激光产生的原理
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激光基础知识
2011年10月17日 0
培训内容
一、激光产生的基本理论 二、激光产生的三要素 三、激光的特点
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一、激光产生的基本理论
激光产生的基本理论是受激辐射,它是爱因斯坦在普朗 克黑体辐射量子化理论和玻尔的电子运动量子化轨道假设的 基础上提出的。
1、原子能级和辐射跃迁 按照玻尔的氢原子理论，绕原子核高速旋转的电子具有一系 列不连续的轨道，这些轨道称为能级。当电子在不同的能级 时，原子系统的能量是不相同的，能量最低的能级成为基态。 当电子由于外界的作用从较低的能级跃迁到较高的能级时， 原子的能量增加，从外界吸收能量。反之，电子从较高能级 跃迁到较低能级时，向外界发出能量。在这个过程中，若原 子吸收或发出的能量是光能（辐射能），则称此过程为辐射
量级，而高功率钕[nǚ]玻璃激光则比太阳亮16个数量级。 2、方向性好
激光的方向性很好，它能传播很远距离而扩散面积很小， 接近于理想的平行光 3、单色性好
激光为单色光，它的发光光谱宽度，比氪灯的光谱宽度窄 几个数量级。
20
二、激光的特点 正是由于激光的上述三个特殊优点，人们把它用于焊接之
中，聚焦后在焦点上的功率密度可高达106～1012W/cm2，比寻 常的焊接 热源高几个数量级，成为一种十分理想的焊接热源。
两个能级之间的能量差越大，自发辐射过程所放出的 光子频率就越高。如同弹琴，如果用力拉紧琴弦，琴发出的 音调频率就高，反之则低。自发辐射光极为常见，普通光源
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一、激光产生的基本理论
的发光就包含受激吸收与自发辐射过程。前一过程是粒子 由于吸收外界能量而被激发至高能态；后一过程是高能态粒 子自发地跃迁回低能态并同时辐射光子。当外界不断地提供 能量时，粒子就会不断地由受激吸收到自发辐射，再受激吸 收，再自发辐射……如此循环不止地进行下去。每循环一次， 放出一个光子，光就这样产生了。以电灯为例：接通电源后， 电流流经灯泡中的发光物质——钨丝，钨丝被灼热，使钨原 子跃迁至高能态，然后又自发跃迁回低能态并同时辐射出光 子，于是灯泡就亮了。
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思考与练习
1、激光产生的三要素是什么？ 2、受激辐射过程中外来光子的频率应满足什么关系式？ 3、受激辐射和自发辐射有本质的区别？ 4、激光器的激励源——光泵作用是什么？ 5、是不是任何物质都可以作为激光的工作物质？只有具备什么
能态的物质才有可能产生激光？ 6、谐振腔是如何将光“放大”？ 7、激光的三个特点是什么？
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二、激光产生的三要素
2.工作介质 在大干世界里，各种各样的物质都是由分子、原子、电
子等微观粒子组成的，如果有了强大的激励是不是都能在物质 中实现粒子数反转而产生激光呢?不是的，激励只是一个外部 条件，激光的产生还取决于合适的工作物质，也称之为激光器 的工作介质，这才是激光产生的内因。前面我们所讲到的都是 以二能级系统为例来讨论的，也就是说工作物质只有高、低两 个能级。实际上目前所有已实现的激光辐射都是三能级或四能 级系统，
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二、激光产生的三要素
三、谐振腔 合适的工作物质有了，实现粒子数反转的激励源有了，
这下子该“激”出激光了吧!还不行，因为人们在实验中发现 这样虽然可以产生受激辐射，但非常微弱，根本形不成可供人 们使用的激光。这很自然的使人们想到了采用放大的办法来解 决这个问题，于是出现了光学谐振腔。即利用两个面对面的反 射镜，使放大了的光在镜间来回被反射，反复通过镜间的介质 不断再放大，即反馈放大。两个反射镜可以是平面，也可以是 球面。
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二、激光产生的三要素 这个系统便能对诱发光子能量hV=E2—E1的光进行光放大。显 然，E2能级好象一个水塔上的蓄水池，能够贮存大量的粒子， 只有亚稳态级才具有这种能力，但并不是所有的发光物质都 具有亚稳态结构，这就是有些物质可以“激”出激光来，而 有些物质却“激”不出来的道理。所以，具备亚稳态能级结 构是对产生激光的工作物质的起码要求。
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二、激光产生的三要素
“光泵”只是在解释粒子数反转时借用的一种形象的说法。 实际上粒子都是甘居低能态的，而且很顽固，并不是象水一样 很容易地就被泵抽运走了。即使费了很大劲把一部分抽运到了 高能态，但它们很快就又自发地跃回低能态了。怎么办呢，那 就需要加大能量不停顿地来轰击。就是说，激励不仅要快，而 且要强有力。激励作用总是通过消耗一定的能量来实现的，产 生受激辐射所需要的最小激励能量定义为激光器的阈yù值(阈， 即门槛的意思)。阈值是描述激光器整体性能的一个重要参数。
自发辐射的特点是：由于物质(发光体)中每个粒子都 独立地被激发到高能态和跃迁回低能态，彼此间没有任何联 系，所以各个粒子在自发辐射过程中产生的光子没有统一的 步调，不仅辐射光子的时间有先有后，波长有长有短，而且
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一、激光产生的基本理论
传播的方向也不一致。因为自发辐射光是由这样许许多多 杂乱无章的光子组成的，所以我们通常见到的光，是包含许 多种波长成份(即多种颜色)、射向四面八方的杂散光。阳光、 灯光、火光等普通光都属于自发辐射光。
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一、激光产生的基本理论
光放大作用简单地说，就是输入是一个外来光子，而输出 的则是性质与外来光子一模一样的两个光子，因为在输出的 两个光子中，一个就是外来光子本身，而另一个则是在受激 辐射过程中释放出来的，即是被外来光子“激”出来的。一 个光子激发一个粒子产生受激辐射，得到两个完全相同的光 子，这就是光的“放大”。这两个光子再去激发两个粒子产 生受激辐射，就可以得到完全相同的4个光子，4、8、1 6……如此链锁反应，完全相同的光子数目便会越来越多， 可见受激辐射过程也就是光放大的过程。在受激辐射过程中 产生并被放大了的光，便是激光
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二、激光产生的三要素 下图是红宝石激光器的铬离子(Cr3+)的简化能级图，这是
一个典型的三能级系统。图中所示的E1,E2,E3中，E2是亚稳态 级。
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二、激光产生的三要素
外界激发作用将会把粒子从E1抽运到E3，被抽运到E3的粒子很 快通过无辐射跃迁转移到E2，因为E3的寿命只有10-9秒，即10 亿分之一秒，不允许粒子久留，所以此过程很快。但E2的亚稳 态，寿命较长，约为10-3秒，即千分之一秒，允许粒子久留。 随着E1上的粒子不断地被抽运到E3，又很快转移到E2，既然E2 允许粒子久留，那么从E2到E1的自发辐射跃迁几率就很小，于 是粒子就在 E2上积聚起来，从而实现E2对E1两能级间的粒子 数反转。
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一、激光产生的基本理论
跃迁。发出或吸收的光的频率满足普朗克公式（hv=E2-E1，h为 普朗克常数6.626×10-34J·s，v为光的频率，E2和E1分别为高 能级和低能级的能量）。
2、自发辐射、受激吸收和受激辐射 由于物质有趋于最低能量的本能，处于高能级E2上的
原子总是要自发跃迁到低能级E1上去，如果跃迁中发出光子， 这个过程称为自发辐射。处于低能级E1上的原子，吸收外来 能量后跃迁到E2上，则称之为受激吸收。
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二、激光产生的三要素
三要素：激励源，工作介质，谐振腔
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来自百度文库
二、激光产生的三要素 1.激励源 要想把处于低能态的粒子送到高能态去，就得有外力借助 工具来实现。这个过程类似于把水位很低的河水或井水抽运到 水塔上的蓄水池里，必须要有足够功率的水泵作功才成。同理， 要实现粒子数反转，首先必须消耗一定的能量把大量粒子从低 能级“搬运”到高能级，这种过程在激光理论上叫做泵浦或激 励。由于其作用原理和水泵抽水相类似，所以把能使大量的粒 子从低能态抽运到高能态的激励装置通称之为“光泵”。
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二、激光产生的三要素 从图上可以看出，凡非腔轴方向的自发辐射，尽管它也可以诱 发激发态上的粒子产生光放大，但因介质体积有限，腔侧面又 是敞开的，终将逸出腔外。所以，产生激光的作用不大。唯独 沿腔轴方向的自发辐射才起作用。每当它碰到镜面时，便被反 射沿原路折回，又重新通过介质不断诱发激发态上的粒子产生 受激辐射光放大。由于受激辐射光在腔镜间往返运行，介质被 反复利用，腔轴方向受激辐射光就越来越强。其中一部分从部 分反射镜端射出，这就是激光；
处于高能级E2上的原子，受外来频率（满足hv=E2-E1 ） 的光子的激励，从E2跃迁到E1，发出一个和外来光子完全相 同的光子，称为受激辐射。
受激辐射和自发辐射有本质的区别：前者是受激产生， 后者是自发产生；前者跃迁时产生的光子与外来光子在频率、 相位、方向、和偏振方向上完全一致，产生的光子相当于加 强了外来光子的，即光放大作用，而后者产生的光子在这 些特性上彼此完全不相干。
根据光学理论，两束光相干的条件是同频率、同振动 方向、位相相同或位相差恒定。显然，受激辐射所产生的激 光是相干光，而普通光是非相干光。
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一、激光产生的基本理论
3、粒子集居数反转 在平衡状态下，粒子（原子、分子等）在各能级的分布满 足玻尔兹曼公式，即能级的能量愈高，上面的粒子数越少。 这时如果给粒子系统提供一个外来能量，使低能级上的粒子 吸收能量跃迁至高能级上，使高能级上的粒子吸收能量跃迁 到高能级上，使高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数， 这个过程即称为粒子集居数反转。只有在两个形成了粒子数 反转的能级之间，受激辐射的分量才能大于受激吸收，光才 能得到放大。
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二、激光产生的三要素
其中一个要求是反射率为100％的全反射镜，另一个是部分 反射镜。比如，反射率为95％时，5％的光透射出去供人应 用，从而构成光学谐振腔。因为其侧面是敞开的，所以，又 称作“开放腔”。当把激光介质置于两反射镜之间后，即可 构成激光振荡器。当外界强光激励置于两镜间的激光介质时， 就在亚稳态级与稳态级之间实现了粒子数反转。处于亚稳态 级的粒子当自发地跃迁到低能级时将自发辐射光子，但这种 发射是无规律的，射向四面八方，其中一部分可以诱发激发 态上的粒子产生受激辐射。
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二、激光产生的三要素 而其余部分留在腔内继续反馈放大以维持不断的向外辐射激 光，如图所示。介质内部沿纵轴方向偶然弱小的自发辐射经 过振荡和放大，最终形成强大的激光辐射过程就叫激光振荡 放大。由于光速极快，所以此过程极短。
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二、激光产生的三要素 19
二、激光的特点
1、亮度高 激光是世界上最亮的光。CO2激光的亮度比太阳亮8个数
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培训内容
一、激光产生的基本理论 二、激光产生的三要素 三、激光的特点
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一、激光产生的基本理论
激光产生的基本理论是受激辐射,它是爱因斯坦在普朗 克黑体辐射量子化理论和玻尔的电子运动量子化轨道假设的 基础上提出的。
1、原子能级和辐射跃迁 按照玻尔的氢原子理论，绕原子核高速旋转的电子具有一系 列不连续的轨道，这些轨道称为能级。当电子在不同的能级 时，原子系统的能量是不相同的，能量最低的能级成为基态。 当电子由于外界的作用从较低的能级跃迁到较高的能级时， 原子的能量增加，从外界吸收能量。反之，电子从较高能级 跃迁到较低能级时，向外界发出能量。在这个过程中，若原 子吸收或发出的能量是光能（辐射能），则称此过程为辐射
量级，而高功率钕[nǚ]玻璃激光则比太阳亮16个数量级。 2、方向性好
激光的方向性很好，它能传播很远距离而扩散面积很小， 接近于理想的平行光 3、单色性好
激光为单色光，它的发光光谱宽度，比氪灯的光谱宽度窄 几个数量级。
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二、激光的特点 正是由于激光的上述三个特殊优点，人们把它用于焊接之
中，聚焦后在焦点上的功率密度可高达106～1012W/cm2，比寻 常的焊接 热源高几个数量级，成为一种十分理想的焊接热源。
两个能级之间的能量差越大，自发辐射过程所放出的 光子频率就越高。如同弹琴，如果用力拉紧琴弦，琴发出的 音调频率就高，反之则低。自发辐射光极为常见，普通光源
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一、激光产生的基本理论
的发光就包含受激吸收与自发辐射过程。前一过程是粒子 由于吸收外界能量而被激发至高能态；后一过程是高能态粒 子自发地跃迁回低能态并同时辐射光子。当外界不断地提供 能量时，粒子就会不断地由受激吸收到自发辐射，再受激吸 收，再自发辐射……如此循环不止地进行下去。每循环一次， 放出一个光子，光就这样产生了。以电灯为例：接通电源后， 电流流经灯泡中的发光物质——钨丝，钨丝被灼热，使钨原 子跃迁至高能态，然后又自发跃迁回低能态并同时辐射出光 子，于是灯泡就亮了。
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思考与练习
1、激光产生的三要素是什么？ 2、受激辐射过程中外来光子的频率应满足什么关系式？ 3、受激辐射和自发辐射有本质的区别？ 4、激光器的激励源——光泵作用是什么？ 5、是不是任何物质都可以作为激光的工作物质？只有具备什么
能态的物质才有可能产生激光？ 6、谐振腔是如何将光“放大”？ 7、激光的三个特点是什么？
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二、激光产生的三要素
2.工作介质 在大干世界里，各种各样的物质都是由分子、原子、电
子等微观粒子组成的，如果有了强大的激励是不是都能在物质 中实现粒子数反转而产生激光呢?不是的，激励只是一个外部 条件，激光的产生还取决于合适的工作物质，也称之为激光器 的工作介质，这才是激光产生的内因。前面我们所讲到的都是 以二能级系统为例来讨论的，也就是说工作物质只有高、低两 个能级。实际上目前所有已实现的激光辐射都是三能级或四能 级系统，
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二、激光产生的三要素
三、谐振腔 合适的工作物质有了，实现粒子数反转的激励源有了，
这下子该“激”出激光了吧!还不行，因为人们在实验中发现 这样虽然可以产生受激辐射，但非常微弱，根本形不成可供人 们使用的激光。这很自然的使人们想到了采用放大的办法来解 决这个问题，于是出现了光学谐振腔。即利用两个面对面的反 射镜，使放大了的光在镜间来回被反射，反复通过镜间的介质 不断再放大，即反馈放大。两个反射镜可以是平面，也可以是 球面。
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二、激光产生的三要素 这个系统便能对诱发光子能量hV=E2—E1的光进行光放大。显 然，E2能级好象一个水塔上的蓄水池，能够贮存大量的粒子， 只有亚稳态级才具有这种能力，但并不是所有的发光物质都 具有亚稳态结构，这就是有些物质可以“激”出激光来，而 有些物质却“激”不出来的道理。所以，具备亚稳态能级结 构是对产生激光的工作物质的起码要求。
9
二、激光产生的三要素
“光泵”只是在解释粒子数反转时借用的一种形象的说法。 实际上粒子都是甘居低能态的，而且很顽固，并不是象水一样 很容易地就被泵抽运走了。即使费了很大劲把一部分抽运到了 高能态，但它们很快就又自发地跃回低能态了。怎么办呢，那 就需要加大能量不停顿地来轰击。就是说，激励不仅要快，而 且要强有力。激励作用总是通过消耗一定的能量来实现的，产 生受激辐射所需要的最小激励能量定义为激光器的阈yù值(阈， 即门槛的意思)。阈值是描述激光器整体性能的一个重要参数。
自发辐射的特点是：由于物质(发光体)中每个粒子都 独立地被激发到高能态和跃迁回低能态，彼此间没有任何联 系，所以各个粒子在自发辐射过程中产生的光子没有统一的 步调，不仅辐射光子的时间有先有后，波长有长有短，而且
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一、激光产生的基本理论
传播的方向也不一致。因为自发辐射光是由这样许许多多 杂乱无章的光子组成的，所以我们通常见到的光，是包含许 多种波长成份(即多种颜色)、射向四面八方的杂散光。阳光、 灯光、火光等普通光都属于自发辐射光。
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一、激光产生的基本理论
光放大作用简单地说，就是输入是一个外来光子，而输出 的则是性质与外来光子一模一样的两个光子，因为在输出的 两个光子中，一个就是外来光子本身，而另一个则是在受激 辐射过程中释放出来的，即是被外来光子“激”出来的。一 个光子激发一个粒子产生受激辐射，得到两个完全相同的光 子，这就是光的“放大”。这两个光子再去激发两个粒子产 生受激辐射，就可以得到完全相同的4个光子，4、8、1 6……如此链锁反应，完全相同的光子数目便会越来越多， 可见受激辐射过程也就是光放大的过程。在受激辐射过程中 产生并被放大了的光，便是激光
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二、激光产生的三要素 下图是红宝石激光器的铬离子(Cr3+)的简化能级图，这是
一个典型的三能级系统。图中所示的E1,E2,E3中，E2是亚稳态 级。
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二、激光产生的三要素
外界激发作用将会把粒子从E1抽运到E3，被抽运到E3的粒子很 快通过无辐射跃迁转移到E2，因为E3的寿命只有10-9秒，即10 亿分之一秒，不允许粒子久留，所以此过程很快。但E2的亚稳 态，寿命较长，约为10-3秒，即千分之一秒，允许粒子久留。 随着E1上的粒子不断地被抽运到E3，又很快转移到E2，既然E2 允许粒子久留，那么从E2到E1的自发辐射跃迁几率就很小，于 是粒子就在 E2上积聚起来，从而实现E2对E1两能级间的粒子 数反转。
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一、激光产生的基本理论
跃迁。发出或吸收的光的频率满足普朗克公式（hv=E2-E1，h为 普朗克常数6.626×10-34J·s，v为光的频率，E2和E1分别为高 能级和低能级的能量）。
2、自发辐射、受激吸收和受激辐射 由于物质有趋于最低能量的本能，处于高能级E2上的
原子总是要自发跃迁到低能级E1上去，如果跃迁中发出光子， 这个过程称为自发辐射。处于低能级E1上的原子，吸收外来 能量后跃迁到E2上，则称之为受激吸收。
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二、激光产生的三要素
三要素：激励源，工作介质，谐振腔
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二、激光产生的三要素 1.激励源 要想把处于低能态的粒子送到高能态去，就得有外力借助 工具来实现。这个过程类似于把水位很低的河水或井水抽运到 水塔上的蓄水池里，必须要有足够功率的水泵作功才成。同理， 要实现粒子数反转，首先必须消耗一定的能量把大量粒子从低 能级“搬运”到高能级，这种过程在激光理论上叫做泵浦或激 励。由于其作用原理和水泵抽水相类似，所以把能使大量的粒 子从低能态抽运到高能态的激励装置通称之为“光泵”。
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二、激光产生的三要素 从图上可以看出，凡非腔轴方向的自发辐射，尽管它也可以诱 发激发态上的粒子产生光放大，但因介质体积有限，腔侧面又 是敞开的，终将逸出腔外。所以，产生激光的作用不大。唯独 沿腔轴方向的自发辐射才起作用。每当它碰到镜面时，便被反 射沿原路折回，又重新通过介质不断诱发激发态上的粒子产生 受激辐射光放大。由于受激辐射光在腔镜间往返运行，介质被 反复利用，腔轴方向受激辐射光就越来越强。其中一部分从部 分反射镜端射出，这就是激光；
处于高能级E2上的原子，受外来频率（满足hv=E2-E1 ） 的光子的激励，从E2跃迁到E1，发出一个和外来光子完全相 同的光子，称为受激辐射。
受激辐射和自发辐射有本质的区别：前者是受激产生， 后者是自发产生；前者跃迁时产生的光子与外来光子在频率、 相位、方向、和偏振方向上完全一致，产生的光子相当于加 强了外来光子的，即光放大作用，而后者产生的光子在这 些特性上彼此完全不相干。
根据光学理论，两束光相干的条件是同频率、同振动 方向、位相相同或位相差恒定。显然，受激辐射所产生的激 光是相干光，而普通光是非相干光。
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一、激光产生的基本理论
3、粒子集居数反转 在平衡状态下，粒子（原子、分子等）在各能级的分布满 足玻尔兹曼公式，即能级的能量愈高，上面的粒子数越少。 这时如果给粒子系统提供一个外来能量，使低能级上的粒子 吸收能量跃迁至高能级上，使高能级上的粒子吸收能量跃迁 到高能级上，使高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数， 这个过程即称为粒子集居数反转。只有在两个形成了粒子数 反转的能级之间，受激辐射的分量才能大于受激吸收，光才 能得到放大。
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二、激光产生的三要素
其中一个要求是反射率为100％的全反射镜，另一个是部分 反射镜。比如，反射率为95％时，5％的光透射出去供人应 用，从而构成光学谐振腔。因为其侧面是敞开的，所以，又 称作“开放腔”。当把激光介质置于两反射镜之间后，即可 构成激光振荡器。当外界强光激励置于两镜间的激光介质时， 就在亚稳态级与稳态级之间实现了粒子数反转。处于亚稳态 级的粒子当自发地跃迁到低能级时将自发辐射光子，但这种 发射是无规律的，射向四面八方，其中一部分可以诱发激发 态上的粒子产生受激辐射。
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二、激光产生的三要素 而其余部分留在腔内继续反馈放大以维持不断的向外辐射激 光，如图所示。介质内部沿纵轴方向偶然弱小的自发辐射经 过振荡和放大，最终形成强大的激光辐射过程就叫激光振荡 放大。由于光速极快，所以此过程极短。
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二、激光产生的三要素 19
二、激光的特点
1、亮度高 激光是世界上最亮的光。CO2激光的亮度比太阳亮8个数