激光的教学课件

激光技术教学课件欢迎来到激光技术教学课程本课件涵盖激光物理基础与应用技术的全面内容，共张幻灯片，构成一个综合性教程课程设计适用于高等教育机构的50物理、光学、电子工程专业学生，以及激光技术相关行业的专业培训通过本课程的学习，您将掌握激光产生的基本原理、不同类型激光器的特性与工作机制，以及激光在工业、医疗、通信等领域的广泛应用我们还将探讨激光安全防护和最新的激光技术发展趋势课程概述激光基本原理与物理基础探索光的本质、量子理论、受激辐射和粒子数反转等激光产生的物理机制激光器类型与特性详细介绍各种激光器的工作原理、结构特点和应用范围激光应用技术与工艺讲解激光在工业加工、医疗、通信和测量等领域的实际应用实验演示与案例分析通过实际案例和实验演示加深对理论知识的理解第一部分激光的基本原理激光产生的物理机制探讨量子能级、受激辐射及粒子数反转等关键概念光的本质与特性理解光作为电磁波和粒子的双重性质及其基本特性激光与普通光源的区别分析激光的单色性、相干性、方向性和高亮度等独特特性激光的基本原理部分是理解整个激光技术的基础我们将从光的基本性质出发，逐步探索激光产生的量子物理机制，并通过对比分析帮助您深入理解激光光源的独特优势光的本质电磁波理论波粒二象性基本参数光是一种电磁波，由振荡的电场和磁场光既表现出波动性（干涉、衍射），又光的基本参数包括频率ν、波长λ和强组成这些场相互垂直，并且都垂直于表现出粒子性（光电效应）这种双重度I它们之间存在关系c=λν，其传播方向光的传播速度在真空中约为性质在量子力学中得到了解释，光子是中c为光速不同波长的光构成了从射线299,792,458米/秒光的基本粒子到无线电波的电磁波谱理解光的本质对于掌握激光原理至关重要光谱与色彩的关系体现在可见光谱中，不同波长对应不同颜色，从红色到紫色700nm这些基本知识为我们理解激光的特性奠定了基础400nm激光的物理基础粒子数反转高能级粒子数超过低能级，是激光产生的必要条件自发辐射与受激辐射受激辐射产生相干光子，是激光的核心机制能级与能级跃迁原子在不同能量状态间的转变释放能量量子理论基础解释微观粒子行为的物理学分支激光物理基础建立在量子理论之上，描述了原子内电子的能级结构和跃迁规律当电子从高能级跃迁到低能级时，会释放能量，通常以光子形式辐射这种辐射可以是自发的，也可以是受外部光子刺激而产生的受激辐射理解这些基本概念对掌握激光工作原理至关重要粒子数反转的实现是激光器设计的核心挑战，需要特殊的泵浦机制来打破热平衡状态下的能级分布粒子数反转热平衡状态下的能级分布实现粒子数反转的条件在热平衡状态下，根据玻尔兹曼分布，要实现粒子数反转，必须打破热平衡状低能级粒子数量总是多于高能级这种态，使高能级粒子数超过低能级这需自然分布遵循公式N₂/N₁=exp[-要外部能量输入（泵浦）和合适的能级E₂-E₁/kT]，其中N代表粒子数，E结构如果直接在工作能级间泵浦，很代表能级，k为玻尔兹曼常数，T为温难实现反转，因此通常采用多能级系度统三能级与四能级系统是两种常见的实现粒子数反转的结构，其中四能级系统更容易实现反转，因为其下激光能级通常几乎是空的泵浦机制是向激光工作物质提供能量，使电子从基态跃迁到激发态的过程常见的泵浦方式包括光学泵浦、电子碰撞泵浦和化学反应泵浦等不同激光器采用不同的泵浦机制，这直接影响到激光器的效率和输出特性受激辐射原理爱因斯坦、系数受激辐射的量子理论描述A B爱因斯坦引入三个过程来描述光与当处于激发态的原子与能量等于能物质相互作用吸收（B₁₂系级差的光子相遇时，光子可以诱导数）、自发辐射（A₂₁系数）和原子释放另一个完全相同的光子，受激辐射（B₂₁系数）在热平这就是受激辐射产生的新光子与衡状态下，这些系数满足关系入射光子具有相同的频率、相位、A₂₁/B₂₁=8πhν³/c³，偏振方向和传播方向₁₂₂₁B=B相干性的物理解释受激辐射产生的光子与入射光子完全同步，这是激光相干性的物理基础相干意味着光波的相位关系保持一致，这使得激光能够产生干涉图样并传播到远距离而不发散受激辐射与自发辐射的主要区别在于，自发辐射是原子随机释放光子的过程，产生的光子方向和相位都是随机的；而受激辐射产生的光子与诱导这一过程的光子完全相同，这是激光光束方向性好、相干性高的根本原因激光谐振腔谐振腔的基本结构激光谐振腔通常由两面反射镜组成，一面是全反射镜（反射率接近），另100%一面是部分反射镜（输出耦合镜）工作物质放置在两镜之间，形成光学谐振系统光在谐振腔中的传播受激辐射产生的光子在谐振腔中来回反射，每次通过增益介质都会引发更多的受激辐射，使光强不断增强当增益大于损耗时，激光振荡建立部分光从输出耦合镜射出，形成激光输出稳定性条件与损耗机制谐振腔的稳定性由两面镜的曲率半径和距离决定，需满足0≤g₁g₂≤，其中₁₁，₂₂腔内损耗包括镜面吸收和散1g=1-L/R g=1-L/R射、衍射损耗、介质吸收等，这些因素共同影响激光的阈值和效率谐振腔的设计对激光性能有重要影响不同形状的谐振腔（平行平面腔、共焦腔、共心腔等）具有不同的稳定性和模式特性谐振腔的长度也决定了激光的纵模结构，这与激光的线宽和相干性密切相关激光特性单色性（窄线宽）相干性方向性与高亮度激光的频谱宽度很窄，波长范围集中，表激光具有极高的时间相干性和空间相干激光束具有极小的发散角，能量高度集现为极高的单色性这是由受激辐射机制性时间相干性反映光波在时间上保持固中这种方向性使激光能够传播到很远距和谐振腔的选模作用共同决定的单色性定相位关系的能力，与线宽成反比；空间离而能量损失小结合高功率，激光可达通常用线宽或来表征，高质量激光相干性表示不同空间点光场的相位关系，到极高的亮度，即单位立体角、单位面积ΔλΔν器的线宽可达纳米甚至皮米量级使激光能产生明锐的干涉图样的功率密度，远超常规光源这些独特特性使激光在科学研究、工业加工、医疗、通信等领域有广泛应用例如，单色性使激光适合精密光谱分析；高相干性使激光成为干涉测量的理想光源；良好的方向性和高亮度使激光能够精确切割材料和远距离传输信息单色性自然线宽与多普勒加宽激光线宽受多种因素影响自然线宽源于受激态的有限寿命，由海森堡不确定原理决定多普勒加宽源于气体激光器中原子的热运动，粒子的不同速度导致辐射频率的微小变化谐振腔对光谱的选择作用谐振腔通过纵模选择机制提高单色性腔中只有频率满足条件ν=nc/2L的光才能形成驻波（n为整数，L为腔长），这显著减小了输出激光的线宽单模激光器实现单色性的方法通过增加频率选择元件（如法布里-珀罗干涉仪、光栅、棱镜）可以进一步提高单色性单纵模激光器通常采用短腔设计，使模式间隔大于增益带宽，实现单一频率输线宽测量技术出激光线宽的测量通常采用干涉法或外差法高精度测量可使用法布里-珀罗干涉仪或光外差技术，后者能够分辨赫兹量级的线宽变化激光的单色性对许多应用至关重要，例如高分辨光谱学、激光冷却和精密光学测量不同应用对线宽的要求不同，从兆赫兹到亚赫兹不等理解影响线宽的因素有助于为特定应用选择或优化激光器相干性分析时间相干性与相干长度空间相干性与相干面积相干性的评价与提高时间相干性描述光波在不同时刻相位关系的保空间相干性反映光波在不同空间点的相位关相干性通常通过干涉实验评价，如迈克尔逊干持能力相干时间τc与线宽Δν成反比τc≈系高空间相干性使激光能在远距离形成干涉涉仪测量时间相干性，杨氏双缝实验评估空间1/Δν相干长度Lc=c·τc表示光束传播的距条纹相干面积Ac表示光场中保持固定相位关相干性提高相干性的技术包括频率稳定化、离，在此距离内波保持相位关系，典型的激光系的横向范围，与光源的几何尺寸和发散角有模式净化和谐振腔优化，例如单模光纤可显著相干长度可达数米至数公里关提高空间相干性激光的高相干性使其成为干涉测量、全息成像和光通信的理想光源不同应用对相干性的要求不同，例如激光干涉测量需要高时间相干性，而激光全息需要良好的空间相干性深入理解相干性有助于选择合适的激光器并优化实验设计方向性λ

0.3mrad

1.22/D典型激光发散角衍射极限普通氦氖激光器的发散角约为

0.3毫弧度，远小理论最小发散角公式，λ为波长，D为光束直径于常规光源1-3光束质量因子M²实际激光束与理想高斯束的偏差度量，值越接近1越好激光的良好方向性源于受激辐射的定向性和谐振腔的几何选择作用发散角θ定义为光束半径随传播距离增加的角度，通常以毫弧度mrad表示影响发散角的因素包括谐振腔设计、工作物质的均匀性、热效应和衍射极限等准直技术可以进一步减小发散角，常用的方法包括透镜组、反射式望远镜系统和空间滤波良好的方向性使激光能够在远距离保持高能量密度，这对激光雷达、激光通信和激光加工等应用至关重要高亮度特性亮度定义与计算激光亮度定义为单位面积、单位立体角的功率，计算公式为B=P/A·Ω，其中P为功率，A为横截面积，Ω为立体角亮度是描述光源质量的重要参数，单位通常为W/m²·sr根据激光光学原理，理想激光束的亮度与波长λ的平方成反比这表明短波长激光在相同功率下可获得更高亮度光源类型典型亮度W/cm²·sr相对值普通灯泡1001氙灯10⁴10²氦氖激光器10¹⁰10⁸CO₂激光器10¹²10¹⁰高功率固体激光器10¹⁴10¹²第二部分激光器类型按工作模式分类按输出功率分类连续激光器、脉冲激光器、Q开关激光低功率1W、中功率1-100W、高器、锁模激光器功率100W-10kW、超高功率10kW按工作物质分类按波长分类气体激光器、固体激光器、半导体激光紫外激光器、可见光激光器、红外激光器、液体激光器、光纤激光器器、远红外激光器4激光器的分类方法多种多样，反映了激光技术的丰富多样性不同类型的激光器有各自的特点和适用范围，例如气体激光器波长稳定但体积较大，半导体激光器体积小、效率高但光束质量较差了解各种激光器的特性有助于根据具体应用选择最合适的激光器在接下来的几节中，我们将详细介绍各种典型激光器的工作原理、结构特点和主要应用气体激光器氦氖激光器（）激光器（）

632.8nm CO₂

10.6μm最早发明的连续激光器之一，采用氦-利用CO₂分子振动能级跃迁，输出波氖混合气体作为工作物质通过电激长为

10.6μm的中红外激光采用放电励，能量从氦原子传递到氖原子，实现激励，通常添加N₂和He以提高效率粒子数反转主要输出波长为结构有低速轴流式、横流式和密封管式

632.8nm（红色），也可以产生等优点是效率高（可达20%）、功率

543.5nm（绿色）和

1.15μm（红大（可达数十千瓦），广泛应用于工业外）特点是稳定性好、相干性高，常切割、焊接和表面处理用于光学实验、全息和干涉测量准分子激光器（紫外波段）利用惰性气体与卤素形成的亚稳态分子（如KrF、ArF、XeCl）作为工作物质，输出紫外激光工作寿命短，只能脉冲运行输出波长范围为193-351nm，脉冲能量可达数焦耳因紫外光能量高，可用于光刻、眼科手术和材料微加工气体激光器具有波长稳定、线宽窄、光束质量好等优点，但体积通常较大，效率相对较低（CO₂激光器除外）不同气体激光器适用于不同应用场景，例如氦氖激光器适合精密测量，CO₂激光器适合高功率材料加工，准分子激光器适合精细微加工和医疗应用固体激光器红宝石激光器钕激光器:YAG历史上第一个实现的激光器，工作物质是掺铬的氧化铝晶体（红宝石）采用三能级系统，闪最常用的固体激光器，工作物质是掺钕的钇铝石榴石晶体采用四能级系统，输出波长光灯泵浦，输出波长

694.3nm特点是能量存储能力强，适合产生高能脉冲，但效率低，热1064nm，可通过倍频得到532nm、355nm和266nm光泵浦方式有闪光灯和半导体激光效应明显，现已较少使用器两种优点是结构紧凑、输出稳定、寿命长，广泛应用于材料加工、医疗和科研固体激光器的泵浦方式对其性能有重要影响闪光灯泵浦简单但效率低、热效应大；半导体激光器泵浦（DPSS）效率高、热效应小，但成本较高此外，掺铒光纤激光器（

1.55μm）、掺钛蓝宝石激光器（可调谐，680-1100nm）等也是重要的固体激光器类型，各有特点和应用领域半导体激光器结原理能带结构激射阈值PN半导体激光器基于PN结中的电子-激光波长由半导体的能带间隙决只有当注入电流超过阈值，增益才空穴复合发光当正向偏置电压使定λ=hc/Eg通过选择不同材能克服损耗，实现激光振荡典型电子和空穴注入到有源区，它们复料（如GaAs、InP、GaN）或调阈值电流密度为1-5kA/cm²，工合产生光子，形成辐射跃迁整合金成分，可获得从紫外到远红作电流通常为阈值的

1.2-2倍外的不同波长器件结构主要有边发射型（EEL）和面发射型（VCSEL）两类边发射型输出功率大，但发散角大；面发射型发散角小，易于二维阵列集成，但功率较低半导体激光器具有体积小、效率高（可达50%）、寿命长、直接电调制等优点，但光束质量和相干性通常不如其他类型激光器它们广泛应用于光通信、光存储、激光打印、条码扫描、激光指示和泵浦源等领域随着材料科学和微纳加工技术的发展，量子阱、量子线和量子点激光器等新型半导体激光器不断涌现，性能持续提高液体激光器有机染料激光器利用有机染料分子的荧光跃迁，工作物质通常是溶解在乙醇或丙酮中的染料分子（如罗丹明6G、香豆素等）染料分子具有宽广的荧光光谱，使激光器具有良好的可调谐性能染料激光器的泵浦源通常是另一种激光器（如氮激光器、倍频YAG激光器）或闪光灯通过改变溶液浓度、温度或在谐振腔中加入频率选择元件（如光栅），可调节输出波长可调谐性能工作条件与限制应用领域染料激光器的突出优势是波长可在宽范围内连续调染料溶液需要不断循环以防止热效应和光化学分解主要应用于高分辨光谱学、激光同位素分离、非线性谐单种染料可调范围通常为30-100nm，通过更染料分子寿命有限，需定期更换操作复杂，维护成光学研究和特定医疗领域随着钛蓝宝石等固体可调换染料可覆盖320-1200nm的整个可见光和近红外本高，且使用的有机溶剂通常有毒或易燃，需特别注谐激光器的发展，染料激光器应用有所减少，但在某区域这使它成为光谱学研究的理想工具意安全些特定波长范围仍有独特优势光纤激光器基本结构光纤激光器的增益介质是掺杂稀土元素的光纤芯泵浦方式通常使用半导体激光器端面或侧面泵浦功率扩展采用主振荡功率放大MOPA结构提高输出功率高质量输出光束质量好，热效应小，效率高光纤激光器是近年来发展最快的激光器类型之一，其核心是掺杂稀土元素（如铒、镱、铥）的石英光纤这些元素提供激光所需的能级结构，而光纤的波导结构使光束在长距离传输中保持良好的空间模式光纤激光器的优势包括热散布效率高，几乎没有热透镜效应；输出光束质量极佳，接近衍射极限；整体效率高，可达30-40%；结构紧凑，便于集成；维护简单，使用寿命长（100,000小时）这些特点使光纤激光器在材料加工、医疗、通信和军事等领域越来越受青睐，正逐步替代传统激光器特种激光器自由电子激光器利用相对论性自由电子束在周期性磁场中产生的受激辐射与传统激光器不同，它不依赖于固定的量子能级，波长可在很宽范围内调节（从微波到X射线）需要大型加速器设备，体积庞大，成本高昂，主要用于科学研究、材料表征和医学成像射线激光器X工作在X射线波段（

0.1-10nm）的特殊激光器，通常利用等离子体作为增益介质实现方式包括高能激光泵浦等离子体和自由电子激光机制产生X射线激光的技术挑战很大，需要极高能量密度主要应用于高分辨生物成像、衍射分析和极端物理研究太赫兹激光器工作在太赫兹波段（

0.1-10THz，波长30μm-3mm）的激光源实现方式包括量子级联激光器、光参量振荡器和光混频等太赫兹辐射能穿透非金属材料但不会像X射线那样损伤生物组织，适用于安全检查、医学成像和分子光谱学这些特种激光器代表了激光技术的前沿发展方向，尽管目前大多仍处于实验室研究阶段，但它们为特定波段的相干辐射提供了独特解决方案，开辟了激光应用的新领域随着技术进步，它们的性能将不断提高，应用范围不断扩大激光工作模式连续输出1激光功率随时间保持恒定的模式开关技术Q通过调制谐振腔Q值产生纳秒量级高峰值功率脉冲锁模技术通过相位锁定纵模产生皮秒或飞秒超短脉冲超短脉冲激光脉宽从皮秒到阿秒量级，峰值功率极高连续输出激光CW适用于需要稳定光功率的应用，如光通信和精密测量Q开关激光器通过快速调制腔内损耗，在短时间内释放存储能量，产生高峰值功率脉冲（通常为10⁶-10⁹W），常用于激光加工和激光雷达锁模技术是产生超短脉冲的关键它使谐振腔内的纵模保持固定相位关系，形成时间上高度集中的脉冲常用的锁模方法包括主动锁模（声光或电光调制）和被动锁模（可饱和吸收体）超短脉冲激光具有极高的峰值功率和时间分辨率，在微加工、非线性光学和超快光谱学中有重要应用第三部分开放式光腔与高斯光束光腔基本概念开放式光腔是激光器中光波往返振荡的结构，由两个或多个反射镜组成与封闭谐振腔不同，开放式光腔有一部分能量向外辐射，这种衍射损失是影响激光器性能的重要因素光腔的核心参数包括镜面曲率半径、镜间距离、反射率和损耗这些参数决定了光腔的稳定性、损耗和模式特性光腔分析通常采用几何光学或波动光学方法，前者更直观，后者更精确高斯光束特性模式结构非稳腔简介高斯光束是开放谐振腔中最基本的模式，其横向光强除基本高斯模式外，开放腔还支持高阶模式，如厄米非稳定谐振腔是一种特殊设计，光束在腔内不形成闭分布遵循高斯函数这种光束具有最小的发散角，传-高斯模式和拉盖尔-高斯模式这些模式具有不同合路径，而是逐渐扩大并从腔内溢出这种设计在高播过程中光强分布保持高斯形状，只是光束宽度会随的横向光强分布和传播特性，通过合适的腔内元件可功率激光器中有优势，可避免热效应和光学损伤距离变化进行模式选择共轴球面腔实际应用实用激光器中的优化设计与参数选择矩阵分析ABCD用于光束传播计算的数学工具稳定性条件3确保光束能在腔内长期存在的几何关系球面腔的几何参数曲率半径、镜间距离等基本参数共轴球面腔是最常见的激光谐振腔形式，由两个曲率半径分别为R₁和R₂的球面镜组成，镜面间距为L腔的稳定性由参数g₁=1-L/R₁和g₂=1-L/R₂决定，满足0≤g₁g₂≤1时，腔是稳定的，光束可以在腔内长期存在ABCD矩阵是分析光束在光学系统中传播的强大工具对于谐振腔，当光束一个往返后重现自身，即成为模式此时，高斯光束参数满足自洽方程，可以求得腔内光束束腰位置和大小常见的光腔结构包括平行平面腔g₁=g₂=

1、共焦腔g₁=g₂=

0、共心腔g₁=g₂=-1和半共焦腔g₁=1,g₂=0等，各有特点和应用高斯光束光腔模式横向模式与纵向模式模式选择与单模激光器激光谐振腔支持两类模式横向模式TEMmn描述光束横截面上的场分布；纵多模激光器的输出包含多个横向和纵向模式，稳定性和相干性较差通过在腔向模式描述光沿腔轴传播的驻波图样，决定激光频率TEMmn中，m和n是横内加入光阑可抑制高阶横向模式；通过缩短腔长或加入频率选择元件可实现单向模式指数，表示在x和y方向上的节点数纵模运转TEM₀₀是最基本的模式，即高斯模式，具有最好的光束质量和最小的发散单模激光器只输出TEM₀₀模式和单一频率，具有最佳的空间相干性和时间相角高阶模式有更复杂的强度分布，发散角更大，在某些特殊应用中有用干性，适用于干涉测量、全息和精密光谱学等应用设计单模激光器需要综合考虑谐振腔几何结构、增益介质特性和频率选择机制第四部分电磁场和物质的共振相互作用速率方程模型增益系数分析速率方程是描述激光系统中粒子数谱线加宽机制激光增益是受激辐射超过吸收的净和光子数动态变化的数学模型通光与物质相互作用基础实际的原子或分子能级跃迁不是单效应，通常用增益系数表示增益过求解速率方程，可以预测激光器光与物质相互作用是激光物理的核一频率，而是在中心频率周围有一系数与粒子数反转、跃迁偶极矩和的阈值条件、输出功率和动态行心内容在量子力学框架下，这种定宽度的分布这种谱线加宽源于线型函数相关在高光强下，增益为，是激光器设计的重要理论工相互作用表现为光子与原子或分子多种机制，包括自然加宽、多普勒会出现饱和现象，这是激光输出功具能级之间的能量交换根据相互作加宽和碰撞加宽等理解这些加宽率限制的重要因素用结果，可分为吸收、自发辐射和机制对分析激光增益特性至关重受激辐射三种基本过程要谱线加宽自然加宽多普勒加宽碰撞加宽自然加宽源于量子力学的不确定性原理激发气体中原子或分子因热运动具有不同速度，导原子间碰撞扰动能级，缩短相干时间，导致谱态具有有限寿命τ，导致能级具有不确定性ΔE致辐射或吸收频率发生多普勒位移对于温度线加宽碰撞加宽产生洛伦兹线型，线宽与气≈ħ/τ，对应频率不确定性Δν≈1/2πτ自然T、原子质量M的气体，多普勒加宽产生高斯体压力成正比在高压气体激光器（如大气压加宽产生洛伦兹线型，线宽通常为MHz量级，线型，线宽Δν_D≈

7.16×10⁻⁷ν₀√T/M，CO₂激光器）中，碰撞加宽是主导机制在大多数情况下被其他加宽机制掩盖通常为GHz量级，是气体激光器中的主要加宽机制均匀与非均匀加宽的区别在于谱线加宽是否对所有原子相同均匀加宽（如自然加宽、碰撞加宽）使所有原子表现相同的线型；非均匀加宽（如多普勒加宽）源于不同原子群体的特性差异这一区别对激光增益饱和特性有重要影响均匀加宽介质在单一频率激光作用下可能完全饱和，而非均匀加宽介质只有部分原子群体会饱和，其他群体仍有增益激光增益速率方程四能级激光器速率方程稳态解与动态解四能级激光器的速率方程描述了各能级粒子数和腔内光子数的时间演稳态解假设所有导数为零，可求出稳定工作时的粒子数和光子数动变态解研究系统的时间演变，可预测激光启动过程、弛豫振荡和调制响应等动态行为阈值条件表示增益刚好等于损耗的临界点，可以数学表示为其中是总粒子数在阈值以上，输出功率与泵浦功率的关N_t PP_p系近似为线性其中是斜率效率，是阈值泵浦功率η_{slope}P_{th}其中是泵浦率，是各能级寿命，是爱因斯坦系数，是光子数R_pτBφ密度，是光子寿命τ_c第五部分激光振荡特性激光阈值条件振荡模式选择1激光开始振荡的临界点，增益等于损耗控制激光的频率和空间特性频率特性输出功率与能量激光的精确波长和稳定性决定激光器性能的关键指标激光振荡是激光器产生稳定输出的核心过程它始于受激辐射产生的初始光子，这些光子在谐振腔内来回反射，每次通过增益介质都会引发更多受激辐射当增益足够大，能够克服所有损耗时，光子数量开始指数增长，最终达到饱和状态，形成稳定振荡振荡特性包括阈值行为、模式选择、输出功率特性和频率特性等方面这些特性由激光介质、谐振腔设计和外部条件共同决定通过调整这些参数，可以优化激光器的性能，满足不同应用的需求本部分将详细讨论这些特性及其调控方法激光振荡阈值阈值条件的物理意义影响阈值的因素激光阈值是增益刚好等于损耗的临界点，阈值受多种因素影响增益介质特性（如表示为g·l=δ，其中g是增益系数，l是增受激辐射截面、量子效率）、泵浦效率、益介质长度，δ是单程损耗（包括输出耦腔镜反射率、腔内损耗和温度等对于四合、衍射、吸收和散射损耗）在阈值以能级系统，阈值泵浦功率P_th与腔内损下，自发辐射占主导；在阈值以上，受激耗δ成正比，与增益介质体积V和荧光寿辐射成为主要过程，激光输出迅速增长命τ_f成反比P_th∝δV/τ_f降低阈值的技术方法降低阈值的方法包括优化谐振腔设计减少损耗；选择高效增益介质和泵浦方式；提高泵浦光与增益模式的重叠度；控制工作温度减少热效应特殊设计如波导结构和微腔可显著降低阈值，使微瓦级激光器成为可能阈值测量是表征激光器性能的基本步骤常用方法包括输出功率与泵浦功率关系曲线（L-P曲线）测量、谱线窄化观测和边发射光谱分析等精确测量阈值对优化激光器设计和评估性能至关重要不同类型激光器的阈值特性差异很大例如，半导体激光器阈值电流密度在千安/平方厘米量级；气体激光器阈值功率在瓦特量级；固体激光器阈值受增益开关效应影响显著理解这些特性有助于选择合适的激光器类型和工作参数激光振荡模式单模与多模振荡激光可在单一模式或多个模式下振荡单模激光只有一个纵模和一个横模TEM₀₀振荡，具有最窄的线宽和最高的相干性；多模激光有多个纵模和/或横模同时振荡，输出光谱更宽，相干性较差模式数量取决于增益带宽、谐振腔长度和选模机制模式竞争在均匀增益介质中，不同模式共享相同的增益资源，强模会抑制弱模，最终可能只有一个最强模式存在，这称为模式竞争在非均匀增益介质中，不同模式可利用不同的增益资源，多模振荡更容易维持模式竞争导致的功率波动是激光器噪声的重要来源模式选择与锁定模式选择技术通过引入波长选择性元件控制振荡模式常用方法包括增加腔内光阑抑制高阶横模；使用光栅、棱镜或法布里-珀罗干涉仪选择纵模；采用短谐振腔增大模式间隔模式锁定是使多个纵模保持固定相位关系的技术，可产生超短脉冲主要方法有主动锁模（声光或电光调制器）和被动锁模（可饱和吸收体）振荡模式的控制对许多应用至关重要例如，干涉测量、全息和精密光谱学需要单模激光；激光加工可能需要特定横模分布；超快光谱学需要模式锁定产生的超短脉冲了解振荡模式的特性和控制方法有助于为特定应用选择或设计最合适的激光器激光输出功率η激光效率衡量能量转换效率的关键参数，通常为5-30%ηP=P₀输出功率计算与泵浦功率和总效率相关的基本公式T最佳输出耦合透射率T需优化以获得最大输出功率P/ΔP功率稳定度输出功率波动的相对幅度，高质量激光器1%激光输出功率的计算涉及多个因素对于连续激光器，输出功率P=Pp-Pth·ηs·T/T+L，其中Pp是泵浦功率，Pth是阈值泵浦功率，ηs是斜率效率，T是输出镜透射率，L是腔内损耗这表明激光功率随泵浦功率线性增长，但有阈值限制优化输出耦合是获得最大输出功率的关键当T=√g₀L-L时（其中g₀是小信号增益），输出功率达到最大太低的透射率使大部分能量留在腔内；太高的透射率使增益不足以维持振荡功率稳定性受泵浦源波动、环境干扰和模式竞争影响，可通过电子反馈控制、主动腔长稳定和环境隔离改善功率放大技术包括主振荡功率放大MOPA和再生放大等，可将激光功率提高数个量级频率特性激光线宽频率牵引激光线宽是描述单色性的关键参数，表示激光频率分布的宽度理论频率牵引是指激光实际振荡频率偏离增益中心的现象在均匀增益介极限由量子噪声（肖特基极限）决定Δν≈πhνΔν²/P，对于质中，激光频率由谐振腔决定；在非均匀增益介质中，频率会被拉功率的可见光激光器约为量级向增益峰值1mW Hz实际线宽受多种因素影响，如腔长波动、温度变化、泵浦波动等不频率牵引效应由色散关系控制，可用公式表示ν=νc+νg-同类型激光器线宽差异很大气体激光器MHz量级，单模固体激光νc/1+α，其中νc是腔模频率，νg是增益中心频率，α是与增益带器kHz量级，特殊稳频激光器可达Hz以下宽有关的参数频率稳定技术可调谐激光提高频率稳定性的方法包括温度控制（亚mK量级）；机械可调谐激光器能在宽频率范围内调节输出波长主要类型包隔振减少腔长波动；主动反馈控制（如庞德德雷弗稳频）；括染料激光器（可见光和近红外，调谐范围约）；-100nm锁定到原子或分子跃迁线（如碘稳频）；被动腔（如超低膨胀钛蓝宝石激光器（650-1100nm）；外腔半导体激光器（调玻璃腔）最先进的激光频率稳定可达10⁻¹⁵以下的相对稳定谐范围约20-30nm）；量子级联激光器（中红外，调谐范围度约100cm⁻¹）调谐方法包括温度调节、电流调节、压电驱动和外部光栅角度调整等第六部分激光应用技术科学研究光谱学、量子光学、天体物理学医疗健康外科手术、皮肤治疗、眼科、诊断通信与信息光纤通信、数据存储、光学计算工业加工4切割、焊接、打标、3D打印、微加工测量与检测精密测距、干涉测量、遥感、雷达激光应用技术利用激光的独特特性解决各领域的实际问题激光加工利用高功率密度实现材料的精确切割、焊接和表面改性；激光医疗利用选择性光热效应和光化学效应进行无创或微创治疗；激光通信利用高频带宽实现大容量信息传输；激光测量利用高相干性和方向性实现前所未有的精度随着激光器性能的不断提高和新型激光器的出现，激光应用领域不断扩展超快激光开拓了飞秒科学；高功率激光推动了惯性约束核聚变研究；光频梳技术革新了精密频率测量了解这些应用技术的基本原理和发展趋势，有助于更好地利用激光解决科研和工程问题激光切割技术热切割机理激光切割主要利用激光束的高功率密度将材料加热至熔化或汽化温度根据材料特性和工艺需求，激光切割可分为熔化切割、气化切割和反应切割（助熔气体参与氧化反应提供额外热量）切割过程中，辅助气体吹走熔融物质，形成切缝激光切割系统2CO₂CO₂激光切割系统通常包括激光器、光路系统、聚焦头、辅助气体系统、工作台和数控系统光束通过反射镜或光纤传输，再由聚焦镜聚焦成小光斑（通常

0.1-

0.5mm）系统功率范围通常为500W-6kW，切割速度可达数十米/分钟，适用于金属和非金属材料切割参数优化3关键切割参数包括激光功率、切割速度、焦点位置、辅助气体类型和压力等优化这些参数需考虑材料特性、厚度和切割质量要求例如，切割厚钢板需高功率、低速度和氧气辅助；切割薄不锈钢则需中等功率、高速度和氮气保护，以避免氧化材料适应性与限制CO₂激光器适合切割碳钢（可达25mm）、不锈钢（可达15mm）、铝（可达10mm）、亚克力（可达30mm）等光纤激光器在切割反射性材料（如铜、铝）方面更有优势材料的热导率、反射率和熔点是影响切割效果的关键因素高反射、高导热材料切割难度大；易燃、易汽化材料需特别注意安全激光焊接焊接机理与特点激光焊接利用高功率密度激光束加热材料至熔融状态，冷却后形成牢固连接根据功率密度和焊接深度，可分为热传导焊接（10⁶W/cm²，浅熔深）和深熔焊接（10⁶W/cm²，形成钥匙孔效应）激光焊接的主要优势包括高能量密度，焊缝窄、热影响区小；非接触加工，无电极消耗；精度高，变形小；易于自动化和机器人集成；可焊接传统方法难以处理的材料组合常用激光焊接设备工艺参数控制质量监测与控制激光打标与雕刻打标机理与方法系统组成与控制工艺参数与应用案例激光打标通过激光与材料相互作用在表面形成永久典型激光打标系统包括激光器（CO₂、光纤、关键工艺参数包括激光功率、频率、脉宽、扫描速性标记主要机理包括热变色（改变材料表面颜YAG、紫外等）、光束导向系统（振镜或固定光度和光斑尺寸等参数设置需根据材料特性和打标色）、熔融（形成隆起或凹陷）、汽化（去除表层路）、聚焦镜、工作台和控制系统振镜系统利用要求确定例如，金属打标通常使用高功率、低频材料）和褪色（改变颜料分子结构）不同材料适高速旋转的镜面改变光束方向，实现高速打标；固率；塑料打标则使用低功率、高频率典型应用包用不同打标机理，如金属多采用热变色或熔融，塑定光路系统移动工件，精度更高控制系统包括硬括产品序列号和条码标记、工业零部件标识、电子料多采用碳化或熔融，纸张多采用碳化件（如振镜控制器）和软件（如图形处理和运动控元件标记、珠宝首饰个性化、广告礼品制作和艺术制软件）品雕刻等与传统打标和雕刻方法相比，激光打标具有非接触加工、精度高、永久性好、柔性大、无耗材、环保等优势随着激光器性能提升和控制系统发展，激光打标技术正向更高精度、更高速度和更多材料适应性方向发展激光打印3D数据准备13D模型转换为切片文件和路径规划粉末铺展均匀铺设金属或塑料粉末层激光选区熔化高功率激光按路径熔化选定区域逐层构建平台下降，重复铺粉和熔化过程选区激光熔化选区激光烧结SLM SLSSLM技术使用高功率激光（通常为光纤激光器，功率500W-1kW）完全熔化金属粉末工作SLS技术与SLM类似，但通常用于塑料粉末，激光能量较低，不完全熔化粉末，而是使粉末颗原理是在构建平台上均匀铺设一层金属粉末（厚度20-100μm），激光按照CAD模型定义的粒表面熔化并粘结在一起SLS更适合加工尼龙、聚酰胺和聚苯乙烯等聚合物材料，工艺温度路径扫描并完全熔化选定区域熔化后的金属冷却凝固，与下层结合平台下降一个层厚，再和能量要求较低SLS的优势在于可以处理多种塑料材料，不需要支撑结构，零件强度较好铺设新的粉末层，重复此过程直至完成整个零件激光3D打印的材料适应性广泛SLM可加工钛合金、不锈钢、铝合金、镍基合金等金属；SLS可加工各种工程塑料主要工艺挑战包括残余应力和变形控制、表面粗糙度改善、气孔减少和机械性能优化等随着激光器性能提升和工艺优化，激光3D打印正向更高效率、更好质量和更大尺寸方向发展激光医疗应用激光手术基本原理光动力疗法激光美容与安全防护激光手术利用激光的热效应、光化学效应或光机械效应光动力疗法PDT结合光敏剂和特定波长激光治疗癌症激光美容应用包括脱毛（755nm亚历山大激光或对生物组织进行切割、汽化、凝固或消融不同波长激和某些皮肤病光敏剂选择性积累在肿瘤组织中，被激1064nm Nd:YAG激光）、祛斑（532nm或光对不同组织的吸收特性不同，可实现选择性治疗常光激活后产生活性氧，破坏肿瘤细胞常用波长为1064nm）、嫩肤（Er:YAG或CO₂激分数激光）和纹用的医用激光包括CO₂激光器（

10.6μm，水强吸收，630-690nm，匹配光敏剂吸收峰PDT优势在于选择身去除（Q开关激光）医用激光安全防护至关重要，用于软组织切割）、Er:YAG激光器（

2.94μm，水吸性好、创伤小、可重复进行，主要用于皮肤癌、食道包括专用护目镜、控制区域划分、人员培训和设备维收峰，用于精确组织消融）、Nd:YAG激光器癌、肺癌等表浅肿瘤护根据国际标准，医用激光通常为3B或4类，需严格（1064nm，组织穿透性好，用于深层凝固）和准分子安全管理激光器（193nm，用于角膜屈光手术）激光通信自由空间光通信自由空间光通信FSO直接通过大气传输激光信号，无需光纤或其他介质系统由发射器（激光器、调制器、发射光学系统）、传输信道和接收器（接收光学系统、探测器、信号处理电路）组成FSO主要优势包括高带宽（可达数Gbps）、免许可频谱、安全性好（窄光束难以截获）和快速部署但受天气影响大，大雾、暴雨或沙尘暴会严重衰减信号典型应用包括建筑物间的最后一公里连接、临时通信链路和军事战术通信光源激光测量激光测距原理激光干涉测量激光多普勒测速激光测距基于飞行时间法（测利用激光的高相干性，基于光基于多普勒效应，通过分析从量激光脉冲往返时间）或相位波干涉原理进行精密测量典运动物体反射的激光频率偏移测量法（分析连续激光反射信型装置包括迈克尔逊干涉仪、测量速度激光多普勒测速仪号的相位差）飞行时间法适迈赫-曾德尔干涉仪和法布里-LDV可非接触测量物体表面速用于长距离（米至公里），精珀罗干涉仪干涉测量可实现度；激光多普勒流速仪LDA度厘米级；相位法适用于中短纳米甚至皮米级精度，用于尺可测量流体中粒子速度，分析距离，精度可达毫米或亚毫米寸校准、表面轮廓测量、位移流场特性这些技术广泛应用级激光雷达LiDAR扩展了测量和应变测量最先进的激于汽车测速、振动分析、流体测距原理，通过扫描获取三维光干涉引力波探测器可检测到力学研究和工业过程控制空间信息，广泛应用于地形测10^-18米量级的微小位移绘、自动驾驶和工业检测激光全息技术利用激光的相干性记录和重建物体的三维信息全息摄影通过记录参考光束和物体反射光束的干涉图样，可在重建时再现物体的完整波前信息全息技术应用于三维显示、信息存储、精密测量和安全防伪等领域数字全息和计算全息技术结合现代计算能力，进一步扩展了应用范围第七部分激光安全与防护激光危害分析激光安全等级防护措施激光对人体的主要危害包括眼睛损伤、皮肤损根据国际标准IEC60825，激光产品分为1-有效的激光安全防护包括工程控制（如外壳、伤和非光束危害（如电击、化学品、火灾）4类和子类1类和1M类安全，无需防护；2类联锁装置、光束挡板）、个人防护装备（如激眼睛是最易受激光损伤的器官，视网膜损伤尤和2M类（仅可见光）通过眨眼反射提供保光防护眼镜，根据波长和光密度选择）、管理为严重不同波长激光对眼睛的危害机制不护；3R类需要限制直视；3B类危险，需防止控制（如制定操作规程、指定激光安全官、进同可见光和近红外400-1400nm聚焦于直接照射；4类极危险，可能造成弥散反射伤行安全培训）紧急情况处理方案应包括急救视网膜，可能导致永久性视力损失；紫外和远害和火灾，需最严格防护分类基于可接近辐措施、事故报告程序和医疗应对方案红外主要伤害角膜和晶状体射极限AEL和最大允许照射量MPE安全规范与标准为激光安全提供了框架和指导主要国际标准包括IEC60825《激光产品的安全》和ANSI Z136系列标准中国相关标准包括GB7247《激光产品的安全》这些标准规定了激光分类、标签要求、测量方法和最大允许照射量等内容遵守这些标准和规范是确保激光安全的基础激光危害眼睛损伤机制皮肤损伤效应最大允许照射量与危害评估激光对眼睛的伤害取决于波长、功率密度和曝激光对皮肤的伤害包括热效应（烧伤、灼最大允许照射量MPE是人眼或皮肤可安全接光时间可见光和近红外激光400-伤）、光化学效应（如紫外激光导致的光敏反受的最大辐射水平，低于此值不会产生不良生1400nm最危险，因为眼睛会将其聚焦到视网应）和光机械效应（冲击波导致的组织损物效应MPE值取决于波长、曝光时间和组织膜上，放大光强约10⁵倍这些激光可导致视网伤）损伤程度取决于波长、功率密度、曝光类型，单位通常为J/cm²或W/cm²危害评估膜灼伤、黄斑损伤或视网膜出血紫外激光时间和皮肤色素紫外激光特别危险，可能导包括确定激光参数（波长、功率、光束直径、180-400nm和中远红外激光1400nm以致皮肤癌红外激光主要造成热损伤，可从轻发散角）、计算标称眼睛危害距离NOHD、上主要损伤角膜和晶状体，可能导致角膜炎、微红肿到严重烧伤，甚至组织炭化评估直接和散射危害、确定适当防护措施风白内障或角膜烧伤险评估应考虑正常操作和可能的异常情况激光安全等级等级描述最大输出功率示例防护要求1类本质安全≤

0.39mW633nm无特殊要求1M类对非光学仪器使用安全视波长而定避免使用光学仪器观察2类低功率可见激光，眨眼≤1mW400-700nm避免长时间凝视光束反射提供保护2M类同2类，但使用光学仪≤1mW400-700nm避免使用光学仪器观察器可能危险3R类中等风险，直视可能危1-5mW633nm防止直接眼睛曝露险3B类中高风险，直视危险5-500mW防护眼镜，控制区域4类高风险，直视和散射都500mW严格控制，完全防护危险激光等级划分的依据是可接近辐射极限AEL，即各等级的最大允许输出AEL值取决于波长、曝光时间和光束特性，由国际标准规定激光产品必须按照其最危险的潜在输出进行分类，即使正常工作时输出较低激光设备标识要求包括警告标签、说明标签和孔径标签标签应包含激光等级、波长、最大输出功率、脉冲持续时间（如适用）和制造商信息4类激光还需配备发射指示灯和紧急停止装置所有标识应使用规定的符号和文字，位置醒目，不易磨损防护措施工程控制工程控制是防止激光辐射伤害的首选方法，包括防护外壳，完全封闭激光光束路径；安全联锁装置，打开外壳时自动切断激光；钥匙控制，防止未授权使用；光束挡板和衰减器，在不需要时阻断光束；远程控制和监控系统，减少操作者暴露风险；光束终止器，安全吸收未使用的激光能量；通风系统，排出可能产生的有害气体或烟雾个人防护装备个人防护装备PPE是工程控制的补充，主要包括激光防护眼镜，根据激光波长和光学密度OD选择，必须标明保护波长范围和OD值；皮肤防护，如手套、实验服或特殊防护服，防止高功率激光对皮肤的伤害；呼吸防护，在可能产生有害气体或粒子的场合使用选择合适的防护眼镜尤为重要，OD值过低无法提供足够保护，过高则可能影响工作视觉管理控制与应急处理管理控制包括指定激光安全官，负责监督安全程序实施；制定书面操作规程和安全培训计划；限制进入激光区域，设置警告标志；定期检查和维护激光设备；记录激光曝露事故应急处理程序应包括伤害急救措施，特别是眼睛损伤的处理方法；事故报告程序，记录和分析事故原因；医疗随访计划，监测可能的长期影响；应急设备，如眼睛冲洗站和灭火器第八部分激光软件使用控制系统软件RDCAM EagleWorksRDCAM是广泛使用的激光加工控制软件，用于控制CO₂和光纤激光切割、雕EagleWorks是一款专用于激光加工的设计软件，提供矢量绘图和编辑工具、刻设备它提供图形导入、编辑、布局和参数设置功能，支持多种图形格式（如图像处理功能和特殊效果（如阴影、立体文字）它可以直接创建适合激光加工AI、DXF、PLT），并能进行路径优化和加工模拟的图形，或处理从其他软件导入的文件，准备激光加工驱动程序工艺参数设置EaglePrintEaglePrint是连接设计软件和激光设备的驱动程序，类似打印机驱动它将图激光加工软件允许为不同材料和加工需求设置特定参数关键参数包括激光功率形数据转换为激光设备能理解的命令，提供加工参数设置界面（功率、速度、频（控制能量输入）、加工速度（影响能量密度）、脉冲频率（影响每点能量）和率等），实现从设计到实际加工的过渡扫描间距（影响精细度）合理设置这些参数是获得高质量加工结果的关键激光软件是连接激光理论知识与实际应用的桥梁掌握这些软件的使用不仅可以提高加工效率和质量，还能灵活应对各种加工需求软件使用技能与激光基础知识同样重要，特别是对从事激光加工工艺开发和优化的人员系统操作RDCAM软件界面介绍RDCAM界面主要由菜单栏、工具栏、绘图区、对象属性面板和状态栏组成菜单栏包含文件、编辑、绘图、设置和帮助等功能；工具栏提供常用操作的快捷按钮；绘图区显示工作区和图形对象；属性面板显示和修改选中对象的参数；状态栏显示坐标、提示和系统状态信息软件支持多种图形操作，包括基本图形创建（直线、矩形、圆形等）、节点编辑、对象变换（缩放、旋转、镜像）、对齐、分布和组合等对于文本，支持各种字体，还可以进行文字转曲线、轮廓文字等特殊处理导入图形参数设置通过文件→导入或直接拖放导入支持的格式文件（DXF、AI、PLT、BMP等）在加工→输出菜单中设置相应材料的加工参数（功率、速度、频率等）1234编辑处理下载执行调整大小、位置，设置切割或雕刻属性，如颜色代表不同加工方式点击下载按钮将加工文件发送到激光设备，在设备控制面板启动加工使用RDCAM时常见的问题包括图形缩放比例不正确（解决检查导入设置或手动调整比例）；路径优化不理想（解决使用路径优化功能或手动调整加工顺序）；加工效果不佳（解决调整加工参数或检查材料状态）；软件崩溃（解决定期保存工作，检查计算机资源，更新软件版本）熟练掌握RDCAM操作可大幅提高激光加工效率和质量激光加工工艺优化功率优化速度控制根据材料特性调整激光功率，确保足够穿透但不过热平衡加工速度和质量，避免过快造成未切透或过慢导致烧蚀辅助气体焦点位置选择合适气体和压力，帮助排除熔融物并保护切口调整激光焦点与材料表面的相对位置，影响切割宽度和效率切割参数优化雕刻质量控制不同材料需要特定切割参数组合对于亚克力，建议低功率20-40%、中速15-30mm/s和中激光雕刻质量取决于分辨率（DPI）、扫描间距、能量密度和扫描方向提高分辨率可增加细节，频率500-1000Hz，获得光滑透明的切口；对于木材，中功率40-60%、低速10-但延长加工时间；减小扫描间距提高均匀性，但也增加时间；控制能量密度避免过度烧蚀；交替扫20mm/s和低频率500Hz，减少碳化；对于薄金属，高功率60-80%、低速5-15mm/s和描方向可减少单向累积误差高频率1000Hz，确保完全穿透对于照片雕刻，合理设置灰度映射和抖动算法至关重要对于3D浮雕雕刻，需设置合适的深度映切割路径规划也很重要内轮廓先于外轮廓切割；复杂图形分段切割减少热累积；适当留微连接射关系特殊效果如变频雕刻（改变点密度）和渐变雕刻（改变功率）可创造独特视觉效果防止小件掉落；考虑热影响区避免相邻区域过热总结与展望前沿发展方向超快激光、高功率光纤激光和量子激光技术应用拓展医疗精准治疗、增材制造和量子通信核心知识体系物理原理、器件特性和应用技术通过本课程的学习，我们系统掌握了激光的基本原理、激光器的分类与特性，以及激光在各领域的应用技术激光物理基础部分帮助我们理解了量子理论、受激辐射和粒子数反转等核心概念；激光器类型分析使我们认识了不同工作物质和结构的激光器特点；激光应用技术则展示了激光在工业、医疗、通信等领域的广泛价值激光技术的发展趋势主要体现在几个方面超快激光技术向阿秒量级推进，开拓超快科学新领域；高功率激光不断突破，推动惯性约束核聚变研究；光纤激光和半导体激光的集成化、小型化发展；新型特种激光器如太赫兹激光、射线激光等不断涌现；激光打印技术向多材料、高精度方X3D向发展；激光精密加工向纳米尺度推进。