第一章 激光的基本原理及其特性

五、激光器的种类 种类分固体激光器、气体激光器、染料激光器。 固体激光器：以绝缘晶体或玻璃为工作物质。 少量的过渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃， 经光泵激励后产生受激辐射作用。主要有红宝石激 光器、钛宝石激光器、半导体激光器。 气体激光器：如He-Ne激光器、氩离子激光器、 CO2激光器、N2分子激光器等。 染料激光器：采用在适当的溶剂中溶入有机染 料作为激光器的工作物质。
3 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的 激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图 受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质 原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足 两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受 激辐射和受激吸收过程同时存在。当吸收过程占优 势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。
2、N2/ N1>1时，高能级E2上原子数大于低能级E1 上原子数，称粒子数反转分布，有dN21 > dN12，表 明光经介质传播的过程中受激辐射的光子数大于受 激吸收的光子数，宏观效果表现为光被放大，或称 光增益。能引起粒子数反转分布的介质称为激活介 质或增益介质。实现粒子数反转分布是产生激光的 必要条件。 设增益介质的增益系数为G，在此介质z处的光强 为I(z),经dz距离后光强改变dI，则dI=GIdz ，积分得 I ( z) I 0eGz I0为z=0处的光强
E2 E1 h
光发射的三种跃迁过程
1 自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低 能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图； 2 受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下， 处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时 发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图； 两种辐射过程特点的比较： 自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播 方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光； 受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向 均与外来的光波相同， 辐射的光波是相干光。

未来需要加强激光技术与其他领域的交叉融合，开拓新的应用领域，推动激光技术 的创新发展。
同时，需要加强激光技术的安全性和稳定性研究，确保其在应用过程中的安全可靠 。
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研发更高功率的激光器， 以满足工业、医疗和科研 等领域对高能量激光的需 求。
新型激光材料
探索新型激光材料，如有 机激光晶体、光子晶体等 ，以提高激光器的性能和 稳定性。
微型激光器
研究微型化、集成化的激 光器，用于微纳加工、光 通信和生物医疗等领域。
激光技术的改进与创新
新型调制技术
研究新型的激光调制技术，以提 高激光的传输效率和稳定性。
03
激光的应用
工业制造
激光切割
利用高能激光束对材料 进行精确切割，具有高 精度、高效率的特点。
激光焊接
通过激光束将材料熔化 并连接在一起，广泛应 用于金属制品的焊接。
激光打标
在各种材料表面进行永 久性标记，广泛应用于
产品标识和防伪。
激光清洗
利用激光能量去除物体 表面的污垢、油渍等， 具有环保、高效的优点
高亮度
总结词
激光的亮度极高，远超过普通光源。
详细描述
由于激光的单色性和方向性，使得激光在单位面积上能够产生更高的亮度。这种高亮度特性使得激光 在科学研究、工业加工等领域具有广泛的应用，例如激光切割、激光焊接等。
相干性
总结词
激光的相干性极高，光波列整齐有序 。
详细描述
由于激光的频率单一、相位一致，因 此激光具有极高的相干性。这种特性 使得激光在干涉测量、全息成像等领 域具有广泛的应用。
光的干涉
光的干涉是指两束或多束光波在空间相遇时，由于光波的振 动相位关系而产生的加强或减弱的现象。在激光产生过程中 ，干涉作用使得光波能量在空间中形成有规律的分布，从而 形成稳定的干涉图案。

第一章 激光的特性：1.方向性好，最小发散角约等于衍射极限角2.单色性好3.亮度高4.相干性好 波尔兹曼定律：根据统计规律，大量粒子组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：kT E i i i eg -∞n 推论：假设gi=gj1.当E2-E1很小，且12-E E E =∆<< kT 时，112n =n ， 2.当E2>E1时，n2<n1. 说明高能粒子数密度总是较小3.当E1为基态，E2距离很远时，即E2>E1,012n =n ,说明绝大多数粒子为基态 普朗克公式：11h 8hv 33v -=kT e c v πρ 爱因斯坦关系：自发辐射，受激辐射，受激吸收之间的关系332121hv 8cB A π= 212121g B g B = 光子简并度g ：处于同一光子态的光子数。

含义：同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数自发辐射：处于高能级Ｅ２的一个原子自发的向Ｅ１跃迁，并产生一个能量为ｈｖ的光子 特点：1各粒子自发，独立的发射光子；2非相干光源光功率密度：212)()t (q A t hvn =自受及辐射：处于高能级Ｅ２的一个原子在频率为ｖ的辐射场作用下，向Ｅ１跃迁，并产生一个能量为ｈｖ的光子特点：1只有外来光频率满足12hv E E -=；2 受激辐射所发射的光子与外来光特征完全相同，相干光源【频率，相位，偏振方向，传播方向】，光场中相同光子数量增加，光强增加，入射光被放大，即光放大过程光功率密度：v B t hvn t ρ212)()(q =激光功率密度比：v v hv ρπλρπh88c q q 333==自激 增益系数：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数增益饱和：在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱时，增益系数是一个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随光强的增大而减小。

谱线宽度：线型函数在ν0时有最大值，下降至最大值的一半，对应得宽度。

激光清洗
利用激光的强光束和冲击波去除物体 表面的污垢、油渍等，具有高效、环 保、无损伤等特点。
医疗美容
激光祛斑
利用激光的高能量将皮肤表面的色素 斑点去除，具有祛斑速度快、效果显
著、不留疤痕等特点。
激光脱毛
利用激光的高能量破坏毛囊的生长能 力，从而达到脱毛的效果，具有脱毛 效果好、速度快、安全可靠等特点。
高功率激光在工业、军事、医疗等领域有广泛应 用，如激光切割、激光雷达、激光武器等。
03 技术挑战
高功率激光器的稳定性和可靠性是技术挑战，需 要解决散热、光束质量等问题。
超快激光
01
02
03
超快激光的定义
超快激光是指脉冲宽度小 于某一阈值的激光器，通 常以皮秒或飞秒为单位。
应用领域
超快激光在科学研究ห้องสมุดไป่ตู้工 业制造、医疗等领域有广 泛应用，如光谱分析、微 纳加工、眼科手术等。
单色性好
总结词
激光具有极佳的单色性，其波长范围狭窄，光谱宽度极小。
详细描述
由于激光的频率高度单一，其光谱宽度非常狭窄，这意味着激光的光波波长范围非常稳定。这 种特性使得激光在光谱分析、精密测量等领域具有独特的优势。
亮度高
总结词
激光具有极高的亮度，其能量高度集中，亮度远高于普通光源。
详细描述
激光的亮度取决于其功率和光束面积的比值。由于激光的功率高且光束面积小 ，因此其亮度极高。这种特性使得激光在切割、焊接、打标等领域具有显著的 优势。
技术挑战
超快激光器的稳定性和重 复频率是技术挑战，需要 解决脉冲能量波动、脉冲 时间不稳定等问题。
光子晶体激光器
光子晶体激光器的定义
技术挑战
光子晶体激光器是一种基于光子晶体 原理的激光器，光子晶体是一种具有 周期性折射率变化的介质。