激光物理原理
激光原理及应用 pdf
激光原理及应用 pdf
激光原理及应用是物理学中的热点话题,其中广泛应用于各个领域。
激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）是一种特殊的电磁波，可
以表示为一种高功率、高集中度、高空间和时间偏振特征的瞬时光斑。
它是由激发态原子
以激发态跃迁而发出的光子能量而形成的。
激光非常专注，能量可以叠加，并能集中在一
个固定的方向上。
激光产生的原理是关于原子跃迁有关的，即一个原子由一个输入的能量激发到某个能级，而另一原子则从该能级跃迁而下到较低的能级，从而释放出一股脉冲的
能量，构成激光。
激光可以用于科学研究，比如气体分析、原子谱和紫外光谱等。
此外，激光也用于临床医学、工程技术、工业生产等领域。
在临床医学领域，激光可用于切割、治疗，皮肤美容，
病毒治疗等等。
在工程技术领域，激光可用于测量、数据处理和纠错等；在工业生产领域，激光可用于切割、焊接、打标等。
总之，激光原理及其应用被广泛应用于各个领域，具有广泛的应用前景，未来将会有更多的应用。
激光的产生原理及其特性(精)
受激辐射:处在激发态能级上的原子，若有一个外来光子趋 近它，这原子就可能受了外来光子的“刺激”(或者称 “感应”)，从高能级En向基态Em跃迁而辐射出光子，这 个过程称做受激辐射，受激辐射产生的光子和外来光子有 完全相同的特征，就是它们的频率、位相、振动方向和传 播方向都相同,是特征完全相同的相干光.
激光的亮度高和方向性极好的特点，研究啦激光测距仪， 激光雷达和激光准直仪。 下面这个图就是用激光雷达来测量风速的装置
激光加工．在现代工业中，一些强 度大且熔点商的材料的使用相当普 遍。如果进行打孔或切割，用机械 方 法是很困难的。例如．加工手表中 的钻石轴承．是在比芝麻还要小的 钻石上打孔．要求误差不能超过头 发的l／20，目前使用激光来打孔， 比机械打孔的效率提高100倍。 在加工工业中，高功率的c 激光器可 用于打孔．切割与焊接等．通过微 机控制可以作复杂形状的切割． 而低功率的COz激光器可用于切割 塑料、陶瓷和纺织品等．切后边缘 比较平整，不需进一步处理。
激光通信．又叫做光纤通信．它是刺用比头发还细的玻璃纤 维来传播光信号的．光纤通信的优点是t频带 宽，通信容量大，传输速度快．一根光鲆可同时传送l0”路电 话和l0’套彩电节目．而一根普通导线只能同时通 2—3路电话．目前．应用光奸敖据传输速度为3．4Gblt／s， 而实验室试验光纤的速度已达16Gblt／s．整套大英百 科全书的内窖可在不到一秒的时J可内传送完毕．
澈光武器．叉名死光武器．它的子 弹是光子．速度是3xloIm／s．一旦 瞄准目标，几乎不用多少时间就可 把目标摧毁．激光武器的破坏作用 有两十方面．一是高能激光束的机 械破坏作用．使飞机或卫星的重要 部件穿 孔而损坏，二是激光的光学破坏作 用．凳胃陆军正在发展PL 一s激光 武器，可装到M —l6步枪上．它能 使敲 ^双目失明而丧失战斗力，还能探测 和破坏敲^的光学传感器．据 算， 飞机驾驶员被激光致盲lO-3Os，就 可 导承飞机坠毁．
激光原理及应用PPT课件
激光治疗
通过激光照射病变组织，达到治 疗目的，如激光治疗近视、祛斑
等。
激光手术
利用激光进行微创手术，具有出 血少、恢复快、精度高等优点， 如激光心脏手术、激光眼科手术
等。
激光诊断
利用激光光谱技术对人体组织进 行检测和分析，为疾病诊断提供
依据。
军事国防领域应用
激光雷达
利用激光雷达进行目标探测、识别和跟踪，具有高分辨率、抗干 扰能力强等特点。
微型化与集成化
发展微型激光器，实现与其他光电器件的集成，推动光电子集成技 术的发展。
新型激光技术
研究新型激光技术，如光纤激光器、化学激光器等，拓展激光器的 应用领域。
高功率、高效率、高稳定性挑战
高功率激光器
提高激光器的输出功率，满足高能激光武器、激光聚变等领域的 需求。
高效率激光器
优化激光器的能量转换效率，降低能耗，提高激光器的实用性。
02
03
工作原理
通过激励固体增益介质 （如晶体、玻璃等）中的 粒子，实现粒子数反转并 产生激光。
特点
结构紧凑、效率高、光束 质量好。
应用领域
工业加工、医疗、科研等。
气体激光器
工作原理
利用气体放电激励气体分子或原子， 使其产生能级跃迁并辐射出激光。
特点
应用领域
激光切割、焊接、打孔等工业应用。
输出功率大、光束质量好、效率高。
激光原理及应用PPT课 件
contents
目录
• 激光原理基本概念 • 激光技术发展历程及现状 • 激光器类型及其特点分析 • 激光在各领域应用案例分析 • 激光安全问题及防护措施探讨 • 未来发展趋势预测与挑战分析
激光原理基本概念
激光基本功——激光物理学
激光基本功——激光物理学激光作为现代科技中的重要一环，在医疗、制造、通信等多个领域都有广泛应用。
激光的发明和发展一直以来都离不开对其物理原理的深入研究。
本文将介绍激光的基本物理原理、激光的特性以及激光在现代科技中的应用。
一、激光的物理原理激光的物理原理是基于被激辐射的原理产生的，即原子（或分子）受到电磁波的激励后，会发生一个电子跃迁的过程，从而放出一束能量与入射光同相且具有高度相干性的光束。
相比于其他光源，激光可以产生高达数兆（10^6 千瓦）以上的功率，其光束也有非常强的指向性和集中性。
这些特性使得激光在科技、制造、医疗等领域中得到了广泛应用。
二、激光的特性1. 相干性相干性是指激光的光子之间存在定向关系，具有单色性和方向性。
由于只存在某一波长的光子，这使得激光光束的色散极小，能够高效地传输。
2. 指向性激光光束的指向性非常强，即将几乎所有的光能量都聚集在光束中心。
这是因为激光光束的裸眼可见性很低，但可以通过特殊的仪器来观察和控制。
3. 谐振腔激光的发射需要通过谐振腔。
谐振腔是由两个镜子组成的，分别为反射镜和输出镜，通过使光在两个镜子之间反复反射，形成谐振振荡，从而产生激光束。
4. 发射频率激光的频率非常高，一般在数百万到数千亿赫茨之间，因此激光能够产生极高的分辨率。
三、激光在科技中的应用1. 制造业激光在制造工业中得到广泛应用。
激光能够在非常精细和狭窄的地方进行切割、焊接和打孔等高度精密的加工操作。
比如，激光切割在金属加工、皮革和木材加工等应用领域具有广泛的应用。
2. 医疗激光技术在医疗领域中也得到了广泛的应用，如激光治疗癌症、激光近视手术等等。
由于激光光束的集中性和高精度，激光手术技术已经成为了一种安全而有效的方法。
3. 通信激光作为一种高度集中、高密度和高速度的信息传输介质，被广泛应用于通讯领域。
激光通信技术在未来有望替代传统的有线和无线通信方式，成为更快、更安全的传输方式。
总的来说，激光作为一种现代科技中的重要组成部分，对人类社会的发展做出了巨大贡献。
第一章 激光的基本原理及其特性
1913年波尔提出了原子中电子运动状态量子化假设。
1917年爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体
辐射的普朗克公式，在推导中提出了两个极为重要地概
念：受激辐射和自发辐射。
（第一章）
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
原子的能级
• 基态
激发态
电子只能处于分立的能级，电磁辐射与物质的相互作用将 导致物质中电子能级的变化，当吸收或辐射能量时，可在 特 定的能级间跃迁；该能量为这两个能级的能量差，并且 该能量差唯一地决定了电磁辐射的频率： ∆Ed t 0
受激跃迁几 率
（第一章）
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
受激吸收的特点
原子的受激吸收几率与外界辐射场的频率有关 原子的受激吸收几率与受激爱因斯坦系数有关 原子的受激吸收几率与外来光辐射能量密度有关
（第一章）
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
光的受激辐射
入射光
h E 2 E 1
(t ) N u 0 e 1 Au 1 1
N u 0e
t
u
u u
Au i
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
自发辐射的特点
原子的自发辐射与原子的本身性质有关，与外界 辐射场无关 自发辐射的随机性，自发辐射光的相位、偏振态 和传播方向杂乱无章
光源发出的光的单色性、定向性很差。没有确定 的偏振状态。
原子数按能级分布
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:
N2 N1
e
( E 2 E1 ) kT
高 能 级 低 能 级
物理与电子工程学院
激光的物理原理及应用
激光的物理原理及应用一、激光的物理原理激光是一种特殊的光，具有高度的单色性、高度的定向性和高度的相干性。
它与普通光相比具有明显的差别，这些差别源于激光的物理原理。
1. 激发过程激光的产生是通过能传递电磁辐射的粒子或电磁波作用于物质的原子或分子上。
激光的产生主要是通过激发过程完成的，即外界能量的输入使原子或分子跃迁到一个能量较高的能级，然后返回到基态时产生辐射。
2. 反射和共振激光能产生高度的定向性和相干性，主要得益于激光的反射和共振效应。
在激光器中，光线被分别反射和放大，使得光线仅在特定方向上被放大，并且具有相同的频率和相位。
二、激光的应用激光作为一种特殊的光，具有各种各样的应用。
以下是一些常见的激光应用：1. 切割与焊接激光切割和焊接广泛应用于金属材料的加工领域。
激光切割通过高能量激光束将材料焦化和蒸发，从而实现高精度的材料切割。
激光焊接则利用高能量激光束将两个或多个材料的接触面加热到融化点，从而实现材料的连结。
2. 医疗美容激光在医疗美容领域有着广泛的应用。
激光可以用于皮肤去除、刺青去除、毛发去除等。
激光在医疗美容中的应用由于其高度的定向性和高度的单色性，可以精确地作用于皮肤组织，从而实现更精细的治疗效果。
3. 印刷与制图激光打印技术已经成为现代印刷行业的重要组成部分。
激光打印通过激光束照射感光鼓，使得鼓表面的电荷分布发生变化，从而实现对纸张的印刷。
激光打印具有高速、高精度和高分辨率的特点，在印刷行业中得到了广泛的应用。
4. 雷射测距激光测距是一种常见的测距技术，广泛应用于测绘、建筑和工程等领域。
激光测距利用激光束的光程差原理，通过发射激光束到目标并接收回波的时间差来计算目标距离。
5. 光纤通信激光在光纤通信中也起到了关键作用。
通过将光信号转换为脉冲激光信号，可以在光纤中传输远距离的信号。
激光的高度的定向性和相干性使得光信号能够在光纤中保持较小的损耗和失真。
结论激光的物理原理和应用非常广泛，不仅在科学研究中有重要地位，也在各个领域得到了广泛的应用。
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"。
激光原理_第1章_激光的基本理论
3.简并态—— 同一能级的各状态称简并态 例：计算1s和2p态的简并度
原子状态 n l
ml ms 简并度
1s
1
00
f1=2
1
2p
21
0
f2=6
-1
18
第一章 激光的基本原理
二、玻耳兹曼分布及粒子数反转
1. 玻耳兹曼分布(热平衡分布)
(19.77eV) 10-6 S
23
四、黑体辐射及其公式 1、描述黑体辐射的典型物理量
①单色能量密度 ,T：单位体积内，频率处于 附近
单位频率间隔内的电磁辐射能量，它是频率和温度的函 数。
注：寻求 的,T 函数形式进而确定单色辐出度的形式是当
时黑体辐射研究者们的一大目标！
②单光位波频模率密间度隔内n的：光腔波内模单式位数体。积中频率处于 附 近
n f e 2
2 (E2 E1 ) / kbT
讨论(设f i= f j) :
n1 f1
(1)如果E2 - E1很小,且满足 △E = E2 - E1＜＜kbT,则
n2 e (E2 E1 ) / kbT 1
n1
19
第一章 激光的基本原理
n f e 2
2 ( E2 E1 ) / kbT
第一章 激光的基本原理
前言
光具有波粒二象性，在描述光的性质是，可 以从其粒子性和光的波动性两个方面来描述光的 性质，进而引入了光波模式和光子模式来描述；
在激光产生的过程中，受激辐射和自发辐射 是其产生的基本原理，同时分析要实现光的受激 辐射放大需要满足集居数反转（粒子数反转）。
1
第一章 激光的基本原理
激光原理及应用
激光原理及应用
激光技术是20世纪50年代流行起来的新兴技术，它涉及到光学、电子、物理、化学等多学科，用途也越来越广泛。
激光是一种高能量密度的光，质量质量好并且能量能量稳定，具有高显像度、高密度、高精度的优点，在工业生产，新兴科技，航空航天，军用等各个领域得到越来越多的应用。
激光的原理是在特定的物质环境中，一次具有特定频率，持续出现的大功率光激发，以达到平衡放射和吸收状态。
具体来说，首先产生一种不具有定向特性的长波长、大功率的光，然后这种光经过几回反射、折射、衍射等操作后，在放射与吸收的循环中磁化、产生强度从而实现一连串的脉冲光。
激光应用在很多领域。
工业上应用的范围很广，比如精确切削、焊接、热压等过程都需要用到激光技术。
航空航天科技中，激光技术用于星体测量及地形测量，以及导引对空导飞的多导引系统。
在医学领域，激光技术用于消炎消痛，治疗各种病症和手术。
激光技术正在成为一个主要技术，在工业生产、新兴科技、航空航天、军事等领域应用得越来越广泛。
它不仅节约了能源，而且可以提高工作效率，并且拥有非凡的精度。
由于激光技术另人眼前一亮，激发了人们对前沿科技的兴趣，给科学工作者和工程师带来了极大的帮助。
激光原理
入式、电子束激发、光激发、雪崩式击穿等。
它体积小重量轻，寿命长，结构简单而坚固，特别 适于飞机、车辆、宇宙飞船之用。现在的光驱、VCD、 DVD的激光头都是一个小型半导体激光发射器。 4. 液体激光器 常用有机染料作工作物质，大多数情况是把有机染 料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽状工作的。液体 激光器的工作原理比较复杂，但输出的波长连续可调， 且覆盖面宽。
坦福大学朱棣文等人，首次采用激光束将原子束冷却 到极低温度，使其速度比通常作热运动时降低，达到 “捕获”操纵的目的。
具体作法是，用六路两两成对的正交激光束，沿 三个相互垂直的方向射向同一点，光束始终将原子推 向这点，于是约106个原子形成的小区，其温度在 240μK以下。这样使原子的速度减至10m/s量级。后来 又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在约1s内从控制区 坠落后被捕获。 1997年朱文棣、科恩、飞利浦三人因此而获诺贝 尔物理学奖。此项技术在光谱学、原子钟、研究量子 效应方面有着广阔的应用前景。
射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光
信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大
的光，就是激光。 二．粒子数反转 受激辐射的概念爱因斯坦 1917提出，激光器却在 1960年问世，相隔43年，为什么？主要原因是普通光
源中的粒子，产生受激辐射的概率极小。
当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受 激吸收两过程同时存在，因受激辐射使光子数增加， 受激吸收使光子数减小。物质处于热平衡态时，处在
政”辐射光子。
激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激 光产生的机理与普通光源的发光不同，这就使激光具 有不同于普通光的一系列性质。 1. 方向性好 激光不像普通光源向四面八方传播，几乎在一条 直线上传播，我们称激光的准直性好。因为激光要在 谐振腔内来回反射，若光线偏离轴线，则多次反射后
激光原理及应用
微观计算： 重叠率Overlap =d/r 宏观计算： 重叠率= 1—
速度 频率*光斑直径
高重叠率High overlap 1.低速度Low speed (tact time) 2.高能量High energy (maybe result in damage) 低重叠率Low overlap 1.高速度High speed (tact time) 2.低能量Low energy (maybe film isn’t deleted clearly)
• • • 固体工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）；红宝石；钕玻璃； 气体工作物质：CO2分子气体；He-Ne原子气体；氩离子气体； 半导体工作物质：砷化镓
激励装置——能使激活介质发生粒子数反转分布的能源
• • • • • 光激励： 用脉冲光源来照射工作介质（闪光灯、LD）； 电激励： 用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子； 化学激励：应用化学反应方法； 热激励： 超音速绝热膨胀法； 注入式激励：采用向半导体物质注入大电流的方法。
3.声光调制系统
• • • 声光调制系统由声光电源和声光调制器（Q开关）两部分组成； 声光调Q技术是指在谐振腔中放入声光介质，通过电声转换形成超声波，使声 光介质的折射率发生周期性变化，从而使激光能量以巨脉冲形式输出（Q值是 谐振电路中的参数，Q值越高，谐振曲线越尖锐）； 声光调Q是一种广泛使用的 Q开关方式，其有重复频率高、性能可靠的优点。
目录
一：激光产生原理 二：激光刻划原理
三：激光扫边原理
激光产生原理
1.激光定义：
激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取 自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组 成的缩写词。意思是“通过受激发射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的 主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。
激光原理及应用
5、医疗领域应用
（1）激光美容：激光是通过产生高能量，聚焦精确，具有 一定穿透力的单色光，作用于人体组织而在局部产生高热量 从而达到去除或破坏目标组织的目的。
各种不同波长的脉冲激光可治 疗各种血管性皮肤病及色素沉着， 如雀斑、老年斑等，以及去纹身、 洗眼线、洗眉等；而近年来一些 新型的激光仪在进行除皱、磨皮 换肤、治疗打鼾，美白牙齿等方 面取得了良好的疗效，为激光外 科开辟越来越广阔的领域。
激光控制核聚地质变勘探
4、信息领域应用
激光通信
光纤通信
5、医疗领域应用
激光在医学上的应用主要分三类：激光生命科 学研究、激光诊断、激光治疗
我激们光国生家命的科学科研学究工主作要者包在括激 光两育方种面方内面容做，了其一大是量激而光有育成种效；的 工其作二,就近是十以年激来光, 作我为国分用析激和光检育测种 方的法工已具培来养研出究棉生花物分、子油和菜细、胞水的稻、 小结麦构、、大性豆质、、玉功能米以、及果生树物、物家理蚕 等和优生良物品化种学和的品反系应近机4制0余。种。
2012年12月13日
3、方向性强——激光束的发散角很小，几乎是一平 行的光线。 4、亮度高——激光的亮度可比普通光源高出1012－ 1019倍，是目前最亮的光源，强激光甚至可产生上 亿度的高温。
10
由于激光具有方向性好、亮度高、 单色性好、相干性好等特点！！！ 因此，激光在许多领域中都得到广泛 应用......
激光的应用，按照激光探头是否与激光作用的物
质接触，分为接触式和非接触式两种工作模式；其应 用领域，主要有工业、医疗、商业、科研、信息和军 事六个领域。
激光概述
多路合成角度全息用于艺术品展示
全息激光防伪标签，已经是一个很大的产业
（2）激光全息存储
❖ 利用激光干涉原理将图文等信息记录在感光介 质上的大容量信息存储技术 通过将缩微胶片 上的影像转变为光信息，然后制出存储密度更 大的全息图 全息图是由干涉条纹组成的影像， 该条纹记录了入射光线的全部信息—振幅和相 位 阅读还原时，需在激光照射下利用条纹影 像的衍射原理使其再现
与其他种类电视(等离子体、液晶电视等)相比，激光电视在技术上具有明显优势。 据专家介绍，彩色电视机自1954年问世至本世纪初以来，一直以阴极射线管为基础， 通过提高荧光粉的发光效率、增大显示屏的尺寸、平面化荧光屏的显示表面、改进接 收和播放信号处理系统等提高彩色电视机的技术含量和增强市场竞争力。
随着科技的进步和发展，以阴极射线管作为显示器，逐步暴露出越来越多的缺点和不 足，如会产生对使用者身体健康非常有害的电磁辐射、荧光粉不能完美显示影像的颜 色、显示屏的尺寸难以做大、彩色电视机整机体积大，重量大等。
书中记载：放平了看，这是一块残缺的玻璃片，但斜向阳光看去， 就
有一个“仙人”坐在里面，仪容端庄，面色微红，双目炯炯，胸前飘着长长 的白须，头戴红色道冠，，穿紫色衣服， 右手执一柄羽毛扇，身旁还侍立 着一个童子。
姚元之在清代嘉庆、道光两朝，做官近40年，经历丰富，博学能文，著 述严谨。 囿于当时认识水平，姚元之把这一奇异现象解释为在雷雨时刻， 一位避劫的仙灵精气聚合不散，附着在玻璃上而成。
影，有坐着做祈祷的半裸体印第安人，有手捋胡子的白发老人，有带着一群 孩子的年轻妇人，还有手拿帽子、带着披风的印第安老农等。
在仅有八毫米的圣女像的双眼中，竟容纳这么多人，这在科学上是很难 解释的。 这些图像是怎样形成的? 还有待科学家们进一步考用分光镜一分为二，其中一束照到 被拍摄的景物上，称为物光束；另一束直 接照到感光胶片即全息干板上，称为参考 光束。当光束被物体反射后，其反射光束 也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄 制过程
激光的产生原理
激光的产生原理
激光是一种具有高能量和低散射的电磁辐射，因其能够以相对较窄的
角度发散，精度高、抗干扰性强，所以在医学、通信、工业生产等诸
多领域得到了大量应用。
那么，激光是如何产生的呢？
一、原子能级激发
激光是以物理原理来描述的一种精准的电磁辐射，它主要是利用原子
能级激发的原理而生成的。
当原子中的电子将能量吸收，由低能级的
原子态提升到高能级的原子态时，它就会释放出能量，这就产生了激光。
二、激光管的工作原理
激光管是激光的重要组成部分，它是一种有放大能力的装置。
当它接
受到一定能量后，就会将激光辐射放大，从而使激光强度大大增强。
三、共振腔
激光管内放置共振腔，这种共振腔具有折射率、反射率和吸收率这三
个特性，它可以吸收电子释放出来的能量，并不断放大，最后形成一
束有效的激光光束。
四、激光产生
最终，由于原子中电子跃迁的能量的放大，使得释放出的激光强度大
大增强，于是激光就被产生出来了。
激光也可以产生多种不同的波长，它由整个发射系统所确定，并取决于共振腔、反射镜和激光器中掺入
物质的种类、浓度以及激光管的设计等。
以上就是激光的产生原理了，激光作为一种光源，在各个领域的应用正发挥着重要作用，必要的了解是对激光的有效利用的前提。
激光物理学
激光 是20 世纪 的四 项重 大的 发明 之一
1：激光的发展史
1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了
关于激光器的经典论文，奠定了激光发展 的基础。 1960年，美国加利福尼亚州休斯航空公司 实验室的研究员梅曼发明了世界上第一台 红宝石激光器。 1965年，第一台可产生大功率激光的器件-二氧化碳激光器诞生。 1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。
形形色色的激光武器
机载激光武器
激光在信息技术领域的应用
全息照相
光存储
大屏幕显示
(1) 全息照相
激光束用分光镜一分为二，其中一束照到
被拍摄的景物上，称为物光束；另一束直 接照到感光胶片即全息干板上，称为参考 光束。当光束被物体反射后，其反射光束 也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄 制过程 全息照片和普通照片截然不同
激光全息存储的优点
信息存储容量大---可达1Tb/cm3 记录速度快 记录信息不易丢失---寿命可达数百年
便于长期保存---每一碎片都包含完整信息
便于拷贝、复制
体全息信息存储
体全息信息存储原理
（3）DPL大屏幕显示
采用二极管泵浦的固体激光器，
倍频输出 红绿蓝三基色的 激光全色显示具有色彩十 分丰富多彩，亮度高、 清晰度高等优点预 计未来10年内在计算机投影仪、 大屏幕高 清晰显示和数字电视 方面得到广泛应用
速率，传输距离2-4公里 4）安全保密性强 5）协议透明 6）成本低—是光纤到楼的1/10到1/3 7）便 携性
的通信系统，即以大气为媒介的激光通信 系统 两种工作波长：850纳米 1550纳米 850纳米设备便宜，应用于传输距离短的场 合 1550纳米红外光波可被视角膜吸收，照不 到视网膜，可增大传输功率，适用于传输 距离远的场合
激光的物理治疗原理
激光的物理治疗原理激光物理治疗是一种利用激光光束对人体进行治疗的方法。
激光物理治疗的原理是通过激光光线的物理特性以及与人体组织的相互作用来实现的。
激光是由光子组成的高强度单色光，可以在特定波长和能量下对细胞和组织产生特定的生物效应。
激光的物理特性激光是一种与自然光有很大区别的光线。
它具有高度一致的相位和频率，能够以相干的形式传播。
此外，激光还具有高度的直线性、凝聚性和单色性。
这些特性使得激光能够形成比普通光束更为聚焦和密集的能量。
激光与组织的相互作用激光与组织的相互作用主要发生在激光通过组织时所产生的光物理过程中。
激光穿过组织时，部分光能被组织吸收，转化为热能，产生光热效应。
另一部分光能被组织反射，折射或散射。
根据激光与组织相互作用的不同，激光物理治疗有不同的应用方式。
1. 光热疗法（Photothermal therapy）光热疗法是利用激光的热效应对组织进行治疗。
当激光照射到组织表面时，被吸收的光能会转化为热能，与组织发生热交换。
这种热交换可以产生多种效应，如促进血液循环、加速新陈代谢、减轻炎症反应等。
光热疗法主要用于创伤愈合、疼痛缓解、激活细胞等方面。
2. 光生物学疗法（Photobiological therapy）光生物学疗法是利用激光的光生物学效应对组织进行治疗。
光生物学效应是指激光的光能可以激活或抑制组织中的生物分子或生化反应。
例如，激光可以激活组织中的光敏物质，产生氧自由基，从而破坏肿瘤细胞。
光生物学疗法主要用于治疗肿瘤、光敏性皮肤病等。
3. 光力学疗法（Photodynamic therapy）光力学疗法是利用激光的光力学效应对组织进行治疗。
光力学效应是指激光作用下，通过特定的光敏物质和光能的相互作用，产生的物理化学效应。
例如，激光可以激活光敏剂，使其产生氧自由基，破坏肿瘤细胞。
光力学疗法主要用于治疗感染、瘰疬、白癜风等。
总结激光物理治疗利用激光的物理特性与组织相互作用，通过特定的机制产生治疗效应。
医用物理20激光
• 光学活检（optical biopsy）
第三十一页，编辑于星期六：十九点 二分。
生物体的光谱测量和诊断
Spectral measurement and diagnosis of organisms
• 临床病理诊断的活检（biopsy）
– 将组织的一部分切片在显微镜下进行病理诊断。
第十九页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的种类 Types of lasers
• 燃料激光器Fuel laser：
–1966年，人们第一次利用巨脉冲红宝石激光 器泵浦氯化铝酞化菁和花菁类燃料，获得了 受激辐射。此后，染料激光器得到了迅速的 发展。
–特点：输出激光波长可调谐，某些染料波长 的可调节宽度达上百纳米；激光脉冲的宽度 可以很窄（可达10-15秒量级）；输出功率大， 可与固体激光器比拟，并且价格便宜。
• 固体激光器Solid-state laser：
–以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃为工作物质。最 常采用的是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石 等三种。
–特点：输出能量大（可达数万焦耳），峰值功 率高（连续功率可达数千瓦），结构紧凑牢固 耐用。
第十八页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的种类 Types of lasers
第十四页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的组成
Composition of laser
产生激光的装置称为激光器。激光器主要 由三部分组成：激光工作物质、谐振腔和 激励源。
第十五页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的种类 Types of lasers
• 按工作物质
–固体激光器（如红宝石激光器） –气体激光器（如氦氖激光器） –液体激光器（如染料激光器） –半导体激光器（如砷化镓激光器） –自由电子激光器 –化学激光器（如氟化氢激光器）…
激光原理
25
26
充分条件：大于阈值电流； F-P 腔满足正反馈条件，相位应满足
2nL q c 2nL
2
2nL
27
半导体激光器的特性 （1）波长
h E g hc 1.24 Eg Eg 1eV 1.6 10
19 34
J J S
28
h 6.628 10
1
一、 光辐射的量子理论基础
（1) 受激吸收
处于低能级态的电子在一定条件 下的辐射场作用下，吸收一个光 子， 跃迁到高能级态。
(2) 自发辐射
处于高能级态的原子自发跃迁到低 能级态，并同时向外辐射出一个光 子（自发辐射只与原子本身性质有 关） 。
(3) 受激辐射
处于高能级态的原子在一定条件 下的辐射场作用下，跃迁到低能 级态，并同时辐射出一个与入射 光子完全一样的光子。
11
8、谐振腔
谐振腔的作用是限制输出模式，同时还对激光频率、功率、光 束发散角及相干性都有影响。
光学谐振腔结构
12
谐振腔的作用
(1) 使激光具有极好的方向性( 沿轴线)
(2) 增强光放大作用( 延长了工作物质 ) (3) 使激光具有极好的单色性( 选频 )
13
9、起振条件－－阈值条件， 稳定振荡条件－－增益饱和效应
8
6、工作物质、亚稳态
前面分析了产生激光是受激辐射，而粒子数反转 是产生激光的一个必要条件，激光的产生必须选择合 适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。 在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光 的必要条件。显然亚稳态能级的存在对实现粒子数反 转是非常必须的。
9
激光物质是三能级或四能级结构
2
二、激光的产生 1、普通光源的发光——受激吸收和自发 辐射
- 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)。
激光的产生涉及到原子物理理论的一些基本概念。
一、原子的能级和跃迁
原子是由带正电的原子核和核外一定数目的运动电子所组成的。
电子可以在核外不同的分离轨道上绕原子核运动，这些在各个轨道上运动的电子与原子核共同确定了原子的能量(电子的动能和电子与核间的位能)。
电子分布于离核最近的一些轨道时，原子的总能量最低，称原子处于基态；由于外界作用使电子重新分布于离核较远的外层轨道时，原子的总能量较高，称原子处于激发态(图2-1)。
各种不同的能量状态称为能级，原子可能具有的总能量值不是连续分布的，而是一系列分立的数值，故其能级的分布也是分立的。
电子在核外的分布不是一成不变的，当原子受到外界能量作用时，电子的分布就会发生变化，原子的能量也随之变化。
原子从一种能量状态变化到另一种能量状态的过程叫做跃迁。
原子跃迁时的能量变化ΔE以光波的形式发射或吸收。
图2-1 原子的结构和能量变化
(2-1)
式中 c----光速
λ---波长
ν-----频率
h------普朗克常数，h=6.62×10-34J•s
原子的能级图表示原子所具有的各种能量状态和可能的跃迁变化(图2-2)。
同理，离子分子等粒子也都有各自的能级图。
图2-2 电子轨道与能级图
（a）核和电子轨道(b)能级图
二、自发辐射
原子总是趋向于回复到能量最小的基态，基态是一种稳定状态。
处于激发态的粒子能量较大，是很不稳定的，它可以不依赖于任何外界因素而自动地从高能级跳回低能级，并辐射出频率为ν的光波：
(2-2)
式中E2------高能级能量
E1------低能级能量
这一过程称为自发辐射(图2-3a)
图
2-3 原子的自发辐射、受激辐射和受激吸收
(a)自发辐射(b)受激吸收(c)受激辐射
自发辐射是普通光源的发光机理。
由大量粒子组成的体系，其中各粒子的自发辐射是相互独立的，因而整个体系的自发辐射光的波长和相位是无规则分布的，其传播方向和偏振方向也是随机的，自发辐射光是一种非相干光。
三、受激吸收
处于低能级E1的粒子，在频率为ν的入射光(ν满足2-2式)诱发下，吸收入射光的能量而跃迁到高能级E2的过程称为受激吸收(图2-3b)。
四、受激辐射
处于高能级E2的粒子，受到频率为ν的入射光(ν满足式2-2)的诱发．辐射出能量为hν的光波而跃迁回低能级E1的过程称为受激辐射(图2-3c)。
由受激辐射产生的光同入射光一模一样，即它们具有完全相同的频率、相位、传播方向和偏振状态，因此受激辐射具有光放大作用。
受激吸收和受激辐射概念是由爱因斯坦首先提出来的，是激光产生的理论基础。
应当指出，受激辐射与自发辐射是两种本质不同的物理过程。
自发辐射的几率只与原子本身有关．而受激辐射的几率不仅与原子性质有关，还与入射光频率、光强等因素有关，而且它们发出的光的性质也不相同，这便是激光区别于普通光源的根本原因。
五、粒子数反转
通常情况下，物质体系处于热力学平衡状态，受激吸收和受激辐射同时存在，其吸收和辐射的总几率取决于高低能级上的粒子数。
而平衡态下任意两个高低能级上的粒子数分布服从玻尔兹曼统计规律：
（2-3）
式中n2、n1---高低能级上的粒子数
T---------平衡态时的绝对温度
k---------玻尔兹曼常数，k＝1.38×10-23J/℃
E2、E1---高低能级能量
显然，高能级能量E2大于低能级能量E1，即E2-E1＞0则总有n2＜n1。
因而在热平衡状态下，体系高能级上的粒子数恒少于低能级上的粒子数〔图2-4)。
所以，在平衡状态时，对于入射到粒子体系的相应频率的外界光，体系受激吸收的几率恒大于受激辐射的几率，体系对光的吸收总是大于发射，体系呈吸收状态，对光起衰减作用。
吸收了外界光子而跃迁到高能级的粒子再以自发辐射的形式将能量消耗掉。
因此，在通常倩况下、我们只见到原子体系的光吸收现象，而看不到光的受激辐射现象。
激光器中利用气体辉光放电、光辐射等手段激励粒子体系，使其突破通常的热平衡状态，即将基态上的粒子有选择地抽运到某一个或几个高能级上去，使这些高能级上的粒子数大大增多，从而超过低能级，达到n2＞n1，这种状态称为粒子数反转。
此时，体系的受激辐射几率超过受激吸收几率，受激辐射占优势，对外界入射光的反应效果是总发射大于总吸收，体系具备放大作用，通过该体系的光将会得到放大，这时我们称体系已经被激活。
因此。
粒子数反转是实现激活和光放大的必要条件。
由受激辐射增加的光的状态(频率、传播方向、偏振等)同入射光完全相同，这种放大又称相干放大，光强的放大率取决于粒子数的反转程度。
图2-4 粒子数按能级的波尔兹曼分布。