激 光 的 特 性
4.相干性好
由于激光具有高单色性和高定向 性，决定了激光具有极好的时间相干 性和空间相干性。 特制的氦 氖激光器输出的光 束，相干长度达2107km。氪灯只有 38.5cm。
激 光 的 应 用
1.激光加工
利用聚焦激光束具有极高功率密度的 特性，可以对材料进行打孔、切割、焊接、 划片、雕刻、去重和热处理。 优点：无实体接触、加工精度高(1m 以下)、畸变小、节能。
光 的 3)受激辐射过程 光 外来光子满足频率条件: 增 ( E2 E1 ) / h 益
趋近高能级E2上的粒子时
发射一个全同光子
(频率相同、 传播方向相同、 偏振方向相同）
感应跃迁至低能级E1
光 放大
光 的 受激辐射概率 W21 : W21 = B21· (21) 光 受激辐射爱因斯坦系数 增 在光场 (21)作用下, 益 单位时间、单位体积内受 N 激辐射产生的光子数为: B21 · (21)· 2 同时存在 受激吸收 跃迁概率相等: 受激辐射
染料激光器
半导体激光器
激 光 器
按波段范围分类
紫外激光器 可见光激光器 红外激光器
按运转方式分类
脉冲激光器
连续波激光器
激 光 的 特 性
1.方向性好
激光束发散角小，接近衍射极限，约为
10-3rad量级，对应的主体角在10-6sr量
级。普通光源发出的光辐射沿4立体 角分布，比激光束大106倍。激光束是 高度平行的光束。
E2 E1 h
激活粒子的平均寿命:2
自发辐射概率为:
A21
τ2
1
光 设粒子体系处于能级E2上的粒子数密度为N2 的 光 单位体积、单位时间内因自发辐射产生的光子 增 数是： A21 N2 益
自发辐射爱因斯坦系数
一般激发态粒子寿命:
τ 107 ~ 10 8 S
某些物质存在亚稳态能级: 10 4 ~ 1 S
d I z G I z d z
z z+dz
L
z
光 学 谐 振 腔
1. 光学谐振腔的作用
一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。 激光在两反射镜间形成驻波。谐振条件为： 2nL = q L: 腔长
= qc 2nL
n: 气体折射率
光 学 谐 振 腔
振荡模式 是指能够在谐振腔内存在的稳定 的光波基本形式，用TEMmnq表示。 m和n表征该模式在垂直于腔轴内形成 驻波的节点数,称横模数。 q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节 点数，称纵模数。 1.纵模 能引起振荡的频率关系 2.横模 光场在横向不同的稳定分布。
激光打孔
激光切割
激光焊接
2.激光精密计量
激光的单色性好，相干性强，用作计 量检测，具有很高的精度。
激光测距仪
激 光 的 应 用
3.激光信息处理
激光的相干性好，用它作为光源， 能够使存储、传递、处理信息的容量 和速度大幅度增加。
激 4.激光在科学实验上的应用 光 的 由于激光具有优异的特性，激光 应 技术已成为整个科学技术领域强有力 用
数反转。
E
E3
E2
E E3
E2
亚稳态能级
E1
0
E1 N3 N2 N1 N
0
N 2 N 3 N1
N
在 E2 和E1 能级 间也有可能实现 粒子数反转。
E E3
E E3
E2
E1
0
E2 E1 N3 N2 N1 N
0
亚稳态能级
N3
N1 N2
N
光 的 光 增 益
红宝石激光器的工作物质：红宝石 —— 是掺有少量铬离子（Cr3+)的 （Al2O3)晶体。
Schawlow
激 光 发 展 简 史
美国休斯公司实验室一位从事 红宝石荧光研究的年轻人梅曼 在1960.5.16利用红宝石棒首次 观察到激光；
梅曼在7月7日正式演示了世 界第一台红宝石固态激光器；
他在Nature(8月16日)发表了一 个简短的通知。
Maiman
激 光 发 展 简 史
1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激 光器
•激光发展简史
•激光简介 •非线性光学
激 光 发 展 简 史
理论基础： 爱因斯坦的光子学说 (1905)； 波粒二象性(1909) 辐射理论(1917)：提出 了受激辐射的概念，预 测到光可以产生受激辐 射放大。
Einstein
激 光 发 展 简 史
理论基础： R.C.Tolman指出： 具有粒子数反转的介 质具有光学增益（产 生激光的基本条件之 一）（1924）。
(12 ) : 外来光场中频率 12 的能量密度
受激吸收概率: W12=B12 · (21)
受激吸收爱因斯坦系数
粒子体系在单位时间、单位体积内吸收的光子数
B12 · (21) · 1 N
低能级E1的粒子数密度
光 的 光 增 益
2)自发辐射过程
高能级上的粒子
自发地 跃迁
低能级
12
光 学 谐 振 腔
横模
I
x
TEM00
I
y
I
I
x
y
x
y
I
TEM10
TEM11
产 生 激 光 的 条 件
1. 激光形成的基本条件
激光形成的基本条件 (1) 要有适当的激光工作物质 (2) 要有外界激励源 (3) 要有激光谐振腔
产 生 激 光 的 条 件
2.激光形成的阈值条件
光在谐振腔内受到各种 r 损耗: I3 (1) 反射镜的透射损耗 I (2) 谐振腔的内部损耗 I
N2
能 级 低 能 级
E
E2
E1 N1 N2 N
N1
光 2.光与物质相互作用 的 原子 光 增 光子与 分子 相互作用 益 离子 受激吸收 自发辐射 受激辐射
光 的 光 增 益
2.光与物质相互作用
1)受激吸收过程
外来光子:
h 21 ( E2 E1 )
能级跃迁:E1
E2
光 的 光 增 益
在 3s
2p
间
实现粒子数反转分布
He
Ne
光 2) 介质的增益作用 的 实现粒子数反转后的工作物质 光 I O I 0 I L 增 增益介质 b 益 dz z 通过增益介质后, I z 光强随距离增长 I L
I z I 0 e
GZ
dI(z)
介质对光的增益系数
1961年研制出中国第一台红宝石激光器
激光原理
一、激光的产生与激光器 光的光增益 光学谐振腔 产生激光的条件 激光器 二、激光的特性与应用 激光的特性 激光的应用
光 1. 原子数按能级分布 的 热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分 光 布 增 益 高
玻尔兹曼分布律:
( E2 E1 ) N2 kT e N1
采用光激励方法： 受激和发光都在Cr3+ 上进行，是典型的三 能级系统。
光 四能级系统 比三能级系统容易实 的 光 现粒子数反转分布。 增 益
光 的 光 增 益
氦氖气体激光器是四能级系统
2 s 2 s
电子碰撞激发
3
1
共 振 转 移
3s 2s
电 子 碰 撞 激 发
3p 2p
氖原子
1s
管壁效应
自发辐射
B21 · (21)= B12 · (21)
光 通常情况下： N N 1 2 的 B21 · (21) · 1 B12 · (21) · 2 N N 光 表现为光的吸收 增 受激吸收总是占优势 益 为得到光放大,必须使

受激辐射占优势
粒子数分布反转
N2
N2 N1
的研究工具。 20世纪80年代，激光冷却和捕陷 原子在理论和实践上取得重大突破。
激 光 控 制 核 聚 变
飞 秒 激 光 系 统
激 5.激光医学领域的应用 光 的 应 用
激光眼科手术
激 6.激光在其它领域的应用 光 的 应 用
三峡广场水幕激光
激光武器
N1
视频
光 的 光 增 益
3. 介质对光的增益作用
1) 实现粒子数反转分布的条件
光激励
(A) 激励(又称泵浦)
电激励 化学激励 热激励
光 的 光 增 益
光激励
光 的 光 增 益
电激励
光 (B) 合适的能级结构 的 二能级系统 用光泵的方法不可 光 增 能实现粒子数反转分布 益
光 三能级系统 当 的 泵浦光足够强时，有 光 可能使 N N ,在能 3 1 增 级E3 于E2 间实现粒子 益
激 光 的 特 性
2.单色性好
光波的单色性可表示为
谱线宽度 中心波长
Δλ Δ = λ

氦氖激光的单色性比单色性最好的普 通光源，如氪灯好 105 倍。
激 光 的 特 性
3.亮度高
激光器能产生宽度极窄的光脉 冲，使用 开关的激光器，可输出 脉宽10-9s左右的光脉冲，使用锁模 技术，可产生10-14s的光脉冲。由于 能量被集中在极短的时间内发射出 来，因此光功率极高。
2 0
r1
4
I1 I2
光在腔内往返一次 I4 2 (G a )L 1 不会被衰减的条件， I r1r2e 0 即形成激光振荡的 阈值条件： G a (1 2 L) ln(1 r r
内
I 4 I 0 r1r2e
2(G a 内 )L
阈
内
1 2
)
产 由以上讨论可将激光工作原理总结如下： 生 激 (1) 工作物质在激励能源激励下实现粒子 光 数反转 的 条 (2) 由自发辐射产生的少数沿腔轴方向传 件 播的光子在工作物质中引起受激辐射 (3) 光学谐振腔使受激辐射的光子在腔内