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大学物理激光ppt课件

CATALOGUE目录激光基本原理与特性光学谐振腔与模式选择激光调制与解调技术非线性光学效应在激光技术中应用固体激光器介绍及发展趋势光纤通信系统中激光技术应用总结与展望

01激光基本原理与特性

通过外界激励使高能级粒子数多于低能级，实现粒子数反转分布。粒子数反转受激辐射光学谐振腔处于高能级的粒子在外来光子的作用下，向低能级跃迁并辐射出与外来光子完全相同的光子。提供正反馈机制，使得受激辐射的光子不断放大，最终形成激光输出。030201激光产生机制

方向性单色性相干性亮度高激光束特性及参光束发散角极小，具有高度的方向性。激光的波长单一，频率范围极窄。激光束内各光子间具有确定的相位关系，使得激光具有良好的干涉和衍射性能。激光的亮度远高于普通光源，可应用于高精度测量和加工等领域。

半导体激光器利用半导体材料中的电子空穴对复合过程实现粒子数反转并产生激光。具有体积小、效率高、寿命长等优点，广泛应用于光通信、光存储等领域。固体激光器利用固体材料作为工作物质，通过激励实现粒子数反转并产生激光。常见的工作物质有红宝石、钕玻璃等。气体激光器利用气体作为工作物质，在电场或光泵浦作用下实现粒子数反转并产生激光。常见的工作气体有氦氖、二氧化碳等。液体激光器利用某些有机染料溶液作为工作物质，在光泵浦作用下实现粒子数反转并产生激光。具有较宽的调谐范围和较高的转换效率。激光器类型与工作原理

02光学谐振腔与模式选择

由两个反射镜组成，其中一个反射镜部分透射，允许激光输出。开放式谐振腔由两个全反射镜组成，腔内充满增益介质，通过腔内振荡产生激光。封闭式谐振腔为确保激光在腔内稳定振荡，需满足谐振腔的稳定性条件，即腔长与反射镜曲率半径之间的关系。稳定性条件光学谐振腔结构

模式选择原则及方法模式选择原则选择基模或低阶模作为激光振荡模式，以获得优质的光束质量和较高的输出功率。模式选择方法通过调整反射镜的曲率半径、腔长以及增益介质的性质等参数，实现模式选择。纵模选择通过腔内插入标准具、双折射滤光片等元件，实现纵模的选择。

在垂直于传播方向的平面上，光强分布呈高斯函数形式的光束。高斯光束定义高斯光束在自由空间中传输时，其光斑大小、光强分布以及波前曲率半径等参数会发生变化。传输特性高斯光束在传输过程中，光斑大小变化缓慢的区域称为瑞利长度，它是高斯光束的一个重要参数。瑞利长度高斯光束经过透镜聚焦后，焦点附近的光强分布和光斑大小与透镜焦距、光束腰斑大小及波长等因素有关。聚焦特性高斯光束传输特性

03激光调制与解调技术

通过改变激光束的振幅来实现信息编码。常见的方法有使用声光调制器（AOM）或电光调制器（EOM）来改变激光的强度。振幅调制对于振幅调制信号，可以通过直接检测（如光电二极管）将光信号转换为电信号，再经过放大和处理来恢复原始信息。解调方法幅度调制与解调方法

频率调制通过改变激光束的频率来携带信息。这可以通过改变激光器的驱动电流或利用外部调制器来实现。解调方法对于频率调制信号，常用的解调方法有鉴频法和锁相环（PLL）法。鉴频法通过检测频率变化来提取信息，而锁相环法则通过锁定到输入信号的相位来恢复信息。频率调制与解调方法

是一种将模拟信号转换为数字信号的方法。在激光通信中，PCM常用于将语音、图像等模拟信号转换为数字脉冲序列。脉冲编码调制（PCM）PCM的优点包括抗干扰能力强、易于加密和可实现高质量的信号传输。然而，PCM也存在一些缺点，如需要较大的带宽和较高的信噪比。优点与缺点脉冲编码调制技术

04非线性光学效应在激光技术中应用

利用非线性晶体的二阶非线性极化效应，将基频光转换为倍频光。原理用于产生可见光和紫外光波段的激光；在光学测量中提高测量精度和分辨率。应用转换效率高，光束质量好，结构紧凑。优点二次谐波产生（SHG）

03优点具有高转换效率和较宽的调谐范围；可用于实现多波长激光输出。01原理通过受激拉曼散射过程，将泵浦光的能量转移到另一束较弱的光上，实现光放大。02应用用于产生新波长的激光；在光谱学和化学分析中用于研究分子振动和转动能级。受激拉曼散射（SRS）

原理利用非线性晶体的三阶非线性极化效应，在泵浦光的作用下产生信号光和闲频光。应用用于产生可调谐的激光输出；在光学通信和光谱学中用于实现高速、高灵敏度的测量。优点具有宽调谐范围、高转换效率和良好的光束质量；可用于实现高功率、高效率的激光输出。光参量振荡（OPO）

05固体激光器介绍及发展趋势

固体激光器通常由泵浦源、增益介质、谐振腔和输出耦合镜等部分组成。其中，增益介质是实现粒子数反转并产生激光的关键部分。基本结构固体激光器的工作原理主要基于受激辐射。当泵浦源提供足够的能量时，增益介质中的粒子被激发到高能级，形成粒子数反转。在谐振腔的作用下，受激辐射的光子在腔内