红宝石激光器
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• 粒子数反转 • 增益大于损耗
• 激光器由三部分组成： 激活介质，谐振腔和激 发源。
• 激光具有：单色性，方 向性，高亮度，相干性。
激活介质 激发源
激光器的特性参数
• 功率（平均／峰值），能量 • 波长，频率，线宽 • 脉冲宽度，重复频率 • 光斑直径，发散角，Ｍ－平方因子 • 模式，波长可调谐性 • 稳定性（波长／频率／功率／能量／方
能否产生振荡,取决于增益与损耗的大小。对光学 谐振腔, 要获得光自激振荡, 须令光在腔内来回一次 所获增益,至少可补偿传播中的损耗。
激光振荡阈值是腔内辐射由自发辐射(荧光)向受 激辐射(激光)转变的转折点。
(一) 激光器的增益
增益系数的定义： G 1 dI (z) I (z) dz
光强随距离的变化： I (z) I (0) exp(Gz)
激光器在光电检测中的应用
• 激光测距，测长，测平面度等 • 激光大气污染检测 • 激光ＤＮＡ检测 • 激光海洋探测 • 激光制导 • 激光雷达 • 激光干涉测量（探伤） • 激全息测量
激光器工作原理
一、激光产生的阈值条件
二、激光器的工作特性 三、激光放大器
一、激光产生的阈值条件
激光工作物质位于谐振腔内，当工作物质的某对 能级之间发生粒子数反转分布时，频率处在这对能级 自发辐射谱线宽度内的微弱光信号，将获得增益而放 大；由于谐振腔内存在各种损耗，光信号在其中传输 时，又会不断衰减。
激励方法(按激励能源分类): 光泵抽运、电激励 (气体放电激励)、化学激励、 核能激励等。
(二) 激光器的损耗
1、内部损耗
增益介质内部由于成分不均匀、粒子数密度不均匀或有缺陷 而使光产生折射、散射等使部分光波偏离原来的传播方向，
造成光能量的损耗。 I I0 exp (G a内)z
2、镜面损耗 a内 ——内部损耗系数（单位长度的损耗）
当强度为I 的光波射到镜面上，其中r1I(或r2I)反射回腔内继续 放大，其它的部分均为损耗，包括t1I(或t2I)、镜面的散射、 吸收以及由于光的衍射使光束扩散到反射镜范围以外造成的 损耗，用a1I(或a2I)表示。 r1、 r2——反射镜M1 M2 的反射率，
激光器种类繁多，按工作物质分类： 固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳 激光器） 半导体激光器（如砷化镓激光器） 液体激光器。
（1）固体激光器
典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发 明的第一台激光器。它的工作物质是固体。
种类：红宝石激光器（694.3nm脉冲激光）、掺 钕的钇铝石榴石激光器（简称YAG激光器）和 钕玻璃激光器等。
第3章 光源与辐射源
光源与辐射源
3.1 光源选择的基本要求与光源分类 3.2 热光源 3.3 气体放电光源 3.4 固体发光光源 3.5 激光光源
3.5 激光器
• 激光器的结构与原理 • 激光器的种类 • 激光器的特性参数 • 激光器在光电检测方面
的应用
激光器的原理
• 受激辐射：激光是受激 辐射的光放大。
特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目 前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦 （峰值功率）。
固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应 用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器 还曾成功地用于地球到月球的距离测量。
梅曼的第一台红宝石激光器
（a）原理图 （b）实物图
固体激光器
• 运行方式多样：连续，脉冲，调Ｑ，锁模等， 可以获得高平均功率，高重复率，高脉冲能量， 高峰值功率激光；
向等），寿命，光电效率
激光器的类型
• 气体、固体、半导体激光器 • 紫外、可见和红外激光器 • 连续、准连续和脉冲激光器 • 单频、单模激光器 • 可调谐激光器 • 超短脉冲激光器
激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之 一，具有方向性好、高单色性和高亮度三个重 要特性。激光波长从0.24μm到远红外整个光 频波段范围。
气体激光器
• 光束质量好，线宽窄， 相干性好，谱线丰富。
• 效率低，能耗高，寿 命较短，体积大。
• 原子（氦－氖）激光 器，离子（氩，氪， 金属蒸汽）激光器， 分子（CO2,CO,准分 子)激光器。
He-Ne激光器的基本结构形式
（3）半导体激光器 与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化
镓激光器。目前半导体激光器可选择的波长主 要局限在红光和红外区域。
• 主要在红外波段工作，采用光学泵浦方式； • 结构紧凑，寿命较长，稳定可靠； • ＮＤ：ＹＡＧ，红宝石，钕玻璃激光器。
固体激光晶体棒
（2）气体激光器 工作物质是气体。 种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子 激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、 氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子 激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连 续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外 到远红外的频谱区域。
G 代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对增长率， 也代表介质对光波放大能力的大小。
I0
I (l)
dz
0
lZ
推导可得：
G n 21 ,0
其中
n
n2
g2 g1
n1
21 , 0
A21v2
8
2 0
g~ ,0
—— 反转粒子数密度 —— 受激辐射截面积
可见，激光介质增益系数正比于反转粒子数密度，其比例 系数为受激辐射截面积。
正常分布状态: 热平衡态下,粒子数按能级的分布为玻尔 兹曼分布
粒子数密度反转分布状态：破坏热平衡分布
n
n2
g2 g1
n1
0
实现反转的手段: 激励或泵浦 (pumping) 或抽运
由外界能源向粒子系统输入能量,使大量粒子跃迁 到高能级。
• 体积小，效率高，重量轻、结构简单.(适宜在飞机、 军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作 测距仪来瞄准敌机。)
• 能耗低，寿命长，稳定可靠；
• 线宽较宽，波长可调谐，能产生超短脉冲，直接高频 调制；
• 可批量生产，单片集成； • 发散角大，温度特性差，容易产生噪声。
（4）液体激光器 种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染 料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。 它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内 调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他 激光器不能起的作用。
• 激光器由三部分组成： 激活介质，谐振腔和激 发源。
• 激光具有：单色性，方 向性，高亮度，相干性。
激活介质 激发源
激光器的特性参数
• 功率（平均／峰值），能量 • 波长，频率，线宽 • 脉冲宽度，重复频率 • 光斑直径，发散角，Ｍ－平方因子 • 模式，波长可调谐性 • 稳定性（波长／频率／功率／能量／方
能否产生振荡,取决于增益与损耗的大小。对光学 谐振腔, 要获得光自激振荡, 须令光在腔内来回一次 所获增益,至少可补偿传播中的损耗。
激光振荡阈值是腔内辐射由自发辐射(荧光)向受 激辐射(激光)转变的转折点。
(一) 激光器的增益
增益系数的定义： G 1 dI (z) I (z) dz
光强随距离的变化： I (z) I (0) exp(Gz)
激光器在光电检测中的应用
• 激光测距，测长，测平面度等 • 激光大气污染检测 • 激光ＤＮＡ检测 • 激光海洋探测 • 激光制导 • 激光雷达 • 激光干涉测量（探伤） • 激全息测量
激光器工作原理
一、激光产生的阈值条件
二、激光器的工作特性 三、激光放大器
一、激光产生的阈值条件
激光工作物质位于谐振腔内，当工作物质的某对 能级之间发生粒子数反转分布时，频率处在这对能级 自发辐射谱线宽度内的微弱光信号，将获得增益而放 大；由于谐振腔内存在各种损耗，光信号在其中传输 时，又会不断衰减。
激励方法(按激励能源分类): 光泵抽运、电激励 (气体放电激励)、化学激励、 核能激励等。
(二) 激光器的损耗
1、内部损耗
增益介质内部由于成分不均匀、粒子数密度不均匀或有缺陷 而使光产生折射、散射等使部分光波偏离原来的传播方向，
造成光能量的损耗。 I I0 exp (G a内)z
2、镜面损耗 a内 ——内部损耗系数（单位长度的损耗）
当强度为I 的光波射到镜面上，其中r1I(或r2I)反射回腔内继续 放大，其它的部分均为损耗，包括t1I(或t2I)、镜面的散射、 吸收以及由于光的衍射使光束扩散到反射镜范围以外造成的 损耗，用a1I(或a2I)表示。 r1、 r2——反射镜M1 M2 的反射率，
激光器种类繁多，按工作物质分类： 固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳 激光器） 半导体激光器（如砷化镓激光器） 液体激光器。
（1）固体激光器
典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发 明的第一台激光器。它的工作物质是固体。
种类：红宝石激光器（694.3nm脉冲激光）、掺 钕的钇铝石榴石激光器（简称YAG激光器）和 钕玻璃激光器等。
第3章 光源与辐射源
光源与辐射源
3.1 光源选择的基本要求与光源分类 3.2 热光源 3.3 气体放电光源 3.4 固体发光光源 3.5 激光光源
3.5 激光器
• 激光器的结构与原理 • 激光器的种类 • 激光器的特性参数 • 激光器在光电检测方面
的应用
激光器的原理
• 受激辐射：激光是受激 辐射的光放大。
特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目 前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦 （峰值功率）。
固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应 用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器 还曾成功地用于地球到月球的距离测量。
梅曼的第一台红宝石激光器
（a）原理图 （b）实物图
固体激光器
• 运行方式多样：连续，脉冲，调Ｑ，锁模等， 可以获得高平均功率，高重复率，高脉冲能量， 高峰值功率激光；
向等），寿命，光电效率
激光器的类型
• 气体、固体、半导体激光器 • 紫外、可见和红外激光器 • 连续、准连续和脉冲激光器 • 单频、单模激光器 • 可调谐激光器 • 超短脉冲激光器
激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之 一，具有方向性好、高单色性和高亮度三个重 要特性。激光波长从0.24μm到远红外整个光 频波段范围。
气体激光器
• 光束质量好，线宽窄， 相干性好，谱线丰富。
• 效率低，能耗高，寿 命较短，体积大。
• 原子（氦－氖）激光 器，离子（氩，氪， 金属蒸汽）激光器， 分子（CO2,CO,准分 子)激光器。
He-Ne激光器的基本结构形式
（3）半导体激光器 与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化
镓激光器。目前半导体激光器可选择的波长主 要局限在红光和红外区域。
• 主要在红外波段工作，采用光学泵浦方式； • 结构紧凑，寿命较长，稳定可靠； • ＮＤ：ＹＡＧ，红宝石，钕玻璃激光器。
固体激光晶体棒
（2）气体激光器 工作物质是气体。 种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子 激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、 氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子 激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连 续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外 到远红外的频谱区域。
G 代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对增长率， 也代表介质对光波放大能力的大小。
I0
I (l)
dz
0
lZ
推导可得：
G n 21 ,0
其中
n
n2
g2 g1
n1
21 , 0
A21v2
8
2 0
g~ ,0
—— 反转粒子数密度 —— 受激辐射截面积
可见，激光介质增益系数正比于反转粒子数密度，其比例 系数为受激辐射截面积。
正常分布状态: 热平衡态下,粒子数按能级的分布为玻尔 兹曼分布
粒子数密度反转分布状态：破坏热平衡分布
n
n2
g2 g1
n1
0
实现反转的手段: 激励或泵浦 (pumping) 或抽运
由外界能源向粒子系统输入能量,使大量粒子跃迁 到高能级。
• 体积小，效率高，重量轻、结构简单.(适宜在飞机、 军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作 测距仪来瞄准敌机。)
• 能耗低，寿命长，稳定可靠；
• 线宽较宽，波长可调谐，能产生超短脉冲，直接高频 调制；
• 可批量生产，单片集成； • 发散角大，温度特性差，容易产生噪声。
（4）液体激光器 种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染 料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。 它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内 调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他 激光器不能起的作用。