激光器的原理及应用精华

激光器的原理及应用精华第1页，课件共37页，创作于2023年2月第一章：概述激光器基本原理第二章：开放式光谐振腔理论与高斯光束第四章：阐明光和物质相互作用的基本物理过程第五章、第六章：激光振荡和放大理论第七章：介绍控制和改善激光器特性的基本技术第九章：介绍典型激光器的工作原理及特性对激光技术中的物理问题有较系统全面的认识；内容概要激光原理目标建立正确的基本概念；掌握一定的有关激光器技术方面的知识。第2页，课件共37页，创作于2023年2月绪论一、激光的特性1.方向性好激光原理

.绪论第3页，课件共37页，创作于2023年2月2.单色性好激光原理

.绪论第4页，课件共37页，创作于2023年2月3.能量集中4.相干性好激光原理

.绪论空间高度集中：亮度比太阳表面高倍。时间高度集中：功率峰值为瓦。第5页，课件共37页，创作于2023年2月二、激光的应用1.工业应用精密测量(距离、位移)激光加工(切割、焊接、打孔、雕刻)光谱分析2.医学应用眼科普通外科牙科皮肤科激光原理

.绪论第6页，课件共37页，创作于2023年2月3.军事应用激光制导激光测距激光侦察大气激光通信激光原理

.绪论第7页，课件共37页，创作于2023年2月激光武器激光原理

.绪论第8页，课件共37页，创作于2023年2月4.日常应用激光打印机电脑光驱CD/VCD条形码扫描器激光防伪激光霓虹灯激光原理

.绪论第9页，课件共37页，创作于2023年2月激光原理

.绪论第10页，课件共37页，创作于2023年2月5.通信领域的应用（1）空间激光通信激光原理

.绪论第11页，课件共37页，创作于2023年2月（2）光纤通信激光原理

.绪论光纤的优越性：•宽带•不受电磁干扰•重量轻•低损耗光纤通信用光源：短距离通信用0.85um；长距离通信用1.31um，1.55um光纤放大器：1.55um波段的掺铒光纤放大器（EDFA）；1.31um的掺镨光纤放大器（PDFA）；1.27～1.67um全光波段的拉曼放大器（RFA）1480nm和980nm波长的半导体激光器是EDFA的泵浦光源

第12页，课件共37页，创作于2023年2月三、激光技术发展史1.1917年：爱因斯坦在《关于辐射的量子力学»一文预言了原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性;2.

20世纪50年代：汤斯和肖洛的光激射器理论；激光器方案的提出；3.

1960年：梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器；4.1960年至今：激光技术飞速发展。四、Laser－“激光”Laser“通过受激辐射实现光放大”LightAmplificationofStimulatedEmissionofRadiation激光原理

.绪论第13页，课件共37页，创作于2023年2月五、激光器种类根据工作物质固体激光器气体激光器液体激光器半导体激光器：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃：He—Ne，CO2，离子激光器：染料激光器激光原理

.绪论第14页，课件共37页，创作于2023年2月第一章激光的基本原理§1.1相干性的光子描述光波模式、光子状态、相格、相干体积一、光波模式与光子态光的波粒二象性波动说微粒说激光原理

.第一章－电磁理论－波动属性：光波模式－光子理论－粒子属性：光子态第15页，课件共37页，创作于2023年2月1.光波模式（用波动观点求光波模式数）波矢：：波的传播方向一个波矢对应两个光波模式激光原理

.第一章第16页，课件共37页，创作于2023年2月有限空间V内：存在具有特定波矢的单色平面驻波。驻波条件m、n、q为正整数激光原理

.第一章自由空间中：具有任意波矢的单色平面波都可能存在；第17页，课件共37页，创作于2023年2月每组m、n、q对应一种光波模式（含两个偏振态）激光原理

.第一章第18页，课件共37页，创作于2023年2月相邻模间隔：波矢空间中每个光波模式所占体积：第一象限中区间体积：此体积内光波模式数：激光原理

.第一章

V体积空腔内，频率内光波模式数：第19页，课件共37页，创作于2023年2月2.光子（状）态：相空间：空间坐标动量相空间内一点表示质点的一个运动状态。测不准关系：相格：同一光子态的光子所占的相空间体积元。结论1：同一相格中的光子运动状态无法区分，它们属于同一光子态。激光原理

.第一章结论2：一个光波模式一个光子态。第20页，课件共37页，创作于2023年2月二、光子的相干性相干光波：频率相同、振动方向一致、位相差恒定的两束光波。空间相干性相干长度：沿传播方向的相干长度。相干面积：垂直于光传播方向截面上的相干面积。相干体积：空间体积内各点的光波场都具有明显的相干性，则为相干体积。激光原理

.第一章第21页，课件共37页，创作于2023年2月单色性越好，相干性就越好激光原理

.第一章相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需的时间。第22页，课件共37页，创作于2023年2月由杨氏双缝干涉实验讨论光波的相干体积：两光波场具有明显相干性的条件：光源的相干面积激光原理

.第一章第23页，课件共37页，创作于2023年2月光源的相干体积：激光原理

.第一章结论3：相格的空间体积相干体积。第24页，课件共37页，创作于2023年2月相格空间体积结论：处于同一相格中的光子数，三、光子简并度决定了相干光强，反映光源的单色亮度。激光原理

.第一章一个光波模式所占空间体积同一光子态所占空间体积相干体积处于同一模式中的光子数，处于相干体积内的光子数，处于同一光子态的光子数。第25页，课件共37页，创作于2023年2月§1.2光的受激辐射基本概念一、光的受激辐射概念的产生普朗克——1900年，辐射量子化假设；波尔——1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；爱因斯坦——1917年，提出受激辐射概念。1.黑体辐射的Planck公式：任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。黑体：能够完全吸收任何波长的电磁辐射的物体。空腔辐射体激光原理

.第一章第26页，课件共37页，创作于2023年2月热平衡状态：黑体吸收的辐射能量黑体发出的辐射能量单色能量密度：Planck辐射能量量子化假说：黑体辐射Planck公式：激光原理

.第一章热平衡状态下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量腔内单位体积中频率处于附近单位频率间隔内的光波模式数第27页，课件共37页，创作于2023年2月2.跃迁：跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。吸收跃迁：低吸收能量高辐射跃迁：高辐射能量低（自发辐射）激光原理

.第一章第28页，课件共37页，创作于2023年2月3.受激辐射：爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。二、自发辐射、受激吸收和受激辐射1.自发辐射发光前发光后激光原理

.第一章第29页，课件共37页，创作于2023年2月普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同——为非相干光。自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：原子在能级的平均寿命只与原子本身性质有关，与辐射场无关激光原理

.第一章第30页，课件共37页，创作于2023年2月2.受激吸收吸收前吸收后受激吸收跃迁几率：：受激吸收跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关激光原理

.第一章第31页，课件共37页，创作于2023年2月发光前发光后3.受激辐射当外来光子的频率满足时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。：受激辐射跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关受激辐射跃迁几率：与原子本身性质和辐射场能量密度有关当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程激光原理

.第一章第32页，课件共37页，创作于2023年2月三、爱因斯坦三系数的相互关系热平衡状态：辐射率吸收率（辐射场总光子数保持不变）玻尔兹曼统计分布：——各能级上的原子数密度（集居数密度）——能级和的简并度，或称统计权重激光原理

.第一章第33页，课件共37页，创作于2023年2月激光原理

.第一章与Planck公式比较第34页，课件共37页，创作于2023年2月结论：1.

其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。2.

热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。四、受激辐射的相干性自发辐射：相互独立、互不相关。受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的外来光子具有相同的特征（频率、相位、振动方向及传播方向均相同）。受激辐射光子与入射光子属同一光子态。激光原理

.第一章3.

自发辐射的出现随而增大，故波长越短，自发辐射几率越大。不相干相干光第35页，课件共37页，创作于2023年2月总结光波模式、光子状态、相格、相干体积概念及相互关系光子简并度概念自