激光医学(生工09)2-1心得教学内容.ppt

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1、激光医学(生工09)2-1心得一、光的发射与吸收一、光的发射与吸收描述光波的物理量描述光波的物理量波长的单位常用波长的单位常用 表示表示可见光波长范围：可见光波长范围：光的粒子性光的粒子性光子的能量光子的能量原子的能级：原子的能级：分裂的原子的能量值分裂的原子的能量值原子的跃迁：原子的跃迁：原子从一个能级跃迁到另一个能级的原子从一个能级跃迁到另一个能级的过程过程原子的平均寿命：原子的平均寿命：原子在某激发态停留时间的平均值原子在某激发态停留时间的平均值一般为一般为 ；亚稳态亚稳态三种类型的跃迁：三种类型的跃迁：粒子能级之间的跃迁粒子能级之间的跃迁辐射跃迁辐射跃迁无辐射跃迁无辐射跃迁1.自发辐射

2、自发辐射:处于较高能级的粒子，会自发地向处于较高能级的粒子，会自发地向低能级跃迁同时释放出光子的过程低能级跃迁同时释放出光子的过程2.受激吸收：受激吸收：方式：光照射、电子碰撞等方式：光照射、电子碰撞等必要条件：必要条件：而实现由低能级向高能级跃迁的过程而实现由低能级向高能级跃迁的过程一一粒子吸收一个能量为粒子吸收一个能量为 的的光子光子3.3.受激辐射：受激辐射：外来光子引发，相干光外来光子引发，相干光条件：条件：自自发发辐辐射射前前，受受到到能能量量为为 的的外外来来光光子子的的刺刺激激作作用用，而而从从高高能能级级E E2 2跃跃迁迁到到低低能能级级E E1 1，同同时时释放出光子的过程

3、释放出光子的过程处于高能态处于高能态 E E2 2 的粒子若在它发生的粒子若在它发生特点：特点：二、激光振荡二、激光振荡(一一)粒子数按能级的分布粒子数按能级的分布条件：热平衡状态下条件：热平衡状态下1.玻耳兹曼分布玻耳兹曼分布:单位体积内上能级单位体积内上能级 E2 的粒子数的粒子数单位体积内下能级单位体积内下能级 E1的粒子数的粒子数常温下常温下(296K)氢原氢原子子2.粒子数在能级上的反转分布：粒子数在能级上的反转分布：条件：条件：外界输入能量（称为激励或泵浦），外界输入能量（称为激励或泵浦），激活介质激活介质处于粒子数反转状态的物质处于粒子数反转状态的物质使物质处于非使物质处于非热平

4、衡状态下热平衡状态下(二二)放大系数放大系数增益饱和效应：增益饱和效应：随随 z 的增加而减小的现象。的增加而减小的现象。(三三)振荡阈值振荡阈值阈值：阈值：工作物质工作物质谐振腔谐振腔三、激光三、激光谐振腔谐振腔激光产生的条件激光产生的条件激活介质激活介质光学谐振腔光学谐振腔工作物质工作物质激励装置激励装置激光束激光束谐振腔谐振腔部分反射镜部分反射镜全反射镜全反射镜激励装置：激励装置：向工作物质提供能量，把粒子从基态向工作物质提供能量，把粒子从基态激发到激发态激发到激发态激励方式激励方式光激励：光激励：用强光照射，如氪灯、氙灯；用强光照射，如氪灯、氙灯；或用激光照射或用激光照射气体放电激励：

5、气体放电激励：电流激励：电流激励：放电管中，高电压作用放电管中，高电压作用光学谐振腔：光学谐振腔：使使受激辐射受激辐射在有限长度的激活介质中在有限长度的激活介质中能持续进行，使光可反复放大形成稳定振荡的装置能持续进行，使光可反复放大形成稳定振荡的装置封闭式封闭式谐振腔分类谐振腔分类开放式开放式半开半闭式半开半闭式使受激辐射光放大过程能在有限使受激辐射光放大过程能在有限长度的工作物质中持续进行长度的工作物质中持续进行选频作用，提高激光器的相干性选频作用，提高激光器的相干性对输出激光的方向性给予限定对输出激光的方向性给予限定光学谐振腔光学谐振腔的主要作用的主要作用Q值：值：光学谐振腔的品质因素。光

6、学谐振腔的品质因素。四、激光模式与特性四、激光模式与特性光学谐振腔的模式：光学谐振腔的模式：电磁场在腔中的振荡方式；电磁场在腔中的振荡方式；或者说，在腔内稳定存在的光波场空间分布或者说，在腔内稳定存在的光波场空间分布光波场空间分布可分解为沿腔轴方向的分布光波场空间分布可分解为沿腔轴方向的分布和在垂直于腔轴方向的横截面内的分布和在垂直于腔轴方向的横截面内的分布纵模：纵模：光波模在腔轴方向上不同的驻波场分布光波模在腔轴方向上不同的驻波场分布(一一)激光纵模激光纵模123谐振条件谐振条件：纵模用正整数纵模用正整数 标志，表示在纵向光场通过零值标志，表示在纵向光场通过零值的次数或表示在光腔长度的次数或

7、表示在光腔长度 L L 内包含的半波数内包含的半波数激活介质所发射的谱线的线宽范围激活介质所发射的谱线的线宽范围激光器输出的频率个数激光器输出的频率个数 N在在区间中，可以存在的纵模个数为区间中，可以存在的纵模个数为 要想减少输出纵模的个要想减少输出纵模的个数，可采取一些措施。数，可采取一些措施。例如，例如，短腔法短腔法选纵模。选纵模。利用缩短腔长利用缩短腔长 L 来加来加大纵模频率间隔的方法大纵模频率间隔的方法(二二)激光横模激光横模横模：横模：分布。用符号分布。用符号TEMTEMmnmn标志标志激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场形成的主要因素：形成

8、的主要因素：谐振腔两端反射镜的衍射作用谐振腔两端反射镜的衍射作用L2a横模的形成横模的形成激光横模变换演示仪激光横模变换演示仪 轴轴对对称称 旋旋转转对对称称(a)TEM00(b)TEM10(c)TEM13(d)TEM11(e)TEM00(f)TEM03(g)TEM10(a)轴对称横模图轴对称横模图 (b)旋转对称横模图旋转对称横模图激光的横模图形，按其对称性可分为轴对激光的横模图形，按其对称性可分为轴对称横模图和旋转对称横模图称横模图和旋转对称横模图在轴对称横模中在轴对称横模中m m、n n 分别表示光束横截面内分别表示光束横截面内在在x x方向和方向和y y方向出现的暗区方向出现的暗区TE

9、MTEM00 00 为基模、其它为高次模为基模、其它为高次模TEMTEM1010TEMTEM2020TEMTEM0303TEMTEM3131横模图形及其标记横模图形及其标记在旋转对称横模中在旋转对称横模中m m 表示沿半径方向出现的暗环数表示沿半径方向出现的暗环数n 表示圆中出现的暗直径数表示圆中出现的暗直径数在实际应用中，希望激光的横向光强分布越均匀在实际应用中，希望激光的横向光强分布越均匀越好，而不希望出现高阶模。越好，而不希望出现高阶模。选模的方法：选模的方法：例如，例如，1.1.调节反射镜；调节反射镜；2.2.在腔内（或腔外）放一小孔，只让在腔内（或腔外）放一小孔，只让 TEMTEM0

10、000模通过，抑制其他高阶模的产生。模通过，抑制其他高阶模的产生。纳米孔径激光器出射光场分布纳米孔径激光器出射光场分布光束的发散角：光束的发散角：设光源向某方向发射一束光为设光源向某方向发射一束光为圆锥形，则过圆锥轴线所在平面与圆锥面的两圆锥形，则过圆锥轴线所在平面与圆锥面的两条交线的夹角。以条交线的夹角。以 表示表示的单位：弧度的单位：弧度(三三)激光特性激光特性1.激光束比普通光束方向性好激光束比普通光束方向性好单横模单横模激光束的发散角最小，激光束的发散角最小，He-Ne 气体激光器，气体激光器，例：例：固体激光器的发散角在固体激光器的发散角在 弧度量级弧度量级半导体激光器的发散角在半导

11、体激光器的发散角在 弧度量级弧度量级对多横模对多横模激光束，不同模式的光场是非相干的，激光束，不同模式的光场是非相干的，发散角加大。发散角加大。光学谐振腔光学谐振腔激光束方向性好的原因激光束方向性好的原因受激辐射受激辐射激光束经聚焦可形成微米级的微光束。激光束经聚焦可形成微米级的微光束。影响激光束方向性的因素影响激光束方向性的因素光腔类型和腔长光腔类型和腔长工作物质的类型和均匀性工作物质的类型和均匀性激励方式激励方式光腔的加工和调整误差光腔的加工和调整误差单色性单色性激光比普通光单色性好激光比普通光单色性好氪灯氪灯氦氖激光器氦氖激光器谱线宽度谱线宽度波长波长光源光源2.激光单色性好激光单色性好

12、光学谐振腔光学谐振腔激光束单色性好的原因激光束单色性好的原因受激辐射受激辐射光的生物效应与光的波长密切相关光的生物效应与光的波长密切相关影响激光束单色性的因素影响激光束单色性的因素2.频率稳定性频率稳定性1.1.选模技术（单模）选模技术（单模）（温度、振动、气流等）（温度、振动、气流等）3.激光比普通光的相干性好激光比普通光的相干性好相干时间相干时间光的相干性光的相干性光的时间相干性光的时间相干性光的空间相干性光的空间相干性相干长度相干长度激光的空间相干性与横模有关激光的空间相干性与横模有关单横模具有最好的方向性单横模具有最好的方向性氪氪 灯灯单模稳频氦氖激光器单模稳频氦氖激光器相干长度相干长

13、度光源光源激光的时间相干性与纵模有关激光的时间相干性与纵模有关太阳的发光亮度约为太阳的发光亮度约为激光器相应的发光亮度约为激光器相应的发光亮度约为4.激光比普通光源亮度高激光比普通光源亮度高光辐射能量：光辐射能量：表示光束做功本领的大小。表示光束做功本领的大小。光辐射功率：光辐射功率：以以 E 表示，单位：表示，单位：J单位时间内所发射或传播的光辐射能单位时间内所发射或传播的光辐射能以以 P 表示表示单位：单位：W、mW光的能量密度：光的能量密度：光的功率密度：光的功率密度：以以 D 表示表示单位：单位：以以 I 表示表示单位：单位：D激光的物理剂量激光的物理剂量立体角：立体角：的单位：球面度

14、（的单位：球面度（sr）以以 表示表示球面被该角截取的面积球面被该角截取的面积A 除以半径除以半径 r 的平方的平方整个球面对球心所张立体角整个球面对球心所张立体角光辐射亮度：光辐射亮度：以以 B 表示表示光源在其单位表面积上向某个方向光源在其单位表面积上向某个方向的单位立体角内所辐射的光功率。的单位立体角内所辐射的光功率。B 的单位：的单位：沿该方向的立体角沿该方向的立体角激光比普通光强度大激光比普通光强度大强度：强度：被光辐照处的光强度，被光辐照处的光强度，正比于亮度。正比于亮度。将一激光脉冲聚焦到直径为将一激光脉冲聚焦到直径为 5 微米的光斑上，微米的光斑上，所获光强度达：所获光强度达：温度达：温度达：压强达：压强达：电场强度达：电场强度达：激光能量的分布特性激光能量的分布特性光能量在空间上集中光能量在空间上集中光能量在时间上集中光能量在时间上集中光能量在频谱上集中光能量在频谱上集中方向性好方向性好脉冲工作脉冲工作单色性好单色性好此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢