激光原理(3)产生条件-腔类型损耗-增益特性-2
激光的基本原理及其特性
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
•光的放大作用的大小通常用放大 光的放大作用的大小通常用放大 增益）系数G来描述。 （增益）系数G来描述。P8!
I ( z)
I (l ) I + dI I
dI = G ( z ) I ( z )dz
原子数按能级分布
热平衡时， 热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布
玻尔兹曼分布律: 玻尔兹曼分布律:
N2 −( E2 −E1 ) kT =e N1
E E2 E1 N1 N2 N
高 能 级 低 能 级
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
§1.2.1 二能级系统的三种跃迁
3-01光源、光波叠加.exe
3、光子简并度与激光的强度 、
激光的强度： 激光的强度：
I = cωv= nchv /η
光子简并度越大， 光子简并度越大，同一光子态的光的能量越大 激光的简并度是很高的， 激光的简并度是很高的，如He—Ne激光器 激光器
n = 4×10 ×
11
对于普通光源到目前为止还没有发现 n > 1 的
光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿 单位立体角所发射的能量 普通光源的亮度，太阳表面的亮度比蜡烛大30万 普通光源的亮度，太阳表面的亮度比蜡烛大30万 30 比白炽灯大几百倍。 倍，比白炽灯大几百倍。 普通的激光器的输出亮度， 普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大 10亿倍 亿倍。 10亿倍。 激光器的输出功率并不一定很高， 激光器的输出功率并不一定很高，但由于光束很 光脉冲窄，光功率密度却非常大。 细，光脉冲窄，光功率密度却非常大。
∴ B21 · ρ (ν21) · N1 >> B12 · ρ (ν21) · N2
激光原理_第三章
激光原理_第三章激光原理第三章主要涉及激光和光学腔的特性以及激光光束的聚焦、散焦以及其应用。
第一节中，我们将讨论激光器和光学腔的特性。
激光器是产生激光的重要设备，它包括三个基本部分：能够将电能转化为光能的活性介质、激活活性介质的能量源以及谐振腔。
激光器的原理是通过在活性介质中加入能量，使活性原子或分子跃迁到激发态，然后通过受激辐射释放光子，并进一步激发周围的活性原子或分子，从而实现光的倍增。
在光学腔方面，我们将讨论两个关键特性：腔长度和腔的几何形状。
腔长度对激光的频率起着决定性的作用，而腔的几何形状则决定了激光的模式。
第二节中，我们将介绍激光光束的聚焦和散焦。
激光光束的聚焦是通过使用透镜或其他透镜系统实现的。
透镜的焦距决定了光束的聚焦程度，而透镜的直径决定了光束的聚焦区域的大小。
同时，我们还将讨论光束的散焦现象，即光束随着传播距离的增加逐渐扩散。
散焦现象的产生是因为光束在传播过程中受到了折射、散射和衍射的影响。
第三节中，我们将探讨激光的应用。
激光在许多领域中都有广泛的应用，包括通信、测量、医学、材料加工等。
在通信领域，激光被用于传输信息，其高密度和高速度的特性使其成为一种理想的通信媒介。
在医学领域，激光被用于进行手术和治疗，例如激光手术可以实现精确的切割和无创伤的治疗。
在材料加工领域，激光能够实现高精度的切割、焊接和打孔，被广泛应用于工业制造。
总的来说，激光原理第三章主要涉及激光器和光学腔的特性，包括激光光束的聚焦和散焦，以及激光的应用。
通过学习这些内容，我们可以更好地理解激光的原理和性能，从而更好地应用于实际生活和工作中。
激光工作原理
激光工作原理激光（Laser）是指一种具有高单色性、高亮度的光，其产生的过程是通过激发原子、分子或固体晶体中的电子能级跃迁而实现的。
激光在现代科技应用中具有广泛的用途，例如激光切割、激光雕刻、激光治疗等。
本文将为您详细介绍激光工作的基本原理。
一、激光的产生过程激光的产生过程主要包括三个步骤：激发、增强和产生。
1. 激发阶段：在激光器中，通过能量输入（如电能、光能等）使得介质处于激发态。
能量的输入可以通过电磁场激发，或者通过光束与物质相互作用实现。
激发态能级的能量高于基态，电子处于非稳定状态。
2. 增强阶段：在激发态的电子中，由于受到外部的刺激，电子会跃迁到更高的激发态。
这些电子在激发态之间的跃迁中释放出更多的能量，从而形成了一种能量逐渐积累的过程。
这个阶段又被称为能量积累阶段。
3. 产生阶段：当能量积累达到一定程度时，激发态的电子跃迁到基态会产生一束特定波长的光子。
这个光子与入射的光子频率或介质中的其他光子频率相同，达到了相干和放大的效果，从而形成了激光。
二、激光的基本原理激光的产生基于基本的量子物理原理，主要包括受激辐射、光学谐振腔和增益介质。
1. 受激辐射：受激辐射是激光产生的基本物理现象。
当一个激发态的原子或分子遇到一个与自身激发态频率相同的光子时，会从高能级跃迁到低能级，并产生与原始光子具有相同频率和相位的新光子。
2. 光学谐振腔：光学谐振腔是激光器中的重要组成部分，用于放大和反射光。
光学谐振腔包括两个镜片，一个是激光输出镜，另一个是高反射镜。
激光光线在两个镜片之间多次反射并逐渐增强。
当增强光线达到一定强度时，激光输出镜会允许一部分光线通过，形成激光束的输出。
3. 增益介质：增益介质是能够提供激光放大过程所需能量的物质。
常见的增益介质包括激光二极管、气体（如二氧化碳）、固体（如Nd:YAG晶体）和液体等。
在这些介质中，通过激发能级跃迁和相应的补偿机制，能量得以积累并产生激光。
三、激光的特性激光具有一些独特的特性，使其在科学研究和工程应用中得到广泛应用。
激光产生基本原理
资料范本本资料为word版本，可以直接编辑和打印，感谢您的下载激光产生基本原理地点：__________________时间：__________________说明：本资料适用于约定双方经过谈判，协商而共同承认，共同遵守的责任与义务，仅供参考，文档可直接下载或修改，不需要的部分可直接删除，使用时请详细阅读内容激光基本原理一、激光产生原理1、普通光源的发光——受激吸收和自发辐射普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。
激发的过程是一个“受激吸收”过程。
处在高能级（E2）的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。
辐射光子能量为hυ=E2-E1这种辐射称为自发辐射。
原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。
由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。
在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。
于是在上、下两个能级上的原子数密度比为N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。
因为E2>E1，所以N2《N1。
例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20℃时，kT≈0.025eV，则N2/N1∝exp（－400）≈0可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。
激光原理总结
激光原理总结⼀共四章§Chapter 1爱因斯坦系数/激光产⽣条件/激光结构/激光优点1. ⾃发辐射: 上能级粒⼦，⾃发地从E2能级跃迁到E1能级，并辐射出光⼦2. 受激辐射: 上能级粒⼦，遇到能量等于能级差的光⼦，在光⼦激励下，粒⼦从E2能级跃迁到E1能级，并辐射出⼀个与⼊射光⼦完全相同的光⼦3. 受激吸收: 下能级粒⼦，遇到能量等于能级差的光⼦，在光⼦激励下，粒⼦从E1能级跃迁到E2能级，并吸收⼀个⼊射光⼦三个爱因斯坦系数：dn21=A21n2dt(⾃发辐射)dn′21=B21n2ρv dt(受激辐射)dn12=B12n1ρv dt(受激吸收)三个爱因斯坦系数的关系：A21 B21=8πhν3 c3B12g1=B21g2粒⼦数反转分布状态:dn′21 dn12=g1n2g2n1>1受激辐射⼤于受激吸收,打破波尔兹曼分布。
此时可称“得到增益”。
⽽普通情况下，受激辐射/⾃发辐射较⼩（计算参看讲义）。
总结：产⽣激光的基本条件是“粒⼦数反转分布和增⼤⼀⽅向上的光能密度”激光器的基本结构：1. ⼯作物质：增益介质/粒⼦数反转/上能级为亚稳态2. 激励装置：能源/光/电3. 谐振腔：反馈/光强/模式三能级系统：亚稳态寿命长，阈值⾼，转换效率低。
如红宝⽯激光器四能级系统：阈值低，连续运转，⼤功率。
如He-Ne激光器的优点：1. 相⼲性好：受激辐射的光具有相⼲性，相⼲长度L c=λ2Δλ，相⼲时间τ=L cc2. ⽅向性好：谐振腔3. 单⾊性好4. 亮度⾼：受激辐射的光强⼤§Chapter 2稳定性/模式分析/⾼斯光束腔的分类参考Ch2-P1光腔的稳定性条件：傍轴模在腔内往返⽆限多次不逸出腔外,数学形式如下g 1=1−L R 1,g 2=1−L R 20≤g 1g 2≤1按照稳定性得到三种腔♥0<g 1g 2<1稳定腔♥g 1g 2=0org 1g 2=1临界腔♥g 1g 2<0org 1g 2>1⾮稳腔 ♥ ♥ ♥ ♥♥ ♥ bbx ♥ nnx 图解法判断腔的稳定条件Ch2-P2⽤上述条件判断各种腔的稳定性，注意曲率R 的⽅向"凹⾯向着腔内时(凹⾯镜)，R >0；凸⾯向着腔内时(凸⾯镜)，R <0"。
产生激光的三个必要条件
产生激光的三个必要条件激光（Laser）是一种特殊的光源，具有高亮度、高单色性和高相干性等独特的特点。
要产生激光，需要满足三个必要条件。
本文将详细介绍这三个必要条件，并解释其原理和作用。
一、粒子的受激辐射粒子的受激辐射是产生激光的第一个必要条件。
当原子或分子处于激发态时，它们具有较高的能量。
当外界能量作用于这些激发态粒子时，它们可能发生跃迁，从而回到低能量的基态。
在这个过程中，粒子会释放出辐射能量，这种辐射即为受激辐射。
在产生激光的过程中，通过给粒子提供能量，使它们处于激发态。
当粒子回到基态时，将会释放出光子。
这些光子具有相同的频率和相位，从而形成一束高相干的激光。
因此，粒子的受激辐射是产生激光的首要条件。
二、反馈机制反馈机制是产生激光的第二个必要条件。
在激光器中，光通过一个光学共振腔多次来回反射，这样就形成了一个反馈环路。
反射光线经过增益介质时，会激发更多的粒子跃迁到激发态，并产生更多的受激辐射。
这些受激辐射光线又会被反射回来，继续激发更多的粒子，形成更多的受激辐射。
通过不断的反射和受激辐射，光线的强度和频率不断增强，最终形成一束高强度、单色性良好的激光。
因此，反馈机制是产生激光的重要条件之一。
三、增益介质增益介质是产生激光的第三个必要条件。
增益介质是激光器中的一个重要组成部分，它能够提供足够的能级差，使得粒子能够在受激辐射中得到充分的激发。
常见的增益介质包括固体、液体和气体等。
在固体激光器中，常用的增益介质有Nd:YAG和Nd:YVO4等。
在液体激光器中，常用的增益介质有染料溶液。
在气体激光器中，常用的增益介质有二氧化碳和氩离子等。
增益介质的作用是提供足够的粒子数，使得受激辐射能够发生，并且能够形成一束高强度的激光。
因此，增益介质是产生激光的不可或缺的条件。
产生激光的三个必要条件分别是粒子的受激辐射、反馈机制和增益介质。
这三个条件相互促进、相互作用，共同实现激光的产生。
激光的独特性质使其在科学研究、医疗、工业制造等领域有着广泛的应用前景。
激光原理重要知识点总结
激光原理重要知识点总结一、光的增益作用光的增益作用是指当激光器原子、分子或离子受到外界激励时，电子由基态跃迁到激发态的过程，然后通过受激辐射过程，释放出同频的光子，光子与原子、分子或离子碰撞后，再次受激辐射产生的光子数量比刚开始辐射的光子相同，这样逐渐增加，形成激光。
1. 受激辐射当自由的电子和可激发的原子或离子发生碰撞时，后者的电子可以从较低的激发态跃迁到高的激发态，此时发射的辐射光子就与入射的引激光的频率相同。
这种过程称为受激辐射。
2. 反转分布在激光器的工作状态下，使激光材料中原子、分子或离子的激发态的密度大于基态的密度，这种特殊的能级布局称为反转分布。
只有当反转分布具有足够的时间持续性，才能形成激光输出。
二、激光共振腔激光共振腔是由两个反射镜构成的，其中一个为半透反射镜，另一个为全反射镜。
它的主要功能是将光共振在腔内，使得只有与激光器频率一致的光才得以通过反射镜输出，而其它频率的光则在腔内循环反射，形成激光输出。
激光腔外的泵浦装置则通过激发工作物质的原子或离子的跃迁将能量传递给激光材料，使得激光器能够继续工作。
三、激光输出当光共振在激光器内部形成激光，并且通过激光腔的半透反射镜输出激光后，激光通过调制器、色散系统、光阑以及辐射器等设备，再通过光阑进行空间裁剪，在目标面形成所需要的光斑。
激光在输出过程中还需要考虑各种参数的调节和控制，以保证激光输出质量。
总的来说，激光技术以其高亮度、高品质、高能量密度、高单色性、高直线偏振度和相干度等优异的特性，已经在通信、医学、材料加工、军事、精密定位等领域得到了广泛的应用。
同时，激光技术的应用也在不断地拓展中，为各行各业带来更多的机遇和挑战。
激光的基本原理和特性
激光的基本原理和特性激光的基本原理1、自发辐射与受激辐射自发辐射是在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级向低能级跃迁，同时辐射出一光子。
hn=E2-E1。
设发光物质单位体积中处于能级E1，E2的原子数分别为N1，N2，则单位时间内从E2向E1自发辐射的原子数为A21为自发辐射概率（自发跃迁率）：表示一个原子在单位时间内从E2自发辐射到E1的概率。
处于高能级E2上的原子，受到能量为hn= E2- E1的外来光子的激励，由高能级E2受迫跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与激励光子全同的光子。
称为受激辐射。
W21为表示一个原子在单位时间内从E2受激辐射跃迁到E1的概率。
2、光学谐振腔在激光器中利用光学谐振腔来形成所要求的强辐射场，使辐射场能量密度远远大于热平衡时的数值，从而使受激辐射概率远远大于自发辐射概率。
光学谐振腔的主要部分是两个互相平行的并与激活介质轴线垂直的反射镜，有一个是全反射镜，另一个是部分反射镜。
在外界通过光、热、电、化学或核能等各种方式的激励下，谐振腔内的激活介质将会在两个能级之间实现粒子数反转。
这时产生受激辐射，在产生的受激辐射光中，沿轴向传播的光在两个反射镜之间来回反射、往复通过已实现了粒子数反转的激活介质，不断引起新的受激辐射，使轴向行进的该频率的光得到放大，这个过程称为光振荡。
这是一种雪崩式的放大过程，使谐振腔内沿轴向的光骤然增强，所以辐射场能量密度大大增强，受激辐射远远超过自发辐射．这种受激的辐射光从部分反射镜输出，它就是激光。
沿其他方向传播的光很快从侧面逸出谐振腔，不能被继续放大。
而自发辐射产生的频率也得不到放大。
因此，从谐振腔输出的激光具有很好的方向性和单色性。
3、粒子数反转受激吸收与E1的原子数N1成正比，受激辐射与E2的原子数N2成正比。
当N2《N1时发生受激辐射远少于发生受激吸收，是不可能实现光放大的．要实现光放大，必须采取特殊措施，打破原子数在热平衡下的玻耳兹曼分布，使N2＞N1。
激光原理_名词解释
一 名词解释1. 损耗系数及振荡条件:0)(m ≥-=ααS o I g I ,即α≥o g 。
α为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。
2. 线型函数：引入谱线的线型函数pv p v v )(),(g 0~=，线型函数的单位是S ，括号中的0v 表示线型函数的中心频率，且有⎰+∞∞-=1),(g 0~v v ，并在0v 加减2v ∆时下降至最大值的一半。
按上式定义的v ∆称为谱线宽度。
3. 多普勒加宽:多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。
4. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，几个满足阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率0v 的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭的现象。
5. 谐振腔的Q 值:无论是LC 振荡回路，还是光频谐振腔，都采用品质因数Q 值来标识腔的特性。
定义p v P w Q ξπξ2==。
ξ为储存在腔内的总能量，p 为单位时间内损耗的总能量。
v 为腔内电磁场的振荡频率。
6. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线，在单模频率等于0的时候有一凹陷，称作兰姆凹陷。
7. 锁模：一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲。
这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。
8. 光波模：在自由空间具有任意波矢K 的单色平面波都可以存在，但在一个有边界条件限制的空间V 内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k 的平面单色驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。
9. 注入锁定：用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中，控制一个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象。
（分为连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定）。
激光的基本原理及特性
激光的基本原理及特性 稳定判据 表达式
g1 1 L
第二部分 激光产生的 基本原理
0 g1g2 1 g1 g2 0
稳定腔
其中 g2
R1 R2
g2 1 L
• 只适用于简单的共轴球面镜腔(直腔) • 稳定腔因腔损耗小，适用于中、 小功率激光器； • 非稳腔可用于大功率激光器中， 其优点是模体积大，还可限制 模式
凹面镜 R > 0; 凸面镜 R < 0; 平面镜 R＝∞
稳定条件: 几何偏折损耗 稳定腔 任何傍轴光线可以在腔内往返无限多次不会 逸出腔外 几何偏折损耗小 (低损耗腔) 非稳定腔 傍轴光线有限次反射后便逸出腔外 几何光学方法
几何偏折损耗大(高损耗腔)
两种不同的腔的理论处理方法, 设计方法不同 • 利用几何光学光线矩阵方法分析腔中的几何偏折损耗
TEM03
TEM11
TEM31
（2）旋转对称 TEMmn m－暗直径数；n－暗环数(半径方向)
TEM00
TEM01
TEM02
TEM10
TEM20
TEM30
• 基(横)模 TEM00 • 光斑轴对称或旋转对称分布取决于增益介质的几何形状 • 增益介质的不均匀或腔内插入其它光学元件（布氏窗、 反射镜等）会破坏腔的旋转对称性，出现轴对称横模。
• 依靠外界向物质提供能量（泵浦或称激励）才能打破热平衡，
实现粒子数反转 • 激励（泵浦）能源是激光器基本组成部分之一
光(闪光灯，激光)、电(气体放电，电注入)、化学 、核
激光的基本原理及特性 （二）、光学谐振腔及激光的模式 1、光腔的构成及稳定条件
光学谐振腔的作用：提供反馈和模式选择
腔的构成与分类 h h 1 2 h3
激光原理及应用复习资料(1)
尖峰：激光器开启时所发生的不连续的、尖锐的、大振幅脉冲。 （激光尖峰与弛豫振荡具体内容见书） 24.兰姆下陷：当激光器振荡模的频率被调谐至介质跃迁中心频率 0 时，输出功 率呈现出某种程度的降低。下陷宽度（介质中均匀加宽的线宽）。 25.均匀加宽激光器的模竞争：当数个模同时起振时必然存在诸模竞争反转原子
（3.添加）激光器的分类（记两三个例子）：
①按工作物质的物态分类：气体激光器：氦氖激光器，co2 激光器，氩离子激
光器等。
②固体激光器：红宝石激光器，钇铝石榴石激光器，硅酸盐等。
③半导体激光器：砷化镓，硫化镉。
④液体激光器：。。化学激光器：。。自由电子激光器：。。X 射线激光器。。光纤激
光器。
第二章：激光的物理学基础
q q 1 -q C （详见书）。 2nL
29.横模图形及线偏振腔模结构见书 30.解释①横模：腔内电磁场在垂直于其传播方向的横向 X-Y 面内也存在稳定的 场分布，称为横模。 解释②横模：在腔镜面上经过一次往返传播后能“自再现”的稳定光场分布称 为自再现模或横模。 ③横模特点：光能集中在光斑中心部分，而边缘部分光强甚小。
则处于低能级 E1 上的院子由于吸收这个能量为 h 21 的光子而受到激发跃迁到高
能级 E2 上去，此物理过程称为光的受激吸收。
激光器工作原理及产生条件分析
激光器工作原理及产生条件分析激光（Laser）是一种特殊的光，它具有高度的定向性、单色性和相干性。
激光器就是产生激光的设备。
激光器的工作原理是基于激光的产生条件，通过适当的激发和增强过程来实现的。
激光器的工作原理可以简单地描述为：通过一种叫做“激活物”的物质，将外界能量输入到一个叫做“光学腔”的空腔中，然后通过对该腔进行波长选择和增强，将能量转换为激光输出。
首先，激光器的产生条件是需要一个激活物或激活介质。
激活物可以是固体、液体、气体或半导体材料。
常见的激活物有氦氖气体、二氧化碳气体、氮气气体等。
这些激活物能够吸收能量并在得到适当激发时产生辐射。
其次，激光器需要一个光学腔来存储和增强激活物辐射的能量。
光学腔一般由两个平面镜组成，其中一个是全反射镜（high reflector），另一个是半透镜（output coupler）。
光学腔的设计使得光线可以在内部多次来回反射，增强激活物的辐射到足够的水平，从而产生激光。
光学腔的运作方式是基于激活物的能级跃迁过程。
激活物在低能级时吸收外界能量，并跃迁到高能级。
当被适当波长的外部能量激发后，激活物中的电子跃迁到高能级，形成一个激活态。
然后，激活态的电子会通过非辐射过程或受到外界的合适刺激而跃迁返回到低能级。
这个过程中会释放出一束能量非常集中的光子，形成了激光。
激活物跃迁过程的产生是有条件的。
首先，外界必须提供足够的能量，激发激活物中的电子跃迁到高能级。
这个能量可以来自于电流、光束等不同的外部激发方式。
其次，光学腔中的全反射镜和半透镜的制作和放置要符合特定的要求。
全反射镜可以使光线在光学腔内多次反射，形成光的积累。
半透镜可以适当地将部分光线通过，形成激光输出。
这种光线的选择和增强过程，需要光学腔中的全反射镜的反射率接近100%、半透镜的反射率适当，以及两个镜子之间的距离符合特定的倍数关系。
最后，在实际应用中，除了满足激光器工作原理基本的产生条件，还需要进一步优化和控制激光输出的参数。
激光器的原理
激光器的原理激光器是一种能够产生激光的装置，激光是一种具有相干性、单色性、直线偏振性和高亮度的光束，因此在工业、医学、科学等领域得到广泛应用。
激光器的原理是基于激光的产生机制，本文将介绍激光的产生机制以及激光器的工作原理。
一、激光的产生机制激光的产生机制是基于激发原子或分子中的电子，使其跃迁至高能级，然后在自发辐射或受到外界刺激的作用下，从高能级跃迁至低能级，放出一个能量等于跃迁能量差的光子。
这个光子激发周围的原子或分子，使其也跃迁至高能级，形成一个光子级联放大的过程，最终产生一束相干、单色、直线偏振和高亮度的激光。
二、激光器的工作原理激光器是由三部分组成：增益介质、泵浦源和光反馈装置。
增益介质是激光器中产生激光的介质，泵浦源是提供能量的装置，光反馈装置是保持激光放大的装置。
1.增益介质增益介质是激光器中产生激光的介质，它可以是固体、液体、气体或半导体等材料。
增益介质中的原子或分子处于低能级时，吸收泵浦源的能量，跃迁至高能级。
当受到自发辐射或外界刺激时，从高能级跃迁至低能级，放出一个光子，激发周围的原子或分子，形成一个光子级联放大的过程，最终产生一束激光。
2.泵浦源泵浦源是提供能量的装置，它可以是闪光灯、半导体激光器或化学反应等。
泵浦源提供的能量被吸收到增益介质中，使其处于高能级，从而产生激光。
3.光反馈装置光反馈装置是保持激光放大的装置，它可以是反射镜或光栅等。
光反馈装置将激光反射回增益介质中，使其受到更多的激发，从而产生更多的激光。
三、激光器的分类激光器按照波长、增益介质、泵浦源和光反馈装置等特性可以分为多种类型，包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器、液体激光器、自由电子激光器等。
1.气体激光器气体激光器是使用气体作为增益介质的激光器，常用的气体有氦氖气、二氧化碳等。
气体激光器产生的激光波长较长，通常用于切割和焊接等工业应用。
2.固体激光器固体激光器是使用固体作为增益介质的激光器，常用的固体有钕、铒、铬等。
激光原理(3)产生条件-腔类型损耗-增益特性-2
确定
腔的结构
模式特征
第三章 光学谐振腔与激光模式
一、驻波与谐振频率 当激光器处于振荡状态，激光器内部的光为 满足一定相位条件的驻波。
M1
M2
M1
M2
第三章 光学谐振腔与激光模式
二、纵模 (Longitudinal Mode)
不同的驻波的电磁场在沿轴线方向（纵向）上的分布是 不一样的，由整数 q所表征的腔内纵向的稳定场分布称 为激光的纵模。q称为纵模的序数，不同纵模相应于不 同的q值，对应不同的谐振频率。
I0
2 I1
I1= I0e−2δ1 ⋅ e−2δ2 ⋅ e−2δ3 = I0e−2δ
∑ δ = δ i = δ1 + δ 2 + δ 3 i
光腔的损耗－损耗举例
（2）衍射损耗
第一极小值：
θ ≈ 1.22 λ = 0.61 λ
2a
a
θ
Lθ
2a
θ
L
δd
= W1 W1 + W0
= ∆S1 ∆S1 + ∆S0
若腔内介质的吸收系数是均匀的，则 光在腔内往返一次后光强衰减为：
I1 = I0e−2αl
由此可得，由介质吸收引起的单程损耗因子为：
δ吸 = αl
l ——介质的长度
光腔的损耗－光子在腔内的平均寿命
I0 ——初始光强； Im ——往返m次后的光强
= Im I= 0 (e−2δ )m I0e−2δ m
t 时刻往返次数：=m
对激光工作物质的要求：尽可能在其工作粒子 的特定能级间实现较大程度的粒子数反转；使这种 反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持 下去。
第二章 激光产生的基本原理
激光器的分类
激光器及其原理简介讲解
1.固体激光器2.气体激光器3.染料激光器4.化学激光器*
5.
自由电子激光器*
损耗——光的吸收、散射、衍射、透射
（包括一端的部分反射镜处必要的激光输出）等。
激光形成阶段：增益＞损耗激光稳定阶段：增益＝损耗增益损耗
一．激光在工作物质内传播时的净增益
设ｘ＝0处，光强为I 0ｘI
ｘ+dx I + d I
有d I∝Idx
写成等式d I= G I dx
定义：增益系数G (gain coefficient
、3.39 μm ——Ｒ1、Ｒ2小
——G m大（不满足阈值条件，形不成激光）。例如，若氦氖激光器N e原子的
0.6328 μm, 1.15 μm, 3.39 μm受激辐射光中,只让波长0.6328 μm的光输出，
利用加大纵模频率间隔
Δνk的方法,可以使Δν区间中只存在一个纵模频率。
比如缩短管长Ｌ到10 cｍ，
(L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation
3.1激光原理
一.特点：
方向性极好（发散角～10 -4弧度）
脉冲瞬时功率大（可达～10 14瓦）
♦空间相干性好，有的激光波面上
各个点都是相干光源。
♦时间相干性好（Δλ～10-8埃），
相干长度可达几十公里。
相干性极好
亮度极高
按工作方式分
连续式（功率可达104W）
脉冲式（瞬时功率可达1014 W）
三.波长：极紫外──可见光──亚毫米
(100 n m）（1.222 m m）二.种类：
固体（如红宝石Al
2O 3）
激光产生的原理
脉冲氙灯、高压 汞蒸气灯
0.6943m 三能级系统
脉冲氙灯、激光器、砷化镓半导体
1.0640m 四能级系统
1.0600m 四能级系统
闪光灯泵浦、激 光泵浦 0.795m 调 谐 0.66~1.1m
有连续工作和脉冲工作方式
红宝石激光器(Ruby Laser)
红宝石是掺有少量Cr3+离子的Al2O3单晶。E1
固体激光器：由工作物质、泵浦系统、 谐振腔和冷却滤光系统四个主要部分组 成
基 工作 质 物质 掺
杂 泵浦系统
激光波长
红宝石激光器 Nd:YAG 激光器
刚 玉 晶 体 钇铝石榴石晶体
（Al2O3）
Y3Al5O12
Cr2O3
Nd2O3
钕玻璃激光器 光学玻璃（硅酸 盐，硼酸盐、磷 酸盐）
Nd2O3
钛宝石激光器 刚玉晶体 （Al2O3）
调节精密电阻，绘制集成电路图， 控制光栅刻机等。
应用
测量：准直，测距等 医疗：激光手术刀，血管内窥镜，致癌等 军事：激光制导，激光炮等 核技术：激光分离同位素、激光核聚变
应用
利用激光极好的相干性 精密测长、测厚、测角，测流速，定向，测电 流，电压，激光雷达（分辨率高，可测云雾）
探测：微电子器件表面探测，单个原子探测
H原子光谱实验规律
爱因斯坦——1917年，提出受激辐射概念。
1. 黑体辐射的Planck公式：
任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。
黑体：能够完全吸收任何波 长的电磁辐射的物体。
热平衡状态：
空腔辐射体
黑体吸收的辐射能量 = 黑体发出的辐射能量
单色能量密度
在单位体积V内，频率处于v处的单位频率间隔 内的电磁辐射能量E
激光器工作原理
P f = Pi exp( 2 GL ) exp( − 2α L )
（3.2-31）
当激光器处于稳定振荡时，腔内各处的功率为定值，因此经过一次往返回到起 始点的功率与原功率值相等，即净功率增益为 1 Pf Pi =1 （3.2-32）
此时的增益称为阈值增益，由此得阈值增益系数G th 1 （3.2-33） Gth = α = γ − ln R1 R2 2L 上式说明，激光器处于稳定振荡时，增益与损耗相等。 增益与粒子数反转分布相关，对应于阈值增益，有阈值粒子数反转浓度 ∆N th = ( N 2 − N 1 ) th （3.2-34）
c （3.2-14） 2nL 由于受激光工作物质的增益谱限制，并不是所有满足谐振条件的纵模都可 以形成，只有在增益谱内的才能够振荡。 ∆ν m = ν m +1 − ν m =
பைடு நூலகம்
图 3－10
4
3、闭腔 当腔的四周被不同介质包围时，对模式将有很大影响，这种腔称为闭腔。 假设腔为矩形，x、y、z 各方向的边长分别为 a、b、L。 一维情况下，谐振条件为 kL = mπ 将此结果类推到三维情况， 即在腔内三个方 向光场均为驻波。波矢量为 k ，三个方向上 的分量分别为kx、ky、kz。因此光场在腔内 谐振时有 k x a = pπ
6、激光器的工作过程 自激振荡：自发辐射→ 受激辐射→ 振荡平衡 设反射镜M1、M2的反射率为R1、R2, 初始光功率P1。从M1出发，通过光腔 传输。初始时，增益大于损耗。到达M2的光功率
' P 1 = P 1 exp[ L (G − γ )]
（3.2-35）
然后被M2反射，并经过光腔到达M1，光功率为
= q/b p q m ( )2 + ( )2 + ( )2 a b L
激光的基本原理
激光的基本原理一、光与物质的关系物质是由一些同类微粒组成（即原子、分子、离子）。
由于这些微粒处于不同的能级上，而在这些能级中，用E1及E2分别表示两个能级量，E1所带的能量少，属低能级。
E2所带的能量多。
为高能级（见图1）。
由于粒子所含的能量不同，总的来说粒子在低能级的占多数，高能级的占少数。
因此在低能级（E1）中的粒子数大于高能级中（E2）的粒子数。
可用图1表示、二能级（E1E2）上粒子数的分布。
图1 粒子二能级分布图光与物质作用有三方面（1）受激吸收低能级E1的粒子当吸收一定频率r21的外来光能时，粒子的能量就会增到E2＝E1＋hr21(h)表示普朗克常数），粒子就从低能级E1跃迁到高能级E2上，（见图2），这一过程叫做受激吸收，而外来光的能量被吸收，使光减弱。
粒子进行跃迁不是自发的，要靠外来光子刺激而进行。
粒子是否能吸收发来的光子，还得取决于两个能级（E1和E2）性质和趋近于粒子的光子数的多少有关。
而与其它方向。
位相等方面就无任何限制。
（2）自发辐射处于高能级的粒子很不稳定，不可能长时间的停留在高能级上。
以氢原子为例，在高能级停留的时间只有10-8秒（粒子在高能级停留的时间为粒子的寿命，寿命长的为亚稳态能级）。
因此，在高能级E2中的粒子会迅速跃迁到低能级E1上，同时以光子的形式放出能量hr21＝E2－E1（hr21为辐射光子频率）。
（见图3）。
这一过程不受到外界的作用时完全是自发的。
所产生的光没有一定规律，相位和方向都不一致。
不是单色光。
我们在日常生活中也可以看到的如日光灯，高压汞灯和一些充有气体的灯，发光都是自发辐射的过程，这些光是向各个方向传播。
因此与受辐射发出的光，其相位和方向完全相反。
这种以光的形式辐射出来的，叫做自发辐射跃迁。
可是在跃迁的过程中有一些不产生光辐射的跃迁，而它们主要是以热的运动形式消耗能量，即为无辐射跃迁。
自发辐射的特点，即每一个粒子的跃迁都是自发的，孤立地进行，也就是相互独立，彼此无联系。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
通常激光器都是由三部分组成： 激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔
激光工作物质
激光输出
全反射镜
泵浦源
部分反射镜
第二章 激光产生的基本原理
1、泵浦源
作用：对激光工作物质进行激励，将激活粒子 从
基态抽运到高能级，以实现粒子数反转。
气体激光器气体放电激励示意图
第二章 激光产生的基本原理
共振相互作用： 光场的频率近似等于原子辐射本身某一固有频率 本章内容： 1. 简介几种激光器理论 2. 线型函数以及各种谱线加宽机理 3. 速率方程 4. 增益系数 重要概念： 线性函数 速率方程 增益系数
§5.1 谱线加宽与线型函数
谱线加宽：介质自发辐射光谱中每一条谱线都不是理想单色光， 而是在其中心频率附近呈现某种频率分布。
横模 Transverse Electro-Magnetic Mode
第三章 光学谐振腔与激光模式
对激光模式的理解：
纵模和横模各从一个侧面反映了谐振腔内稳定 的光场分布，只有同时运用纵模和横模概念，才 能全面反映腔内光场分布。
不同纵模和不同横模都各自对应着不同的光场分 布和频率，但不同纵模光场分布之间差异很小，不能 用肉眼观察到，只能从频率的差异区分它们；不同的 横模，由于其光场分布差异较大，很容易从光斑图形 来区分。应当注意，不同横模之间，也有频率差异， 这一点常被人们忽视。
∆ν F
ν q−1
νq
ν q+1
ν ν q−2
q−1
νq
ν ν q+1
q+2
第三章 光学谐振腔与激光模式
结论： 1. 工作原子（分子、离子）自发辐射的荧光线宽∆ν F 越大，
可能出现的纵模数越多。
2. 激光器腔长L 越大，相邻纵模的频率间隔∆ν q 越小，
因而同样的荧光谱线宽度内可容纳的纵模数越多。
3.3 光学谐振腔的损耗
选择性损耗（因横模而异）
几何损耗：腔的类型，几何尺寸，横模阶次 衍射损耗：腔镜边缘的衍射效应
非选择性损耗（与模式无关）
腔镜反射不完全引起的损耗：透射输出损耗 非激活吸收散射：镜的吸收、散射、透射
3.3 光学谐振腔的损耗
平均单程损耗因子 δ :
I1 = I0e−2δ
δ
=
1 ln
∫ 线型函数：g(ν= ,ν 0 )
P= (ν )
P
x(ν ) 2 +∞ x(ν ) 2 dν
−∞
γ
=
(γ )2
2
+
4π
2 (ν
−ν0
)2
谱线加宽的机理
自然加宽（Natural broadening）
gN
(ν
,ν 0 )
=
(γ
2
)2
+
γ 4π 2 (ν
−ν 0 )2
= 最大值： ν
ν= 0， g(ν 0 ,ν 0 )
对激光工作物质的要求：尽可能在其工作粒子 的特定能级间实现较大程度的粒子数反转；使这种 反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持 下去。
第二章 激光产生的基本原理
激光器的分类
一、按照激光工作物质分类 1．气体激光器 2．固体激光器 3．液体激光器 4．自由电子激光器 5．半导体激光器 6．光纤激光器
N — t 时刻腔内光子数密度
I(t ) = Nhν v
I0
=
N0hν v
I(t)
=
−t
I0e τR
−t
N = N0e τR
t =τR
N = N0 e
腔内光子数密度衰减到初始值的
1 e
所用的时间。
腔损耗越小
τ R 越大
腔内光子的平均寿命越长
光腔的损耗－Q值
品质因数 Q = 2πν E
P
储存在腔内的总能量 单位时间内损耗的能量
若腔内介质的吸收系数是均匀的，则 光在腔内往返一次后光强衰减为：
I1 = I0e−2αl
由此可得，由介质吸收引起的单程损耗因子为：
δ吸 = αl
l ——介质的长度
光腔的损耗－光子在腔内的平均寿命
I0 ——初始光强； Im ——往返m次后的光强
= Im I= 0 (e−2δ )m I0e−2δ m
t 时刻往返次数：=m
ν q=
q⋅ c
2η L
整数 q 所表征的腔内纵向稳定场分布
基纵模：ν 1
=
c
2η L
纵模间隔： ∆ν q = ν q+1 −ν q =
c
2η L
第三章 光学谐振腔与激光模式
理想情况下，一个纵模对应一个谐振频率值， 实际上每一个纵模都具有一定宽度:
例：He－Ne激光器，η = 1，当 L = 10cm 和 L = 30cm 时，
第三章 光学谐振腔与激光模式
二、横模 (Transverse Electro-Magnetic Mode) 谐振腔内的光波在垂直于光轴的横截面内的电磁场分布。 每一种横模对应一种横向的稳定场分布。
TEMmn :
m——x方向节线数 n——y方向节线数
将一块观察屏插入激光器 的输出镜前，即可观察到 激光输出的横模图形，即 光束横截面上的光强分布 情况。
2= tL′
tc 2nL
c
= I (t )
− tδ c
I= 0e L′
−t
I0e τR
τR
=
L′
δc
腔的时间常数（光子在腔内的平均寿命 ）
物理意义： t = τ R 时： I (t ) = I0 e 腔内光强衰减到初始值的 1 e所用的时间。
光腔的损耗－光子在腔内的平均寿命
物理意义：
N0 — t = 0时刻腔内光子数密度；
≈
2Lθ
a
=2
L
⋅
0.61λ
a2
≈
1 a2
=1 N
N = a2 菲涅耳数
Lλ
Lλ
光腔的损耗－损耗举例
（3）透射损耗
设两个反射镜的反射率分别为 r1 和 r2 ，则
初始光强为 I0的光在腔内往返一周，经两
个镜面反射后，光强变为：
I1 = I0r1r2
= I1 I= 0r1r2 I0e−2δr
δr
=
1 − 2 ln r1r2
I0
2 I1
I1= I0e−2δ1 ⋅ e−2δ2 ⋅ e−2δ3 = I0e−2δ
∑ δ = δ i = δ1 + δ 2 + δ 3 i
光腔的损耗－损耗举例
（2）衍射损耗
第一极小值：
θ ≈ 1.22 λ = 0.61 λ
2a
a
θ
Lθ
2a
θ
L
δd
= W1 W1 + W0
= ∆S1 ∆S1 + ∆S0
谱线加宽的机理
自然加宽（Natural broadening）
这种谱线加宽是不可避免的 （1） 经典理论
处于激发态的发光粒子，在自发辐射的发光过程中， 辐射功率不断衰减，导致光谱线有一定宽度。
经典电子理论：原子是一个正电中心和
一个负电中心组成的偶极子
x(t)
=
x e e −γ t 2
i 2πν 0t
第三章 光学谐振腔与激光模式
3.1 光学谐振腔的构成和分类 3.2 激光模式 3.3 光学谐振腔的损耗
第五章激光 工作物质的增益特性
3.4 光学谐振腔的衍射理论基础 3.5 平行平面强的自再现膜 3.6 平行平面腔的自再现膜 3.7 平行平面腔的自再现膜
第五章 激光工作物质的增益特性
研究对象： 光频电磁场与激光工作物质中工作粒子之间的相互作用
1.平行平面腔
组成：两块互相平行且垂直于激光器光轴的平面镜
激光技术发展历史上最早提出的光学谐振腔， 这种装置在光学上称为法布里— 珀罗干涉仪， 简记为F—P腔。
第三章 光学谐振腔与激光模式
3.2 激光模式
模式：谐振腔内可能存在的电磁场本征状态
（振荡频率和空间分布）
纵模：沿光轴方向的光强分布； 横模：垂直于光轴的横截面上的光强分布。
Heisenberg测不准关系： ∆E ⋅ ∆t = h ⇒ ∆E= h
2π
2πτ
谱线加宽的机理
碰撞加宽（Pressure (collisions) broadening ）
二、按照激光器工作方式分类
1．连续输出激光器 2．脉冲输出激光器
第三章 光学谐振腔与激光模式
3.1 光学谐振腔的构成和分类 3.2 激光模式 3.3 光学谐振腔的损耗
第五章激光 工作物质的增益特性
3.4 光学谐振腔的衍射理论基础 3.5 平行平面强的自再现膜 3.6 平行平面腔的自再现膜 3.7 平行平面腔的自再现膜
按照腔镜的形状和结构 球面腔和非球面腔
腔内是否插入透镜之类的光学元件， 或者是否考虑腔镜以外的反射表面 简单腔和复合腔
根据腔中辐射场的特点 驻波腔和行波腔
根据反馈机理的不同 端面反馈腔和分布反馈腔
根据构成谐振腔反射镜的个数 两镜腔和多镜腔
第三章 光学谐振腔与激光模式
一、典型开放式光学谐振腔
中心频率：ν 0＝（E -2 E/）h1 P(ν ) ——单色自发辐射功率
发光粒子在 ν 处，单位频率间隔内的自发辐射功率 +∞
∫ P ——自发辐射总功率 P = P(ν )dν −∞
§5.1 谱线加宽与线型函数
1. 线型函数
g(ν ,ν 0 )
=
P(ν )
P
自发辐射跃迁几率 按频率的分布函数
g(ν ,ν 0 ) g(ν 0 ,ν 0 )
1 2