergen)提出利用光泵浦三能 级系统实现粒子数反转分布的新构思。
1960：美国休斯公司实验室梅曼(T.H.Maiman) 世界上第一台红宝石固态激光器诞生。
激光原理与技术第一部分
激光发展的历史
1917，爱因斯坦提出“受激辐射可以实现光放 大的概念”为激光器的发明奠定理论基础。
随后科学家证明：受激辐射的光子与激励光子 具有相同的频率、方向、相位、偏振。
1954，美国---汤斯；苏联---巴索夫；苏联---普 洛霍洛夫，创造性地继承和发展了爱因斯坦的 理论，提出用原子，分子的受激辐射来放大电 磁波的新理论，并第一次实现了氨分子微波量 子振荡器（MASER)。----量子电子学的诞生
激光原理与技术第一部分
《激光原理及技术》课程标准
《激光原理与技术》课程标准适用专业：光电信息科学与工程专业所属教研室〔系〕：光电信息教研室课程名称：激光原理与技术〔Principles and Techniques of Laser〕课程类型：专业核心课程学时学分：32学时〔2.0学分〕一、课程概述〔一〕课程性质《激光原理与技术》是光电信息科学与工程专业的一门专业核心课程.本课程的目的在于介绍激光的基本理论知识和掌握激光器的使用技术.通过《激光原理与技术》课程的教学,使学生了解和掌握激光器的基本结构、工作原理和基本操控技术,培养学生分析解决激光原理问题的能力.激光原理与应用的预修课程为高等数学、线性代数、数学物理方法和大学物理等基础课程,激光原理为后继课的学习和专业训练提供必要的准备,是高等学校光学工程类和光电信息类各专业学生的一门重要的必需专业课程.我校光电信息科学与工程专业的人才培养目标是要求本专业毕业生在光电信息科学与工程领域方向上具有宽厚的理论基础、扎实的专业基础知识、熟练的实验技能,并具有综合运用专业理论技术分析解决工程问题的基本能力.激光是本专业中应用最为基本、最普遍的工具之一,例如在光纤通信、光存储、激光切割、激光雷达等方面都起着至关重要的作用,为了培养出符合社会需求的应用型人才,就必须要学生掌握激光的基本知识和操作技能.特别强调物理概念的深入理解,为今后从事光电子方向和相关专业的教学和科研打下扎实的理论基础.该课程共分五章,包括激光的基本原理,开放式光腔和高斯光束,激光介质的增益线形和增益系数,激光器稳态振荡特性,激光器和技术.本课程应先修《大学物理〔电磁学、光学部分〕》、《高等数学》、《线性代数》、《数学物理方法》等课程,同时它又是《半导体物理与器件》、《光电子技术》、《光电探测和信号处理》和《光电成像原理与技术》等课程的基础.〔二〕基本原则本课程主要围绕着提高学生知识、技能和思维等方面能力为目标,遵循"掌握原理"、"了解技术"的原则. "掌握原理"是指教学内容要符合物理学专业的培养目标的需要和满足物理学专业学生能力发展的需求."了解技术"是指教学内容既要保持本课程在以后工作中的应用性和实践性,又要 "重难点突出",让学生了解激光器的广泛应用和使用中常用的技术.〔三〕设计思路.1.教学改革基本思路本课程依据光电信息科学与工程专业人才培养的目标和规格,在目标设定、教学过程、课程评价和教学资源的开发等方面突出以学生为主体、教师为主导的思想,以提高学生理性思维能力、逻辑推理能力和实际应用能力为主要目标,把知识与技能,过程与方法,理论与应用紧密结合起来.由于激光原理的基本概念和原理对比较复杂,公式推导很多,要求教师在教学时分散难点,由浅入深,尽量减少公式的推导时间,重视实际应用能力的培养,为今后的激光应用打下扎实基础.2.课程设置知识要求要求学生掌握激光的特性和激光器工作原理,对激光器各个组成部分运转过程有较清楚地认识,掌握激光器的设计和调控技术,了解激光在各个领域的应用现状和未来前景.3.课程设置能力要求要求学生对激光器件有初步认识,了解常规激光器的使用操作步骤和注意事项,掌握激光器中调控的重要技术,如锁模技术、稳频技术、Q调制技术等.5. 学时分配本课程总计32学时,2学分.其中理论教学32学时,实践教学0学时,教学安排在第4学期.6.教学方式描述以课堂授课形式为主,兼顾基本理论和应用技术相结合,邀请相关行业专家讲解激光在应用中使用技术和发展动态等.7.考试与评价方式〔或方案〕建立"三位一体"的评价方式,亦即过程评价：以学生在教学过程的参与程度作为评价的基本标准；目标评价：以课程标准目标作为评价的重要标准；能力评价：以学生运用本课程知识解决相关理论和实际问题为参照标准.期末考试：采用闭卷考试或专题论文形式.总成绩=平时成绩30%+期末考试成绩70%.平时成绩分为三部分,其中作业占平时成绩的50%,考勤占平时成绩的30%,课堂表现占平时成绩的20%.二、课程目标〔一〕总体目标.全面系统地理解激光原理的基本概论和规律,特别要掌握激光的特性、掌握产生和调制激光的基本原理等重点内容的知识点,同时要区别不同类型激光器的工作性能和作用,培养学生调试和操作各种激光器的技能,并能应用这些基本概念和规律分析激光工作的原理和性能,熟悉激光技术在工业和医疗等方面的广泛应用,深化学生对光电相关领域的理解.培养学生运用激光处理相关问题的能力,加强对学生理解、分析、综合能力的训练.通过本课程的学习使学生得到专业技能的培养和训练,为后续课程中对激光器的基础知识和使用技能的要求做好准备.〔二〕具体目标.1.知识目标：掌握激光产生的基本原理和规律；能应用这些基本概念和规律分析激光工作的原理和性能；了解激光技术在工业和医疗设备等方面的广泛应用.2.能力目标：培养学生的理性思维能力和逻辑推理能力,教学中注重培养学生对激光特性和激光器件运转过程的认知能力,分析和解决激光器调节和控制的能力.3.素质目标：通过本课程的学习使学生具有良好的专业素质和能力素养,深化学生对普通物理中有关内容的理解.三、课程内容与教学要求第一章激光基础——爱因斯坦系数关系〔一〕课程教学内容§1.1 基础内容.1、光波模式和光子态2、电子学载波技术的迷茫§1.2 提高内容.1、爱因斯坦关系——自发辐射和受激辐射2、光的受激辐射放大与振荡——激光器运转的阈值和稳定条件§1.3 拓展内容.1、激光特性和课程体系2、复习第一章内容,讲解作业和部分课后习题〔二〕学习性主要任务.1、理解光波模式和光子的概念和物理含义.2、掌握光波模与光子态的相干性、自发辐射、受激辐射与辐射的受激吸收、爱因斯坦关系、激光器的构成与阈值条件、激光特性.3、理解载波和噪声波、电磁载波技术.4、理解粒子数反转和光的受激放大.〔三〕学时分配.8学时〔其中习题课2学时〕第二章激光谐振腔和高斯光束〔一〕课程教学内容§2.1 基础内容.1、光腔的损耗与损耗描述2、共轴球面腔的光线传输矩阵理论§2.2 提高内容.1、对称共焦腔的自再现模行波场2、一般稳定腔的高斯光束§2.3 拓展内容.1、高斯光束的传输与变换复习第二章内容,讲解作业和部分课后习题〔二〕学习性主要任务.1、理解光腔稳定条件、本征光束和开腔模的概念和物理含义.2、掌握光腔损耗、光线传输矩阵、Fox和Li的开腔模迭代求解方法、自再现模本征积分方程.3、理解对称共焦腔镜面上自再现模光场分布和行波场——高斯光束.4、理解高斯光束的传输规律.〔三〕学时分配.6学时〔其中习题课2学时〕第三章激光工作物质的增益〔一〕课程教学内容§3.1 基础内容.1、经典理论2、谱线加宽机制与加宽线型§3.2 提高内容.1、激光器速率方程2、激光介质增益与增益饱和<模式竞争>§3.3 拓展内容.1、光放大概念分析复习第三章内容,讲解作业和部分课后习题〔二〕学习性主要任务.1、理解受激吸收和色散现象的麦克斯韦理论和物理含义.2、掌握电偶极子近似模型、均匀加宽、单模速率方程、均匀加宽介质.3、理解综合加宽、多模振荡速率方程.4、理解综合加宽介质、光放大概念分析.〔三〕学时分配.6学时〔其中习题课2学时〕第4章激光器稳态振荡特性〔一〕课程教学内容§4.1 基础内容.1、振荡阈值条件2、阈值特性§4.2 提高内容.1、激光器稳态输出特性2、定态激光器频率特性§4.3 拓展内容.1、定态激光器极限线宽〔二〕学习性主要任务.1、理解振荡阈值条件和非均匀加宽激光器的多纵模振荡的概念和物理含义.2、掌握阈值特性、均匀加宽激光器的模式竞争.3、理解非均匀加宽激光器的多纵模振荡.4、理解输出功率与最佳耦合.〔三〕学时分配.6学时.第5章典型激光器与技术〔一〕课程教学内容§5.1 基础内容.1、各类激光器工作原理与应用：气体激光器、半导体激光器、固体激光器和调Q 激光器等§5.2 提高内容.1、激光器的调控技术和应用〔二〕学习性主要任务.1、了解气体激光器、半导体激光器、固体激光器、调Q激光器、锁模激光器等工作原理和各自特性,并理解各激光器的实际应用情况.2、掌握典型半导体激光器和Q调制原理.3、各类激光器调节技术和在不同领域的应用.〔三〕学时分配.6学时.四、教学建议〔一〕教学组织建议.〔退两格,行距18,小四号仿宋字加黑〕考虑到本课程理论性强,数学计算较难,没有相关实验可做等特点,在讲授讨论作业等考试教学环节中应注意：1.重视对物理概念的理解,强调对激光的基本知识体系的整体理解与把握,在涉与关键的物理概念处,注意启发学生的创造性思维.可采取讨论课的方法,预留思考题,组织学生进行充分的研讨；在爱因斯坦关系、激光谐振腔等重要结论处,注意理论与实际的联系,讨论应用中的操作问题,培养学生动手操作的能力.2.注意现代教学手段的适当运用,在该课程的教学过程中可根据适当情况,选用或编制教学软件或课件,丰富教学内容,活跃课堂气氛,激发学生学习的积极性,吸引学生的注意力.3.教学手段上,复习和总结前期学习过得相关基础知识,分析基本原理,尽量避免学生陷入过多的繁难的数学计算中.加强对学生的理论内容的掌握,重点要领会到不同激光器的操作技巧和调试方法,培养学生独立解决实际问题的能力.4. 由于本课程理论性较强,运算复杂,基本概念抽象,学生学习本课程有一定的难度,建议考核以考查方式为主,主要考察学生对知识的掌握情况和分析问题解决问题的能力,考察学生综合运用基本知识解决问题的能力.平时辅以适度的练习,以考核学生对基本知识和基本方法的掌握程度.平时成绩由作业与课堂笔记、自学笔记为主,主要考察学生的自学能力.5.本课程标准只是课程教学的基本要求,按照教育教学原则,教师的教学工作必须以学生的认识发展水平为依据,在深入钻研教材的基础上,进行创造的工作,这正是搞好教学工作的重要保证.〔二〕教材选用建议.推荐教材:1.《激光原理》,周炳琨等国防工业第7版,〔2016〕.2.《激光原理与应用》,陈家璧主编,电子工业,〔2004〕.参考书目：1. 《激光原理与技术》安毓英、刘继芳、曹长庆编著, 科学,〔2010〕.2.《固体激光工程》,〔美〕W.克希耐尔著,孙文等译,科学,〔2003〕.3.《激光技术》,蓝信钜,科学,〔2000〕.4.《激光工程》,〔日〕中井贞雄著,熊缨译,科学,〔2002〕.5.《激光物理》,钱梅珍等著,第二版,电子工业,〔2001〕.6.《Laser Physics》,M. Sargent III, M.O. Scully, W.E. Lamb, Addison - Wesley, NY, 〔1987〕.〔三〕资源开发建议.建设本课程的教学,供广大师生学习交流、共享学习资料.课程标准编制单位：执笔人：教研室<系〕审核人：专业负责人：学院〔教学部〕审核人：。
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激光器的组成包括：工作物质、谐振腔和泵浦系统
根据光束几何逸出损耗的高低，谐振腔分为：稳定腔、非稳定前和临界腔
激光器按泵浦方式可以分为：连续激光器和脉冲激光器按工作物质的状态：固体、气体、半导体和光纤按输出方式：连续、脉冲
激光器谐振腔的损耗类型有：几何偏振损耗、衍射损耗、腔镜反射不完全引起的损耗和固有损耗
如果初始光强为I0，在无源腔内往返一周后光强衰减到I1，则平均单程损耗因子δ的定义式为δ=1/2ln（I0/I1）
经过理想光学系统的无像差的光学系统后光腰尺寸和远场发散角的乘积不变。
对基模高斯光束，ω0θ0=2λ/π
常用的主动调Q方法有：转镜调Q、电光调Q、声光调Q，饱和吸收调Q被称为被动调Q 激光的工作物质包括晶体、玻璃、气体半导体、液体、自由电子等数百种之多。
激励方式有光激励、放电激励、电激励、热激励、核激励等
驻波条件：达到谐振时，腔的光学长度应为半波长的整数倍。
满足此条件的平面驻波场称为腔的本征模式；特点：腔内光强沿z轴的分布是不均匀的，而是强弱相见的分布着。
光强最强的明亮区，称为波腹；最弱的黑暗区，称为波节
衍射倍率因子：M2定义为实际光束的腰斑半径与远场发散角的乘积与基模高斯光束的腰斑半径与远场发散角的乘积之比。
基模高斯光束具有最小的M2值（=1），其光腰半径和发散角也最小，达到衍射极限。
M2值可以表征实际光束偏离衍射极限的程度，称为衍射倍率因子
粒子数反转：光束通过原子与分子系统时，总是同时存在受激发射和受激吸收的过程。
从爱因斯坦关系可知，一般受激吸收远大于受激发射，粒子处于基态；如果激发态的电子数远多于基态电子数，就会使激光工作物质中受激发射占主导地位，这种状态即粒子数反转
增益和增益饱和：激光强度随传播距离增加而呈指数关系上升，但是激光强度不会无限制的增大，当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定时，增益系数将减小，这种现象称为增益饱和现象
兰姆凹陷：在单模输出功率P和单模频率vq的关系曲线中，在vq=v0处，曲线有一凹陷，称作兰姆凹陷。
其形成的机制：当vq=v0时，两个烧孔完全重合，此时只有vz=0附近的原子对激光有贡献。
虽然它对应着最小的信号增益，但由于对激光作贡献的反转集居数减少了，即受控面积减少，所以输出功率下降到某一个极小值，P-vq关系曲线v0处出现兰姆凹陷
驰豫振荡效应：一般固体脉冲激光器所输出的并不是一个平滑的光脉冲，而是宽度只有微妙量级的短脉冲序列，即所谓的“尖峰”序列。
激励越强，短脉冲之间的间隔时间越小的现象频率牵引效应：在有源腔中，由于增益物质的色散，使纵模频率比无源腔纵模更靠近中心频率的现象
均匀加宽：引起谱线加宽的物理因素对于每个粒子都是相同的的加宽
非均匀加宽：对一个特定频率只有特定的粒子群对其增益、吸收有贡献，称为非均匀加宽调Q原理：通过改变谐振腔的损耗改变腔的Q值，开始时，使谐振腔损耗增大，激光器不能起振，使反转集居数不断增加，随着泵浦持续，当反转集居数达到最大时，使谐振腔损耗突然减小，使腔内光强迅速增加，消耗反转集居数，输出一个短脉冲，称之为调Q
增益线型：增益介质随频率的变化曲线称之为增益线型
光子态（光波场模式）：一定边界条件和初始条件麦克斯韦方程的一个特接称为光波场的一个模式或光子态
反转集居数饱和：反转集居数随信号光强的增加而下降的现象
锁模原理：使各振荡器纵模频率间隔保持一定，并具有确定的关系，则激光器将输出一列时
间间隔的一定的超短脉冲，称之为锁模
激光四个特性：単色性：指光强按频率的分布情况，激光的频谱宽度非常窄。
相干性：时间相干性和空间相干性都很好。
方向性：普通光向四面八方辐射，而激光基本沿某一直线传播，激光束发散角很小。
高亮度：在单位面积、单位立体角内的输出功率特别大。
本质上归结为激光具有很高的光子简并度
谐振腔的作用：模式选择、提供轴向光波模的反馈；控制腔内振荡光束的特性；（直接控制光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率及光束发散角等）。
分别描述均匀加宽和非均匀加宽的特点：均匀加宽特点：引起展宽的机制对应每一粒子而言都是相同的。
任何一个粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，不可能把线型函数某一特点频率与某些特定粒子联系起来，每一个发光粒子都是以洛伦兹线型发射；非均匀展宽特点：粒子体系中粒子发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献，这种展宽主要事实有多普勒展宽和残余应力展宽
描述均匀加宽激光器的模式竞争起因及结果：在均匀加宽激光器中多个模式的谐振频率的增益系数大于振荡阈值，这些频率的光信号都能起源，都能在振荡过程中相互竞争，随着信号光强的增大，增益曲线随不断下降，结果总是靠近中心频率v0的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭。
理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出应是单纵模的，其频率总是落在谱线中心附近
非均匀加宽激光器的模式竞争产生的起因及结果：非均匀加宽激光器只有当一个纵模频率等于中心频率v0时，一个纵模频率的真空和另一个纵模频率的像孔重合，两群粒子对两个纵模有贡献，引起模式竞争。
结果：不同纵模频率输出光强出现起伏
激光稳定振荡条件（阈值条件）：G(v,v0)=δ/L 稳定振荡信号光强决定因素:由泵浦和谐振腔的损耗决定
均匀加宽介质和非均匀加宽介质的功率加宽有何异同？均匀加宽激光器随信号光强的增加谱线进一步加宽，增曲线整体下降；而非均匀加宽激光器这出现光谱烧孔效应。
均匀加宽激光器和非均匀加宽激光器模式特性异同：由于模式竞争的原因，均匀加宽激光器一般为单纵模振荡，而非均匀加宽激光器为多纵模振荡 激光振荡的纵模频率条件为}arccos )12(1{221g g n
n m q nL c v mnq +++=π 激光器工作频率决定因素：谐振腔的腔长和反射镜的曲率半径。