激光工程教学课件

激光工程教学课件激光工程基础知识激光（）是受激辐射光放大的英文缩写，代表一种通过量子跃LASER迁产生的高能量、高方向性光束自年问世以来，激光技术已经1960发展成为现代科技的重要支柱，广泛应用于工业、医疗、通信、军事等领域与传统光源相比，激光具有以下显著特点•极高的单色性波长范围极窄•优异的相干性光波相位关系确定•出色的方向性发散角极小激光课程在专业培养中的地位专业核心必修课激光工程课程是光电信息、物理学、精密仪器等专业的核心必修课程，是学生掌握现代光电技术的基础，也是后续专业课程的重要铺垫学科桥梁作用作为连接物理学原理与工程应用的桥梁，激光课程将抽象的量子理论转化为具体的工程应用，培养学生的科学思维与工程实践能力创新人才培养激光的发现与发展历程年11917爱因斯坦提出受激辐射理论，为激光奠定理论基础2年1960西奥多梅曼（）研制出世界上第一台红宝石激光器·Theodore Maiman年31961贾万与班尼特开发出氦氖激光器，实现连续工作4年1964汤利和史密斯发明₂激光器，实现高功率输出CO年51979中国第一台红宝石激光器在上海光机所成功研制我国激光技术起步虽晚，但发展迅速从年代开始自主研发，到如今在光纤激光器、半导体激光器等领域取得重大突破，形成了完整的激光产业链1970激光物理基本原理激光产生的核心物理基础是受激辐射原理，这一概念由爱因斯坦于年首次提出在量子力学框1917架下，原子能级之间的跃迁可通过三种方式实现自发吸收低能级原子吸收光子跃迁到高能级自发辐射高能级原子自发释放光子回到低能级受激辐射外部光子诱导高能级原子释放相同光子受激辐射过程中产生的光子与入射光子具有完全相同的频率、相位、偏振方向和传播方向，这是激光实现光放大的物理基础受激辐射与自发辐射过程区别自发辐射是原子从高能态随机跃迁到低能态，释放出的光子方向、相位均不确定而受激辐射则是在外部光子诱导下，高能态原子释放出与入射光子完全相同的光子，形成光子克隆现象能量转移自发辐射过程中，原子内部能量转化为随机方向的光子能量受激辐射过程则是一种有序的能量转移，入射光子不被消耗，同时产生一个全同的新光子，实现光的放大受激辐射条件•存在粒子数反转（高能级粒子数多于低能级）•入射光子能量与能级差相匹配•介质具有适当的寿命和跃迁几率激光的四大核心特性高亮度高单色性激光能量高度集中，辐射亮度可达普通光源的激光的波长范围极窄，光谱纯度高He-Ne倍以上功率密度极高，使切割、焊激光器的线宽可达米，这种特性使10^1010^-13接等高能量应用成为可能激光成为精密光谱分析的理想工具高相干性高方向性激光具有极高的时间和空间相干性，光波相位激光束发散角极小，典型值为毫弧度量级这关系确定这一特性是全息成像、干涉测量等使激光能够传播极长距离而不显著发散，适用应用的基础于远距离测量和通信激光的能级结构与粒子数反转三能级系统最早的红宝石激光器采用三能级系统，基态、激发态和亚稳态三个能级参与工作泵浦源将基态粒子激发至高能级，然后快速无辐射跃迁到亚稳态，最后从亚稳态回到基态释放激光三能级系统的缺点是需要极强的泵浦功率，因为必须使亚稳态粒子数超过基态粒子数才能实现粒子数反转激光器的基本结构增益介质也称为激光工作物质，是实现粒子数反转和受激辐射的核心材料可以是固体晶体（如红宝石、）、气体（如、₂）、半导体（如）或液YAG He-Ne COGaAs体染料增益介质的特性决定了激光的波长、效率和输出特性泵浦源为激光系统提供能量，使增益介质中的粒子从低能级跃迁到高能级，实现粒子数反转常见泵浦方式包括光泵浦（闪光灯、激光二极管）、电泵浦（电子束、气体放电）和化学泵浦等选择合适的泵浦源对提高激光效率至关重要光学谐振腔由两个或多个反射镜组成，用于选择和放大特定方向的光波谐振腔一端通常为全反射镜，另一端为部分反射镜（输出耦合镜）腔内光子在增益介质中往返传播，不断被放大，当增益超过损耗时，激光振荡建立谐振腔的设计影响激光的模式、线宽和稳定性不同类型激光器固体激光器气体激光器半导体激光器染料激光器使用掺杂离子的晶体或玻璃作为增以气体作为增益介质，如、利用半导体结作为增益介质，通使用有机染料溶液作为增益介质，He-Ne PN益介质，如、钛宝石激光₂、准分子激光器特点是波长过电流直接泵浦体积小、效率最大特点是波长可在宽范围内连续Nd:YAG CO器特点是结构稳定、输出功率范围广、光束质量高、连续运行稳高、成本低，但光束质量较差广调谐虽然使用和维护复杂，但在大、寿命长，广泛应用于工业加定₂激光器在工业切割领域占泛应用于光通信、光存储、激光打光谱学研究、医学诊断等需要精确CO工、医疗手术和科学研究据主导地位，而准分子激光器在半印和泵浦源等领域，是应用最广泛波长控制的领域具有独特优势导体光刻和眼科手术中不可替代的激光器类型固体激光器介绍常见增益介质钕掺杂钇铝石榴石，最常用的固体激光材料，基本波长Nd:YAG1064nm红宝石铬掺杂氧化铝晶体，输出波长，世界上第一种激光介质694nm钛宝石钛掺杂蓝宝石，具有超宽的增益带宽，可产生超短脉冲掺镱光纤工作波长左右，是高功率光纤激光器的核心1070nm工作原理固体激光器通常采用光泵浦方式，早期使用闪光灯泵浦，现代系统多采用半导体激光器泵浦，提高了效率和光束质量大多数固体激光器是四能级系统，泵浦阈值低，效率高典型参数输出功率毫瓦至兆瓦级气体激光器常见类型₂激光器CO使用二氧化碳、氮气和氦气的混合气体作为工作物质，通过电放电泵浦输出波长为（中红外），属于分子激光器

10.6μm•特点功率大（可达数十千瓦）、效率高（可达）、成本低20%•应用工业切割、焊接、热处理、医疗手术•结构玻璃管或金属管中充入混合气体，两端安装反射镜，外加高压电源激光器He-Ne使用氦和氖的混合气体作为工作物质，通过电放电泵浦最常见输出波长为

632.8nm（红色可见光）•特点光束质量极高、频率稳定、工作可靠、寿命长•应用干涉测量、全息摄影、激光雷达、教学演示•结构细长玻璃管，两端装有布儒斯特窗口，外部设置谐振腔镜其他气体激光器准分子激光器（紫外输出，用于半导体光刻）、铜蒸气激光器（绿色输出，用于显示和微加工）、氩离子激光器（蓝绿光输出，用于生物医学成像）等都是重要的气体激光器类型半导体激光器简介工作机制半导体激光器基于结中的电子空穴复合发光原理，在正向偏压下，电子和PN-空穴在有源区复合产生光子当注入电流超过阈值时，受激辐射占主导，形成激光输出主要优点•体积小巧典型尺寸仅为毫米级•效率高电光转换效率可达以上50%•寿命长可达万小时以上10•调制性能好可直接电流调制到级GHz•成本低适合大规模生产在光通信中的应用•波长范围广从可见到红外都有半导体激光器是光纤通信系统的核心元件，将电信号转换为光信号通过直接调制或外部调制，可实现高速数据传输随着垂直腔面发射激光器（）VCSEL和分布反馈激光器（）等新型结构的发展，半导体激光器性能不断提升，DFB推动了光通信技术的飞速进步在信息处理领域，半导体激光器应用于激光打印、光存储（蓝CD/DVD/光）、条形码扫描等设备中，成为日常生活中最常见的激光源染料激光器与可调谐激光器染料激光器基本原理染料激光器使用有机染料溶液作为增益介质，通常由另一种激光（如氩离子激光器或倍频Nd:YAG激光器）泵浦染料分子具有宽广的能级带，使得激光输出可在宽波长范围内调谐•常用染料罗丹明、香豆素、苂光素系列•波长范围可覆盖从紫外到近红外（320nm-1200nm）•调谐方式棱镜、光栅、消色差器等现代可调谐激光器除传统染料激光器外，现代可调谐激光器还包括•钛宝石激光器固态可调谐激光器，调谐范围650-1100nm•光参量振荡器（OPO）基于非线性光学效应，可实现极宽的调谐范围•量子级联激光器中红外波段可调谐半导体激光器科研和医疗应用可调谐激光器的独特优势使其在多个领域发挥重要作用•光谱学研究原子分子光谱精确测量•医学诊断光声成像、激光诱导荧光检测•选择性光化学靶向激发特定分子•同位素分离利用同位素能级微小差异激光谐振腔设计法布里珀罗腔-最基本的激光谐振腔结构，由两面平行放置的镜子组成简单但对光学元件的平行度要求极高，微小的偏差会导致光束迅速走出谐振腔球面镜腔使用球面镜替代平面镜，提高腔的稳定性常见配置包括•平凹腔一面平面镜，一面凹面镜•凹凹腔两面凹面镜，稳定性最好•凸凹腔一面凸面镜，一面凹面镜环形腔由三个或更多镜子组成闭合光路，光束沿单一方向传播，避免了空间烧孔效应，适用于单频激光器腔稳定性与模式选择谐振腔的稳定性由参数决定₁₂时腔稳定，其中₁₁，₂₂g gg≤1g=1-L/R g=1-L/R（为腔长，为镜面曲率半径）L R腔内通常使用光阑、偏振元件等进行模式选择，抑制高阶模，获得单一基模输出常见的模式选择技术包括•光阑法利用不同模式的空间分布差异•增益抑制法利用空间烧孔效应•腔长控制法精确控制谐振腔长度激光的单纵模与多纵模运行激光谐振腔内存在多种可能的振荡模式，包括横模（空间分布）和纵模（频率分布）纵模是指满足谐振条件的不同频率光波，相邻纵模的频率间隔（为光Δν=c/2L c速，为腔长）L多纵模运行单纵模运行实现单纵模的技术大多数激光器在自然状态下是多纵模运行，同通过特殊技术使激光器仅在单一纵模下运行•短腔设计增大纵模间隔，使只有一个模时存在多个纵模振荡特点特点式落在增益曲线内•输出功率较大利用了增益介质更宽的频•输出功率较小只利用了增益曲线的一小•频率选择元件法布里-珀罗干涉仪、光栅等谱范围部分•光谱线宽较宽典型线宽为量级•光谱线宽极窄可达甚至量级•注入锁定外部单频光注入GHz MHzkHz•相干性较差不同纵模之间相位关系复杂•相干性极高理想的单频光源•特殊腔结构环形腔、扭转腔等•时间特性输出强度可能存在拍频波动•时间特性输出强度稳定，无拍频现象激光功率与能量参数关键参数定义峰值功率脉冲激光在脉冲顶点的最大瞬时功率，单位瓦（W）平均功率激光在单位时间内输出的平均能量，单位瓦（W）脉冲能量单个脉冲包含的总能量，单位焦耳（J）脉宽激光脉冲的时间宽度，通常定义为半高全宽（FWHM），单位秒（s）重复频率脉冲激光每秒发射的脉冲数，单位赫兹（Hz）它们之间的关系平均功率=脉冲能量×重复频率；峰值功率≈脉冲能量÷脉宽开关及锁模技术Q开关技术原理Q开关（）是一种产生高峰值功率脉冲激光的技术，通过快速改变谐振腔的品质因数（值）实现Q Q-switch Q工作过程低状态谐振腔值降低，阻止激光振荡，能量在增益介质中积累

1.Q Q高状态谐振腔值突然提高，积累能量快速释放，形成高峰值功率脉冲

2.Q Q常见开关方式Q•电光Q开关利用电光晶体（如KDP）•声光Q开关利用声光调制器•被动Q开关利用可饱和吸收体典型参数脉宽纳秒级，峰值功率兆瓦至吉瓦级锁模技术原理锁模（）是产生超短脉冲激光的技术，通过使谐振腔内多个纵模间建立固定相位关系实现工Mode-locking作过程使多个纵模同步振荡并保持固定相位关系

1.不同频率的模式在时域上叠加形成极窄脉冲

2.常见锁模方式•主动锁模电光或声光调制器•被动锁模可饱和吸收体（如SESAM）•克尔透镜锁模利用非线性克尔效应典型参数脉宽皮秒至飞秒级，峰值功率吉瓦至太瓦级激光波长的选择与调谐方法波长选择原理激光波长选择是指在增益介质的增益带宽内，通过特定技术选择特定波长激光输出的过程主要原理基于频率选择性元件对不同波长光的差异性反馈常用波长选择元件布拉格光栅利用光的衍射现象，只有特定波长能被衍射回谐振腔棱镜利用色散效应，不同波长光经棱镜折射角度不同法布里珀罗干涉仪利用多光束干涉，只有满足特定条件的波长能通过-二向色镜反射率对波长有选择性的特殊镜面分布反馈结构在增益介质内部引入周期性结构常用调谐技术激光波长调谐是在一定范围内连续改变激光输出波长的技术常见调谐方法机械调谐旋转光栅或棱镜的角度温度调谐改变半导体激光器的工作温度压电调谐用压电元件改变谐振腔长度电调谐利用电光效应改变折射率非线性光学转换倍频、和频、差频等激光安全与防护基础激光危害眼睛危害视网膜灼伤、白内障，最严重可致盲皮肤危害烧伤、光敏反应、长期暴露可能致癌火灾危险高功率激光可点燃可燃物反射危害镜面反射可造成意外伤害激光安全等级国际标准将激光按危害程度分为类7类类正常使用条件下安全1/1M类类可见光激光，依靠眨眼反射保护2/2M类直接视束有潜在危险3R类直接视束危险，漫反射通常安全3B类高功率激光，直接视束和漫反射均危险4防护措施工程控制防护罩、联锁装置、钥匙控制、束流挡板个人防护激光防护眼镜（根据波长选择）、实验服、手套管理措施安全培训、操作规程、警示标志、定期检查医疗监护定期眼科检查，特别是高功率激光操作人员激光安全操作规范教学实验室安全要求•实验前进行完整的安全培训和操作演示•配备适当波长的防护眼镜，严禁裸眼观察激光束•实验室门口设置激光运行指示灯和警示标志•激光器安装防护罩，减少暴露光路•光路高度应避开坐姿和站姿的眼睛高度•设置紧急停机按钮，确保能快速切断激光•禁止佩戴反光物品（手表、戒指等）进入实验室•保持工作台面整洁，避免杂物反射激光典型事故案例分析案例一某大学物理实验室，学生在调整激光器光路时，未戴防护眼镜，激光经多次反射后进入眼睛，造成视网膜灼伤He-Ne激光光束传输与整形光束质量参数光束传输光束整形技术M²是衡量激光光束质量的重要参数，表示实际激光光束从源到目标的传输方式将激光光束从原始分布转换为应用所需的空间M²光束与理想高斯光束的偏离程度分布自由空间传输使用镜子、棱镜等反射元件•代表理想高斯光束（₀₀模式）扩束器增大光束直径，降低发散角M²=1TEM•值越大，光束质量越差，聚焦性能越差光纤传输通过光纤（单模或多模）引导光束均匀化器将高斯分布转换为平顶分布M²衍射光学元件产生特定光强分布或图案•固体激光器典型M²=

1.1~5，二极管激光中空波导传输适用于某些特殊波长（如非球面透镜校正像差，提高聚焦性能器可达₂激光）20~50CO空间滤波器去除高频噪声，提高光束质量•测量方法通过测量不同位置的光束直径关节臂传输由一系列镜子和关节组成，常用来计算于医疗和加工激光聚焦与扫描系统激光聚焦原理激光聚焦是通过光学元件将激光光束汇聚到一个小区域，实现能量集中聚焦后的光斑直径与多个因素相关d•d≈

1.22λf/D（λ为波长，f为焦距，D为入射光束直径）•实际聚焦光斑受M²因素影响，为理想值的M²倍•焦深（聚焦区域的长度）ZR≈πd²/2λ常用聚焦元件球面透镜结构简单，成本低，但存在球差非球面透镜校正球差，实现更小聚焦斑点反射镜聚焦适用于特殊波长（如远红外）镜头专为扫描系统设计，保持平场F-theta扫描系统激光扫描系统将激光束按照预定轨迹在工作面上移动，主要类型激光的空间模式基模（₀₀模式）高阶横模纵模TEM最基本的激光模式，光强分布呈高斯函数形式特除基模外的其他横向电磁模式，如₀₁、在激光谐振腔中，满足谐振条件的不同频率的模TEM点是光束质量最好，发散角最小，聚焦性能最佳₁₀、₁₁等这些模式在空间上呈现复式相邻纵模频率间隔为（为光速，为腔TEM TEMc/2L cL在大多数精密加工和科学研究中，都追求₀₀杂的多瓣结构，聚焦性能较差，但在某些特殊应用长）多纵模运行会影响激光的相干性和时间特TEM模式输出（如激光陷阱）中有用性空间模式对激光加工精度有显著影响•基模（₀₀）最适合精密加工，可获得最小加工尺寸TEM•多模激光能量分布不均匀，导致加工质量不稳定•某些特殊模式（如环形模）适合特定加工需求，如环形切割•控制模式的方法包括腔内光阑、不稳定谐振腔、增益选择等激光应用通信领域光纤通信系统组成现代光纤通信系统主要由以下部分组成光发射机半导体激光器（、等）或DFB VCSELLED光纤单模或多模光纤，作为传输介质光放大器掺铒光纤放大器（）等EDFA光接收机光电探测器（二极管、雪崩二极管）PIN波分复用器在一根光纤中传输多个波长的信号激光在通信中的作用激光是光纤通信的光源，其特性直接影响系统性能•窄线宽降低色散影响，提高传输距离速率与距离提升技术•高调制速率实现大容量数据传输•波长稳定性确保波分复用系统性能现代光通信系统已实现单波长以上传输速率和数千公里无中继传输距离，主要100Gb/s依靠以下技术相干通信利用光的相位信息增加传输容量分布式拉曼放大延长传输距离数字信号处理补偿传输损伤空分复用利用多芯光纤或少模光纤高阶调制格式、等提高频谱利用率QAM OFDM激光应用工业制造激光切割利用高功率激光束加热材料至熔点或汽化点，同时使用辅助气体吹走熔融物质常用₂激光器、光纤激光器和激光CO YAG器可加工金属、非金属、复合材料等，切割精度可达，切口平滑无毛刺，热影响区小

0.1mm激光焊接通过激光束加热材料形成熔池，冷却后形成牢固连接具有热输入小、变形少、速度快、自动化程度高等优点主要分为热传导焊接和深熔焊接两种模式广泛应用于汽车、电子、航空航天等领域激光打标利用激光束在材料表面产生物理或化学变化，形成永久性标记可在几乎所有材料上实现，标记精度高，速度快，无接触，无耗材广泛用于产品序列号、二维码、防伪标识等领域激光增材制造也称为激光打印，包括选择性激光烧结、选择性激光熔化和激光立体光刻等技术通过逐层堆积材料3D SLSSLM SLA构建三维物体，可制造传统方法无法实现的复杂结构，大大提升设计自由度和材料利用率激光应用医疗健康激光手术医学诊断激光美容激光在外科领域的应用已十分广泛，主要优势激光在非侵入性医学成像和诊断中发挥重要作激光美容是微创美容的重要分支，案例如在于精确度高、出血少、恢复快用脱毛长脉冲或半导体激光选择性作Nd:YAG眼科准分子激光角膜屈光手术（）矫光学相干断层扫描（）利用激光干涉原用于毛囊LASIK OCT正近视，激光治疗白内障和青光眼理实现微米级分辨率的断层成像，广泛用于眼YAG祛斑开关激光破坏色素沉着，实现无伤口Q底检查皮肤科₂激光去除疤痕和皱纹，脉冲染料美白CO激光治疗血管病变光声成像结合激光和超声技术，同时提供光嫩肤非剥脱点阵激光刺激胶原蛋白再生，改学对比度和声学分辨率泌尿外科钬激光前列腺切除术，比传统手术善肤质创伤小、出血少激光多普勒血流成像无创测量微血管血流，紧肤除皱₂点阵激光重塑皮肤弹性CO评估组织灌注肿瘤治疗光动力疗法（）结合光敏剂选PDT择性杀死肿瘤细胞拉曼光谱分析用于组织成分分析，可早期检测癌变激光应用信息存储与显示光盘存储技术激光在信息存储领域的应用最广为人知的是光盘技术使用半导体激光器，存储容量约CD780nm700MB使用激光器，更短波长提高存储密度，容量DVD650nm

4.7GB蓝光光盘采用蓝紫光激光器，单层容量405nm25GB光存储原理激光聚焦到微小光斑（约微米），通过反射率变化读取信息或通过热效应在记1录层烧蚀坑或改变相变材料状态写入信息尽管固态存储发展迅速，但光存储在大容量归档和长期保存方面仍有不可替代的优势，寿命可达年以上50激光显示技术激光显示是利用红、绿、蓝三色激光作为光源的新型显示技术激光投影仪使用激光和扫描镜或芯片，实现超高亮度、超宽色域RGB MEMSDMD激光电视结合激光光源和超短焦投影技术，无需暗室即可获得大屏幕显示激光全息显示利用激光干涉原理记录和重现三维图像，实现真正的显示3D激光扫描显示利用高速振镜将激光光点扫描成图像，应用于平视显示器（）HUD与传统显示技术相比，激光显示具有色域广（可达）、亮度高、使用寿命长等200%NTSC优势激光应用测量与传感激光雷达激光雷达（）通过发射激光脉冲并接收反射信号，测量距离并构建三维空间模型工作原理LiDAR基于光的飞行时间或相位差测量现代激光雷达可同时获取几百万个点的三维坐标，形成点云数据广泛应用于自动驾驶、测绘、机器人导航等领域激光测距激光测距仪利用激光束的直线传播特性，精确测量距离常用方法包括脉冲法（测量光往返时间）和相位法（测量发射和接收光波的相位差）精度可达毫米级，甚至亚毫米级从建筑测量到工业制造，从体育赛事到军事瞄准，激光测距仪已成为不可或缺的工具速度检测激光测速基于多普勒效应原理，当激光照射到运动物体上时，反射光的频率会发生偏移，通过测量这种频移可计算物体速度激光测速具有非接触、高精度、响应快速等优点除了常见的交通执法外，还广泛应用于工业生产线速度控制、体育训练等领域激光传感激光传感器基于各种光学原理，可检测位置、振动、温度、应变、气体浓度等物理量光纤布拉格光栅传感器可沿单根光纤实现分布式测量；激光干涉仪可检测纳米级位移；激光拉曼光谱可识别化学成分这些传感技术为智能交通、结构健康监测和环境监测提供关键支持激光应用军事与安防激光制导激光制导武器是现代精确打击的重要手段，主要包括激光指示制导地面或空中平台用激光照射目标，武器寻找反射激光激光束骑乘制导武器沿着激光束传播路径飞行至目标激光制导武器命中精度可达米级，甚至亚米级，大大减少附带损伤激光武器高能激光武器通过直接将激光能量传递到目标，造成热损伤或结构破坏•美国海军激光武器系统（LaWS）可摧毁无人机和小型船只•以色列铁光束系统用于拦截火箭弹和迫击炮弹•中国研发的车载激光系统可在数秒内击落无人机激光武器优势在于精确打击、近光速传播、弹药无限、成本低激光干扰与对抗激光可用于干扰或瘫痪敌方光电传感器•激光眩目器可临时致盲光学系统•定向红外干扰可欺骗热成像系统•高功率激光可永久损坏敌方光电设备安防应用在民用安防领域，激光技术应用广泛•激光入侵探测系统（如激光围栏）•激光扫描人脸识别系统新兴激光技术应用超快激光飞秒激光太赫兹激光脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的激光，具有极高的峰脉冲宽度在秒量级的超短脉冲激光，能观频率在之间的电磁波源，填补了微波10^-

150.1-10THz值功率和极短的热扩散时间能够实现冷加工，察和控制超快化学反应过程通过飞秒泵浦探测和红外之间的太赫兹间隙太赫兹波可穿透非金-加工精度可达亚微米级，热影响区几乎为零广泛技术可直接观察分子振动和电子转移过程，为基础属材料但被水强烈吸收，具有独特的光谱指纹识别应用于精密微加工、医疗植入物制造、显示科学研究提供强大工具在医学领域，飞秒激光可能力应用于无损安检、生物医学成像、材料分析OLED面板切割等领域实现细胞级别的精确手术，如角膜屈光手术等领域通过光整流和光混频等非线性光学效应产生这些新兴激光技术处于科研和产业化的前沿，具有巨大的应用潜力例如，超快激光加工已成为智能手机玻璃盖板和柔性显示器制造的关键技术；太赫兹技术在安检领域可识别隐藏的危险物质；飞秒激光频率梳技术获得了年诺贝尔物理学奖，为高精度光谱和计量学开辟了新领域2005激光工程中的典型问题热管理问题激光器运行过程中，大部分泵浦能量转化为热能而非光能，导致多种热效应温度梯度引起机械应力，可能导致晶体破裂热致双折射降低激光偏振度，影响频率倍增效率激光介质膨胀改变谐振腔长度，影响输出稳定性热管理解决方案水冷系统高流量、恒温水冷热电制冷半导体激光器常用热沉设计优化改善热传导路径热补偿技术预补偿热致变形热透镜效应热透镜效应是激光介质中最显著的热效应之一，指介质中形成的温度梯度导致折射率分布变化，使介质表现出透镜效应这种效应对激光光束质量和谐振腔稳定性有显著影响光学损伤阈值光学损伤阈值是光学元件能承受的最大光强，超过此值会导致元件损坏损伤机制包括电介质击穿超高电场强度导致热损伤吸收引起局部温度升高光化学损伤紫外光引起化学键断裂累积效应长期辐照导致性能退化提高损伤阈值的方法材料纯度提高、表面抛光改善、镀膜工艺优化、无尘环境等激光系统设计思路方案设计与参数匹配需求分析与指标确定根据需求选择合适的技术路线和关键部件系统设计首先需明确应用需求和技术指标，包括•激光器类型选择（固体、气体、半导体等）•输出波长、功率、脉宽、重复频率等基本参数•增益介质与泵浦源匹配•光束质量、稳定性、寿命等性能指标•谐振腔设计与模式控制•体积、重量、功耗等工程约束•光学系统与机械结构设计•成本目标和市场定位•冷却系统与电源设计成本控制与产业化系统集成与优化平衡性能与成本，实现产业化将各子系统整合并优化整体性能•零部件标准化与模块化•光路设计与调整•制造工艺优化•电气控制系统开发•供应链管理•软件界面与功能实现•质量控制体系•系统性能测试与调优•知识产权保护•可靠性与稳定性验证一个完整的激光工程项目流程通常包括概念设计详细设计原型开发测试验证小批量试产规模化生产售后服务在整个流程中，需要光学、机械、电子、热学、软件等多学科知识的融合，是典型的复杂系统工程→→→→→→激光器性能优化技术效率提升方法激光器效率提升对降低功耗、减少发热和提高可靠性至关重要泵浦效率优化使泵浦光谱与吸收峰匹配，如窄带半导体激光器泵浦替代宽谱闪光灯量子缺陷减小选择泵浦波长与输出波长接近的系统，减少量子损失热管理改进优化冷却结构，减少热损失谐振腔优化减少腔内损耗，提高输出耦合效率材料改进开发新型掺杂晶体和激光玻璃以激光器为例，传统闪光灯泵浦效率约，而现代二极管泵浦可达，效率提升近Nd:YAG1-3%20-30%10倍光束质量改善措施高质量光束（低值）对精密加工和远距离传输至关重要M²基模选择技术•增益引导控制泵浦分布•损耗控制腔内光阑•动态稳定腔热透镜补偿光束整形技术•模式过滤空间滤波器•自适应光学可变形镜•相位校正非球面光学元件光束参数积优化光纤耦合和光束传输系统设计BPP激光调制与脉冲控制强度调制频率调制激光强度调制是控制激光输出功率随时间变化的技术，常用于信息编码、材料加工控制等激光频率调制是控制激光输出频率（波长）随时间变化的技术，用于光谱分析、传感和通主要方法信主要方法直接调制直接调节泵浦源功率（如半导体激光器电流调制），响应速度可达级，但注入电流调制半导体激光器通过改变注入电流实现波长调谐GHz可能引起频率啁啾温度调制通过控制激光器温度改变输出波长外部调制使用外部调制器控制激光透过率，可实现高速、低噪声调制，常用于高速光通机械调谐调整谐振腔长度或色散元件角度信电光调制利用电光效应改变折射率，实现频率调制电光调制原理声光调制原理电光调制器基于电光效应（外加电场改变材料折射率）工作声光调制器基于声光效应（声波在介质中传播产生周期性折射率变化）工作线性电光效应（泡克尔斯效应）折射率变化与电场成正比，常见材料有₃、布拉格衍射入射光被声波衍射，产生方向和频率发生偏移的衍射光LiNbO KDP等材料石英玻璃、₂、₄等TeO PbMoO强度调制通常结合偏振器和波片，将相位调制转换为强度调制优点高衍射效率，可调谐，响应速度适中（级）MHz优点响应速度极快（可达），无机械运动部件10s GHz应用开关、模式锁定、光束偏转、频移等Q应用开关、高速光通信、脉冲选择、锁模等Q激光课题项目案例分析工业激光项目设计流程以高精度激光切割系统开发为例需求分析•切割材料2mm不锈钢、1mm铝合金•切割精度±

0.05mm•切割速度≥10m/min•工作区域1200×1200mm技术方案选择•激光源2kW光纤激光器•切割头自动调焦切割头•运动系统龙门式双驱结构•控制系统工业PC+实时控制卡关键技术攻关•激光光束传输稳定性•切割轨迹动态控制算法•穿孔和切割工艺参数优化国产激光产业发展现状产业规模与结构主要企业与技术水平自主创新与国际竞争中国激光产业已形成完整的产业链，年总规国内激光领域已涌现一批具有国际竞争力的企业中国激光产业正从跟跑向并跑甚至领跑转变2022模超过亿元，年均增长率以上主要集150015%中在激光加工装备华工科技、大族激光、金运激光等专利申请激光领域年专利申请量全球第一激光加工设备占总规模，以中低功率设备为60%研发投入头部企业研发投入占收入8-15%主激光器锐科激光、创鑫激光（光纤激光器）产学研合作企业与高校、研究所紧密合作激光器及核心器件占比，光纤激光器国产化20%核心器件光库科技（隔离器）、杰普特（光学元国际市场中国激光设备出口快速增长，已进入欧率高，高端器件仍依赖进口件）美高端市场激光医疗设备占比，美容和眼科设备增长迅12%特种激光东方电气（₂激光器）、飒特红外CO挑战核心器件（如特种光纤、光学晶体）依赖进速（量子级联激光器）口，高端人才不足其他应用包括激光显示、传感、科研等领域中国在中功率光纤激光器领域已达国际先进水平，但在超快激光器、紫外激光器等高端领域仍有差距国际激光产业发展趋势市场规模与增长主流技术发展全球激光市场规模年达到约亿美光纤激光器持续扩大市场份额，₂激光器20221850CO元，预计年将超过亿美元，年复市场萎缩超快激光器、紫外激光器增长迅20283000合增长率约增长最快的领域包括激光速半导体激光器在直接材料加工领域取得突

8.5%加工（特别是打印）、医疗应用和科研设破定制化、智能化激光系统成为新趋势3D备代表企业分析重点区域分布（美国，光纤激光器）、相干公司（美IPG北美在高端激光器和科研设备领域领先；欧洲国，多类型激光器）、通快（德国，激光加工3在精密加工和医疗激光设备方面优势明显；亚设备）、特雷姆（美国，科研激光器）、莱尼太地区（特别是中国）市场增长最快，已成为（德国，医疗激光）等企业主导高端市场，中全球最大激光设备生产基地国企业市场份额快速提升未来激光产业的主要发展趋势包括激光器小型化、智能化；激光与人工智能、物联网技术深度融合；超快激光加工在新材料、新能源、半导体等领域的广泛应用；激光在量子技术、生命科学等前沿领域的创新应用产业竞争焦点正从单纯的技术指标向系统解决方案、应用创新和服务能力转移激光实验教学体系构建理论实践一体化教学-现代激光教学应将理论与实践紧密结合，打破传统先理论后实验的模式理论讲授与演示实验结合课堂教学中穿插实时演示实验，增强学生直观理解分层递进的实验体系基础验证性实验综合设计性实验创新研究性实验→→虚拟仿真与实体实验结合利用计算机仿真软件预演实验过程，降低实验风险项目驱动式教学以完整的激光工程项目为载体，贯穿多个知识点学生参与实验设计鼓励学生参与实验设计与开发，培养创新能力开放式实验题目给出实验目标，学生自行设计实验方案自选课题实验学生根据兴趣提出实验课题，教师提供指导和资源实验仪器研发参与让学生参与教学实验设备的改进和开发竞赛与创新项目结合将实验教学与学科竞赛、创新项目结合这种参与式学习模式可以激发学生主动性，培养工程思维和动手能力，为今后的科研和工作打下基础典型激光工程实验激光器装调实验光束特性测量实验激光干涉测量实验激光材料加工实验通过组装和调试通过多种方法测量激光利用激光的相干性进行通过控制激光参数进行He-Ne激光器，学习激光器的光束的基本特性参数精密测量实验包括材料加工，观察不同条基本结构和工作原理主要内容包括件下的加工效果内容迈克尔逊干涉仪搭

1.主要步骤包括包括光束直径测量（刀建

1.放电管安装与高压口法、成像激光标记实验（不

1.CCD波长测定与精密位

1.

2.电源连接法）同材料的标记参数发散角测量（远场移测量

2.优化）光学谐振腔镜片安法）

2.光学元件平面度检

3.装与初步校准激光切割实验（功因子测定（多点测

2.

3.M²率、速度、气压的腔镜精细调整以获法）

3.大气折射率变化观

4.影响）得激光输出光束偏振特性测量测

4.激光表面处理实验激光输出功率和稳

3.

4.空间模式分析

5.该实验展示了激光在精（硬化、纹理化）定性测量密测量中的应用，培养该实验培养学生对激光加工质量评估（显

4.该实验帮助学生理解谐学生的光学系统搭建能光束特性的深入理解，微观察、粗糙度测振腔稳定性条件和光学力和数据分析能力掌握精密光学测量技量）调整技巧，是基础性实术验该实验结合理论与实践，培养学生对激光工艺参数的理解和控制能力激光实验安全强化措施校园实验室安全管理激光实验安全管理应从制度、设施和人员三方面综合考虑安全制度建设•制定详细的激光安全操作规程•建立实验室准入和使用登记制度•定期进行设备检查和安全评估•事故应急预案与报告制度安全设施建设•实验室门口安装激光工作指示灯•高功率激光区域设置隔离屏障•安装紧急切断电源装置•配备适当的消防设施防护培训强化对所有使用激光设备的人员进行系统的安全培训入门安全培训•激光基础知识与危害认识•激光安全等级与防护要求•实验室安全规程学习•防护装备正确使用方法实操安全训练•设备开关机安全程序•光路调整安全技巧•突发情况应对演练网络课程与混合式教学实践网课资源建设高质量的激光工程网络课程资源应包含微课视频分钟的知识点讲解，配合动画演示5-15交互式课件允许学生调整参数观察结果变化虚拟实验模拟实际激光系统操作，降低实验成本和风险在线测评自适应题库，根据学生水平动态调整难度资源库专业文献、设计软件、行业标准等补充材料远程实验平台远程激光实验平台可突破时空限制，实现共享优质实验资源网络控制实验系统通过互联网远程操控实际激光设备视频反馈系统多角度实时观察实验过程数据采集与分析系统自动记录实验数据并提供分析工具安全监控系统多重安全措施确保远程操作安全预约管理系统合理安排实验时间，提高设备利用率学习辅导与讨论机制有效的在线互动机制是确保教学质量的关键直播答疑定期开展在线直播，解答共性问题讨论区管理分主题设置讨论区，鼓励学生互助学习小组组建虚拟学习小组，开展合作学习导师制配备助教或高年级学生作为在线辅导员社区激励设置积分机制，鼓励高质量讨论和分享精品课程与教学改革经验一流师资队伍建设激光工程精品课程的建设离不开高水平师资队伍•形成学术带头人+骨干教师+青年教师梯队结构•聘请企业专家担任兼职教师，增强实践教学•定期开展教学研讨和培训，提升教学能力•鼓励教师参与国际交流，保持知识更新•实施双师型教师培养，提升工程实践能力创新教学方法突破传统教学模式局限，探索适合激光工程特点的教学方法翻转课堂学生课前自学基础知识，课堂聚焦难点讨论案例教学以工程实例为载体，分析设计思路和解决方案项目式学习完整经历项目全过程，培养综合能力多学科交叉教学融合光学、电子、材料等多学科知识激发学生创新能力的教学方法启发式课堂互动通过精心设计的问题引导学生思考，培养批判性思维•设置层层递进的问题链，引导学生发现规律•鼓励学生质疑和挑战现有理论•组织小组讨论和辩论，激发思维碰撞•采用苏格拉底式提问法，深化理解创新型实验设计打破传统验证性实验模式，增加开放性和创新性•设置开放性实验目标，允许多种解决方案•鼓励学生自主设计实验方案•引入竞争机制，如最高效率、最低成本挑战•允许失败，引导学生从错误中学习工程实践项目通过真实项目培养综合工程能力•与企业合作开展实际工程项目•组织学生参与教师科研项目•鼓励学生参加各类创新创业竞赛•支持学生自主立项开展创新研究激发创新能力的关键在于营造宽松、开放的教学氛围，尊重学生的个体差异和创新尝试教师应从知识传授者转变为学习引导者，更多关注能力培养而非知识灌输同时，建立科学的评价机制，不仅关注结果，更重视过程和创新思维的展现学科交叉与复合型人才培养激光与信息科学交叉激光与材料科学交叉激光与生物医学交叉激光与信息科学结合形成了光信息处理、光通信、激光与材料科学交叉形成激光材料加工、激光制造、激光与生物医学交叉形成生物光子学、激光医疗等光存储等重要领域培养方案应加强激光物理基础材料改性等领域培养方案应融合激光工程与材料新兴领域培养方案应结合激光技术与生物学、医与信息论、信号处理、通信原理等学科的交叉融合科学、冶金工程、机械制造等知识例如培养熟学、生物材料等学科例如培养掌握激光诊断成例如光纤通信系统设计、全息存储技术、光学计悉激光增材制造、激光表面处理、激光微纳加工等像、光动力治疗、激光手术等技术的医工交叉人才算等方向的复合型人才培养技术的复合型人才产学研用一体化培养案例某大学激光专业采用产学研用一体化培养模式产与多家激光企业共建实习基地，学生定期进入企业参与实际项目学校企共同设计课程体系，企业工程师参与授课，引入真实案例研学生早期进入教师科研团队，参与前沿研究，培养科研能力用以市场和产业需求为导向，培养解决实际问题的应用能力这种模式培养的学生既有扎实理论基础，又有实际工程经验，毕业后能快速适应工作岗位，深受企业欢迎前沿技术与未来展望激光与量子技术融合激光在量子信息处理中扮演关键角色，主要体现在•量子比特操控利用激光实现量子态的精确控制和读取•量子通信基于激光的量子密钥分发系统已实现卫星级应用•量子精密测量利用量子相干特性提高激光测量精度•量子模拟器利用冷原子阵列构建量子模拟系统激光与人工智能结合人工智能技术正深刻改变激光工程的多个方面•激光参数智能优化机器学习加速工艺参数调优•加工路径自动规划AI算法优化切割焊接轨迹•激光系统故障预测基于大数据的预测性维护•激光医疗智能诊断辅助激光治疗决策与方案制定阿秒激光技术阿秒10^-18秒激光代表着人类对超快过程的探索前沿•电子动力学研究直接观测电子在原子中的运动•超快化学反应研究捕捉化学键形成与断裂瞬间•新型光电器件开发突破传统电子器件速度限制•超高时间分辨光谱开创物质研究新维度超强激光发展趋势国际上正在建设多个超强激光装置，功率达拍瓦10^15瓦级•实现超高能量密度物理研究•模拟恒星内部等极端条件•探索激光核聚变新路径•粒子加速与辐射源应用未来激光工程师核心能力创新思维跨学科视野与突破性思考1综合应用能力2系统集成、工程实施、项目管理实际操作技能3设计、装调、测试、故障诊断、优化改进专业理论基础4激光物理、光学、材料科学、电子学、信息技术未来激光工程师必须具备扎实的多学科理论基础，但更重要的是将知识转化为解决实际问题的能力随着技术的快速发展，持续学习能力和创新思维将成为核心竞争力理论与实践结合跨学科项目经验数字化与智能化素养未来激光工程师需要平衡理论深度和实践广度，既激光技术的交叉属性要求工程师具备跨学科协作能随着数字化转型加速，激光工程师需要掌握计算机要理解物理机制，又要熟悉工程实现应掌握激光力通过参与融合多技术领域的综合项目，培养沟模拟、数据分析、人工智能等数字工具能够利用系统的设计、调试、测试全流程，能独立解决复杂通协调和团队合作能力例如激光医疗设备开发需数字孪生技术进行系统优化，应用机器学习算法处技术问题随着激光应用领域不断拓展，工程师还要同时理解光学、医学和软件控制；激光加工系统理复杂激光工艺参数，实现智能化生产和预测性维需具备将激光技术与特定应用场景结合的能力设计需要结合材料科学、机械工程和自动化技术护考核与评价体系设计多元化评价体系激光工程课程应摒弃单一考试评价模式，建立全方位、多元化评价体系理论知识评价（）30%•平时测验课堂小测、章节测验•期中考试基础概念和原理•期末考试综合应用与分析实验能力评价（）40%•实验操作规范性评价•实验数据分析能力•实验报告质量•实验设计创新性项目实践评价（）30%•方案设计合理性•项目实施过程•最终成果展示•团队协作表现创新实践能力评价方法针对创新实践能力的评价应采用多样化方法过程性评价全程记录学生项目进展，重视解决问题的思路和方法作品评价通过实物作品、设计方案、研究报告等成果展示能力答辩评价通过项目答辩考察学生的表达能力和专业深度同行评价引入学生互评机制，培养评价和反思能力企业评价邀请行业专家参与评价，增加实践相关性推荐教材与学习资源经典教材推荐以下教材被广泛认可，可作为课程学习的主要参考《激光原理》，周炳琨、高以智、陈倜嵘著，国防工业出版社《激光物理学》，贾宝贤著，电子工业出版社《激光技术》，朱晓军等著，高等教育出版社《激光加工技术》，张建早著，化学工业出版社《》，著Fundamentals ofPhotonics B.E.A.SalehM.C.Teich《》，著Laser PhysicsPeter W.MilonniJoseph H.Eberly前沿论文与期刊关注以下期刊可了解激光领域最新研究进展《》光学领域综合性高影响因子期刊Optics Express《》应用物理快报，包含大量激光应用研究Applied PhysicsLetters《》激光与光子学专业评述期刊LaserPhotonics Reviews《光学学报》中国光学领域权威期刊《中国激光》国内激光研究与应用专业期刊网络资源与在线课程互联网上有丰富的激光工程学习资源中国大学多所高校开设的激光原理与应用课程MOOC平台《》等课程Coursera Fundamentalsof Opticsand Photonics全面的光子学与激光技术百科RP PhotonicsEncyclopedia激光加工网行业资讯与技术论坛国际光学工程学会数字图书馆SPIE DigitalLibrary行业标准与规范了解以下标准对从事激光工程工作至关重要激光产品安全国际标准IEC60825激光产品的安全要求（中国标准）GB7247激光光束参数测试方法ISO11146激光安全使用标准（美国标准）ANSI Z136激光加工设备通用技术条件GB/T9448课程总结与展望基础理论关键技术掌握激光物理基本原理，包括受激辐射、粒子数反转、谐振腔理论等熟悉激光调制、脉冲控制、光束整形等核心技术掌握激光测量、激光理解不同类型激光器的工作机制与特性差异，为深入学习和创新应用奠加工、激光通信等主要应用领域的技术原理，形成系统的技术认知定基础未来发展工程应用关注前沿技术发展趋势，包括超快激光、高功率激光、量子激光等了3理解激光系统设计、集成与优化的工程思想学会从需求分析到参数选解激光与人工智能、生命科学、新材料等领域的交叉融合，把握未来发择，从方案设计到系统实现的全流程，培养解决实际问题的能力展方向行业发展与个人成长建议激光产业正处于快速发展期，正向高功率、短脉冲、高精度、智能化方向发展作为激光工程领域的未来人才，建议•保持终身学习习惯，持续关注前沿技术发展•培养跨学科视野，尤其是与人工智能、量子技术、生物医学等新兴领域的交叉点•注重理论与实践结合，积极参与实际项目•关注行业动态，了解市场需求变化•培养国际视野，积极参与国际交流与合作。