激光原理第五讲
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激光原理第五讲精编版
st
n2
B21
g~
, 0
d
• 原子与连续谱光辐射场的相互作用
g~ , 0
D D
(黑体辐射场)
g~g(',,0)0
D
原子
dn21 dt
st
n2 B21
g%
,
0
d
0
n2 B210
• 原子与准单色光辐射场相互作用 D D（激光器）
gg~(',,) 0
原子 g~ ,0
泵浦光子能量
➢三能级系统的简化速率方程
E3
假设条件：
n3=0
1. S32足够大，忽略泵浦高能级粒子数
w13
速率方程：
dn2 dt
n1W13
n2
g2 g1
n1
21
,
0
vNl
n2
2
E1
dNl dt
n2
g2 g1
n1
21
,
0
vNl
Nl
R
n1 n2 n
S32 E2
A21 S21 w21 w12
n221
n221上的光子数目
• 进一步导出其他有用概念
W21
A21
g~
n
,
0
N
l
A21
g~ ,
nV
0
nl
,
nl NlV
第 l 模的总光子数
一个光子引起
的ST跃迁几率
W21 nl
A21g~ , 0
nV
al
分配在一个模式 的自发辐射几率
W21 al nl
固体物质
al
A21
nVD
W12
2024年度激光原理及应用PPT课件
4
激光的相干性比普通光 强很多，可用于精密测 量和全息照相等领域。
激光器组成及工作原理
激光器组成
激光器一般由工作物质、激励源和光学谐振腔三部分组成。
2024/3/24
工作原理
在激励源的作用下，工作物质中的电子被激发到高能级，形 成粒子数反转分布。当这些电子从高能级跃迁到低能级时， 会辐射出与激励源频率相同的光子，并在光学谐振腔内得到 放大和反馈，最终形成稳定的激光输出。
激光雷达
测距、成像、识别等多元化应 用
激光显示
高清晰度、大色域、节能环保
激光制造
高精度、高效率、无接触加工
2024/3/24
10
激光器类型及其特
03
点分析
2024/3/24
11
固体激光器
01
02
03
工作原理
通过激励固体增益介质（ 如晶体、玻璃等）中的粒 子，实现粒子数反转并产 生激光。
2024/3/24
根据实际需要，还可选择佩戴耳塞、手套 等个人防护装备，以降低激光对其他部位 的危害。
2024/3/24
24
未来发展趋势预测
06
与挑战分析
2024/3/24
25
新型激光器研发方向探讨
2024/3/24
新型材料激光器
探索新型增益介质，如量子点、二维材料等，提高激光器的性能 。
微型化与集成化
发展微型激光器，实现与其他光电器件的集成，推动光电子集成技 术的发展。
1960年，美国物理学家 梅曼制造出第一台红宝 石激光器
现代激光技术突破与创新
光纤激光器
高功率、高效率、光束质量好
量子级联激光器
覆盖中红外到太赫兹波段
2024/3/24
激光的相干性比普通光 强很多，可用于精密测 量和全息照相等领域。
激光器组成及工作原理
激光器组成
激光器一般由工作物质、激励源和光学谐振腔三部分组成。
2024/3/24
工作原理
在激励源的作用下，工作物质中的电子被激发到高能级，形 成粒子数反转分布。当这些电子从高能级跃迁到低能级时， 会辐射出与激励源频率相同的光子，并在光学谐振腔内得到 放大和反馈，最终形成稳定的激光输出。
激光雷达
测距、成像、识别等多元化应 用
激光显示
高清晰度、大色域、节能环保
激光制造
高精度、高效率、无接触加工
2024/3/24
10
激光器类型及其特
03
点分析
2024/3/24
11
固体激光器
01
02
03
工作原理
通过激励固体增益介质（ 如晶体、玻璃等）中的粒 子，实现粒子数反转并产 生激光。
2024/3/24
根据实际需要，还可选择佩戴耳塞、手套 等个人防护装备，以降低激光对其他部位 的危害。
2024/3/24
24
未来发展趋势预测
06
与挑战分析
2024/3/24
25
新型激光器研发方向探讨
2024/3/24
新型材料激光器
探索新型增益介质，如量子点、二维材料等，提高激光器的性能 。
微型化与集成化
发展微型激光器，实现与其他光电器件的集成，推动光电子集成技 术的发展。
1960年，美国物理学家 梅曼制造出第一台红宝 石激光器
现代激光技术突破与创新
光纤激光器
高功率、高效率、光束质量好
量子级联激光器
覆盖中红外到太赫兹波段
2024/3/24
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
激光原理及应用ppt课件
• 声光调Q是一种广泛使用的 Q开关方式，其有重复频率高、性能可靠的优点。
激光调制前
激光调制后
4.机械运动系统
• 基片送入后，高精度伺服电机在微机的控制下转动振镜的角度；
• 激光束通过扫描镜的反射，由f-θ场镜聚焦到基片的边缘位置上；
• 在微机上通过专用的控制软件输入总的清边面积、激光束的行走速度 和需要重复的次数；
E2
E2
E1
E1
自发辐射跃迁
自发辐射光子
c. 受激辐射（激光）: 当频率为=ν（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅 速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都 相同的光子。
E2
E2
入射光子
E1
E1
受激辐射光子 入射光子
受激辐射跃迁 3-2 粒子数反转
(Top flat)
高斯
多元高斯
• 减少脉冲时间，高的峰值能量，更多的能量密度
Less pulse time, high peak power more energy density
能量密度=功率/频率/光斑面积
pulse
1.1uW/um=220W/20KHz/900um2
Hz
4.重叠率计算——Overlap
全反光镜
反光镜： （越75%
）
Shutter
激光器外形 接光纤
Q-Switch
晶体腔
功率计
激光器内部分解图（P4）
Q-Switch 半反镜
晶体腔 光纤耦合器
镜头聚焦原理——凸透镜
激光刻划原理——以P1为例
光斑
1.Beam Shaping （激光束形状）
• 一般的激光都为高斯分布的波形，即高斯光束，为实现特殊的制程需求，需要转变 成为扁平式波形的平顶光束，即Top Hat，通过透镜组改变光束质量和形状产生。
激光调制前
激光调制后
4.机械运动系统
• 基片送入后，高精度伺服电机在微机的控制下转动振镜的角度；
• 激光束通过扫描镜的反射，由f-θ场镜聚焦到基片的边缘位置上；
• 在微机上通过专用的控制软件输入总的清边面积、激光束的行走速度 和需要重复的次数；
E2
E2
E1
E1
自发辐射跃迁
自发辐射光子
c. 受激辐射（激光）: 当频率为=ν（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅 速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都 相同的光子。
E2
E2
入射光子
E1
E1
受激辐射光子 入射光子
受激辐射跃迁 3-2 粒子数反转
(Top flat)
高斯
多元高斯
• 减少脉冲时间，高的峰值能量，更多的能量密度
Less pulse time, high peak power more energy density
能量密度=功率/频率/光斑面积
pulse
1.1uW/um=220W/20KHz/900um2
Hz
4.重叠率计算——Overlap
全反光镜
反光镜： （越75%
）
Shutter
激光器外形 接光纤
Q-Switch
晶体腔
功率计
激光器内部分解图（P4）
Q-Switch 半反镜
晶体腔 光纤耦合器
镜头聚焦原理——凸透镜
激光刻划原理——以P1为例
光斑
1.Beam Shaping （激光束形状）
• 一般的激光都为高斯分布的波形，即高斯光束，为实现特殊的制程需求，需要转变 成为扁平式波形的平顶光束，即Top Hat，通过透镜组改变光束质量和形状产生。
第5讲 高斯光束
13
5.2 类透镜介质中的高斯光束
类透镜介质中k2 0，此时的简化波动方程为：
2 k 1 1 2 0 q z q z k i p z q z
S z 1 仍引入函数S z ： ，可以得到： q z S z
2 k 1 1 2 0 q z q z k 可得到简化的波动方程： i p z q z
2
5.1 均匀介质中的高斯光束
均匀介质可以认为是类透镜介质的一种特例，即k2 0时的类透镜介质， 此时简化波动方程为：
Johann Carl Friedrich Gauss (1777 ?
0 r2 E E0 exp 2 z z
8
5.1 均匀介质中的高斯光束
高斯光束基本特性
振幅分布特性
0 r2 exp 2 由高斯光束的表达式可以得到： E E0 z z
5.1 均匀介质中的高斯光束
E x, y, z
上面最后一个表达式中的两项，前一项是振幅项，后一项是相位项。
为什么是这个解？还有其他解吗？
7
5.1 均匀介质中的高斯光束
高斯分布：
在统计学中更多的被称为正态分布， 它指的是服从以下概率密度函数的分布：
2 x 1 f x, , exp 2 2 2
1/ e
2
Z
Z
即光束半径随传输距离的变化规律 为双曲线，在z 0时有最小值0 ， 这个位置被称为高斯光束的束腰位置。
9
5.1 均匀介质中的高斯光束
等相位面特性
《激光原理》PPT课件
2024/1/28
28
前沿动态及发展趋势预测
超快激光技术
实现飞秒、皮秒级超短脉冲输出，用 于精密加工、生物医学等领域。
高功率激光技术
发展高能量、高效率的激光器，应用 于国防、能源等领域。
2024/1/28
激光显示技术
利用激光作为光源的显示技术，具有 色域广、亮度高等优点，是未来显示 技术的重要发展方向。
概述光纤激光器的工作原理、 优势及在通信、传感等领域的 应用前景。
其他典型固体激光器
简要介绍其他类型的固体激光 器，如半导体激光器、拉曼激
光器等。
10
03
气体激光器原理与技术
2024/1/28
11
气体放电过程及发光机制
01
02
03
气体放电基本概念
电子与气体原子或分子碰 撞，引发电离和激发过程 ，产生带电粒子和光子。
液体染料激光器技术特点பைடு நூலகம்
具有宽调谐范围、高转换效率、短脉冲输出等优点。同时 ，液体染料激光器也存在染料稳定性差、需要定期更换等 缺点。
液体染料激光器应用领域
广泛应用于光谱学、生物医学、光化学等领域。例如，可 用于荧光光谱分析、激光医疗、光动力疗法等。
16
半导体材料发光机制及器件结构
2024/1/28
利用半导体材料的特性实现受激辐射，具有 体积小、效率高、寿命长等优点，广泛应用 于通信、显示等领域。
2024/1/28
6
02
固体激光器原理与技术
2024/1/28
7
固体激光材料及其发光机制
2024/1/28
固体激光材料种类与特性
01
包括晶体、玻璃、陶瓷等，具有不同的发光特性和应用场景。
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。
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P n2h 0 A21g~ , 0 n2h 0 A21
A21 A21g~ ,0
B21
c3
8h
3
A21
A21 A21g~ ,0
B21
c3
8h 3
A21 g~ , 0
W12 B12 W21 B21
或
B21g~
, 0
B21
＝ c3
8h
3
A21
dn21 dt
sp
A21n2
dn21 dt
st
W21n2
W21 B21 B21g% ,0
dn21
dt sp
n2 A21
d n2 A21
• 谱线加宽对自发辐射表达式无影响
修正为
dn21 dt
st
n2W21
d n2 B21 g% , 0
d
分两种情况讨论：
dn21 dt
受激辐射,受激吸收几率的其它表达形式
由第l个模式提供
光速
模密度
n
8
2 0
v3
Nlh
A21
B21 8h 3
v3 n h
n
Nl
B21
N l A21
n
W21
B21g% , 0
A21 n
g% , 0 Nl
21 , 0 vNl
W12 B12g% , 0
g2 g1
A12 n
(思考：二能级系统能否实现粒子数反转？)
红宝石, 掺铒光纤 泵浦高能级 He -Ne, Nd: YAG
E3
w13 A3 S31
1
E2
E3
S32 激光上能级
S32
E2
w03 A30 S30
S21 A21 W21 W12
A21 S21 w21 w12
× ×E1
激光下能级
S10
E1
S31 S32
基态能级 E0
4
A21v2
2 02D H
dn21 dt
st
n2 21
, 0 vNl
非均匀加宽工作物质 中心频率发射截面
光子通量（单位时间通过
单位截面的光子数）：
Nl
21 0
ln 2 A21v2
4 3 2 02D D
F
Nl ADl DtA
Nlv
Dl vDt A
单位时间受激辐射的次数等
F
于单位时间入射到截面
al nl
假设每个模式SP几率相同
用于估算W21、W12（了解）
W21 W12
A21nl
n DV
A21
n D
Nl
g2 A21nl g2 A21Nl
g1 n DV g1 n D
3.4.2 速率方程组 (三能级, 四能级系统 )
• 各能级粒子数及腔内光子数密度随时间变化的方程
• 建立速率方程的物理基础: 爱因斯坦关系式
激光原理-第五讲
第三章 光与物质的相互作用
速率方程
第四节 速率方程
• 引言 激光器的物理基础－光频电磁场和组成物质的原子 (或离子、分子)内的(束缚)电子的共振相互作用
光与物质相互作用的理论： (1)经典理论－经典原子发光模型
用经典电磁场 (Maxwell方程组) 描述光子 用经典原子模型（偶极谐振子）描述原子
可以近似描述吸收、色散、自发辐射及自发辐射谱线宽度等 物理现象，不能描述非线性物理过程（增益饱和，非线性极 化等）。
(2)半经典理论－兰姆理论（Lamb,1964) 用经典电磁场理论描述光；用量子力学模型描述原子
可处理与光的波动性相关的物理现象(如强度特性、增益饱和 效应、多模耦合与竞争、频率牵引等),但不能处理与光的粒子 性(量子光学)有关的问题，例如自发辐射的产生、激光振荡的 线宽极限、光的量子起伏,光子统计等。
(3)(全)量子理论－量子电动力学理论处理方法
辐射场与原子都作量子化处理 量子电动力学处理光—光子 量子力学模型处理原子
现代量子光学的基础，将原子和光子作为一个统一的物理体 系加以描述，可严格的确定激光的相干性、噪声以及线宽极 限等特性，但在处理与光的波动性（例如相位）有关的问题 时就十分复杂。
(4)*速率方程理论－量子理论的简化形式
电磁场（光子）& 介质原子的相互作用
不考虑光子数的量子起伏和光的相位，只讨论光子数（光强）， 不能描述色散和光场的量子起伏
• 速率方程理论的出发点－SP、STE、STA的基本关系式
A21
dn21 dt
sp
1 n2
dn21
dt
sp
A21n2
W12
dn12 dt
sta
1 n1
W21
d
d
' D
dn21 dt
st
n2 B21
g%
, 0
d
D'
准单色场
n2B21g% , 0
பைடு நூலகம்
0
－准单色光辐射场总能量密度
W21 B21g~ ,0
W12 B12g~ ,0
物理意义: 由于谱线加宽, 外来光的频率并不一定要精确 等于原子发光的中心频率0才能产生受激跃迁,而是主要在 =0附近的一个频率范围内都能产生受激辐射
A31 S32
S30, A30 S32
S21 A21
S21 A21
E1 E0 kBT
S10 较大
一、三能级系统速率方程
E3
单模振荡（第 l 个模，模频率为
dn3
dt
n1W13
n3
S32 A31
g% , 0 Nl
12 , 0 vNl
光速
发射截面
21 , 0
A21v 2
8
2 0
g% , 0
中心频率处发射截面最大
均匀加宽工作物质
吸收截面
12
, 0
g2 g1
A12 v 2
8
2 0
g% , 0
W21
21
, 0
vNl
dn21 dt
st
1 n2
中心频率发射截面
21 0
st
n2
B21
g~
, 0
d
• 原子与连续谱光辐射场的相互作用
g~ , 0
D D
(黑体辐射场)
g~g(',,0)0
D
原子
dn21 dt
st
n2 B21
g%
,
0
d
0
n2 B210
• 原子与准单色光辐射场相互作用 D D（激光器）
gg~(',,) 0
原子 g~ ,0
n221
n221上的光子数目
• 进一步导出其他有用概念
W21
A21
g~
n
,
0
N
l
A21
g~ ,
nV
0
nl
,
nl NlV
第 l 模的总光子数
一个光子引起
的ST跃迁几率
W21 nl
A21g~ , 0
nV
al
分配在一个模式 的自发辐射几率
W21 al nl
固体物质
al
A21
nVD
W12
g2 g1
dn21 dt
ste
1 n2
E2 E1 h
dn12 dt
sta
W12n1
dn21 dt
ste
W21n2
W12 B12
W21 B21
B12 g1 B21g2
3.1.1 考虑谱线加宽后对SP、STE、STA几率的修正
线型函数 g~ ,0 跃迁几率按频率的分布函数