激光原理与激光束的传输
激光与光纤通信的物理原理
激光与光纤通信的物理原理在现代科技的发展中，激光与光纤通信技术扮演了重要的角色。
它们的物理原理和应用范围的广泛性使得它们成为了信息传输领域的重要组成部分。
本文将对激光与光纤通信的物理原理进行探讨。
首先，让我们来了解一下激光的原理。
激光是一种与自然光不同的光束，它具有高亮度、高单色性和高方向性的特点。
激光的产生是由于物质中的电子跃迁。
当物质中的电子处于高能级时，它们会通过非辐射跃迁或受激辐射跃迁回到低能级。
激光是由受激辐射跃迁产生的，它经过放大装置形成一束强光。
随着激光的产生，我们可以开始探讨光纤通信的原理。
光纤通信是利用光信号在光纤中的传输来实现信息传递的技术。
它通过光纤的内部反射实现了光信号的传输。
光纤是由纯净的玻璃或塑料制成的细长柔软的材料。
光信号在光纤中的传输是利用了光在介质中传播的全内反射原理。
在光纤通信中，光信号的发射通过光发射器来实现。
光发射器会产生一个激光光束，然后将光束的能量转换为光信号进行传输。
光信号进入光纤后，通过全内反射的方式在光纤内部不断地传播。
为了避免信号的衰减和失真，光纤一般采用多层包覆保护以及折射率高低不同的材料制造。
通过这样的设计，信号可以在光纤中保持一定的强度和稳定性。
除了光信号的发射和传输，光纤通信还需要具备有效的光信号接收和解析能力。
光接收器是用来将光信号转化为电信号的装置。
光接收器会通过光敏元件来检测传输过来的光信号，并将其转换为电信号。
电信号随后可以通过电缆等方式传输到接收设备进行处理和解读。
激光与光纤通信的物理原理为信息的传输提供了一种高速、稳定和可靠的方式。
相比传统的电信号传输，光纤通信具有许多优势。
首先，光信号的传输速度快。
光信号的传播速度可以达到光速的75%以上，在长距离传输时的速度几乎不受限制。
其次，光信号的传输容量大。
光纤可以同时传输多个频道的信号，可以支持大量的数据传输。
再者，光信号的传输损耗低。
光纤的传输损耗远低于电信号的传输损耗，可以保持信号的强度和稳定性。
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用激光器是一种能够产生高度聚焦、具有高纯度、高单色性的光束的装置。
它的工作原理是通过将一些能量源输入到激光介质中，从而激发介质中的原子或分子跃迁到一个激发态，然后在受激辐射的影响下，将能量原子或分子从激发态跃迁到一个更低的能级，从而产生出高度聚焦、单色性良好的激光光束。
激光器可以应用于多个领域，下面将介绍一些典型的应用。
首先是激光器在医疗领域的应用。
激光可以用于低侵入性手术，如激光抛光、激光热凝固等，这些手术使用激光器可以减少创伤和出血，使手术更加安全和有效。
此外，激光还可以用于治疗皮肤病、眼科手术和癌症治疗等，因为激光可以精确地照射到目标组织，达到切除或破坏病变组织的目的。
其次是激光器在通信领域的应用。
激光可以用于光纤通信系统中的激光器发射端和接收端。
在激光器发射端，激光器产生的激光光束可以通过光纤传输数据，传输效率高、带宽大，可以满足高速数据传输的需求。
在激光器接收端，激光可以被光探测器接收并转换成电信号，进一步处理和传递。
激光器在光纤通信系统中发挥着非常重要的作用，是现代通信技术的关键。
另外，激光器还在制造业中有广泛的应用。
激光可以被用来切割、焊接、打孔、打标等。
比如，激光切割可以通过将高能量密度的激光束直接照射在材料上，使材料熔化、汽化，从而实现切割。
此外，激光打标可以将图案或文字刻在各种材料上，广泛应用于包装、饰品、汽车零配件等制造行业。
此外，激光器还应用于测距、测速、光谱分析等领域。
激光测距原理是通过发送激光脉冲并测量其返回时间来计算出物体与激光器的距离，被广泛应用于测绘、地质勘探、机械制造等领域。
激光测速原理是通过测量激光光束的多普勒频移来计算速度，被广泛应用于交通违章监控、车辆测速等。
激光光谱分析可以通过测量物质吸收、发射或散射激光光束的方式，获得物质的化学成分、构造和性质。
总的来说，激光器作为一种具有特殊光学特性的光源，被广泛应用于医疗、通信、制造业和科学研究等领域。
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用引言概述：激光器是一种利用激光原理产生并放大一束高度聚焦的光束的装置。
它的工作原理基于电子的激发和辐射过程。
激光器在众多领域中有着广泛的应用，包括医疗、通信、制造等。
本文将详细介绍激光器的工作原理及其在不同领域的应用。
一、激光器的工作原理1.1 激光的产生激光的产生是通过受激辐射的过程实现的。
当外界能量作用于激活物质（如激光介质）时，激活物质中的电子被激发到高能级，形成一个激发态。
当这些激发态的电子回到基态时，会释放出能量，产生光子。
这些光子经过放大和反射，最终形成一束高度聚焦的激光。
1.2 激光的放大激光的放大是通过激光介质中的光子与受激辐射的过程实现的。
在激光介质中，光子与激发态的电子发生相互作用，导致更多的电子从低能级跃迁到高能级。
这样，激发态的电子数量增加，从而产生更多的光子。
这个过程通过在激光介质中反复反射光子来实现，从而放大激光的强度。
1.3 激光的聚焦激光的聚焦是通过激光器中的光学元件实现的。
光学元件，如凸透镜或反射镜，可以改变激光光束的传播方向和聚焦程度。
通过调整这些光学元件的位置和形状，可以将激光束聚焦到非常小的尺寸，从而实现高度聚焦的激光束。
二、激光器在医疗领域的应用2.1 激光手术激光器在医疗领域中被广泛应用于各种手术操作，如激光眼科手术、激光皮肤修复等。
激光手术具有创伤小、恢复快的优势，可以精确地切割组织或疾病部位，减少手术风险。
2.2 激光治疗激光器还可以用于治疗一些疾病，如激光治疗癌症、激光治疗静脉曲张等。
激光的高能量可以破坏癌细胞或静脉曲张血管，从而达到治疗的效果。
2.3 激光诊断激光器还可以用于医学诊断，如激光扫描显微镜、激光断层扫描等。
激光的高分辨率和高灵敏度可以帮助医生观察和诊断微小的组织结构或病变。
三、激光器在通信领域的应用3.1 光纤通信激光器在光纤通信中扮演着重要的角色。
激光器产生的高度聚焦的激光束可以通过光纤传输信息，实现高速、远距离的通信。
激光原理与激光技术
激光原理与激光技术激光（Laser，即Light Amplification by Stimulated Emissionof Radiation）原理是指利用原子、分子或离子等粒子通过受激辐射发射光子，从而引起其他粒子产生受激辐射的过程，从而使辐射出的光具有相干性、单色性和直线性等特点。
激光技术是基于激光原理的一种应用技术，广泛应用于科学研究、通信、医疗、材料加工、军事等领域。
它具有高度单色性、方向性和相干性等特点，能够产生高亮度、高纯度的单色激光束，并可以进行定向传输、聚焦和控制。
激光原理主要通过三个步骤来实现：激发、放大和光学反馈。
首先是激发过程。
将能量输入到激光介质中，使其处于一个激发态。
这可以通过电子束、光束或电流等方式来实现。
然后是放大过程。
在激发态下，原子、分子或离子等受激发射出来的光子会与其他处于低能级的粒子相互作用，导致这些粒子也被激发至高能级。
这个过程将光子从激光介质中放大，使其能量不断增加。
最后是光学反馈。
在放大过程中，要控制光的传播方向和放大程度，需要将部分放大的光子反馈回激光介质中，形成一个正反馈的光学腔。
这个腔可以是一个反射镜和光学波导等结构，它能够使激光束在垂直方向上相互干涉，进而形成一束单色、单一模式的激光。
激光技术可以广泛应用于科学研究。
激光器的单色性和方向性使得其在光谱学、光学干涉、光学光谱分析等领域有着重要应用。
例如，在拉曼光谱仪中，激光光源通过与样品相互作用，可以提供样品的分子振动信息。
激光技术在通信领域也有着重要的应用。
光纤通信使用激光器作为光源，激光器发出的激光信号可以在光纤中传输，并在接收端被转换为电信号。
激光技术的高方向性和低衰减特性使得光纤通信成为现代通信领域的重要技术。
医疗领域也广泛应用了激光技术。
激光可以用于激光手术、激光治疗以及激光检测等方面。
激光手术是通过高能量的激光束来以非接触、非侵入的方式切割、燃蚀或疏通病变组织。
激光治疗则是利用激光的光热效应和生物刺激效应来达到治疗目的。
激光原理与技术
激光的光化学效应与光生物效应
光化学效应
激光能够激发化学反应，改变物质的化学性 质。光化学效应在光催化、光合成等领域具 有重要应用，如利用激光诱导化学反应合成 新材料。
光生物效应
激光对生物组织的作用，包括光热作用、光 化学作用和光机械作用等。光生物效应可用 于激光治疗、光遗传学等领域，如利用激光 进行视网膜修复、神经刺激等。
激光的特性
激光具有一系列独特的特性，如方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等。这些特性使得激光在科学研 究、工业生产、医疗诊断等领域具有广泛的应用价值。
02
激光器类型与技术
固体激光器
01
02
03
晶体激光器
使用掺杂有激活离子的晶 体作为工作物质，如 Nd:YAG激光器。
玻璃激光器
以玻璃为基质，掺入激活 离子制成的激光器，如钕 玻璃激光器。
变换特性
利用光学系统，如透镜组、反射镜、波片等，可以对激光束进 行变换，如扩束、缩束、旋转、偏振状态改变等。
激光束的聚焦与整形
聚焦特性
通过透镜或反射镜等聚焦元件，可以将激光束聚焦到极小的焦点上，实现高能量密 度的集中。聚焦后的激光束可用于切割、焊接、打孔等高精度加工。
整形特性
利用特定的光学元件或算法，可以对激光束进行整形，如生成特定形状的光斑、实 现均匀照明等。整形后的激光束可应用于光刻、显示等领域。
激光治疗
利用激光的生物刺激效应，对病 变组织进行照射，以达到治疗目
的。
激光手术
使用激光代替传统手术刀进行手 术，具有精度高、出血少、恢复
快等优点。
激光美容
通过激光照射肌肤，改善皮肤质 地、去除色斑、减少皱纹等。
激光通信技术
光纤通信
光纤激光原理
光纤激光原理
光纤激光是一种使用光纤作为激光传输媒介的激光器。
它的工作原理基于激光的放大和传输。
光纤激光的基本构造包括激光泵浦源、光纤增益介质和光纤外壳。
激光泵浦源通常是高功率的二极管激光器，它提供足够的能量来激发光纤增益介质。
光纤增益介质是一段掺有高浓度的激活离子的光纤，例如掺铱或掺钬的硅光纤。
光纤外壳则用于保护光纤，并提供光纤的机械支撑。
在工作过程中，激光泵浦源发送高功率的泵浦光进入光纤增益介质。
这些泵浦光子在光纤中与掺杂的激活离子相互作用，使其受激发射，产生一系列高纯度的光子。
这些光子经过光纤的反射和放大，逐渐形成一个强度和相位高度一致的激光光束。
通过调整激光泵浦源的功率和泵浦光的波长，可以控制光纤激光的特性。
例如，增加泵浦源的功率可以增加激光的输出功率，而改变泵浦光的波长则可以改变激光的频率。
光纤激光的主要优势在于其高输出功率和优秀的光束质量。
由于光纤的特性，光纤激光器可以将激光束保持在小而稳定的直径，并且可以通过光纤的弯曲来改变激光的传输路径。
这使得光纤激光器在许多应用领域，如通信、材料加工和医学等方面具有广泛的应用前景。
光纤激光原理
光纤激光原理
光纤激光原理是指利用光纤作为光传输介质，通过激光器产生
激光，然后将激光信号通过光纤进行传输的原理。
光纤激光技术在
通信、医疗、工业加工等领域有着广泛的应用，其原理和特点对于
相关领域的研究和应用具有重要意义。
首先，光纤激光的原理是基于激光器产生激光。
激光器是将电
能或光能转化为激光能的装置，其内部包括激光介质、泵浦源和共
振腔等组成部分。
激光介质通过受激辐射的过程产生激光，而泵浦
源则提供能量来激发激光介质。
共振腔则起到放大激光的作用，使
其成为一束强度足够的激光。
其次，光纤作为光传输介质具有很多优点，如小尺寸、轻质量、抗干扰能力强等。
光纤激光技术利用这些优点，将激光信号通过光
纤进行传输。
光纤内部的光信号是通过全反射的原理在光纤内部传
输的，因此可以有效避免光信号的衰减和干扰，保持信号的稳定性
和可靠性。
此外，光纤激光技术还可以实现多点传输和远距离传输。
通过
光纤的布线和连接，可以实现多个点之间的激光信号传输，满足多
点通信的需求。
同时，光纤的低衰减特性使得激光信号可以进行远距离传输，可以覆盖更广泛的范围。
总的来说，光纤激光原理是一种高效、稳定、可靠的光传输技术，其在通信、医疗、工业加工等领域有着广泛的应用前景。
随着光纤激光技术的不断发展和完善，相信其在未来会有更多的创新和突破，为人类社会的发展和进步带来更多的福祉。
激光原理及应用
激光原理及应用近年来，激光技术已经渗透到我们的日常生活中。
无论是医疗、军事、电子、半导体等行业，都离不开激光技术的应用。
那么，什么是激光？激光有哪些应用呢？本文将从原理和应用两个方面，为您介绍激光技术。
一、激光的原理激光是光的一种，它具有单色性、相干性和高直线性。
从物理学的角度来理解，激光是利用物质放射出能量的过程，其放射过程是在一定的能级结构下进行的。
1.激光的放大原理激光的放大来自于物质在两个能级之间跃迁的辐射。
一般来说，能够产生激光的有两种：一种是固体激光，包括了晶体激光、玻璃激光等；另一种是气体激光，包括了He-Ne激光、氩离子激光等。
它们放出的光线波长不同，普遍在几百纳米到几微米之间。
放大过程中，光线进入放大器后，通过能级结构跃迁过程向加入能量，从而放大了光线，使它得到了更高的能量。
而放大过程的根本机理在于，多个光子通过能级跃迁后，将激励一个带有更高能量的光子，使其跃迁至更高的能级状态，从而实现了对光线的放大。
2.激光的无衰减传输激光具有无衰减传输的特性，这意味着，激光传输距离可以远达几百公里，甚至上千公里。
这一特性在通信、军事等领域得到了广泛应用。
3.激光的相干性激光具有非常高的相干性，它的相位一致性很高，不同光束之间的相位差异非常小，因此可以形成干涉图案。
在光学干涉仪、激光测量、光学成像等领域得到了广泛应用。
二、激光的应用激光在医疗、半导体、电子、军事等领域中都有广泛应用。
下面将从医疗、制造业、军事三个方面介绍激光的应用。
1.激光在医疗领域中的应用激光在医疗领域的应用极为广泛。
激光可以通过切割、钻孔、焊接等方式，帮助医生完成手术。
同时，激光还可以用于治疗、美容等，如激光去斑、激光祛痘、激光除皱等。
激光治疗相较于传统的手术方式来说，具有创伤小、恢复快、无出血等优点。
2.激光在制造业领域中的应用激光在制造业领域的应用也是非常广泛的。
激光可以对金属、陶瓷、玻璃等材料进行细微加工，如切割、钻孔、打标等。
激光原理pdf
激光原理pdf激光，全称为“光学激振射光”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），是一种特殊的光源。
激光原理是指通过一定的方法产生激光，其产生的基本原理是受激辐射。
激光是一种特殊的光，具有很强的单色性、方向性和相干性，因此在许多领域有着广泛的应用。
激光的产生主要依靠激光器。
激光器是将一种能量转换成光的装置，它的工作原理是在激发剂的作用下，原子或分子能级跃迁，产生受激辐射，放大并反射出一束光。
激光的产生过程可以分为三个步骤，激发、放大和反射。
首先，通过外界能量的输入，使激光介质中的原子或分子激发到高能级；然后，在激发的作用下，原子或分子发生跃迁，产生受激辐射，放大成为一束光；最后，这束光在激光器内部来回反射，形成激光输出。
激光的特性主要表现在以下几个方面，单色性、方向性、相干性和高能量密度。
首先，激光是一种单色光，其波长非常狭窄，可以集中在很小的空间范围内。
其次，激光是一种方向性很强的光，激光束几乎是平行的，能够远距离传输而不会发散。
再次，激光是一种相干光，具有很强的干涉性和衍射性，能够产生明显的干涉条纹。
最后，激光具有很高的能量密度，能够在很小的空间内提供大量的能量。
激光在各个领域都有着广泛的应用。
在医学领域，激光被用于手术、治疗和检测，如激光治疗近视、白内障手术等。
在工业领域，激光被用于切割、焊接、打标等加工工艺。
在通信领域，激光被用于光纤通信和激光雷达。
在科研领域，激光被用于光谱分析、光学实验等。
在军事领域，激光被用于制导武器、激光防御等。
总的来说，激光作为一种特殊的光源，具有很强的单色性、方向性、相干性和高能量密度，因此在医学、工业、通信、科研、军事等领域都有着广泛的应用。
随着科学技术的不断发展，激光技术也将会得到更广泛的应用和发展。
激光发射的原理图
激光发射的原理图
激光发射的原理图如下所示：
1. 激光介质是由装置内部的两块光反射面之间的一个透明固体、液体或气体组成。
2. 能源提供设备产生的能量被转换为激光介质分子的激发能。
3. 通过光源的输入，激活了介质分子中的原子或分子的激发态。
4. 激发态的分子开始跃迁至基态并释放出光子。
5. 利用光学共振效应和光反射面的不同折射率，光子在其通过激光介质的过程中会得到多次强烈的反射。
6. 反射率越高，光子经历的反射次数越多，从而增强了激光的准直性和能量密度。
7. 最终，由于受限于一侧光反射面上的特定反射镜的特性，高反射率的光子会从另一侧的半透明反射镜中通过。
8. 当达到一定能量和频率的光子通过边界退出时，它们将形成一个具有高标度的平行激光束。
激光原理：7-2高斯光束的传输规律
第7章 高斯光束
一、球面波的R参数 R(z)=z
R(z):等相位面曲率半径
R(z) z
0
z
二、ABCD定律
若某元件的光学变换矩阵为 CA
B D
，则通过此元件
前、后的球面波R参数和高斯光束q参数满足关系。
R AR B CR D
q Aq B Cq D
R、q:通过元件前的参数 R、q:通过元件后的参数
q2 q1 L
近轴情况 R2 l2 发散(+) 会聚(-)
1 11 R2 R1 F
1 q2
1 R2
i
w22
1 11
R2 R1 F
w2 w1
（薄透镜）
1 11 q2 q1 F
7.2 高斯光束的传输规律
第7章 高斯光束
例1：某高斯光束共焦参数为f=1m，将焦距F=1m的凸 透镜置於其腰右方l=2m处，求经透镜变换后的像光束 的焦参数f及其腰距透镜的距离l。
7.2 高斯光束的传输规律
三、球面波R参数的传输规律
1、传播L距离
R=R+L
传播L距离的光学变换矩阵
R 1 R L R L 0 R1
或 R=R(z)=z
R=R(z)=z
R-R=z-z=L ∴R=R+L
第7章 高斯光束
T
1 0
L 1
R=R(z) R=R(z)
z
0 z z
L
7.2 高斯光束的传输规律
2、通过透镜
q Fq Fq
1 0
透镜的光学变换矩阵
T
1
1
q
1 q 0 1 q 1
q 1 q
Fq F q
激光原理 十一、高斯光束的传播特性
3.3 高斯光束的传播特性
3.3.1 高斯光束的振幅和强度分布 3.3.2 高斯光束的相位分布 3.3.3 高斯光束的远场发散角 3.3.4 高斯光束的高亮度
3.3.1 高斯光束的振幅和强度分布
一、共焦腔内或腔外的一点的行波场的解析式：
umn x, y, z CmnHm
exp
1
2
2
x2 y2
s2
基横模TEM00的光强
I00 U002
C020
exp
1
4
2
x2 y2
s2
(3-30)
2、光斑振幅下降为最大值1/e时的光斑半径（截面半径）
镜面光束半径
(z) s 1 2 s 1 4z2
2
2
L2
(3-31)
(z) s 1 2 s
2
2
ωs xs2 ys2 L
在z = 0处变成一个平面波; 在 z＞0处又变成发散球面波。
3.共焦场中等相位面的分布如图所示
图 共焦腔中等位相面的分布
——共焦腔的等相面是凹面向着腔的中心的球面
可以证明： 如果在场的任意一个等相位面处放上一块具有相应曲率的反
射镜片，则入射在该镜片上的场将准确地沿着原入射方向返回 ，这样共焦场分布将不会受到扰动，这是非常重要的性质。
y2
L 2z0
2
令：
R0
=
z
0
[1
+
(
L 2z
0
)2 ]
(3-38)
则有：
z z0
x2 y2 2R0
R0
1
x2 y2 R02
R0
R02 x2 y2 R0
激光原理与技术
激光原理与技术激光原理与技术是一门研究激光的产生、传播和应用的学科，也是光学和物理学的重要分支之一。
激光的产生原理是基于受激辐射和光放大的过程。
激光技术在现代科学和技术领域中得到广泛应用，涵盖了通信、医疗、材料加工、测量和科学研究等多个领域。
激光的原理主要包括受激辐射、光放大和能级跃迁等过程。
受激辐射是指当一个原子或分子吸收一个光子的能量后，其能级跃迁激发到一个更高的能级，随后再次发射出一个与所吸收光子相同频率、相同相位和同一方向的光子。
这种过程导致光子数目的指数增加，形成了光的放大效应。
激光的放大过程一般是通过激光器来实现的。
激光器由激发源、增益介质和反射镜组成。
当激发源提供足够的能量激发增益介质时，增益介质中的原子或分子被激发到一个高能级，并在镜面之间来回传播，逐渐放大，形成激光束。
增益介质通过选择合适的物质和能级跃迁方式来实现各种类型的激光。
不同类型的激光器具有不同的特点和应用。
常见的激光器包括氦氖激光器、二氧化碳激光器、固体激光器等。
它们在波长范围、脉冲宽度、输出功率和单色性等方面有所差异，因此被广泛应用于各类领域。
激光技术在通信领域中具有重要应用。
激光作为一种高度聚焦的光束，可以在光纤中传输大量的信息。
光纤通信系统利用激光器产生激光束，并通过光纤将信息传输到目的地。
激光的窄束和低衰减使得信息传输速度更快、距离更远。
目前，光纤通信已经成为主要的通信方式之一，广泛应用于电话、互联网和电视等领域。
激光技术在医疗领域也发挥了重要作用。
激光器可以用于激光手术、激光治疗和激光诊断等多个方面。
激光手术利用激光的高能量和高度聚焦能力，对组织进行切割、烧蚀或照射，达到治疗病症的目的。
激光治疗通过激光的生物刺激效应，促进伤口愈合或减轻疼痛。
激光诊断则利用激光的光散射和吸收特性，来获取目标组织的信息。
激光技术在材料加工领域的应用也非常广泛。
激光加工可以通过激光的高能量密度和高精度控制，对材料进行切割、焊接、打孔和表面改性等操作。
激光原理
激光相关知识激光在20世纪60年代开始出现，并以极快的速度发展，它作为一门新的学科与一种新的技术，使光学技术起了巨大的变革。
激光束是电磁波在光波段的一种新的传播方式，与普通光源不同，既不是均匀平面光波也不是均匀球面光波，而是一种具有亮度高，方向性、相干性、单色性好的高斯光束，正是因为激光具有的这些特殊的性能，它在生产、科研、医学、军事及SSHQ等许多领域都获得了广泛的应用。
以下简单的介绍一些激光的形成原理及半导体二极管激光器的一些相关知识。
第一章激光原理一、光子的相干性在不同的空间点上，在不同的时刻的光波场的某些特性的相关性。
作为对相干性的粗略描述，常使用相干体积的概念。
相干体积：Vc=AcLcVc：相干体积Ac：光传播方向的截面上的相干体积Lc：沿传播方向上的相干长度或：Vc=AcτcCτc：相干时间C：光速普通光源发光，是大量独立振子（例如发光原子）的自发辐射，每个振子发出的光波是由持续一段时间△t或在空间占有长度c△t的波列组成。
不同振子发出的光波的相位是随机变化的，对于原子谱线来说，△t即为原子的激发态寿命（≈10-8 秒），对波列进行频谱分析，就得到它的频带宽度△v≈1/△t，如下图1：V0△v≈1/△t图1△v是光源单色性的量度。
由物理光学，光波的相干长度就是光波的波列长度，即L C=c△t=c/△v于是，相干时间τc与光源频带的关系为：τc=△t =1/△v上式表明，光源单色性越好，则相干时间越长。
二、光子简并度相干光强：具有相干性的光波场的强度；从相干性的光子描述出发，相干光强决定与具有相干性的光子的数目或同态光子的数目。
这种处于同一光子态的光子数称为光子简并度n ，光子简并度具有以下几种相同的含义：1、 同态光子数；2、 同一模式内的光子数；3、 处于相干体积内的光子数；4、 处于同一相格内的光子数。
三、光的受激辐射与自发辐射1、 自发辐射为简化问题，只考虑两个能级E2和E1，并有E2-E1=hv ；单位体积内处于两能级的原子数分别用n2和n1表示。
《激光原理》4.3激光束的变换(新)
一、核心问题：改善光束的方向性，即压缩光束的发散角
二、方法：①用单透镜；② 用望远镜。
①用单透镜
高斯光束发散角:
2
2 0
Байду номын сангаас
通过透镜后，像高斯光束发散角：2 ' 2
'0
由此可见，对于有限大小的，0' 无法使 2 ' 。0因此，要用单个透镜将高
斯光束转换成平面波，从原理上说，是不可能实现的。
如何借助透镜改善高斯光束的方向性？
(
2 0
s
)2
]
s f
R
f
[1
(
f
2 0
)
2
]
1 11 R R f
R
f
[1
(
f
2 0
)
2
]
s
1
R
(
R 2
)2
0
1
(
s
2 0
)
2
象方腰斑位于透 镜的前焦面上
比较：
s f
几何光学： s'
高斯光束： s' f
2.象方束腰半径:
s f
0
1
(
s
2 0
)2
R
1
R (2
)2
1
2 (2
)2
R
经透镜变换后的束腰位置、腰斑大小由以上两式决定.
已知高斯光束的腰斑大小和位置，整条高斯光束传输规律就确定了。
4.3.2 高斯光束的聚焦 0' 0
实际应用中，为了提高激光的光功率密度， 需要对高斯光束进行聚焦。
图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换
核心问题：由
激光器的工作原理
激光器的工作原理激光器是一种能够产生高强度、相干、单色和定向的光束的设备。
它在科学、工业、医疗和通信等领域有广泛的应用。
激光器的工作原理是通过受激辐射过程将输入能量转化为光能，并通过光的反馈和放大来实现激光放大。
激光器的工作过程可以分为三个基本步骤：激励、增益和输出。
首先是激励阶段。
激光器需要能源来激发其工作质子。
激光器可以通过电能、光能或化学能等不同形式的能源来激励，具体的激励方式根据激光器的种类而不同。
无论使用何种方式，激光器都需要通过能源输入来提供激发粒子所需的能量。
例如，气体激光器通过电宇放电产生光子，固体激光器通过用闪光灯激励固体材料来产生光子。
然后是增益阶段。
在激励阶段之后，激光器中的激励粒子会被激发到一个高能态，并在这个态中处于激发田之中。
这时，当一个光子经过这个激发田时，它会激励一个已激发的粒子回到其低能态，从而产生两个相干的光子并释放出更多的能量。
这个过程被称为受激辐射，它是激光器产生相干光的关键。
受激辐射过程如何发生呢？在激光器中，激光介质被包围在一个光学腔内，该腔包含两个镜子：一个是部分透明的输出镜，另一个是高反射率的反射镜。
当光子进入激光介质中时，它会与激励粒子发生相互作用，并可能通过受激辐射方式产生其他激光光子。
这些产生的激光光子会沿着腔中的光学轴向前传播。
当它们经过反射镜时，一部分光子会被反射回激光介质，而另一部分光子则通过输出镜逸射出来。
这样，反射和透射的光子都成为了激励粒子周围的更多激励源，进一步刺激产生更多的激光光子。
这种通过反射和透射不断放大的光子被称为激光。
最后是输出阶段。
通过透射出光是激光工作的目的，这需要控制激光的发射方向。
在激光器的输出镜上，可以通过改变其反射率来调整激光的输出能量和方向。
通常使用工艺精细的部分透明膜来实现这种效果。
激光光子在部分反射的同时也会透射出来，形成激光束。
这束激光经过进一步整形和聚焦，可以用于科学研究、医疗治疗、材料加工以及通信等领域。
激光束的原理和应用
激光束的原理和应用激光束的原理激光束是由激光器产生的高强度、高准直度、单色性好的光束。
它的原理基于受激辐射和光放大的过程。
激光的工作物质通常是通过激发外界能量而得到激活的介质。
当工作物质得到能量激发后，其原子或分子内部存在着激发态和基态之间的能级差。
当外界条件或者其他光源的刺激使得激发态的粒子数远远大于基态的粒子数时，就会发生受激辐射过程。
受激辐射过程中，一个入射光子刺激一个处于激发态的粒子，使其回到基态并发射出两个光子，这样就实现了光子数的倍增。
这就是激光器工作的基本原理。
可以通过使用谐振腔来实现激光光束的增强。
谐振腔是由两个反射镜和能量耗散元件构成的空间结构，其作用是将光反复来回地传播，并增强光的积累。
其中一个反射镜是半透射镜，用于将一部分光透射出来作为输出光。
通过这种方式，激光光束得以不断放大和积累，形成高强度、高准直度的激光束。
激光束的应用1. 切割和雕刻激光束的高能量和高准直度使其在切割和雕刻领域有着广泛的应用。
通过控制激光束的位置和强度，可以将不同材料进行精确切割和雕刻。
激光切割技术在金属加工、纺织品加工等领域有着重要的应用。
2. 医疗激光束在医疗领域有着多种应用。
例如，在眼科手术中，激光束可用于修复视网膜和矫正视力。
此外，激光束还可以用于激光手术、皮肤再生和去除痣等美容手术。
3. 通信激光束可以作为信息传输的媒介，广泛用于光纤通信和激光雷达系统。
激光束的高强度和准直性使数据传输更加稳定和高效。
4. 科学研究激光束在科学研究中被广泛应用。
例如，在物理学、化学和生物学研究中，激光束可以用来研究物质的结构和特性，探索微观世界的奥秘。
激光束还可以用于制造纳米材料和纳米器件。
5. 激光打印和扫描激光束可以用于激光打印机和激光扫描仪。
激光打印机使用激光束将图像或文字准确地投射到打印媒介上，实现高质量的打印效果。
激光扫描仪则利用激光束进行快速而精确的扫描和图像捕捉。
6. 激光制导和测距激光束在导航和测距中有着重要的应用。
激光原理与激光束的传输
粒子数反转
一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能 引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数 目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超 过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发 射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处 在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称 为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都 处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实 现粒子数反转则是产生激光的必要条件。
激光的产生及其基本性质
1、 光的波粒二象性 光的波动性----光是横向电磁波。 光波的波长λ、长波速度v与振动频率v的关系 v=λv 光在真空中的速度为3×105km/s。在物质中的传 播速度是不相同的。光波真空中的传播速度与物 质中的传播速度比为物质的折射率 n=c/v （c为真空中的光速，v为物质图
激光的特点
激光与其他光源相比具有三大特点 1 方向性好 2 单色性好 3 相干性好
激光器谐振腔及其稳定条件
谐振腔：不但为激光振荡提供正反馈，还起到 限制激光振荡模式的作用，其作用不仅在于产 生激光，更重要的是决定输出光束的质量。 接下来分析谐振腔的结构。 定义结构参数：
光学谐振腔结构
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 )
产生激光的第五个条件
这些晶体和谐振腔都会使光子产生损 耗。只有使光子在腔中振荡一次产生 的光子数比损耗掉的光子多得多时， 既要产生相长的振荡，才能有放大作 用，这是产生激光的第五个条件
产生激光的第三个条件：
前面分析了产生激光的必要条件是受激 辐射，而粒子数反转又是产生激光的一 个条件，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。
激光束的原理
激光束的原理激光束是一种高度聚焦且高度定向的光束，由于其独特的性质和各种应用而备受关注。
激光被定义为一种特殊的光波，其具有极高的光强度和长时间的相干性。
在此解释激光束的原理。
1. 激光的产生激光产生的原理是通过激活某些原子或分子，在激活后，这些原子或分子会从高能状态回到低能状态，由此释放出光子。
这种产生光子的过程称为激发发射，是激光的能源来源。
主要有三种方法产生激发发射：(1)自发辐射：当原子或分子处于激发态时，它们会自发地向低能级跃迁并释放出光子。
(2)受激辐射：当光子与处于激发态的原子或分子相遇时，这些粒子会被激活并释放出相同的光子，形成同相位同频率的光束。
(3)电子跃迁：在激发态的原子或分子中，电子跃迁到低能态时会产生光子。
2. 激光输出之前的准备工作在输出激光之前，需要对产生的激光进行一系列的处理。
其中的两个关键步骤是增益介质和反射。
(1) 增益介质：激光产生时会有大量的光子形成，但并非所有的光子都能决定激光的输出。
只有一小部分光子会被增益介质吸收，并将它们的能量传递给其他未被激活晶体的电子。
随着输运和传输，这些电子之间形成的能量导致更多的光子释放。
(2) 反射：如果激光束一直保持在增益介质中，那么它可能会漂移或分散，导致输出激光变得不准确。
需要一种方法来减少这种漂移和分散，并将大部分光子集中在一起。
反射是减少漂移和分散的方式之一。
通过在增益介质两端放置高反射镜和部分反射镜，可以使大部分光子在镜子之间多次反射，并以高度定向的形式输出激光束。
3. 激光束的特性(1) 高单色性：激光束只产生单一频率的光子，从而使其成为各种精确测量和检测工具的理想选择。
(2) 高相干性：激光束的相位一致，使其在干涉仪和其他光学设备中的使用效果更好。
(3) 高定向性：激光束以高度定向的形式输出，也就是说，大部分的光子都沿着主轴线方向传播。
(4) 高功率密度：激光束中的光子非常聚焦，使得其功率密度远高于常规光波，从而使其成为加工和切割设备中的理想选择。
- 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)。
粒子数反转
一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能 引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数 目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超 过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发 射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处 在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称 为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都 处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实 现粒子数反转则是产生激光的必要条件。
它是衡量谐振腔的特性的首要因素，特别是对 于增益系数小的介质，希望光束能在腔内更多 地来回传播，以便获得足够大的增益。 定义：
把光束不逸出腔外的谐振腔体称为稳定腔。 若光束仅仅往返几次便逸出腔外，这种腔体 称为不稳定腔。
腔的稳定条件：
0 (1 d )(1 d ) 1 即
R1
R2
0 g2 g1 1
激光的产生及其基本性质
1、 光的波粒二象性 光的波动性----光是横向电磁波。
光波的波长λ、长波速度v与振动频率v的关系 v=λv
光在真空中的速度为3×105km/s。在物质中的传 播速度是不相同的。光波真空中的传播速度与物 质中的传播速度比为物质的折射率 n=c/v （c为真空中的光速，v为物质中的光速）
光子和光子学
•光子学也可称光电子学，它是研究以光子代替电 子作为信息载体和能量载体的科学，主要研究光 子是如何产生及其运动和转化的规律。 •光子技术，主要是研究光子的产生、传输、控制 和探测的科学技术。现在，光子学和光子技术在 信息、能源、材料、航空航天、生命科学和环境 科学技术中的广泛应用，必将促进光子产业的迅 猛发展。
E4 N4
(快）
后迅速转移到E3。E3能级 E3
为亚稳态，寿命较长。E2
(慢）
能级寿命较短，因而到达
E2上的粒子会很快回到基 E2
态E1。所以在E3和E2之间
N2
可能实现粒子数反转。由
于激光下能级不是基态，
而是激发态E2，所以在室
温下激光下能级的粒子数
很少，因而E3和E2间的粒 E1
子数反转比三能级系统容
上式可以用转移矩阵表示为
y2
2
其中
A C
B D
就称为轴对称光学系统的变换矩阵
高斯光束的ABCD定律
高斯光束复参数q2通过变换矩阵 光学系统的变换遵守ABCD定律
A C
B D
的
q2
Aq1 Cq1
B D
光线通过多个串接的光学系统时，将系统
的变换矩阵倒序相乘，即可得到整个光学
z 0
1
z Z0
2
高斯光束的束宽
瑞利长度或共焦长度
Z0
1 2
k02
2 0
瑞利长度为高斯光束的准直范围，在这段长
度内，高斯光束可以认为是平行的。所以，
瑞利长度越长，就意味着高斯光束的准直范
围越大，反之亦然。
远场发散角
0
lim
z
z
z
0
高斯光束远场发散角在数量级上等于束腰半 径光束的衍射角，即已达到衍射极限。而且， 高斯光束的远场发散角既包含了传输距离z处 的几何张角，也包含了衍射发散部分的贡献。
光的颜色是由光的波长决定的。
从380nm到760nm (1nm=10-9m)之间为可见波段， 其颜色分别为380nm～430nm紫、430nm～485nm 蓝、485nm～570nm黄、585nm～610nm橙、 610～760nm红， 其他小于380nm的为紫外波段大 于760nm为红外波段，这些波段为不可见光波段
2 激光的产生
普通光源的发光——受激吸收和自发辐射
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。
激光产生和激光器的组成
灯泵浦的激光器结构图
激光的特点
激光与其他光源相比具有三大特点 1 方向性好 2 单色性好 3 相干性好
激光器谐振腔及其稳定条件
谐振腔：不但为激光振荡提供正反馈，还起到 限制激光振荡模式的作用，其作用不仅在于产 生激光，更重要的是决定输出光束的质量。
接下来分析谐振腔的结构。
dN2/dt=W(N1-N2)-A21N2, 当达到稳定时，dN2/dt=0，
N2/N1=W/(W+A21) 可见，不管激励手段如何强，（A21+W）总是大于W， 所以N2＜N1。这表明，对二能级系统的物质来说，不能实现 粒子数反转。
三能级系统
如果激励过程使原子从基态E1以 很大概率W抽运到E3能级，处于
0 g2g1 1
稳定腔
0 g2g1 或 g2g1 1 非稳定腔
g2g1 1 或 g2 g1 0 界稳腔
高斯光束及其传输变换
高斯光束是亥姆赫兹方程在缓变振幅近 似下的一个特解，它可以足够好地描述 基模激光束的性质。使用高斯光束复参 数表示和ABCD定律能统一而又简洁地处 理高斯光束在腔内、外的传输变换。
2 球面波
球面波振幅函数为
E(x,y,z)=E0e-ikR/R
R为观察点(x,y,z)到传播中心的距离，同一等相 面内振幅值与球面半径有关。如图所示
R z
3缓变振幅近似下的亥姆赫兹方程的解—高 斯光束
高斯光束的振幅
E(r, z)
其中：
E00
z
exp
r
2
Байду номын сангаас
2
z
exp
i
k r2
2Rz
0 为光束的束腰半径，为最小的光斑尺寸
麦克斯韦方程组和物质方程
麦克斯韦方程组 物质方程
亥姆赫兹方程及其解
稳态传输满足的亥姆赫兹方程
E(x, y, z) k 2E(x, y, z) 0
其解有： 1 平面波解
E(x,y,z)=E0e-ikz
其波阵面为垂直于波的传播方向的 平面，振幅与所考虑的坐标无关。 在同一波阵面 上振幅相等。如右图所示
科学出版社。2003。
本课主要内容
光子和光子学 激光的产生及其基本性质 激光器工作原理和激光器件 激光的传输与变换 激光器的基本技术 激光生物医学原理
光子和光子学
光子与电子的异同： 不同点： 电子是物质，光子是能量 电子的质量是9.1×10-31kg、电荷是1.6×10-19k. 光子没有质量也没有电荷 电子有大小，光子没有大小 相同点： 都具有波长，具有波动性等
E3
N3
E3的原子可以通过自发辐射跃迁 回到E2或E1。假定从E3回到E2的
E2
N2
概率A32大大超过从E3回到E1的
概率A31，也超过从E2回到E1的
概率A21，则利用泵浦抽运使W＞ E1
W23或W＞W12时，E2和E1之间
N1
就可能形成粒子数反转。
四能级系统
在外界激励下，基态E1的 粒子大量地跃迁到E4，然
易实现。
N3 N1
产生激光的第四个条件
激光器中开始产生的光子是自发辐射产生 的，其频率和方向杂乱无章。要使频率单 纯，方向集中，就必须有一个振荡腔。这 是产生激光的第四个条件。通信所用的半 导体激光器就是利用半导体前后两个端面 与空气之间的折射率不同，形成反射镜而 组成振荡腔的。
光学谐振腔结构
谐振腔的作用
产生激光的第三个条件：
前面分析了产生激光的必要条件是受激 辐射，而粒子数反转又是产生激光的一 个条件，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。
形成粒子数反转的结构-----原子能级系统
激光
激光英文单词为：Laser,它是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写,意思是受激辐射的光放大。
受激辐射和光的放大
受激辐射的概念是爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射 公式时，第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐 射的可能性，这是激光的基础。 受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外 来光子所带的能量hυ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可 以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受 激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同 的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以 及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两 个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大这种在受激过 程中产生并被放大的光，就是激光。
高斯光束的相移
tan1
z Z0
上式表征的是高斯光束在空间传输距 离z时相对与几何相移的附加相移
综上所述：
高斯光束在其轴线附近可以看作是一种非 均匀高斯球面波，在传播过程中曲率中 心不断变化，其振幅在横截面内为一高 斯函数，强度集中在轴线及其附近，且 等相面保持为球面。这就是基模高斯光 束的基本性质。
定义结构参数：
g1
1
d R1
g2
1
d R2
其中R1,R2,d 分别为两个反
射镜的曲率半径及镜间间距
各种谐振腔结构
g1=g2=1,R1=R2= ∞ g1=g2~1,R1=R2＞＞d g1=g2=0,R1=R2= d g1=g2=-1,R1=R2= d/2 g1=1，g2=0,R1=∞,R2=d