率,通过增减模块数量可以满足从拦截战术炮 弹到拦截战略导弹的多层次需求。
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Nd:YAG
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Nd:YVO4
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气体激光器
气体激光器利用气体或蒸气作为工作物质产生激光的器件。 它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励 源等三个主要部分组成。主要激励方式有电激励、气动激励、 光激励和化学激励等。其中电激励方式最常用。在适当放电 条件下,利用电子碰撞激发和能量转移激发等,气体粒子有选择 性地被激发到某高能级上,从而形成与某低能级间的粒子数反 转,产生受激发射跃迁。
r1
r2 谐振腔内光强的放大过程
L
(1)由于自发辐射，在z=0处有一束强度为I1的入射
光沿腔轴传播，此时由于腔内光强很弱，此时介质
的增益系数就是小讯号增益系数 G, 0 有：
I I 1 ex G 0 p a 内 )z ( I 1 ' r 2 I 1 ex G 0 p a 内 )L (
图中曲线 I1 表I1示' 了这个过程。
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激光器的工作原理
纳米实验室（NPNS）
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激光器的发展
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激光是20世纪人类的重大科技发明之一,它对人类的 社会生活产生了广泛而深刻影响。作为高技术的研
究成果,它不仅广泛应用于科学技术研究的各个前沿 领域,而且已经在人类生产和生活的许多方面得到了 大量的应用,与激光有关的产业已在全球形成了超过 千亿美元的年产值。
激光血照仪,视光学测量 ➢ 科学研究方面的应用:激光核聚变,重力场测量,激光光谱,激光
对生物组织的作用,激光制冷,激光诱导化学过程等等
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2021/3/15
激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）
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激光控制核聚变
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天文台（激光导航星）
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来自纳层 的反射光 （高度约 100km)
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激光谐振腔内光强由弱变强直至最后达到稳定的过程可以用图(2-15)来描写。 M2是反 射率r2 1的全反射镜，置于在zL处，M1是反射率 r1 1的部分反射镜，置于 z 0 坐标 处。稳定光强在腔中传播过程由闭合曲线 A I ( L )I ( , L ) I ( 2 L )I ( , 2 L ) A 所表示。
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谢谢大家!
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这是一类以气体为工作物质的激光器。此处所说的气体可以 是纯气体,也可以是混合气体;可以是原 气体激光器
子气体,也可以是分子气体;还可以是离子气体、金属蒸气等。 多数采用高压放电方式泵浦。最常见的有氦-氖激光器、氩离 子激光器、二氧化碳激光器、氦-镉激光器和铜蒸气激光器等。
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最大高度 约35km
来自空气 分子的 Rayleigh光
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激光测距与激光雷达
2021/3/15
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激光切割
2021/3/15
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长度测量
2021/3/15
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生物和医学应用
2021/3/15
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激光技术涉及的学科
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物理（光学） 精密加工（光学谐振腔的制作） 光学加工（光学镀膜、光学装调） 电子技术（激光电源、控制电路） 应用技术基础（数学方法、误差理论）
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梅曼的第一台红宝石激光器
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2021/3/15
我国第一台红宝石激光器
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我国激光器研究情况
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激光器的第一台
研制成功时间 研 制 人
红宝石激光器（我国第一台) 1961年11月
He-Ne激光器
掺钕玻璃激光器 GaAs同质结半导体激光器 CO2分子激光器
1963年7月
I3
(2) I 1又' 经增益介质进行放大，再传到M1处时，
光强已增至
I 1 " I 1 'eG x 0 p a 内 )L ( r 2 I 1 eG x 0 p a 内 ) 2 ( L
如图中曲线 I1'I1'' 所示
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r1
r2
L
I3
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(3) I1 ' '光强在M1上一部分反射回腔内继续放大， 这部分为
源,精密加工技术制造出谐振腔,材料科学的研究提供了各种激光 工作介质,在近代高科技的发展支持下,各种激光器陆续诞生。
激光形成过程：
泵浦（抽运）
粒子数反转
受激放大
振荡
放大
达到阈值
激光输出
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增益介质
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当光波经过增益介质时,引起的受激辐射就会 大于吸收,且粒子数密度的差值越大（也就是 上下能级粒子数的分布差异越大）,相对于吸 收来说,受激辐射越强,光经过增益介质时增长 得也越快,这就形成了受激辐射在介质中占主 导地位的状态。
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CO2激光器
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光纤
耦合系统 全反镜 Yb:YLP 半反镜 2021/3/15
激光二极管（LD）
光纤激光器 24
染料激光器
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工作物质是有机染料,其能级由单重态(S)和三重态(T) 组成。S和T又分裂成许多振动－转动能态,在溶液中这 些能态还要明显加宽,因此能发出很宽的荧光。
一般染料激光器的结构简单、价廉,输出功率和转换 效率都比较高。环形染料激光器的结构比较复杂,但性 能优越,可以输出稳定的单纵模激光。
染料激光的调谐范围为0.3～1.2微米,是应用最多的 一种可调谐激光器。
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激光应用技术
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➢ 信息技术方面的应用:光通讯,光存储,光放大,光计算,光隔离器 ➢ 检测技术方面的应用:测长,测距,测速,测角,测三维形状 ➢ 激光加工:焊接,打孔,切割,热处理,快速成型 ➢ 医学应用:外科手术,激光幅照（皮肤科、妇产科）,眼科手术,
固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源。 固体激光器 的发展趋势是材料和器件的多样化,包括寻求新波长和工作波 长可调谐的新工作物质,提高激光器的转换效率,增大输出功率, 改善光束质量,压缩脉冲宽度,提高可靠性和延长工作寿命等。
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美军研发高能固体激光器
2021/3/15
合成高能固体激光器JHPSSL是美军继氧碘化学 激光武器之后的研发重点,固体激光器能采用 功率合成的方法达到远超过化学激光器的的功
CO2激光器是远红外光频段波长为10.6 μm的 气体激光器,采用CO2气体充入放电管作为 产生激光的介质,当在电极上加高电压,放电 管中产生辉光放电（稀薄气体中的自激导 电现象 ）,就可使气体分子释放出激光,将激 光能量放大后就形成对材料加工的激光束。
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二氧化碳激光器优势
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工作物质是中性分子气体,如氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽等。波长范围 很广,从真空紫外、可见光到远红外。其中以二氧化碳激光器最为重要,其特 点是效率高,大约在10％～25％范围内,可以获得很高激光功率,连续输出功率 高达万瓦,脉冲器件输出可达万焦耳每脉冲级。这种激光器工作在以 9.4微米 和10.4微米为中心的多条分子振转光谱线上。二氧化碳激光器分为普通低气 压封离型激光器、横向和纵向气体循环流动型激光器、横向大气压和高气压 连续调谐激光器、气动激光器和波导激光器等。这些激光器可用于加工和处 理（如焊接、切割和热处理）、光通信、测距、同位素分离和高温等离子体 研究等方面。其中波导二氧化碳激光器是一种结构紧凑、增益高和可调谐的 激光器,特别适用于激光通信和高分辨光谱学。
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激光的发展史应该追溯到1917年,爱因斯坦提出光的受激辐 射的概念,预见到受激辐射光放大器诞生,也就是激光产生的 可能性。20世纪50年代美国科学家汤斯及前苏联科学家普 罗科霍罗夫等人分别独立发明了一种低噪声微波放大器,即 一 种 在 微 波 波 段 的 受 激 辐 射 放 大 器 Maser （ Microwave amplification by stimulated emission of radiation ).1958年美国 科学家汤斯和肖洛提出在一定条件下,可将这种微波受激辐 射放大器的原理推广到光波波段,制成受激辐射光放大器 Laser （ Light amplification by stimulated emission of radiation）.1960年7月美国的梅曼宣布制成了第一台红宝石 激光器。1961年我国科学家邓锡铭、王之江制成我国第一 台红宝石激光器,称其为“光学量子放大器”。随后我国科 学家钱学森建议统一翻译成“激光”或“激光器”
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粒子数反转
正常分布 受激吸收 占 主导 光衰减，吸收
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反转分布 受激辐射 占 主导 光放大 有增益
增益介质：处于粒子数反转分布状态的物质
为实现粒子数反转分布，要求在单位时间内激发到上能级的粒 子数密度越多越好，下能级的粒子数越少越好，上能级粒子数 的寿命长些好。
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激光器内形成光强的过程
Io uIh t (a 1 t1 )r 2 I1 ex G 0 p a 内 )( 2 L
(5)此时腔内光的放大倍数为 KII1 2r1r2exG p0(a内 )2L1
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激光器的类型 和应用
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固体激光器
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用固体激光材料作为工作物质的激光器（见激光）。 1960年,T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器, 也是世界上第一台激光器。固体激光器一般由激光 工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源 等部分构成。