激光原理最新課件

1、激光原理PPT課件 (2)激光原理PPT課件 (2)第一章：第一章：概述激光器基本原理概述激光器基本原理第二章：第二章：開(kāi)放式光諧振腔理論開(kāi)放式光諧振腔理論 與高斯光束與高斯光束第四章：第四章：闡明光和物質(zhì)相互作用的基本物理過(guò)程闡明光和物質(zhì)相互作用的基本物理過(guò)程第五章、第六章：第五章、第六章：激光振蕩和放大理論激光振蕩和放大理論第七章：第七章：介紹控制和改善激光器特性的基本技術(shù)介紹控制和改善激光器特性的基本技術(shù)第九章：第九章：介紹典型激光器的工作原理及特性介紹典型激光器的工作原理及特性對(duì)激光技術(shù)中的物理問(wèn)題有較系統(tǒng)全面的認(rèn)識(shí)；對(duì)激光技術(shù)中的物理問(wèn)題有較系統(tǒng)全面的認(rèn)識(shí)；內(nèi)內(nèi) 容容 概概 要要激光

2、原理激光原理目標(biāo)目標(biāo)建立正確的基本概念；建立正確的基本概念；掌握一定的有關(guān)激光器技術(shù)方面的知識(shí)。掌握一定的有關(guān)激光器技術(shù)方面的知識(shí)。激光原理PPT課件 (2)緒緒 論論一、激光的特性一、激光的特性1. 方向性好方向性好激光原理激光原理 . 緒論緒論激光原理PPT課件 (2)2. 單色性好單色性好激光原理激光原理 . 緒論緒論激光原理PPT課件 (2)3. 能量集中能量集中4. 相干性好相干性好激光原理激光原理 . 緒論緒論空間高度集中：空間高度集中：亮度比太陽(yáng)表面高亮度比太陽(yáng)表面高 倍。倍。時(shí)間高度集中：時(shí)間高度集中：功率峰值為功率峰值為 瓦。瓦。 10101210激光原理PPT課件 (2)二

3、、激光的應(yīng)用二、激光的應(yīng)用1. 工業(yè)應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用精密測(cè)量精密測(cè)量(距離、位移距離、位移)激光加工激光加工(切割、焊接、打孔、雕刻切割、焊接、打孔、雕刻)光譜分析光譜分析2. 醫(yī)學(xué)應(yīng)用醫(yī)學(xué)應(yīng)用眼科眼科普通外科普通外科牙科牙科皮膚科皮膚科激光原理激光原理 . 緒論緒論激光原理PPT課件 (2)3. 軍事應(yīng)用軍事應(yīng)用激光制導(dǎo)激光制導(dǎo)激光測(cè)距激光測(cè)距激光偵察激光偵察大氣激光通信大氣激光通信激光原理激光原理 . 緒論緒論激光原理PPT課件 (2)激光武器激光武器激光原理激光原理 . 緒論緒論激光原理PPT課件 (2)4. 日常應(yīng)用日常應(yīng)用激光打印機(jī)激光打印機(jī)電腦光驅(qū)電腦光驅(qū)CD/VCD條形碼掃描器條形碼

4、掃描器激光防偽激光防偽激光霓虹燈激光霓虹燈激光原理激光原理 . 緒論緒論激光原理PPT課件 (2)激光原理激光原理 . 緒論緒論激光原理PPT課件 (2)5. 通信領(lǐng)域的應(yīng)用通信領(lǐng)域的應(yīng)用（1）空間激光通信）空間激光通信激光原理激光原理 . 緒論緒論激光原理PPT課件 (2)（2）光纖通信）光纖通信激光原理激光原理 . 緒論緒論光纖的優(yōu)越性：光纖的優(yōu)越性： 寬帶寬帶 不受電磁干擾不受電磁干擾 重量輕重量輕 低損耗低損耗光纖通信用光源：光纖通信用光源： 短距離通信用短距離通信用0.85um0.85um；長(zhǎng)距離通信用長(zhǎng)距離通信用1.31um1.31um，1.55um 1.55um 光纖放大器：光纖

5、放大器： 1.55um1.55um波段的摻鉺光纖放大器（波段的摻鉺光纖放大器（EDFAEDFA）；）；1.31um1.31um的摻鐠光纖放大器（的摻鐠光纖放大器（PDFAPDFA）；）；1.271.271.67um1.67um全光波段的拉曼放大器（全光波段的拉曼放大器（RFARFA） 1480nm1480nm和和980nm980nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器是波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器是EDFAEDFA的的泵浦光源泵浦光源 激光原理PPT課件 (2)三、激光技術(shù)發(fā)展史三、激光技術(shù)發(fā)展史1.1.19171917年：年：愛(ài)因斯坦在愛(ài)因斯坦在關(guān)于輻射的量子力學(xué)關(guān)于輻射的量子力學(xué)一文預(yù)言了一文預(yù)言了 原子受激輻射發(fā)光

6、的可能性，即存在激光的可能性原子受激輻射發(fā)光的可能性，即存在激光的可能性; ;2. 20世紀(jì)世紀(jì)50年代：年代：湯斯和肖洛的光激射器理論；湯斯和肖洛的光激射器理論； 激光器方案的提出；激光器方案的提出；3. 1960年：年：梅曼梅曼(Maiman)制成世界上第一臺(tái)激光器；制成世界上第一臺(tái)激光器；4.4.19601960年至今：年至今：激光技術(shù)飛速發(fā)展。激光技術(shù)飛速發(fā)展。四、四、 Laser “激光激光”Laser“通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大”Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation激光原理激光原理 . 緒論

7、緒論激光原理PPT課件 (2)五、激光器種類五、激光器種類根據(jù)根據(jù)工作物質(zhì)工作物質(zhì)固體激光器固體激光器氣體激光器氣體激光器液體激光器液體激光器半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器：紅寶石，：紅寶石，Nd:YAGNd:YAG，釹玻璃，釹玻璃：HeNeHeNe，COCO2 2，離子激光器，離子激光器：染料激光器：染料激光器激光原理激光原理 . 緒論緒論激光原理PPT課件 (2)第一章第一章 激光的基本原理激光的基本原理1.1 相干性的光子描述相干性的光子描述光波模式、光子狀態(tài)、相格、相干體積光波模式、光子狀態(tài)、相格、相干體積一、光波模式與光子態(tài)一、光波模式與光子態(tài)光的波粒二象性光的波粒二象性波動(dòng)說(shuō)波動(dòng)說(shuō)微粒說(shuō)

8、微粒說(shuō)激光原理激光原理 . 第一章第一章電磁理論電磁理論波動(dòng)屬性：波動(dòng)屬性：光波模式光波模式光子理論光子理論粒子屬性：粒子屬性： 光子態(tài)光子態(tài)激光原理PPT課件 (2)1. 光波模式（用波動(dòng)觀點(diǎn)求光波模式數(shù)）光波模式（用波動(dòng)觀點(diǎn)求光波模式數(shù)）波矢：波矢：0kkn 2/k 0n ：波的傳播方向：波的傳播方向一個(gè)波矢對(duì)應(yīng)兩個(gè)光波模式一個(gè)波矢對(duì)應(yīng)兩個(gè)光波模式激光原理激光原理 . 第一章第一章激光原理PPT課件 (2)有限空間有限空間V內(nèi)：內(nèi)：存在具有特定波矢的單色平面駐波。存在具有特定波矢的單色平面駐波。Vx y z 駐波條件駐波條件222xmynzq m、n、q為正整數(shù)為正整數(shù)激光原理激光原理 .

9、 第一章第一章/ 2xy自由空間中：具有任意波矢的單色平面波都可能存在；自由空間中：具有任意波矢的單色平面波都可能存在；激光原理PPT課件 (2)2/k 222xyzkkk 222xmynzq xyzkmxknykqz 每組每組m、n、q對(duì)應(yīng)一種光波模式對(duì)應(yīng)一種光波模式（含兩個(gè)偏振態(tài)）（含兩個(gè)偏振態(tài)）激光原理激光原理 . 第一章第一章激光原理PPT課件 (2)相鄰模間隔：相鄰模間隔：,xyzkkkxyz波矢空間中每個(gè)光波模式所占體積：波矢空間中每個(gè)光波模式所占體積：zkykxkk33xyzkkkx y zV 第一象限中第一象限中 區(qū)間體積：區(qū)間體積：kkdk2211482k dkk dk此體積

10、內(nèi)光波模式數(shù)：此體積內(nèi)光波模式數(shù)：2322122k dkk dkVV 22kc 2 ddkc 激光原理激光原理 . 第一章第一章 V體積空腔內(nèi)，體積空腔內(nèi)， 頻率頻率 內(nèi)內(nèi) 光波模式數(shù)：光波模式數(shù)：d 238dMVc 激光原理PPT課件 (2)2. 光子（狀）態(tài)：光子（狀）態(tài)：相空間：相空間：xyzxyzppp， ， ， ， ，空間坐標(biāo)空間坐標(biāo)動(dòng)量動(dòng)量相空間內(nèi)一點(diǎn)表示質(zhì)點(diǎn)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。相空間內(nèi)一點(diǎn)表示質(zhì)點(diǎn)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系：測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系：3xyzx y z ppph 相格：相格：同一光子態(tài)的光子所占的相空間體積元。同一光子態(tài)的光子所占的相空間體積元。結(jié)論結(jié)論1：同一相格中的光子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

11、無(wú)法區(qū)分，同一相格中的光子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)法區(qū)分， 它們屬于同一光子態(tài)。它們屬于同一光子態(tài)。33xyzkkkx y zV 3xyzx y z ppph 2hPk 激光原理激光原理 . 第一章第一章結(jié)論結(jié)論2：一個(gè)光波模式一個(gè)光波模式 一個(gè)光子態(tài)。一個(gè)光子態(tài)。 激光原理PPT課件 (2)二、光子的相干性二、光子的相干性相干光波：相干光波：頻率相同、振動(dòng)方向一致、位相差恒定的兩束光波。頻率相同、振動(dòng)方向一致、位相差恒定的兩束光波?？臻g相干性空間相干性相干長(zhǎng)度：相干長(zhǎng)度：沿傳播方向的相干長(zhǎng)度。沿傳播方向的相干長(zhǎng)度。相干面積：相干面積：垂直于光傳播方向截面上的相干面積。垂直于光傳播方向截面上的相干面積。相干

12、體積：相干體積：空間體積空間體積 內(nèi)各點(diǎn)的光波場(chǎng)都具有明顯內(nèi)各點(diǎn)的光波場(chǎng)都具有明顯 的相干性，則的相干性，則 為相干體積。為相干體積。cVcVcccVAL激光原理激光原理 . 第一章第一章激光原理PPT課件 (2)( )I I2I0 1c ccL 單色性越好，相干性就越好單色性越好，相干性就越好激光原理激光原理 . 第一章第一章相干時(shí)間：相干時(shí)間：光沿傳播方向通過(guò)相干長(zhǎng)度光沿傳播方向通過(guò)相干長(zhǎng)度 所需的時(shí)間。所需的時(shí)間。cLccL c 激光原理PPT課件 (2)由楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)討論光波的相干體積：由楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)討論光波的相干體積：兩光波場(chǎng)具有明顯相干性的條件：兩光波場(chǎng)具有明顯相干性的條件

13、：12SS、xxLR xLR 22x 光源的相干面積光源的相干面積x 1S2SxLzRx激光原理激光原理 . 第一章第一章激光原理PPT課件 (2)光源的相干體積：光源的相干體積：2332()cccccVAL 0hhPnPcc ，xyzhPPchPPchPPc 3323()xyzhPPPc322()ccx y zV 激光原理激光原理 . 第一章第一章結(jié)論結(jié)論3：相格的空間體積相格的空間體積 相干體積。相干體積。 激光原理PPT課件 (2)相格空間體積相格空間體積結(jié)論：結(jié)論：處于同一相格中的光子數(shù)，處于同一相格中的光子數(shù)，三、光子簡(jiǎn)并度三、光子簡(jiǎn)并度n決定了相干光強(qiáng)，反映光源的單色亮度。決定了相

14、干光強(qiáng)，反映光源的單色亮度。激光原理激光原理 . 第一章第一章一個(gè)光波模式所占空間體積一個(gè)光波模式所占空間體積 同一光子態(tài)所占空間體積同一光子態(tài)所占空間體積 相干體積相干體積 處于同一模式中的光子數(shù)，處于同一模式中的光子數(shù)，處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)，處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)，處于同一光子態(tài)的光子數(shù)。處于同一光子態(tài)的光子數(shù)。激光原理PPT課件 (2)1.2 光的受激輻射基本概念光的受激輻射基本概念一、光的受激輻射概念的產(chǎn)生一、光的受激輻射概念的產(chǎn)生普朗克普朗克1900年，輻射量子化假設(shè)；年，輻射量子化假設(shè)；波爾波爾1913年，原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子化假設(shè)；年，原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子化假設(shè)；愛(ài)因斯

15、坦愛(ài)因斯坦1917年，提出受激輻射概念。年，提出受激輻射概念。1. 黑體輻射的黑體輻射的Planck公式：公式：任何物質(zhì)在一定溫度下都要輻射和吸收電磁輻射。任何物質(zhì)在一定溫度下都要輻射和吸收電磁輻射。黑體：黑體：能夠完全吸收任何波長(zhǎng)能夠完全吸收任何波長(zhǎng) 的電磁輻射的物體。的電磁輻射的物體。空腔輻射體空腔輻射體激光原理激光原理 . 第一章第一章激光原理PPT課件 (2)熱平衡狀態(tài)：熱平衡狀態(tài)：黑體吸收的輻射能量黑體吸收的輻射能量 黑體發(fā)出的輻射能量黑體發(fā)出的輻射能量 單色能量密度單色能量密度 ：dEdVd Planck輻射能量量子化假說(shuō)：輻射能量量子化假說(shuō)：黑體輻射黑體輻射Planck公式：公式

16、：33811hKThnEce 激光原理激光原理 . 第一章第一章熱平衡狀態(tài)下，黑體輻射分配熱平衡狀態(tài)下，黑體輻射分配到腔內(nèi)每個(gè)模式上的平均能量到腔內(nèi)每個(gè)模式上的平均能量1hKThEe 腔內(nèi)單位體積中頻率處于腔內(nèi)單位體積中頻率處于 附近附近單位頻率間隔內(nèi)的光波模式數(shù)單位頻率間隔內(nèi)的光波模式數(shù)338MnVdc 激光原理PPT課件 (2)2. 躍遷：躍遷：躍遷：躍遷：原子從某一能級(jí)吸收或釋放能量，變成另一能級(jí)。原子從某一能級(jí)吸收或釋放能量，變成另一能級(jí)。吸收躍遷：吸收躍遷： 低低吸收能量吸收能量高高12hEE 輻射躍遷：輻射躍遷：高高輻射能量輻射能量低低（自發(fā)輻射）（自發(fā)輻射）激光原理激光原理 .

17、第一章第一章激光原理PPT課件 (2)3. 受激輻射：受激輻射：愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，若只有自發(fā)輻射和吸收躍遷，發(fā)現(xiàn)，若只有自發(fā)輻射和吸收躍遷，黑體和輻射場(chǎng)之間不可能達(dá)到熱平衡，要達(dá)黑體和輻射場(chǎng)之間不可能達(dá)到熱平衡，要達(dá)到熱平衡，還必須存在受激輻射。到熱平衡，還必須存在受激輻射。二、自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射二、自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射1. 自發(fā)輻射自發(fā)輻射2E1E發(fā)光前發(fā)光前h發(fā)光后發(fā)光后21hEE 激光原理激光原理 . 第一章第一章激光原理PPT課件 (2)普通光源普通光源（白熾燈、日光燈、高壓水銀燈）的發(fā)光過(guò)程（白熾燈、日光燈、高壓水銀燈）的發(fā)光過(guò)程為自發(fā)輻射。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的

18、光彼此獨(dú)立，頻率、為自發(fā)輻射。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的光彼此獨(dú)立，頻率、振動(dòng)方向、相位不一定相同振動(dòng)方向、相位不一定相同為為非相干光非相干光。自發(fā)躍遷幾率（自發(fā)躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)）：自發(fā)躍遷幾率（自發(fā)躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)）：21A211SA 原子在能級(jí)原子在能級(jí) 的平均壽命的平均壽命2E只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)激光原理激光原理 . 第一章第一章激光原理PPT課件 (2)2. 受激吸收受激吸收2E1E吸收前吸收前h吸收后吸收后21hEE 受激吸收躍遷幾率：受激吸收躍遷幾率：1212WB 12B：受激吸收躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)：受激吸收躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)只與原子本身性質(zhì)有

19、關(guān)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)與原子本身性質(zhì)和輻射場(chǎng)能量密度有關(guān)與原子本身性質(zhì)和輻射場(chǎng)能量密度有關(guān)激光原理激光原理 . 第一章第一章激光原理PPT課件 (2)2E1E發(fā)光前發(fā)光前hh發(fā)光后發(fā)光后h21hEE 3. 受激輻射受激輻射當(dāng)外來(lái)光子的頻率滿足當(dāng)外來(lái)光子的頻率滿足 時(shí)，使原子中處于高時(shí)，使原子中處于高能級(jí)的電子在外來(lái)光子的激發(fā)下向低能級(jí)躍遷而發(fā)光。能級(jí)的電子在外來(lái)光子的激發(fā)下向低能級(jí)躍遷而發(fā)光。21hEE 21B：受激輻射躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)：受激輻射躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)受激輻射躍遷幾率：受激輻射躍遷幾率：2121WB 與原子本身性質(zhì)和輻射場(chǎng)能量密度有關(guān)與原子本身

20、性質(zhì)和輻射場(chǎng)能量密度有關(guān)激光原理激光原理 . 第一章第一章激光原理PPT課件 (2)三、愛(ài)因斯坦三系數(shù)三、愛(ài)因斯坦三系數(shù) 的相互關(guān)系的相互關(guān)系212112ABB、熱平衡狀態(tài)：熱平衡狀態(tài)：輻射率輻射率 吸收率吸收率 （輻射場(chǎng)總光子數(shù)保持不變）（輻射場(chǎng)總光子數(shù)保持不變）玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布：玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布：221221112n An Bn B 各能級(jí)上的原子數(shù)密度（集居數(shù)密度）各能級(jí)上的原子數(shù)密度（集居數(shù)密度）123nnn、 、21()2211EEKTnfenf 12ff、能級(jí)能級(jí) 和和 的簡(jiǎn)并度，的簡(jiǎn)并度， 或稱統(tǒng)計(jì)權(quán)重或稱統(tǒng)計(jì)權(quán)重1E2E激光原理激光原理 . 第一章第一章激光原理PPT課件 (2

21、)21211121212/( ,)hKTABTB feB f 12ff 122112213212138BBWWhABc 激光原理激光原理 . 第一章第一章與與Planck公式比較公式比較33811hKThce 3213211212128Ahn hBcB fB f 激光原理PPT課件 (2)結(jié)論：結(jié)論：1. 其他條件相同時(shí)，受激輻射和受激吸收具有相同幾率。其他條件相同時(shí)，受激輻射和受激吸收具有相同幾率。2. 熱平衡狀態(tài)下，高能級(jí)上原子數(shù)少于低能級(jí)上原子數(shù)，故熱平衡狀態(tài)下，高能級(jí)上原子數(shù)少于低能級(jí)上原子數(shù)，故 正常情況下，吸收比發(fā)射更頻繁，其差額由自發(fā)輻射補(bǔ)償。正常情況下，吸收比發(fā)射更頻繁，其差額由自發(fā)輻射補(bǔ)償。四、受激輻