激光原理4.3激光束的变换(2014)
c4.3激光束的变换
0
R R
S
S
图（4-16）高斯光束通过薄透镜的变换 2 2 1 1 1 2 R s[1 ( 0 ) 2 ] 0 2 2 s R R f 1 ( ) R 02 2 R s[1 ( ) ] s 2 R s 1 ( 0 ) s 2 R 2 0 s 2 1 ( ) 2 0 1 ( 2 ) 0
0
图(4-20) 倒装望远镜系统压缩光束发散角
M’是高斯光束通过透镜系统后光 束发散角的压缩比。M是倒置望 远镜对普通光线的倾角压缩倍数。 由于f2＞f1，所以M＞1。 又由于 ＞0，因此有M’ M ＞1
f1 f2 2 f1 2 0 2 f 2 f1 0 f2 M M f 2 f1 0 0 2 0 M 0 2
2 0 2 2 1 ( ) R
2
f 0
1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦
0
f 即缩短 f 和加大 都可以缩小聚焦点光斑尺寸。
前一种方法就是要采用焦距小的透镜 后一种方法又有两种途径：一种是通过加大s来加大；另一种办法 就是加大入射光的发散角从而加大 ，加大入射光的发散角又可以有 两种做法 ，如图4-18和图4-19
图4-18 用凹透镜增大ω后获得微小的ω’0
图4-19 用两个凸透镜聚焦
2 2 0
1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形
f 0 1 ( s 2 ) 2 0 02 s
2 0 1 ( 0 ) 2 s s 2 ( 2 ) 1 0
华科激光原理考研题2002-2014(汇总)
华科考研激光原理2002--2014真题2014年一.解释题1.描述自然加宽和多普勒加宽的成因，说明他们属于什么加宽类型。
(15)2.描述一般稳定腔和对称共焦腔的等价性。
(15)3.增益饱和在连续激光器稳定输出中起什么作用？ 谱线加宽是怎样影响增益饱和特性的？(15)4.说明三能级系统和四能级系统的本质区别，哪个系统更容易形成粒子数反转，为什么?(15)二．解答题1. 一个折射率为η,厚度为d 的介质放在空气中，界面是曲率半径为R 的凹面镜和平面镜。
（1）求光线从空气入射到凹面镜并被凹面镜反射的光线变换矩阵。
（2）求光线从凹面镜进入介质经平面镜反射再从凹面镜射出介质的光线变换矩阵。
（3）求光线从凹面镜进入介质再从平面镜折射出介质的光线变换矩阵。
(25)2. 圆形镜共焦腔的腔长L=1m ，（1）求纵模间隔q υ∆，横模间隔m υ∆,n υ∆. (2)若在增益阈值之上的增益线宽为60Mhz ，问腔内是否可能存在两个以上的纵模震荡，为什么？(25)3. 虚共焦型非稳腔的腔长L=0.25m ，由凹面镜M1和凸面镜M2组成，M2的曲率半径和直径为m R 12-=,cm a 322=,若M2的尺寸不变，要求从M2单端输出，则M1的尺寸为多少；腔的往返放大率为多少。
(20)4. 某连续行波激光放大器，工作物质属于均匀加宽型，长度是L ，中心频率的小信号增益为m G ，初始光强为0I 中心频率饱和光强为s I ，腔内损耗系数为i α (m i G <<α),试证明有：（20）sL L m I I I I I L G 00ln -+= (提示：I dz dI G i =-α, s m I I G +=1G 构造微分方程) 2013年一、简答：1.说出激光器的两种泵浦方式，并分别举个例子。
2.什么是空间烧孔？并说明对激光器模式的影响。
3.试写出二能级的速率方程。
并证明二能级不能产生自激震荡（设f1=f2）。
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
激光原理及应用ppt课件
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。
激光原理与应用讲-第四章
光
器 2.与激光输出功率曲线的兰姆凹陷相似，在吸收介质的吸收曲线上也有一个吸收
的
稳 凹陷，如图4-13所示 。
频
3.由于吸收管内的压强很低，碰撞增宽很小，所以吸收线中心形成的凹陷比激光
管中兰姆凹陷的宽度要窄得多。
上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
第 4.2.4 饱和吸收法稳频
四 章
4.激光通过激光管和吸收管时所得到的单程净增益应该是激光管中的单程增益G (ν )
激
和吸收管中的单程吸收 A(ν) 的差，即 G (ν )净 G (ν ) A (ν )
光 的
➢如图4-14(a)，只有频率调到 ν 0 附近激光才能振荡。
基 ➢如图4-14(b)，频率在整个线宽范围内调谐均能振荡。
本
技
术
4
§.
2
激 光 器 的 稳 频
图(4-14) 反转兰姆凹陷
上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
章
激 光 的 基 本 技 术
4
2
激 光 器 的 稳 频
§.
2.腔长自动补偿系统的方框图如图4 - 9 所示
➢压电陶瓷加一直流电压：使初始频率为 ν 0 ➢压电陶瓷上还需加一频率为f(约为lkHz)、幅度很小(零点几伏)的交流讯号， 此讯号称为“搜索讯号”
图4-9 兰姆凹陷法稳频方框图
上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
§.
现象： 非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。
图(2-8) 均匀增宽型增益饱和曲线
原因：
图(2-14) 非均匀增宽型激光器中的增益饱和
➢在均匀曾宽情况下，每个粒子对谱线不同频率的增益都有贡献
➢在非均匀曾宽情况下，单个粒子仅对特定频率处的增益有贡献
《激光原理》教学大纲
《激光原理》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程简介本课程是“光电器件加工”课程模块中的专业核心课程，以培养应用能力突出、能适应工作变化和具有创新素质的学生为目标，在教学内容上，将理论教学与案例教学有机地结合进行知识点讲解，注重培养学生运用基础物理知识分析解决激光相关问题的能力；在教学模式上，采用研讨式的教学模式，注重引导学生对激光技术相关领域的核心问题已有的解决方案进行分析比较，培养学生的问题分析能力。
在培养学生熟练掌握激光器结构、工作原理、调Q技术与锁模技术的基础上，提升学生的综合能力和解决复杂问题的能力，为学生成为新一代技术应用型人才奠定基础。
三、课程目标及对毕业要求（及其指标点）的支撑四、教学内容及进度安排五、课程考核六、教材及参考资料(一)课程教材1.《激光原理及应用》（第3版），陈鹤鸣等编著，电子工业出版社，2017(二)参考教材及网站1.《激光原理》（第7版），周炳琨等编著，国防工业出版社，2014。
2.《激光原理及应用》（第3版），陈家璧等编著，电子工业出版社，2013。
3.《激光原理及技术》，电子科技大学，刘志军等主讲，中国大学慕课。
编写人：审核人：审批人：审批日期：附件：各类考核与评价标准表（1）考试方式及占比：采用闭卷笔试，考试成绩100分，占课程考核成绩的60%。
（2）评定依据：考试成绩的评定根据试卷参考答案和评分标准进行。
（3）考试题型：可以包含单项选择题、填空题、简答题、计算题和设计题。
（4）考试内容：对学生综合运用激光物理的基本概念、基本原理进行问题分析能力的考核，不仅包括对各章节知识点的独立考核，还需要包括综合考虑多种激光器性能与控制的改善方案，实现技术分析和解决复杂工程问题能力的考核。
激光原理PPT课件
5. 自由电子激光器 以自由电子为工作物质微波到X射线的受激辐射
均称为自由电子激光。
第12页/共33页
这是一种特殊类型的新型激光器，被电子加速器
加速的电子流注入周期变化的磁场。只要改变电子束
的速度就可产生波长连续变化的相干电磁辐射，原则
上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，其 峰值功率和平均功率高且可调，相干性好，可获得偏
政”辐射光子。
第14页/共33页
激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激 光产生的机理与普通光源的发光不同，这就使激光具 有不同于普通光的一系列性质。
1. 方向性好 激光不像普通光源向四面八方传播，几乎在一条 直线上传播，我们称激光的准直性好。因为激光要在 谐振腔内来回反射，若光线偏离轴线，则多次反射后 终将逸出腔外，因此从部分透明的反射镜射出的激光 方向性好。良好的方向性使激光是射得最远的光，应 用于测距、通讯、定位方面。
第15页/共33页
2. 亮度高 一般光源发光是向很大的角度范围内辐射，如电 灯泡不加约束是向四面八方辐射。激光的辐射范围在 1×10-3rad（0.06º）左右，因此既使普通光源与激光 光源的辐射功率相同，激光的亮度将是普通光源的上 百万倍。1962年人类第一次从地球上发出激光束射向 月球，由于激光的方向性好、亮度高，加上颜色鲜红， 所以能见到月球上有一红色光斑。激光的高亮度在激 光切割、手术、军事上有重要应用，现正研究用高亮 度的激光引发热核反应。
2. 用激光固定原子
气态原子、分子处在永不停息的运动中（速度接
近340m/s），且不断与其它原子、分子碰撞，要“捕
获”操纵它们十分不易。1997年华裔科学家、美国斯
坦福大学朱棣文等人，首次采用激光束将原子束冷却
《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。
激光束的原理
激光束的原理激光束是一种高度聚焦且高度定向的光束，由于其独特的性质和各种应用而备受关注。
激光被定义为一种特殊的光波，其具有极高的光强度和长时间的相干性。
在此解释激光束的原理。
1. 激光的产生激光产生的原理是通过激活某些原子或分子，在激活后，这些原子或分子会从高能状态回到低能状态，由此释放出光子。
这种产生光子的过程称为激发发射，是激光的能源来源。
主要有三种方法产生激发发射：(1)自发辐射：当原子或分子处于激发态时，它们会自发地向低能级跃迁并释放出光子。
(2)受激辐射：当光子与处于激发态的原子或分子相遇时，这些粒子会被激活并释放出相同的光子，形成同相位同频率的光束。
(3)电子跃迁：在激发态的原子或分子中，电子跃迁到低能态时会产生光子。
2. 激光输出之前的准备工作在输出激光之前，需要对产生的激光进行一系列的处理。
其中的两个关键步骤是增益介质和反射。
(1) 增益介质：激光产生时会有大量的光子形成，但并非所有的光子都能决定激光的输出。
只有一小部分光子会被增益介质吸收，并将它们的能量传递给其他未被激活晶体的电子。
随着输运和传输，这些电子之间形成的能量导致更多的光子释放。
(2) 反射：如果激光束一直保持在增益介质中，那么它可能会漂移或分散，导致输出激光变得不准确。
需要一种方法来减少这种漂移和分散，并将大部分光子集中在一起。
反射是减少漂移和分散的方式之一。
通过在增益介质两端放置高反射镜和部分反射镜，可以使大部分光子在镜子之间多次反射，并以高度定向的形式输出激光束。
3. 激光束的特性(1) 高单色性：激光束只产生单一频率的光子，从而使其成为各种精确测量和检测工具的理想选择。
(2) 高相干性：激光束的相位一致，使其在干涉仪和其他光学设备中的使用效果更好。
(3) 高定向性：激光束以高度定向的形式输出，也就是说，大部分的光子都沿着主轴线方向传播。
(4) 高功率密度：激光束中的光子非常聚焦，使得其功率密度远高于常规光波，从而使其成为加工和切割设备中的理想选择。
第八篇第一讲 激光原理
二、激光的形成
处于热平衡下的粒子,满足玻耳兹曼分布
Nn e
N2 e N1 E2 E1 kT
En kT
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数之比:
1
即能级越高,粒子数越少.
数量级估计：
T ～103 K；
E2 E1 kT 1 0.086
E 2-E 1～1eV;
kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
2、激光的应用
激光技术的应用涉及到光、机、电、材料及检测等多门 学科，主要分为以下几类： 激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、 心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允 许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有 YAG (钇铝石榴石)激光器，CO2激光器和半导体泵 浦激光器。 激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模 业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、 压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、 一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷 青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、 1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等 等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。
三、激光的特性及其应用 1、激光的特性
方向性好 激光能量集中在其传播方向上。其发散角 很小，一般为10-5～10-8球面度。 亮度高 光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内 沿单位立体角所发射的能量。例如，太阳表面的亮度 比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。而一台普通的 激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。 单色性好 如He－Ne激光器发射的632.8nm的谱线宽度 仅为10- 9nm。可用作光频计时标准。 相干性好普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只 有几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十公里， 比普通光源大几个数量级。
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
《激光原理》课件-2024鲜版
光束整形
光开关和光限幅
利用非线性光学材料的特性，可以制 作光开关和光限幅器，用于控制激光 的传输和输出。
通过非线性光学过程，可以对激光光 束进行整形，如光束聚焦、光束分裂 和光束合成等。
量子级联激光器性能特点
低阈值电流、高光增益、宽波长调谐范围、高输出功率等。
2024/3/27
应用领域
光纤通信、光存储、光显示、激光雷达、医疗诊断与治疗、科研与军事等。其中，光纤通信是半导体激光器 和量子级联激光器最主要的应用领域之一。在光纤通信中，它们被用作光源，将电信号转换为光信号进行传 输。
24
2024/3/27
准分子激光器
准分子激光器以稀有气体卤化物为工作物质，其输出波长在紫外波段。准分子激光器具有脉 冲能量大、重复频率高等优点，被广泛应用于科研和医疗等领域。
14
04
液体激光器与光纤激光器
2024/3/27
15
液体激光器结构及工作原理
2024/3/27
结构组成
液体激光器主要由激光工作物质 （如染料溶液）、泵浦源、光学谐 振腔等部分组成。
2024/3/27
性能特点
气体激光器具有输出功率大、光束质量好、效率高、寿命长等优点。同时，它们还 具有较宽的波长调谐范围和较高的重复频率。
应用领域
气体激光器在科研、工业、医疗等领域有着广泛的应用。例如，CO2激光器可用于 切割、焊接和打孔等工业加工过程；He-Ne激光器则常用于精密测量和光学实验等 领域。
量子级联激光器利用量子阱结构中的量子限 制效应，使得电子和空穴在量子阱内复合并 释放出能量。通过串联多个量子阱结构，可 以实现更高的光增益和更低的阈值电流，从 而提高激光器的性能。
激光原理
激光相关知识激光在20世纪60年代开始出现，并以极快的速度发展，它作为一门新的学科与一种新的技术，使光学技术起了巨大的变革。
激光束是电磁波在光波段的一种新的传播方式，与普通光源不同，既不是均匀平面光波也不是均匀球面光波，而是一种具有亮度高，方向性、相干性、单色性好的高斯光束，正是因为激光具有的这些特殊的性能，它在生产、科研、医学、军事及SSHQ等许多领域都获得了广泛的应用。
以下简单的介绍一些激光的形成原理及半导体二极管激光器的一些相关知识。
第一章激光原理一、光子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的相关性。
作为对相干性的粗略描述，常使用相干体积的概念。
相干体积：Vc=AcLcVc：相干体积Ac：光传播方向的截面上的相干体积Lc：沿传播方向上的相干长度或：Vc=AcτcCτc：相干时间C：光速普通光源发光，是大量独立振子（例如发光原子）的自发辐射，每个振子发出的光波是由持续一段时间△t或在空间占有长度c△t的波列组成。
不同振子发出的光波的相位是随机变化的，对于原子谱线来说，△t即为原子的激发态寿命（≈10-8 秒），对波列进行频谱分析，就得到它的频带宽度△v≈1/△t，如下图1：V0△v≈1/△t图1△v是光源单色性的量度。
由物理光学，光波的相干长度就是光波的波列长度，即L C=c△t=c/△v于是，相干时间τc与光源频带的关系为：τc=△t =1/△v上式表明，光源单色性越好，则相干时间越长。
二、光子简并度相干光强：具有相干性的光波场的强度；从相干性的光子描述出发，相干光强决定与具有相干性的光子的数目或同态光子的数目。
这种处于同一光子态的光子数称为光子简并度n ，光子简并度具有以下几种相同的含义：1、 同态光子数；2、 同一模式内的光子数；3、 处于相干体积内的光子数；4、 处于同一相格内的光子数。
三、光的受激辐射与自发辐射1、 自发辐射为简化问题，只考虑两个能级E2和E1，并有E2-E1=hv ；单位体积内处于两能级的原子数分别用n2和n1表示。
《激光原理》4.3激光束的变换(新)
一、核心问题：改善光束的方向性，即压缩光束的发散角
二、方法：①用单透镜；② 用望远镜。
①用单透镜
高斯光束发散角:
2
2 0
Байду номын сангаас
通过透镜后，像高斯光束发散角：2 ' 2
'0
由此可见，对于有限大小的，0' 无法使 2 ' 。0因此，要用单个透镜将高
斯光束转换成平面波，从原理上说，是不可能实现的。
如何借助透镜改善高斯光束的方向性？
(
2 0
s
)2
]
s f
R
f
[1
(
f
2 0
)
2
]
1 11 R R f
R
f
[1
(
f
2 0
)
2
]
s
1
R
(
R 2
)2
0
1
(
s
2 0
)
2
象方腰斑位于透 镜的前焦面上
比较：
s f
几何光学： s'
高斯光束： s' f
2.象方束腰半径:
s f
0
1
(
s
2 0
)2
R
1
R (2
)2
1
2 (2
)2
R
经透镜变换后的束腰位置、腰斑大小由以上两式决定.
已知高斯光束的腰斑大小和位置，整条高斯光束传输规律就确定了。
4.3.2 高斯光束的聚焦 0' 0
实际应用中，为了提高激光的光功率密度， 需要对高斯光束进行聚焦。
图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换
核心问题：由
现代激光应用技术 激光束的变换
4.1.1 激光单纵模的选取
(2) 法布里-珀罗标准具法： ➢如图4-2所示，在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法 布里－珀罗标准具
➢由于多光束干涉的结果，对于满足下列
条件的光具有极高的透射率
νm 2d
mc
2 2 sin2
图(4-2) 法布里-珀罗标准具法示意图
➢产生激光振荡的频率不仅要满足谐振条件，还需要对标准具有最大的透射率
0
f 0
(3)根据高斯光束的渐 变性可以设想，只要 s 和 f 相差不大，高斯光
束的聚焦特性会与几何 光学的规律迥然不同。
3.8.3 高斯光束的准直
1.高斯光束的准直：改善光束的方向性，压缩光束的发散角。
2. 2 2 可以看出，增大出射光束的腰粗就可以缩小光束的发散角。
0
0
f 0
0 f s' 0 s s
3.8.1 高斯光束通过薄透镜时的变换
1.
透镜的成像公式：
1 s
1 s
1 f
，注意参数的正负。
2. 从光波的角度看，规定发散球面波的曲率半
径为正，会聚球面波的曲率半径为负，则如图
3-18所示，成像公式可改写为：
11 1 R R f
图3-18 球面波通过薄透镜的变换
从波动光学的角度讲，薄透镜的作用是改变光波波阵面的曲率半径。透 镜的变换（成像）特性推广至高斯光束中去。 注意： 1)由于薄透镜很薄，因此在透镜两边的入射光束和出射光束具有相同的光强 分布，即入射光的光场分布为高斯型，出射光束的光场分布也为高斯型； 2)出射光束在透镜处的截面半径与入射光束在透镜处的截面半径相等； 3)入射、出射的高斯光束在透镜处的波面曲率半径满足以上的成像公式。
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。
激光原理与应用课件
1 ．3 激光工作物质的能级结构
一、三能级系统
激发态的平均寿命只有10-8(s)。然而在原子的能 级中，有一种特殊的能级，其寿命可达10-3(s)甚
至更长。我们称这种状态为原子的亚稳态。
在He、Ne、CO2 、N2等物质中都有这种能级结 构
10
物质三能级系统的示意图
抽运
快 E3
E2 (亚稳态)
n 受激辐射出的光子，与入射光子具有相
同的频率，相同的初相，相同的传播方
向，相同的偏振态等。
E2
hv
E1
hv
E2
hhvv
输入 hv
hv hv
hv hv 输出
E1
hv
受激辐射示意图
受激辐射光放大示意图
6
1 ．2 粒子数反转
n 处在温度为T的平衡态下，各能级上分布的分 子数，服从玻尔兹曼分布，
n 高能态En'上分布的分子数与低能态En上分布的 分子数之比为：
34
3．4 激光在几何参数测量方面的应用
一、激光测距技术
1、激光脉冲计数方法
2、相位测距法
B
X A
He-Ne激 光
45°
二、利用激光技术和几M何学d原理可以对板N参材考平面
的厚度进行测量
激光测厚原理示意图
35
3.5 激光条码检测技术
n 条码技术是通过一定形状和间隔的条纹 组合来表达计算机“0” 、“1”语言的一种方 法。
慢
E1 (基态)
n 应该注意：三能级系统，是指激光器在运转过 程中，所涉及到的三级能级。并不是指该系统 仅有这三条能级。
11
二、四能级系统
抽运
快 E4
E3 (亚稳态)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4.3.1 高斯光束通过薄透镜时的变换
普通球面波在通过薄透镜的传播规律一、普通球面波在通过薄透镜的传播规律1. 透镜的成像公式：
f
1
11=+4-15图4-15 球面波通过薄透镜的变换
s s ′2. 从光波的角度看，当傍轴波（）
二、高斯光束通过薄透镜的变换
当通过薄透镜时, 高斯光束经过薄透镜变换后仍为高斯光束。
若以M
1
表示高斯光束入射在透镜表面上的波面, 由于高斯光束的等相位面为球面经透镜后被转换成另球由于高斯光束的等相位面为球面,经透镜后被转换成另一球
面波面M
2而出射, M
1
与M
2
的曲率半径R
l
及R
2
之间的关
系满足4-16式。
同时,由于透镜很“薄”,所以在紧挨足（6）。
,镜,紧
透镜的两方的波面M
1及M
2
上的光斑大小及光强分布都应该
完全一样。
以w表示入射在透镜表面上的高斯束光斑半径,
w ，表示出射高斯束光斑半径。
图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换
高福斌/19
2
f
′R R
w =+z ⎥
=+(345)(344)020()1w z w π⎜⎟
⎝⎠
01R z λ⎢⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦
(3-45)
(3-44)
4-16图416 高斯光束通过薄透镜的变换
4.3.2高斯光束的聚焦4.3.2 高斯光束的聚焦
实际应用中，为了提高激光的光功率密度，需要对高斯光束进行聚焦，即
00
'w w <图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换
核心问题：
这与几何光学中的平行光
通过透镜聚焦在焦点上的。
情况类似。
图4-17 短焦距透镜的聚焦
z高斯光束聚焦的方法：
1.采用短焦距透镜，使
2.加大入射光在透镜面处的光斑半径
2.
(1)通过加大
(1)
半径w
从而加大w:
用凹透镜直接加大发散角用两个凸透镜聚焦
22λθ=
(3-40)
w π核心改善光束的方向性缩光束的发散角一、核心问题：改善光束的方向性，即压缩光束的发散角
①用单透镜22λθ=
高斯光束发散角:
(3-40)w π(4-42)
2λ
②用望远镜
首先利用一个短焦距透镜将高斯光束聚焦，获得极图(4-20) 倒装望远镜系统压缩光束发散角
小的腰斑；然后再利用一个长焦距透镜改善光束的方向性达到准直的目的性，达到准直的目的。
(340)2λ=
2(3-40)
2w θπ1"
020
22f w f w λ
λθππ′′⇒==(4-46)
定义高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比为。