激光原理及应用第一章

激光原理与应用目录第一章、激光技术发展史 (5)1.1 激光技术发展的几个重要事件与时间点 (5)1.2 中国激光技术的起步与世界同步 (6)1.3 激光技术的发展 (7)第二章、激光原理 (8)2.1 什么是激光 (8)2.2 激光的特点 (8)2.3 产生激光的基本条件 (10)2.3.1 合适的工作物质 (10)2.3.1.1 具有亚稳态能级的工作物质 (10)2.3.1.2 形成粒子数反转 (11)2.3.2 外界泵浦 (12)2.3.3 激光谐振腔 (12)2.3.3.1 激光谐振腔定义 (13)2.3.3.2 激光谐振腔作用 (13)2.3.3.3 光腔的构成和分类 (14)第三章、激光器的种类 (15)3.1 第一种方法是从激光工作物质的状态来分类 (15)3.2 第二种方法是按激光工作物质的粒子结构来分 (15)3.3 第三种方法是按激光波长分 (15)3.3.1光的波长 (16)3.3.2 这种分类中的激光器 (17)第四章、轴快流CO2激光器 (18)4.1 轴快流CO2激光器名称来源 (18)4.2 轴快流CO2激光器中的主要工作物质 (18)4.3 轴快流CO2激光器的工作原理 (19)4.4 轴快流CO2激光器的激发过程 (19)4.5 轴快流CO2激光器的结构 (20)4.5.1激光器谐振腔 (21)4.5.2 激光风机与气流方式以及工作气压 (21)4.5.3 高压电源 (22)4.5.4 水冷系统 (23)4.5.5 真空（抽气）系统 (23)4.5.6 控制系统 (23)第五章、激光加工技术及其应用简介 (24)5.1 激光切割 (24)5.2 激光焊接 (25)5.3 激光热处理和表面处理 (26)5.3.1 激光相变硬化 (26)5.3.2 激光表面熔覆与合金化技术 (26)5.3.3 激光毛化 (27)5.3.4 激光冲击硬化 (29)5.3.5 激光强化电镀 (29)5.3.6 激光上釉 (29)5.4 激光快速成形技术 (30)5.5 激光打孔 (31)5.6 激光打标技术、激光雕刻（蚀刻）技术 (31)5.6.1 与传统加工方法的对比的优势 (32)5.6.2 基本原理 (32)5.6.3 激光内雕机（立体打标） (34)5.7 激光电阻微调技术 (36)5.8 激光存储技术 (36)5.9 激光划线技术 (36)5.10 激光清洗技术 (37)5.11 激光推进 (38)第六章、激光切割原理 (39)6.1激光切割原理 (39)6.2 激光切割工艺的分类 (40)6.2.1. 汽化切割 (40)6.2.3. 氧化熔化切割 (41)6.2.4. 控制断裂切割 (41)6.3 激光切割的工艺参数及其影响 (42)6.3.1 激光功率 (42)6.3.2 切割速度 (42)6.3.3 辅助气体的种类与压力 (43)6.3.3.1 辅助气体的种类 (43)6.3.3.2 辅助气体的压力的影响 (44)6.3.4 激光的入射角 (44)6.3.5透镜的焦距 (45)6.3.6 激光的焦点在工件中的位置 (45)6.3.6.1确定焦点位置的方法 (45)6.3.6.2 焦点的大小与焦深 (45)6.3.7 激光光束质量 (46)6.3.7.1 光束模式 (46)6.3.7.2 光的偏振态及对切割的影响 (48)6.3.7.2.1 光的偏振 (48)6.3.7.2.2 光的偏振对切割质量的影响 (48)6.3.7.3 光束的发散角 (50)6.3.7.3.1 激光发散角对切割的影响 (50)6.4 激光切割工艺参数表 (53)6.5 特种激光厚板切割 (55)6.6 激光切割技术与传统切割加工工艺对比 (56)第七章、激光焊接原理 (58)7.1 激光焊接原理 (58)7.2 激光焊接工艺的分类： (59)7.2.1 激光传热焊 (60)7.2.2 高功率激光深穿透焊接 (60)7.3 激光焊接中的几种效应 (61)7.3.1 等离子体屏蔽效应： (61)7.3.1.1 等离子体及激光焊中等离子体的形成 (61)7.3.1.2 等离子体屏蔽效应： (62)7.3.2 壁聚焦效应 (62)7.3.3 净化效应 (62)7.4 激光焊接的工艺参数及其影响 (63)7.4.1 激光功率及功率密度 (63)7.4.3 保护气体 (63)7.4.3.1 作用一：保护熔池 (64)7.4.3.2 作用二：保护光学镜片 (64)7.4.3.3 作用三：驱散、控制光致等离子体 (64)7.4.4焦距和离焦量。

介质在小信号时的粒子数反转分布值——激光原理及应用第一章：激光概述1.1 激光的发现1.2 激光的特点1.3 激光的应用领域第二章：激光原理2.1 介质中的粒子数反转2.2 受激辐射与受激吸收2.3 激光产生条件第三章：介质在小信号时的粒子数反转分布值3.1 粒子数反转的基本概念3.2 小信号下的粒子数反转分布3.3 粒子数反转分布与激光输出的关系第四章：激光器的工作原理4.1 气体激光器4.2 固体激光器4.3 半导体激光器第五章：激光应用技术5.1 激光通信5.2 激光雷达5.3 激光加工本教案主要介绍了激光的基本概念、原理以及应用。

通过学习，使学生了解激光的发展历程，掌握激光的产生原理，了解介质在小信号时的粒子数反转分布值，熟悉各种类型的激光器及其应用领域。

在教学过程中，应注意理论与实践相结合，引导学生关注激光技术在现代科技领域的应用，提高学生的科技创新能力和实践能力。

注重培养学生的团队合作精神和动手能力，为我国激光产业的发展培养高素质的人才。

第六章：激光的物理性质与应用6.1 激光的单色性6.2 激光的方向性6.3 激光的高亮度6.4 激光的应用实例第七章：激光设备与系统7.1 激光发生器7.2 激光束整形与传输设备7.3 激光检测与控制系统7.4 激光安全与防护第八章：激光在材料加工中的应用8.1 激光切割8.2 激光焊接8.3 激光打标8.4 激光雕刻第九章：激光在生物医学中的应用9.1 激光手术9.2 激光治疗9.3 激光诊断9.4 激光生物传感第十章：激光技术的发展趋势与展望10.1 光纤激光技术10.2 量子激光技术10.3 激光芯片与半导体激光技术10.4 激光技术的未来发展趋势本教案通过前五章的学习，使学生对激光的基本原理和应用有了初步的了解。

第六章至第十章进一步深入探讨了激光的物理性质、应用设备、材料加工、生物医学应用以及激光技术的发展趋势。

通过这些章节的学习，学生可以全面掌握激光技术的基本知识和应用能力。

光的受激辐射——激光原理及应用第一章：激光概述1.1 激光的定义1.2 激光的特点1.3 激光的发展历程第二章：光的受激辐射2.1 受激辐射的概念2.2 激光的产生原理2.3 激光的放大原理第三章：激光器的工作原理3.1 激光器的类型3.2 气体激光器3.3 固体激光器3.4 半导体激光器第四章：激光的应用领域4.1 激光在工业中的应用4.2 激光在医疗领域的应用4.3 激光在科研领域的应用4.4 激光在信息技术领域的应用第五章：激光技术的发展趋势5.1 激光技术的创新点5.2 我国激光技术的发展现状5.3 激光技术的发展前景第六章：激光在通信技术中的应用6.1 激光通信的基本原理6.2 激光通信的优势与挑战6.3 光纤通信技术的发展6.4 卫星激光通信的应用前景第七章：激光在材料加工中的应用7.1 激光切割与焊接7.2 激光打标与雕刻7.3 激光烧蚀与表面处理7.4 激光加工技术的创新与发展第八章：激光在生物医学领域的应用8.1 激光手术与治疗8.2 激光诊断与成像8.3 激光生物传感器与检测技术8.4 激光在基因工程与药物研发中的应用第九章：激光在科研与探索中的应用9.1 激光光谱分析与计量9.2 激光加速与粒子物理研究9.3 激光在天文观测中的应用9.4 激光在地球与环境科学研究中的作用第十章：未来激光技术的发展趋势与挑战10.1 激光技术在新能源领域的应用前景10.2 激光技术在智能制造中的应用与挑战10.3 激光技术在国防科技中的应用与发展10.4 激光技术在太空探索与星际通信中的潜在价值重点和难点解析1. 激光的定义与特点：理解激光的特定波长、相干性、平行性、亮度等特点，以及激光与普通光线的区别。

2. 激光的产生原理：掌握激光产生的基本过程，包括受激辐射、增益介质、光学谐振腔的作用。

3. 激光器的工作原理：了解不同类型激光器（气体、固体、半导体）的结构和工作机制，特别是半导体激光器的广泛应用。

2023激光原理及应用（陈家璧著）课后习题答案下载激光原理及应用（陈家璧著）课后答案下载绪论一、激光的发展简史二、激光的特点三、本课程的学习方法第1章光和物质的近共振相互作用1.1 电磁波的吸收和发射1.2 电磁场吸收和发射的唯象理论1.3 光谱线加宽1.4 激光器中常见的谱线加宽1.5 光和物质相互作用的近代理论简介思考和练习题第2章速率方程理论2.1 典型激光器的工作能级2.2 三能级系统单模速率方程组2.3 四能级系统单模速率方程组2.4 小信号光的介质增益2.5 均匀加宽介质的增益饱和2.6 非均匀加宽介质的增益饱和2.7 超辐射激光器思考和练习题第3章连续激光器的工作特性3.1 均匀加宽介质激光器速率方程3.2 激光振荡阈值3.3 均匀加宽介质激光器中的'模竞争3.4 非均匀加宽介质激光器的多纵模振荡 3.5 激光器输出特性思考和练习题第4章光学谐振腔理论4.1 光学谐振腔的研究方法4.2 光学谐振腔的基本知识4.3 光学谐振腔的矩阵光学理论4.4 光学谐振腔的衍射积分理论4.5 平行平面腔的自再现模4.6 对称共焦腔的自再现模思考和练习题第5章高斯光束5.1 高斯光束的基本特点5.2 高斯光束的传输5.3 高斯光束的特性改善思考和练习题第6章典型激光器6.1 概述6.2 气体激光器6.3 固体激光器6.4 染料激光器6.5 半导体激光器6.6 其他激光器思考和练习题第7章激光的应用7.1 激光在基础科学研究中的应用 7.2 激光在通信及信息处理中的应用 7.3 激光在军事技术中的应用7.4 激光在生物及医学中的应用7.5 激光在材料加工中的应用7.6 激光在测量技术(计量学)中的应用7.7 激光在能源、环境中的应用7.8 激光在土木、建筑中的应用思考和练习题附录A.常用物理常数表B.常见激光器的典型技术参数C.常用电光晶体的典型技术参数D.常用光学非线性晶体的典型技术参数E.常用激光晶体的典型技术参数F.常见光功率计型号和厂家G.典型激光波长使用的光学零件及其材料性能参数H.常见光路和光学元件的传播矩阵参考文献激光原理及应用（陈家璧著）：内容简介点击此处下载激光原理及应用（陈家璧著）课后答案激光原理及应用（陈家璧著）：目录主要介绍了激光发展简史及激光的特性，激光产生的基本原理，光学谐振腔与激光模式，高斯光束，激光工作物质的增益特性，激光器的工作特性，激光特性的控制与改善，典型激光器，半导体激光器，光通信系统中的激光器和放大器，激光全息技术，激光与物质的相互作用，以及激光在其他领域的应用等内容。

激光热加工原理激光原理及应用第一章：激光概述1.1 激光的概念激光的定义激光的特点1.2 激光的产生原理激光的工作原理激光的产生过程1.3 激光的性质激光的单色性激光的方向性激光的相干性第二章：激光热加工原理2.1 激光加热原理激光加热的过程激光加热的机制2.2 激光热加工的特点高能量密度局部加热快速加工2.3 激光热加工的应用范围材料加工生物医学能源领域第三章：激光切割与焊接3.1 激光切割原理及设备激光切割的原理激光切割设备的组成3.2 激光切割的应用金属材料切割非金属材料切割3.3 激光焊接原理及设备激光焊接的原理激光焊接设备的组成3.4 激光焊接的应用金属材料焊接微电子器件焊接第四章：激光表面处理4.1 激光熔覆原理及工艺激光熔覆的原理激光熔覆的工艺参数4.2 激光熔覆的应用改善材料性能修复磨损零件4.3 激光打标原理及工艺激光打标的原理激光打标的工艺参数4.4 激光打标的应用产品标识防伪技术第五章：激光加工技术的未来发展5.1 激光加工技术的发展趋势激光器技术的进步激光加工技术的创新应用5.2 激光加工技术在制造业的应用自动化生产智能制造5.3 激光加工技术在科研领域的应用生物医学研究新材料研究第六章：激光热加工技术在材料加工领域的应用6.1 金属材料加工激光切割、焊接、打标、雕刻在金属加工中的应用激光熔覆技术在改善金属表面性能中的应用6.2 非金属材料加工激光切割、打标在塑料、玻璃、陶瓷等非金属材料中的应用激光雕刻在木材、皮革等材料加工中的应用6.3 复合材料加工激光加工技术在复合材料切割、焊接、打标等中的应用激光加工技术在复合材料结构件制造中的应用第七章：激光热加工技术在生物医学领域的应用7.1 激光切割、焊接在生物医学中的应用激光加工技术在生物医学器械制造中的应用激光加工技术在组织切割、焊接中的应用7.2 激光打标、雕刻在生物医学中的应用激光打标技术在生物医学器械标识中的应用激光雕刻技术在生物医学模型制造中的应用7.3 激光热加工技术在生物组织工程中的应用激光熔覆技术在生物支架制造中的应用激光加工技术在生物医用材料表面改性中的应用第八章：激光热加工技术在能源领域的应用8.1 激光切割、焊接在能源领域的应用激光加工技术在太阳能电池板制造中的应用激光加工技术在燃料电池制造中的应用8.2 激光打标、雕刻在能源领域的应用激光打标技术在能源设备标识中的应用激光雕刻技术在能源器件制造中的应用8.3 激光热加工技术在新型能源材料加工中的应用激光熔覆技术在制备新型能源材料中的应用激光加工技术在能源材料表面改性中的应用第九章：激光热加工技术的环境保护与安全9.1 激光加工技术对环境的影响激光加工技术的环境友好性激光加工技术的环保措施9.2 激光加工技术的安全问题激光加工过程中的安全防护激光加工设备的安全操作9.3 激光加工技术的环保与安全监管激光加工技术的环保法规与标准激光加工技术的安全管理制度第十章：激光热加工技术的创新与发展趋势10.1 激光加工技术的创新新型激光器的研究与应用激光加工技术的集成与自动化10.2 激光加工技术的发展趋势激光加工技术在更多领域的应用激光加工技术与其他制造技术的融合发展10.3 激光加工技术的产业化与商业化激光加工技术的产业化进程激光加工技术的商业化前景重点和难点解析重点环节1：激光的产生原理及过程激光的产生原理涉及到光学、物理学等多个领域的知识，对于理解激光热加工原理至关重要。

激光原理及应用第1章 辐射理论概要与激光产生的条件1.光波：光波是一种电磁波，即变化的电场和变化的磁场相互激发，形成变化的电磁场在空间的传播.光波既是电矢量→E 的振动和传播,同时又是磁矢量→B 的振动和传播。

在均匀介质中，电矢量→E 的振动方向与磁矢量→B 的振动方向互相垂直，且→E 、→B 均垂直于光的传播方向→k 。

(填空）2.玻尔兹曼分布:e g n g n kT n n m mE E n m )(--=（计算） 3.光和物质的作用：原子、分子或离子辐射光和吸收光的过程是与原子的能级之间的跃迁联系在一起的。

物质（原子、分子等)的相互作用有三种不同的过程，即自发辐射、受激辐射及受激吸收。

对一个包含大量原子的系统，这三种过程总是同时存在并紧密联系的.在不同情况下，各个过程所占比例不同，普通光源中自发辐射起主要作用，激光器工作过程中受激辐射起主要作用.（填空）自发辐射：自发辐射的平均寿命A 211=τ（A 21指单位时间内发生自发辐射的粒子数密度，占处于E 2能级总粒子数密度的百分比）4.自发辐射、受激吸收和受激吸收之间的关系在光和大量原子系统的相互作用中,自发辐射、受激辐射和受激吸收三种过程是同时发生的，他们之间密切相关。

在单色能量密度为ρV 的光照射下,dt 时间内在光和原子相互作用达到动平衡的条件下有下述关系：dt dt dt v v n B n B n A ρρ112221221=+ （自发辐射光子数） （受激辐射光子数) （受激吸收光子数）即单位体积中，在dt 时间内，由高能级E2通过自发辐射和受激辐射而跃迁到低能级E1的原子数应等于低能级E1吸收光子而跃迁到高能级E2的原子数。

（简答） 5.光谱线增宽:光谱的线型和宽度与光的时间相干性直接相关，对许多激光器的输出特性（如激光的增益、模式、功率等）都有影响，所以光谱线的线型和宽度在激光的实际应用中是很重要的问题。

（填空)光谱线增宽的分类：自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽自然增宽：自然增宽的线型函数的值降至其最大值的1/2时所对应的两个频率之差称作原子谱线的半值宽度,也叫作自然增宽.碰撞增宽：是由于发光原子间的相互作用造成的。

第一章1、自发辐射：在没有外界影响时，它们会自发的从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为hu的光子，这种与外界影响无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。

2、受激辐射：如果原子系统的两个能级E2和E1满足辐射跃迁选择定则，当受到外来能量hu=E2-E1的光照射时，处在E2能级的原子有可能受到外来光的激励作用而跃迁到较低的能级E1上去，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。

3、自发辐射和受激辐射的区别：①自发辐射是非相干光，受激辐射是相干光。

②自发辐射跃迁几率就是自发辐射本身，而受激辐射的跃迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色辐射能量密度的乘积。

③当受激辐射系数B21一定时，外来光的单色辐射能量密度越大，受激辐射几率越高。

4、受激吸收：处于低能级E1的原子受到一个外来光子的激励作用，完全吸收该光子的能量而跃迁到高能级E2的过程，叫作受激吸收。

5、自发辐射、受激辐射、受激吸收之间的关系：在光和大量原子系统的相互作用中，三者之间三种过程是同时发生的。

A21n2dt+B21n2ρvdt=B12n1ρvdt（自发辐射光子数+受激辐射光子数=受激吸收光子数）6、自然增宽:在不受外界影响时，处于激发态的粒子会自发的向低能态跃迁。

也就是说，在自发辐射发光过程中，能量不断衰减，电偶极子的正负中心不再做简谐振动，从而导致光谱线有一定的宽度，叫做自然增宽。

(洛伦兹线型函数)7、均匀增宽介质和非均匀增宽介质的区别:均匀增宽：(1)自然加宽（普遍存在，但在固体工作物质中可忽略）—源于不确定性原理(2)碰撞加宽（存在于气体工作物质中）—源于气体分子碰撞导致的上能级粒子寿命变化(3)晶格振动加宽（存在于固体工作物质中）—源于固体中激光工作粒子在晶格附近的热振动。

非均匀增宽：(1)多普勒加宽（存在于气体工作物质中）——源于工作物质不断地运动而产生的多普勒频移(2)晶格缺陷加宽（存在于固体工作物质中）——源于固体加工时内部产生的晶格缺陷导致工作粒子所处状态不完全相同8、光谱线宽度:通常定义Δv=v2-v1,即相对光强为最大值的1/2处的频率间隔叫做光谱线的半(值)宽度，简称光谱线宽度。