各种典型激光器原理共97页

q c 2 L
1, 2 , 3.....
g 0 gth
ppt课件
gth
a
1 2l
0
t0
t
ppt课件
2
E3
S32 E2 w13 A31 S31
W13(t) w13
A21 S21 w21 w12
0
t0
t
E1
S31 S32 S21 A21
A31 S32
n1 n2 n3 n
从泵浦→阈值附近(尚未形成自激 振荡),可忽略受激辐射跃迁过程
dn3
dt
n1W13
n3
S 32

A31
S32 W13, n3 0
n1W13 n3
S32 A31
n3S32
1
dn2 dt
n2

f2 f1
n1 21 , 0 vNl
n2 S21

A21 n3S32
泵浦效率 1 S32 S32 A31
荧光效率 2 A21 A21 S21
ppt课件
3
dn2
dt
n1W131 n2 A21
2
n n2
W131 n2 A21
2
可解得 当 0 t t0 时,
讨论:
n2
t

1W13n
1

e
A21
2
1W13
t

Nl
Al

Nl Al
N 'l
t Rl
A(L
l)
光子寿命：
t Rl

l

吸收跃迁： 低 吸收能量 高 辐射跃迁： 高 辐射能量 低
（自发辐射）
h E1 E2
3. 受激辐射：
激光原理 . 第一章
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
E2
h
E1
发光前
发光后
h E2 E1
激光原理 . 第一章
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。
A 自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）： 21
1
A21 S
原子在能级 E2 的平均寿命
只与原子本身性质有关，与辐射场无关
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
热平衡状态：
激光原理 . 第一章
黑体吸收的辐射能量 黑体发出的辐射能量
单色能量密度
：
dE
dVd
Planck辐射能量量子化假说：
激光原理 . 第一章
A21 B21
8 h 3
c3
n h
B12 f1 B21 f2
f1 f2
B12 B21 W12 W21
A21
8 h
c3
3
B21
结论：
激光原理 . 第一章
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。

第一节 概述
4)．半导体激光器
半导体激光器也称为半导体激光二极管,或简称激光二极管 (LaserDiode,缩写LD)。由于半导体材料本身物质结构的特 异性以及半导体材料中电子运动规律的特殊性,使半导体激 光器的工作特性有其特殊性。
半导体激光器以半导体材料为工作物质。常用的半导体材料 主要有三类:(1)ⅢA —Ⅴ A 族化合物半导体,如砷化镓 (GaAs)、磷化铟(InP)等。(2)Ⅱ B —ⅥA族化合物半导体, 如硫化镉(CdS)等。(3)ⅣA—ⅥA族化合物半导体,如碲锡铅 (PbSnTe)等。 根据生成pn结所用材料和结构的不同,半导体激光器有同质 结、异质结(单、双)、量子阱等多种类型。 半导体激光器采用注入电流方式泵浦。
第二节 气体激光器

G点所对应的电压叫做弧光着火电压。

过G点后,放电管管压降再次迅速下降,放电电流快速增大,放电管中发 出耀眼的弧光,称之为弧光放电。
弧光放电的GH段呈现出负阻特性,放电不稳定。 HK段为稳定弧光放电阶段,放电电流一般大于10-1A。


辉光放电 高电压、小电流(几毫安至几十毫安)放电,是一种 稳定的自持放电。 He-Ne激光器与CO2 激光器都是工作在辉光放电区域。



第一节 概述
5)．化学激光器 化学激光器是通过化学反应实现粒子数反转从而产生受激光 辐射的。工作物质可以是气体或液体,但目前主要是气体,如 氟化氢(HF)、氟化氚(DF)、氧碘(COIL)等。
化学激光器采用化学能激励。为促成工作物质的化学反应,一 般需采用一些引发措施,如光引发、电引发、化学引发等。
第一节 概述

激励方式 气体激光器一般采用气体放电激励,还可以采用电子束激励、 热激励、化学反应激励等方式。

激光治疗
通过激光照射病变组织，达到治 疗目的，如激光治疗近视、祛斑
等。
激光手术
利用激光进行微创手术，具有出 血少、恢复快、精度高等优点， 如激光心脏手术、激光眼科手术
等。
激光诊断
利用激光光谱技术对人体组织进 行检测和分析，为疾病诊断提供
依据。
军事国防领域应用
激光雷达
利用激光雷达进行目标探测、识别和跟踪，具有高分辨率、抗干 扰能力强等特点。
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。
新型激光技术
研究新型激光技术，如光纤激光器、化学激光器等，拓展激光器的 应用领域。
高功率、高效率、高稳定性挑战
高功率激光器
提高激光器的输出功率，满足高能激光武器、激光聚变等领域的 需求。
高效率激光器
优化激光器的能量转换效率，降低能耗，提高激光器的实用性。
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。
特点
结构紧凑、效率高、光束 质量好。
应用领域
工业加工、医疗、科研等。
气体激光器
工作原理
利用气体放电激励气体分子或原子， 使其产生能级跃迁并辐射出激光。
特点
应用领域
激光切割、焊接、打孔等工业应用。
输出功率大、光束质量好、效率高。
激光原理及应用PPT课 件
contents
目录
• 激光原理基本概念 • 激光技术发展历程及现状 • 激光器类型及其特点分析 • 激光在各领域应用案例分析 • 激光安全问题及防护措施探讨 • 未来发展趋势预测与挑战分析
激光原理基本概念

• 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。

原子是由位于原子中心的原子核和一些微 小的电子组成的;电子在一些特定的可能轨道 上绕核作圆周运动;离核愈远能量愈高；当电 子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不 吸收能量;只有当电子从一个轨道跃迁到另一 个轨道时原子才发射或吸收能量;而且发射或 吸收的辐射是单频的;辐射的频率和能量之间 关系由E=hν给出; 为了描述原子中电子的运动 规律;所以提出了能记得概念; 原子各个定态对 应的能量是不连续的;这些能量值叫做能级
➢它Y属A于G中四N能d级3＋系与统激;光产生有关的能级结构如图所示;Nd3＋:YAG 的能级结构
Nd离子浓度： 结晶方向: 端面平面度： 端面平行度： 端面与轴线垂直度： 应用范围：
光学质量:
尺寸公差：
增透膜剩余反射率： 激光特性:
0 11 5at%
<111> ± 5° or <100> ± 5°
5 泵浦灯和工作物质之间 插入滤光器件滤去泵浦光 中的紫外光谱;
椭圆柱聚光腔
5 调Q开关 最简单的q开关就是一个马达连着一个镜子;没对准的时候没有来回往复的光;
可以让高能态粒子的数量慢慢的聚集增多;在对准的瞬间释放;达到很窄而功率 很大的脉冲;
工业上用的比较多的有电光调Q 声光调Q等方式做的q开关;用在进一步压缩 脉冲激光的脉冲或者使连续半导体泵浦的激光晶体输出峰值功率很高的脉冲激 光;方便打标 切割;
激光器各系统的一些基本概念
1 阈值 激光器的阈值与工作物质的种类 谐振腔的损耗系数 泵灯与 YAG 棒之间的匹配等因 素有关; 激光器的阈值受工作物质的种类影响很大 ; YAG 激光器的工作物质 Nd3 +: YAG是四能级系统;阈值较低;
2. 横模与纵摸 横摸描述的是激光光斑上的能量分布情况;横模可以从激光束横截面上的光强分布 看出来; 如图;高斯光束的截面光强分布曲线;中心高;辐向减小;满足高斯分布; 纵模是与激光腔长度相关的;所以叫做纵模;是描述激光频率的; 理论上激光腔内 可以产生无数个等间距频率的光;但由于增益介质只对特定频率谐振频率的光产 生最大增益;其他频率的光被抑制掉;即在谐振时会筛选出符合谐振频率的谐振激 光;这种现象叫做模式竞争; 所以;激光器一般仅输出一个特定频率的激光;

• 钛蓝宝石（钛宝石，Ti3＋：AL2O3） • Nd:YAG泵浦的Co2+:MgF2激光器。
敏化剂
• 在晶体中除了发光中心的激活离子外，再掺入一种或多种 施主离子，主要作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量， 并将吸收到的能量转移给激活离子。
• 双掺或多掺杂晶体生长困难，工艺复杂。
精选PPT课件
27
1、红宝石的基本特性
精选PPT课件
10
氦-镉激光器
以镉金属蒸气为发光物质，主要有两条连续 谱线，即波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝 光，典型输出功率分别为1～25mW和1～100mW。主 要应用领域包括活字印刷、血细胞计数、集成电 路芯片检验及激光诱导荧光实验等。
俄罗斯PLASMA公司的氦 镉激光器
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由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的 激光器。
特点：体积最小、重量最轻，使用寿命长，有 效使用时间超过10万小时。
输出波长范围：紫外、可见、红外 输出功率：mW、W、kW。
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14
DFB半导体激光器示意图
DBR半导体激光器示意图
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15
垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）
量子级联激光器(quantum cascade lasers, QCLs)
基于电子在半导体量 子阱中导带子带间跃 迁和声子辅助共振隧 穿原理的新型单极半 导体器件。
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16
光纤耦合（尾纤型-pigtail package）半导体激 光器件
ProLite型光纤耦合单发射激光器
精选PPT课件
谱线已达数千种 (160nm~4mm)
工作方式：连续运转（大多数）
多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。

♦ Ne原子可以产生多条激光谱线, 图中标明了最强的三条:
0．6328μｍ 1．15 μm 3．39 μｍ
它们都是从亚稳态到非亚稳态、 非基态 之间发生的，因此较易实现粒子数反转。
§4 增益系数
激光器内受激辐射光 来回传播时，并存着
增益 损耗
增益——光的放大；
损耗——光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。
§6 激光的特性及其应用
★方向性极好的强光束 --------准直、测距、切削、武器等。
★相干性极好的光束 --------精密测厚、测角，全息摄影等。
例１．激光光纤通讯
由于光波的频率 比电波的频率高 好几个数量级，
一根极细的光纤 能承载的信息量， 相当于图片中这 麽粗的电缆所能 承载的信息量。
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
N2
− E2 − E1
= e kT
<1
N1
数量级估计：
T ～103 K；
kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
E 2-E 1～1eV;
N2
− E2 − E1
= e kT
−1
= e 0.086
≈ 10−5
<< 1
N1
但要产生激光必须使原子激发;且 N2 > N1, 称粒子数反转(population粒子数反转 一. 为何要粒子数反转 (population inversion)
从E2 E1 自发辐射的光，可能引起 受激辐射过程，也可能引起吸收过程。
⎜⎛ ⎝
dN 21 dt
⎟⎞ ⎠受激
=
B21ρ (ν
,T
)N 2

Applications
Spectroscopy 光谱学 Fiber laser research 光纤激光器研究 Telecommunications research 远程通信研究 Semiconductor studies 半导体研究
典型激光器
2. 气体激光器
工作物质:各种混合气体，光学均匀性好。 气体激光器在单色性、光束稳定性方面比固体、半 导体、液体激光器优越。 谱线已达数千种 (160nm~4mm) 工作方式：连续运转（大多数）
激光器的原理
激励(泵浦)系统 是指为使激光工作物质实现并维持粒子 数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激 光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装 置，常见的有以下四种。①光学激励(光泵)。是利用外界 光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个 激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚 光器组成。②气体放电激励。是利用在气体工作物质内发 生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通 常由放电电极和放电电源组成。③化学激励。是利用在工 作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通 常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。④核能激 励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子 或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。
泵浦功率>阈值10~20%→单模
典型激光器
（3）掺钕钇铝石榴石（ Nd :YAG）
工作物质：YAG晶体内掺进稀土元素钕 输出波长： = 1064nm、914nm、1319nm 工作方式：连续、高重复率脉冲 因可掺进较高浓度的钕，故工作物质单位体积能提供较高 的激光功率，激光器也可作的比较小，若半导体激光器作泵浦 源的器件体积更小。
典型激光器

04
激光与物质相互作用
激光与物质相互作用的基本过程
激光束在物质中的传播
包括反射、折射、吸收和散射等现象。
激光与物质相互作用的机理
包括光热作用、光电效应、光化学效应等。
激光与物质相互作用的特点
如高能量密度、高亮度、高方向性等。
激光加工原理及应用
1 2
激光加工的基本原理
通过高能激光束对材料进行加热、熔化、汽化或 达到其他物理或化学变化，以实现加工目的。
应用领域
适用于气体、液体和固体等多种介质的流速测量，如风速测量、 血流速度测量等。
激光光谱分析技术
光谱原理
不同物质具有不同的光谱特征，通过测量物质的光谱信息可以分析 其成分和性质。
分析方法
包括激光拉曼光谱分析、激光荧光光谱分析等，可用于物质的定性、 定量分析。
应用领域
广泛应用于化学、生物、医学、环境等领域，如药物分析、环境监测 等。
液体激光器
染料激光器
使用有机染料作为增益介质，通过 泵浦光激发染料分子产生激光，具 有宽调谐范围和短脉冲输出能力。
液体激光核聚变
利用高功率激光束照射含有氘、氚 等聚变燃料的靶丸，实现核聚变反 应，是惯性约束聚变研究的重要手 段。
半导体激光器
边发射半导体激光器
电流注入半导体PN结，电子与空穴复 合释放能量形成激光输出，具有体积 小、效率高、寿命长等优点。
特性
方向性好，亮度高，单色 性好，相干性好。
应用领域
激光加工、激光测距、激 光雷达、激光通信、激光 治疗等。
02
激光器类型及技术
固体激光器
晶体激光器
使用掺杂稀土元素的晶体 作为增益介质，如Nd:YAG 激光器。

激光器的工作原理
.精品课件.
1
激光的基本原理及特性
激光产生的基本原理
（一）、激光的形成及产生的基本条件
1、粒子数反转分布
E
E2 E1
n3 n2
玻尔兹曼分布
n2
E2 E1
e KT
n1
n n1
E
E2 E1
n1 n2
反转分布
n3
单位时间内STE增加的光子数密度 单位时间内STA减少的光子数密度
.精品课件.
2
LL
g1 g 2
(1
)(1 R1
R2
)
因此,反射镜曲率半径的取值范围:
L2 R
最大曲率半径R1= R2
∞ 是平行平面腔;
1 .精品课件.
27
最小曲率半径R1= R2
2 是共心腔
二.给定稳定腔的一块反射镜，要选配另一块反射镜的曲 率半径，其取值范围如何确定?
例如: R1 = 2L 则 g1 =0.5
R1R2
即
g1g2＜1
0＜ g1g2＜1
如果 R1=R2 ，则此双凹腔为对称双凹腔，上述的两种稳
定条件可以合并成一个，即： R1=R2=R＞L/2
.精品课件.
14
2.平凹稳定腔: 由一个凹面反射镜和一个平面反射镜组成的谐振腔称为平
凹腔。其稳定条件为：R＞L
R
L
证明：∵ R1＞L ,
g1
1
L
R1 ;
决定因素: 由两镜的反射率、几何形状及组合形式。 2. 控制光束特性: 包括纵模数目、横模、损耗、输出功
率等。
.精品课件.
7
二.光腔 —— 开放式共轴球面光学谐振腔的构成 1.构成:在激活介质两端设置两面反射镜(全反、部分反)。

对未来学习建议
深入学习激光原理相关知识
包括激光器设计、激光光束质量控 制、非线性光学等，为从事激光相 关领域工作打下坚实基础。
关注前沿动态
及时了解激光领域的最新研究进展 和前沿动态，把握发展趋势。
拓展跨学科知识
学习光学、电子学、材料学等相关 学科知识，拓宽视野，为深入研究 激光技术提供多维度支持。
实践与应用
通过实验操作、项目实践等方式， 将所学知识应用于实际问题的解决 中，提升实践能力和创新能力。
THANKS
感谢观看
液体染料激光器技术特点
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。
半导体材料发光机制及器件结构
半导体材料发光机制
半导体材料中的电子在导带和价带之间跃迁时，会释放出能量并以光子的形式发出。通过 控制半导体材料的能带结构和载流子浓度，可以实现不同波长的激光输出。
量子点激光器优势
宽频带可调谐、低阈值电流、高稳定性等
其他新型激光器简介
表面等离激元激光 器
利用表面等离激元效应实现光放大和激光
微腔激光器
利用微纳加工技术实现高品质因子微腔，实现低阈值激光
生物激光器
利用生物组织或细胞中的荧光物质实现激光输出，具有生 物相容性和可降解性等优点。
06
激光调制、检测与应用 技术
典型案例分析：激光雷达测距系统
工作原理
激光雷达测距系统通过发射激光 束并接收目标反射回来的光信号 ，根据光信号的时间差或相位差 计算出目标距离。