激光器的原理及应用(精华)

激 光器的原理及应用

激光原理

内容概要第一章：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

目标对激光技术中的物理问题有较系统全面的认识；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。

激光原理 . 绪论

绪一、激光的特性1. 方向性好

论

2. 单色性好

激光原理 . 绪论

激光原理 . 绪论

3. 能量集中空间高度集中：亮度比太阳表面高 1010 倍。 时间高度集中：功率峰值为 1012 瓦。 4. 相干性好

二、激光的应用1. 工业应用 精密测量(距离、位移)

激光原理 . 绪论

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

3. 军事应用 激光测距 激光制导 激光侦察 大气激光通信

激光原理 . 绪论

激光武器

激光原理 . 绪论

4. 日常应用 激光打印机 激光防伪CD/VCD 电脑光驱 激光霓虹灯 条形码扫描器

激光原理 . 绪论

激光原理 . 绪论

5. 通信领域的应用 (1)空间激光通信

激光原理 . 绪论

(2)光纤通信光纤的优越性： 光纤通信用光源： 宽带 不受电磁干扰 重量轻 低损耗

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

三、激光技术发展史

激光原理 . 绪论

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” LaserLight Amplification of Stimulated Emission of Radiation

“通过受激辐射实现光放大”

激光原理 . 绪论

五、激光器种类 根据工作物质固体激光器 ：红宝石，Nd:YAG,钕玻璃 气体激光器 ：He—Ne,CO2,离子激光器 液体激光器 ：染料激光器 半导体激光器

激光原理 . 第一章

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

波动说-电磁理论 -波动属性： 光波模式光的波粒二象性

微粒说-光子理论 -粒子属性： 光子态

激光原理 . 第一章

1. 光波模式(用波动观点求光波模式数)

波矢

:

n0 :波的传播方向一个波矢对应两个光波模式

k 2 /

k kn0

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； 存在具有特定波矢的单色平面驻波。 有限空间V内：y

x

/2

V x y z

x m 2 y n 驻波条件 2 z q 2 m、n、q为正整数

k 2 /

2 kx 2 ky 2 kz x m

激光原理 . 第一章

2 y n 2 z q 每组m、n、q对应一种光波模式 2 (含两个偏振态)

m kx x n ky y q kz z

相邻模间隔： k x

x

, k y

y

, k z

z

激光原理 . 第一章

kz

波矢空间中每个光波模式所占体积：

k x k y kz 第一象限中 k

3 x y z

3V

kky

k dk 区间体积：

kxV体积空腔内， 频率 d 内 光波模式数：

1 1 2 2 4 k dk k dk 8 2此体积内光波模式数：

1 2 3 k 2dk k dk V 2 2 V 2 2 2 2 d k dk c c

8 d M V 3 c2

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