激光的基本知识
激光入门知识讲解
激光入门知识一、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。
一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。
2、受激辐射和光的放大由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。
电子能量由主量子数n(n=1,2,…）决定。
但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。
激光的基础知识
激光的基础知识相信激光这名词对大家来说一点也不陌生。
在日常生活中，我们常常接触到激光，例如在课堂上我们所用的激光指示器，与及在计算机或音响组合中用来读取光盘资料的光驱等等。
在工业上，激光常用于切割或微细加工。
在军事上，激光被用来拦截导弹。
科学家也利用激光非常准确地测量了地球和月球的距离，涉及的误差只有几厘米。
激光的用途那么广泛，究竟它有哪些特点，又是如何产生的呢？以下我们将会阐释激光的基本特点和基本原理。
激光的特性高亮度、高方向性、高单色性和高相干性是激光的四大特性。
（1）激光的高亮度：一般规律认为，光源在单位面积上向某一方向的单位立体角内发射的功率，就称为光源在该方向上的亮度。
激光在亮度上的提高主要是靠光线在发射方向上的高度集中。
激光的发射角极小（一般用毫弧度表示），它几乎是高度平等准直的光束，能实现定向集中发射。
因此，激光有高亮度性。
固体激光器的亮度更可高达1011W/cn2Sr 。
不仅如此，一束激光经过聚焦后，由于其高亮度性的特点，能产生强烈的热效应，其焦点范围内的温度可达数千度或数万度，能熔化甚至于气化对激光有吸收能力的生物组织或非生物材料。
如工业上精密器件的焊接、灯孔、切割；医学上切割组织（光刀）、气化表浅肿瘤以及显微光谱分析等这些新技术都是利用激光的高亮度性所产生的高温效应。
激光功率密度的单位为mw/cm2或W/cm2，能量密度为焦尔/厘米2。
（2）激光的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地传递较长距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。
1962年人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，这两点都是激光加工的重要条件。
（3）激光的高单色性：光的颜色由光的波长（或频率）决定。
一定的波长对应一定的颜色。
太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。
激光技术与应用复习知识点
激光技术与应⽤复习知识点1、激光的定义激光是由受激发射的光放⼤产⽣的辐射。
2、激光的基本特性单⾊性，⽅向性，相⼲性，⾼亮度。
3、空间相⼲性与时间相⼲性波在空间不同区域可能具有不固定的相位差，只有在⼀定空间范围内的光波才有相对固定的位相差，使得只有⼀定空间内的光波才是相⼲的。
这种特性叫做波的空间相⼲性。
与波传播时间差有关的，由不确定的位相差导致的，只有传播时间差在⼀定范围内的波才具有相对固定的位相差从⽽相⼲的特性叫波的时间相⼲性。
4、光⼦简并度光⼦属于波⾊⼦，⼤量光⼦集合遵从波⾊-爱因斯坦统计规律，处于同态的光⼦数不受限制。
虽然处于同⼀光⼦态的光⼦数并⾮严格的不随时间的变化，但其平均光⼦数是可以确定的。
这种处于同⼀光⼦态的平均光⼦数成为光⼦简并度。
5、激光器的基本组成及其应⽤激光器⼀般包括三个部分。
激光器的基本结构由⼯作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分组成。
激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的⼀门综合技术，传统上看，它的研究范围⼀般可分为：激光焊接，激光切割，激光治疗，激光打标，激光打孔，激光热处理，激光快速成型，激光涂敷等。
6、⾃发辐射处于激发态的原⼦中，电⼦在激发态能级上只能停留⼀段很短的时间，就⾃发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出⼀个光⼦，这种辐射叫做⾃发辐射。
7、受激辐射在组成物质的原⼦中，有不同数量的粒⼦（电⼦）分布在不同的能级上，在⾼能级上的粒⼦受到某种光⼦的激发，会从⾼能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，⽽且在某种状态下，能出现⼀个弱光激发出⼀个强光的现象。
8、受激吸收处于低能级的原⼦(l E )，受到外来光⼦的激励下，在满⾜能量恰好等于低、⾼两能级之差(E ?)时，该原⼦就吸收这部分能量，跃迁到⾼能级(h E )，即h l E E E ?=-。
受激吸收与受激辐射是互逆的过程。
9、激光产⽣的必要条件受激幅射是产⽣激光的⾸要条件，也是必要条件。
激光专业知识
工作物质 全反射镜
激光输出
激光 部分反射镜
L
光学谐振腔
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第二章 激光的认识
第一节 激光器的结构图——内部结构图详解
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第二章 激光的认识
第二节 激光器的结构功能——工作物质
激光作为光学家族的一员，具有波粒二相性，一方面激光是由无数光子组成，具有光的 粒子性；另一方面，其本身也是一种电磁波。
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第一章 激光的概述
第五节 激光技术的应用——核聚变
激光控制核聚变
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第一章 激光的概述
第五节 激光技术的应用——激光导航星
天文台（激光导航星）
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第一章 激光的概述
第五节 激光技术的应用——测距与激光雷达
激光测距与激光雷达
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第二章 激光的认识
第一节 激光器的结构图——内部结构图
基态和激发态：当原子内所有电子处于可能的最低能级时，整个原子的能量最低，我 们称原子处于基态；当一个或多个原子电子处于较高的能级时，我们 称原子处于激发态。
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第二章 激光的认识
第四节 激光产生的原理——受激吸收/自发辐射
受激吸收：原子吸收入射光子（h=Eh-El），从低能态（El）跃迁到高能态（Eh）。
一般而言，激光的产生需要3个条件：
工作物质：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。 关键是能在这种介质中实现粒子数反转，就被称为激活介质(active medium) 或工作物质。
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第二章 激光的认识
第二节 激光器的结构功能——激励源
激励源：为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处 于上能级的粒子数增加。如：电激励、光激励、热激励、化学激励等各种激励 方式被形象化地称为泵浦或抽运；只有不断泵浦才能维持上能级粒子数多于下 能级，不断获得激光输出。
激光基础知识
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激光简介
• 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人 类的又一重发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、 “最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的 100亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱 因斯坦发现，但要直到 1960 年激光才被首次成功制造。 激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而 生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的 发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且 导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用 前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果， 从而促进了生产力的发展。该项目在华中科技大学武汉光 电国家实验室和武汉东湖中国光谷得到充分体现，也在军 事上起到重大作用。
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激光产生条件：粒子数反转
• 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，受激辐射使光子数增 加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡 态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒 子的统计分布律。按统计分布规律，处在较低能 级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。 这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会 加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能 级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种 分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子 数反转分布，简称粒子数反转。如何从技术上实 现粒子数反转是产生激光的必要条件。
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• • • •
通常激光器包括三个基本部分： 激光工作物质 外界激励源 光学谐振腔
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• 激光工作物质 • 是激光器中用于发射激光的物质。作为激光的工 作介质，必须是激活介质，即在外界能源激励下， 能在介质中形成粒子数反转（若介质在外界能源 激励下破坏了热平衡，使高能级上的粒子数大于 的能级上的粒子数，这种状态称为粒子数反转态。 在这种状态下光通过介质后得到放大，这种情况 称为有光增益，此时的介质为光增益介质。）红 宝石激光器的工作物质为含铬离子的红宝石，氦 氖激光器的工作物质是气体氖（氦为辅助工作物 质），常见的氩离子激光器的工作物质是气体氩。
激光知识点总结
激光知识点总结一、激光的工作原理激光是由激光管或半导体激光器等激光器件产生的一种特殊的光，其产生过程涉及到激发、放大和辐射三个过程。
激发过程是激光器内部能级的粒子被外部能量激发，处于高能级，即被激发态。
放大过程是被激发态的粒子受到反射膜的作用，在激光谐振腔内不断来回运动，使得光子通过受激辐射不断放大，形成激光能量。
辐射过程是形成激光光束的过程，激光能量通过谐振腔的光学放大产生足够的光强，经过半透过膜射出。
二、激光的分类根据激光器产生的机理、工作波长和应用领域不同，激光可以分为不同的类型。
常见的激光器包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器等。
气体激光器主要包括CO2激光器、氩离子激光器等，工作波长主要在10.6微米和0.5微米左右。
固体激光器主要包括Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器等，工作波长主要在1微米左右。
半导体激光器主要包括GaAs激光器、InGaN激光器等，工作波长主要在可见光和红外光区域。
三、激光的应用激光在各个领域都有着广泛的应用，包括医学、通信、材料加工等。
在医学领域，激光可以用于手术、治疗、检测等，例如激光近视手术、激光溶脂手术等。
在通信领域，激光可以用于光纤通信、激光雷达等，实现了信息的高速传输和大容量存储。
在材料加工领域，激光可以用于切割、焊接、打标等，高精度、高效率、非接触等优点，深受制造业的青睐。
四、激光的安全问题激光的应用虽然带来了很多便利，但同时也伴随着一些安全问题。
激光具有高能量密度、强聚焦性和直线传播性，如果被不当使用，可能会导致眼睛、皮肤等组织的损伤。
因此，在激光使用过程中，需要采取一系列的安全措施，包括佩戴防护眼镜、设置相应的警示标识、限制激光输出功率等，确保激光的安全使用。
总之，激光作为一种重要的光学技术，在科研和工程实践中有着广泛的应用，具有很高的经济和社会效益。
通过深入理解其工作原理、分类和应用等，可以更好地把握激光的特点和优势，更好地应用于实际工作中。
14激光的基本知识
因此可见，形成粒子数反转是产生激光或激光放大的 必要条件，为了形成粒子数反转，须要对发光物质输入能 量，我们称之一过程为激励、抽运或者泵浦。
二、激光器构造
➢激光工作物质 ➢泵浦源 ➢光学谐振腔
（一）激光工作物质 激活粒子：为了形成稳定的激光，首先必须要有能够形成 粒子数反转的发光粒子。激活粒子可以是分子、原子或离 子 基质：这些激活粒子有些可以独立存在，有些则必须依附 于某些材料中。为了激活粒子提供寄存场所的材料成为基 质，它们可以是固体或液体。
受激辐射产生的光子是相干的。常温条件或对发光物 质无激发的情况下，发光粒子处于下能级E1的粒子数密度 n1大于处于上能级E2的粒子数密度n2。此时当有频率等于 ν=（E2-E1）/h的一束光通过发光物质时，受激吸收将大 于受激辐射，故光强减弱。
粒子数反转：如果采取诸如用光照、放电等方法从外界不 断地向发光物质输入能量，把出入下能级的发光粒子激发 到上能级上去，便可以使上能级E2的粒子数密度超过下能 级E1的粒子数密度，我们称这种状态为粒子数反转。 激光放大器的基本原理：只要使发光物质处在粒子数反转 的状态，受激辐射就会大于受激吸收。当频率为ν的光束 通过发光物质，光强就会得到放大。这便是激光放大器的 基本原理。 激光振荡器或简称激光器的基本原理：即便没有入射光， 只要发光物质中有一个频率合适的光存在，便可象连锁反 应一样，迅速产生大量相同的光子，形成激光。这就是激 光振荡器或简称激光器的基本原理。
到达E3能级，就很容易实现粒子数反转，经受激辐射后到 达E2的粒子可迅速通过非受激辐射跃迁回到基态E1。例如 气体激光器中的氩离子激光器的激活粒子——氩离子就属
于此类能级系统。
（二）四能级系统 下图画出两种四能级系统的示意图。
（a）图：E1是基态；E4能级寿命很短，抽运的激活粒子 立即通过非பைடு நூலகம்射跃迁的方式到达E3能级；E3能级的寿命 比E4长为亚稳态，作激光的上能级；E2能级寿命很短，热 平衡是基本上是空的，作为激光下能级用，E2能级上的 粒子主要也是通过非辐射跃迁回到基态。
激光基础知识
按照 运转方式 分类：连续激光器、单次脉冲激光器、重复脉冲激光器、锁模激
光器、单模和稳频激光器、可调谐激光器
按照 显示波段 分类：远红外激光器、中红外激光器、近红外激光器、可见光激
光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、X射线激光器
半导体激光器 半导体激光器，即用半导体材料（砷化镓GaAs、砷化铟InAs、铝镓砷 AlxGaAs、铟磷砷InPxAs）为工作物质的激光器。
品 品种 种不 不齐 齐
光器的 国内生产的光纤激 留在1μm 激射波长至今仍停 已经成 的波段上，而国外 2μm波长 功开发出1.5μm和 光器， 的人眼安全光纤激 安全光 这使得中国在人眼 到限制。 纤激光应用方面受
一 单一 长单 波长 波
缺 缺乏 乏高 高端 端产 产品 品
在高重复率、脉宽为皮 秒 或飞秒量级的商用超短 光 脉冲的锁模激光器方面 存 在很大的空白
半导体激光器结构图
PN结——半导体激光器的心脏 将P型半导体和N形半导体"紧密接触"，其接触面就形成PN结，在PN 结界面上存在多数载流子梯度，因而产生扩散运动，形成空间电荷区 及内部电场
零偏压时的PN结能带图
正向偏压时的PN结能带图
一些常见半导体激光器
单管 / C-mount封装
单管 / F-mount封装
常见的 工作物 质
液体
有机化合物液体 无机化合物液体
GaAs 、GaN……
半导体
自由电子
自由电子束
激光器“有多少种”？
Lorem ipsum dolor sit amet
激光器
按照 工作物质 分类：固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、
自由电子激光器
激光技术指南 基础知识篇
光纤激光的构成一般是通过激光二级管（Seed LD）产生的称之为种 子光源（Seed Light）的脉冲光，然后通过 2 个以上的光纤放大器进 行放大。激发用 LD 配备多个单管发射器（发光层为 1 个）LD。各 LD 为低功率输出，因此具有热负荷较小的优点，实现了长寿命。此外， 该 LD 数量越多，越可实现高功率输出的激光。光纤激光振荡效率较 高，与固体激光和气体激光相比，具有功率消耗较低的特点。
4：固体激光（YVO4 激光、侧面抽运方式）
YVO4 结晶
激发用 LD
全反射镜
基态
激发态
受激辐射状态
输出镜 Q 开关
侧面抽运方式 YVO4 激光是以 YVO4 结晶为激光媒质的一种固体激光。 YVO4 是指钒酸钇结晶，与 YAG 同样添加有 Nd（钕）。采用从 YVO4 结晶端面单侧照射激发光的方式，以一对镜面构成揩振器，并在镜面 间配置结晶和 Q 开关。振荡波长与 Nd:YAG 激光相同，为 1064 nm。 放大率较高，可使用较小的结晶，激光器长比 YAG 激光短。因此， 光可在更短时间内反复射入结晶，使光强度急剧增加。与 YAG 相比， 具有效率更高、峰值更高且脉冲更短的特点。此外，结晶中心部的放 大率较大，产生的光为单模光 *，可输出高品质的激光。
2：对材料的影响
白树脂发色刻印
YVO4 激光
光纤激光
镀镍刻印
SUS 深度刻印
精简版---激光原理知识点+复习90题
T
A C
1 2L
B D
2 R1
R2
2 R2
1
2L R1
2 L1
L R2
2L R1
1
2L R1
1
2L R2
把条件 R1 R2 R L 带入到转换矩阵 T，得到：
T
A C
B D
1 0
0 1
共轴球面腔的稳定判别式子 1 1 A D 1
2
如果 1 A D 1 或者 1 A D 1 ，则谐振腔是临界腔，是否是稳定腔要根据情况来定。本题中 ，
(1)判断腔的稳定性; (2)求输出端光斑大小； (3)若输出端刚好位于焦距 f=0.1m 的薄透镜焦平面上，求经透镜聚焦后的光腰大小和位置。
解: (1)如图所示，等效腔长
L
'
a
b
0.44
m
0.1 m 1.7
0.5m
由等效腔长可得
：
g1 g 2
1
L' R1
1
L' R2
1
0.5 1
1
0.5
2
1
1.52 1
1.52
要达到稳定腔的条件，必须是 1 1 A D 1，按照这个条件，得到腔的几何长度为：
2
1.17 L1 2.17 ，单位是米。（作图）
11
4.4（夏珉习题 2.19 数据有改变）如图 2.8 所示，波长 1.06m的钕玻璃激光器,全反射镜的曲率半径
R=1m，距离全反射镜 0.44m 处放置长为 b=0.1m 的钕玻璃棒，其折射率为 n=1.7。棒的右端直接 镀上半反射膜作为腔的输出端。
第三章
光学谐振腔
激光基础知识
目录刻印的类型 (3)接触式的印字 (3)非接触式的印字 (4)激光的原理 (4)什么是光？ (4)什么是颜色？ (4)什么是可见光？ (4)什么是激光？ (5)激光的语源 (6)激光的原理 (6)激光的种类 (6)各个波长的特性 (8)激光振荡原理 (11)激光振荡管元件 (14)什么是激光加工？ (15)激光处理概述 (15)激光处理示例 (15)KEYENCE 激光刻印机的优点 (16)激光处理应用 (16)安全和规格 (20)国际安全标准 (20)激光安全防护概要 (21)激光产品的分类 (23)激光打标机的安全相关设备 (24)安全预防措施 (26)设置范例 (29)激光产品的使用注意 (30)激光安全术语的解说 (36)关于海外的适合标准 (37)激光光线对人体的影响 (38)术语集 (40)为电波、红外线、可见光、紫外线、 X 射线、Y 射线等。
什么是颜色？当射到物体上的光有一部分波长无法被物体吸收而被反射回来，并被人眼（视网膜）接收到时，这种波长就被我们感知为物体的“颜色”。
根据波长不同，光的折射率也会有所变化，因此光呈发散状态。
其结果就是，我们能够感知到各种各样不同的“颜色”。
例如红色的苹果（当人眼接收到包含红色特定波长光线的白昼光时）仅反射红色波长的光（600 至 700 nm），其他波长的光均被其吸收。
※黑色物体可以吸收所有的光，因此看上去呈黑色。
什么是可见光？电磁波中人类肉眼可感知的波长范围被称为“可见光”。
可见光的短波长约为360 至 400 nm，长波长约为 760 至 830 nm，如果波长超出“可见光”的波长范围（更短或更长），就超出了人眼所能够感知的范围。
什么是激光？普通光（灯光等）与激光存在如下区别。
激光发出具有高方向性的光束，即组成的光波在一条直线上传播，不会扩散。
普通的光源发出的光波会朝各个方向扩散。
激光束内的光波都是相同颜色的（此性质叫单色性）。
普通的光（比如荧光灯管发出的光）一般来说是几种颜色的光混合后表现为白色。
激光安全分类
激光安全分类1. 引言激光技术作为一种高能量、高亮度的光源，广泛应用于医疗、工业、军事等领域。
然而，激光的强大能量也带来了一定的安全隐患。
因此，对激光进行安全分类和管理是非常重要的。
本文将深入探讨激光安全分类的相关内容。
2. 激光的基本知识在深入了解激光安全分类之前，我们先来了解一些关于激光的基本知识。
2.1 激光的定义激光是指通过受激辐射产生的一束具有高度相干性、方向性和单色性的电磁辐射。
它与普通光相比具有更高的能量密度和更强的穿透力。
2.2 激光器件结构通常，一个激光器件由以下几个部分组成：•泵浦源：提供能量以使得工作物质处于受激辐射状态。
•工作物质：通过泵浦源提供的能量，使得其内部原子或分子处于受激辐射状态。
•谐振腔：用于放大和反射激光束的光学装置。
2.3 激光的危害激光具有高能量和高亮度的特点，因此对人体和物体可能造成一定的危害，主要包括：•眼睛损伤：激光束直接照射眼睛可能导致视网膜损伤、失明等。
•皮肤损伤：高能量激光束可以引起皮肤灼伤甚至烧伤。
•火灾和爆炸危险：激光束可以点燃易燃物质并引发火灾，甚至导致爆炸。
3. 激光安全分类为了更好地管理和控制激光器件的使用，国际上制定了一套统一的激光安全分类标准。
根据这些标准，将不同功率和波长范围内的激光器件分为不同类别，并对每个类别规定了相应的安全措施。
3.1 激光器件分类根据国际电工委员会（IEC）发布的《激光器设备和系统的安全标准》（IEC 60825）标准，激光器件分为以下四个类别：•类别1：无论是直接照射或镜面反射，该类别下的激光器件不会对人眼造成危害。
•类别2：视觉反射阈值低于敏感程度，但眨眼反应可以保护眼睛免受损伤。
•类别3R：对于直接照射，该类别下的激光器件可能会对眼睛造成损伤，但通常不会产生危险。
•类别4：该类别下的激光器件具有高能量和强大的辐射能力，对人体和物体造成严重伤害甚至致命。
3.2 安全措施根据激光器件的分类，制定相应的安全措施是确保激光使用安全的关键。
激光的基础知识
N i Ce
Ei / kT
N1 E1
N2 E2
( E1 E2 ) / kT
E2
。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 E1 。 N1
粒子数的正常分布
E2 E1
.. .. .
N2
E2
E1
...... ....... ..
E2 E1
N2
。 。 N 。 。 。 1
粒子数反转分布
四
激光器的特性和应用
1 方向性好(Direction)
利用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘进偏差 不超过16nm. 2 单色性好(Monochromaticity ) 3 亮度高(Brightness) 能量集中 4 相干性好(Coherence) 普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是 相干光 , 激光的发光过程是受激辐射,它发出 的光是相干光.
氦氖激光器
2
红宝石激光器
红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石晶体， 它发出的激光是脉冲激光，波长为694.3nm.
激光器发展的主要方面 脉冲灯 全 反 射 镜
。 U。 0
红宝石棒
。 U。
半 透 射 镜
（1）扩展了激光的 波长范围. （2）激光的功率 大大提高. （3）激光器已能 实现小型化.
红宝石激光示意图
加强光须满足驻波条件
lk 2
全反射镜
加强光须满足驻波条件 l k . 2 激光光束 l
光学谐振腔示意图
部分透光反射镜
三 激光器
1 氦氖气体激光器 输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、32.8nm
3
部分反射镜
全反射镜
基态 氦和氖的原子能级示意图
激光的基本知识
激光的基本知识一、填空题（40分，每题2分）1．激光英文名为 Laser ，即 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的缩写；中文意思是。
2．激光的四个特性是相干性好、方向性好、单色性好、高亮度。
3．激光的产生必须有三个首要的条件：激光物质、激励源、谐振腔。
4．激光器按工作物质分为固体激光器、液体激光器、气体激光器、半导体激光器四大类；按照激光输出方式分为连续输出、脉冲输出。
5．激光器的激励方式有光激励、热激励、放电激励核能激励、等激励，即我们常称的泵浦源。
6．粒子数反转是实现激活激光放大的必要条件。
7．激光安全的基本原则是：不要直视激光束。
8．公司激光器采用的冷却方式有两种：风冷、水冷。
9．氪灯泵浦YAG激光器的波长是 1064nm ，属于红外激光。
10．氙灯泵浦YAG激光器的波长是 1064nm ，属于红外激光。
11．CO2激光器的波长是 10.64um ，属于中红外激光。
12．半导体侧面YAG激光器的波长是 1064nm ，属于红外激光。
13．固体激光器的特点是：单色性强，输出功率较小。
14．半导体激光器的特点是：体积小，功率小，重量轻、结构简单、单色性差。
15．气体激光器的特点是：能量高，输出功率大，但工作物质种类小，单色性差。
16．公司产品中， co2 系列是使用气体激光器， YAG 系列是使用灯泵浦激光器， EP/DP 系列是使用半导体激光器。
17．YAG系列打标机的代表产品有：。
18．DP系列打标机的代表产品有：。
19．EP系列打标机的代表产品有：。
20．CO2系列打标机的代表产品有：。
二、不定项选择（30分，每题2分）1．激光对人体伤害主要是（）A.皮肤B.嘴巴C.眼睛D.头发2．YAG系列机器的型号说明中“S”，代表什么（ A ）A.表示变倍扩束B.表示快速响应电源C.表示三维动态采用音圈电机D.表示陶瓷腔3．半导体系列机器的型号说明中“L”，代表什么（ b ）A.表示畜生耳标打标专用B.表示直腔C.表示三维动态采用步进驱动器D.表示激光朝前出光4．CO2系列机器的型号说明中“B”，代表什么（ b ）A.表示轴承打标专用B.表示纽扣专用C.符号“A”区分“B”,激光器不同D. 符号“B”区分“A”,激光器不同5．公司使用的振镜按产地有（ ABCD ）A. 德国scanlabB.美国GMC.上海通用D.自制6．公司采用的Q头来自于哪两个国家（ CD ）A.德国B.美国C.英国D.法国7．我们公司要求冷却水，一定要使用（ ACD ）A. 纯净水B.矿泉水C.去离子水D.蒸溜水8．打标机为什么打标前要空打标一次（ B ）A.解决首脉冲的问题B.激活控制卡C.软件要求D.工控机要求9．下列哪些是谐振腔内的元器件（ CD ）A.全反射镜B.扩束镜C.激光器（黑腔）D.Q头10．目前公司CO2打标机使用哪几个系列激光器（AB ）A.新锐（SNYRAD）B.相干（HERENT）C.半导体激光器（H50）D.灯泵浦激光器（M50S）11．光束质量 M平方（ C ）A.越大光束质量越好B.越小光束质量越好C.越接近一光束质量越好D.越接近零光束质量越好12．激光是在哪一年哪个国家问世的（ C ）A.1958年、日本B.1959年、德国C.1960年、美国D.1961年、英国13．什么激光器产生的激光具有最好的方向性（ C ）A. 固体激光器B.液体激光器C.气体激光器D.半导体激光器14．激光打标机与传统的标记工艺相比有明显的优点，体现在以下哪几点（ ABCD ）A.标记速度快、字迹清晰、永久B.非接触式加工、污染小，无磨损C.操作方便、防伪功能强D.可以做到高速自动化运行，生产成本低15．在纸张上打标和在金属表面上打标分别宜采用什么系列的打标机（ A ）A.CO2、YAG B.CO2、DP C.YAG、EP D.DP、EP三、简答题（30分，每题3分）1．简单描述一下，激光安全防护的具体措施。
激光基础知识
激光基础知识听到激光这个词，大家可能有些害怕，因为它让人想起了星球大战中太空战士的利器，或者是手术台上医生的手术刀。
但是，激光并不总是伤人的武器，它也存在于我们的日常生活中。
比如说“镭射”（Laser），全息照片等都是激光技术在在现实中的应用，给我们的生活带来了极大的便利。
激光原来和我们如此的接近！激光的最初中文名叫做“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的各单词的头一个字母组成的缩写词。
意思是“受激辐射的光放大”。
什么叫做“受激辐射”？它基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。
这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。
这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
一个科学的理论从提出到实现，往往要经过一段艰难的道路。
爱因斯坦提出的这个理论也是如此。
它很长一段时间被搁置在抽屉里无人问津。
1950年，波尔多一所中学的教师阿尔弗雷德·卡斯特勒同让·布罗塞尔发明了“光泵激”技术。
这一发明后来被用来发射激光，并使他在1966年获得了诺贝尔物理学奖。
激光器的发明实际上提出了更多的问题。
它必须使反射谐振器适应极短的波长。
1951年，美国哥伦比亚大学的一位教授查尔斯·汤斯（Townes）对微波的放大进行了研究，经过三年的努力，他成功地制造出了世界上第一个“微波激射器”，即“受激辐射的微波放大”的理论。
汤斯在这项研究中花费了大量的资金，因此他的这项成果被人们起了个绰号叫做“钱泵”，说他的这项研究花了很多的钱。
后来汤斯教授和他的学生阿瑟·肖洛（Schawlow，诺贝尔物理奖的获得者）想，既然我们已经成功地研究了微波的放大，就有可能把微波放大的技术应用于光波。
激光基础学习知识原理考试基本概念
第一章1、激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮度高。
2、激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的自发辐射。
3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。
光波是一种电磁波，是一种横波。
4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围，波长为0.3~30μm,其相应频率为10^15~10^13。
5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Δν<<v 时，这种波叫作准单色波。
6、原子处于最低的能级状态称为基态，能量高于基态的其他能级状态叫作激发态。
7、两个或两个以上的不同运动状态的电子可以具有相同的能级，这样的能级叫作简并能级。
8、同一能级所对应的不同电子运动状态的数目，叫作简并度，用字母g表示。
9、辐射跃迁选择定则（本质：状态一定要改变），原子辐射或吸收光子，不是在任意两能级之间跃迁，能级之间必须满足下述选择定则：a、跃迁必须改变奇偶态；b、ΔJ=0，±1（J=0→J=0除外）；对于采用LS耦合的原子还必须满足下列选择定则：c、ΔL=0，±1（L=0→L=0除外）；d、ΔS=0，即跃迁时S不能发生改变。
10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。
11、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。
12、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。
13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，和受激吸收。
14、普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。
15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。
自发辐射的光是非相干光。
16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。
17、受激辐射的特点是：a、只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。
b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性完全相同（频率相同，相位相同，偏振方向相同，传播方向相同）。
激光基础知识
激光基础知识目录一、激光概述 (2)1.1 激光的定义 (3)1.2 激光的产生原理 (4)1.3 激光的特点与应用 (4)二、激光器的工作原理与结构 (5)2.1 激光器的基本构成 (6)2.2 激光器的类型 (7)2.2.1 固体激光器 (9)2.2.2 液体激光器 (10)2.2.3 气体激光器 (11)2.3 激光器的输出特性 (13)三、激光的发射与调控 (14)3.1 激光的发射过程 (15)3.2.1 脉宽调制 (17)3.2.2 频率调制 (18)3.2.3 相位调制 (19)四、激光的传输与耦合 (20)4.1 激光的传输介质 (21)4.2 激光的耦合方式 (22)4.3 激光的聚焦与散射 (23)五、激光的检测与测量 (24)5.1 激光的检测方法 (25)5.2 激光的测量技术 (27)5.2.1 功率测量 (29)5.2.2 频率测量 (30)5.2.3 相位测量 (31)六、激光的安全与防护 (32)6.2 激光的防护措施 (35)6.3 激光的正确使用与废弃处理 (36)七、激光新技术与发展趋势 (37)7.1 新型激光技术 (38)7.2 激光技术的应用领域 (40)7.3 激光技术的发展趋势 (41)一、激光概述激光（Laser）是一种受控能量释放过程，通过特定物质在受激发射过程中发射出高度集中、单一波长的光子束。
它是一种非传统光源，具有许多独特的特点和优势。
激光的原理起源于20世纪初，当时科学家们发现某些物质的电子在受到特定频率的光照射后，会吸收能量并跃迁到更高的能级。
当这些电子从高能级回落到低能级时，会以光的形式释放出能量。
这种跃迁过程使得特定波长的光被有效地放大和发射，从而产生了激光。
单色性：激光发射出的光子具有高度集中的单一波长，这使得激光在光谱分析、医疗、通信等领域具有广泛的应用价值。
直线性：激光的光束传播方向高度集中，几乎可以沿直线传播，这使得激光在切割、焊接等加工领域具有很高的精度。
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Nd3＋:YAG 晶体的吸收光谱
YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图所示。 它属于四能级系统。
Nd3＋:YAG 的能级结构
1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器
第一台红宝石激光器的拆卸图
3、半导体激光器泵浦固体激光器
半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图所
• 放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）气 体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始 放电使氖原子受激，产生粒子数反转，产生激光 跃迁的是Ne气，He是辅助气体，用以提高Ne原子 的泵浦速率 • 最强的谱线有三条：0.6328m（红色）、3.39m 和1.15m ，常用的为0.6328m • 四能级系统
示的端泵浦方式和侧泵浦方式。
半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图
对激光工作物质进行激励以形成粒子数反转
3、谐振腔(半反镜与全反镜)
(1)维持激光振荡 (2)改善激光质量如单色性、方向性
四、本征纵模频间隔
1、定义
2、计算 证
相邻两个纵模的频率间隔
c q 2nL
由驻波条件：光波从腔内某一点出发，经过往返 一周的传播后，再回到原来的位置上时应与出发 时同相位，也就是说光波往返一周的的位相延滞 等于2pi的整数倍。数学表达式为： c Lq 其中： 2 n
亮度大：目前，功率极大的激光，其亮度 可达到太阳亮度的100亿倍以上。若用透镜将起 会聚，可得到每平方厘米1万亿瓦的功率密度。 因此，它可在极小的局部范围内产生几百万摄氏 度的高温，几百万个大气压的高温和几十亿伏特 每米的强电场。
单色性好：单一频率的光是理想的单色光。激 光近乎单一频率。例如氦氖激光器输出激光的中心 波长λ=632.8nm，激光谱线的线宽△v=10-4Hz；普 通光源中单色性最好的氪灯，λ=605.7nm，而 △v=104---106Hz。
（2）ＣＯ２激光器 • • • • • • • 属于气体激光器，分子激光器 波长 9－11um，最常见10.6um 效率高 光束质量好 功率范围大（几瓦～几万瓦） 运行方式多样 结构多样
CO2激光器的结构和激发过程下图是一种典 型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反 射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是 将反射镜直接贴在放电管的两端。
2、固体激光器
• 固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、 谐振腔和冷却、滤光系统构成的。下图是长脉冲 固体激光器的基本结构示意图。
Nd:YAG激光器
工作物质:将一定比例的Al2O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉 中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离 子(Nd3＋)，其吸收光谱如图所示。
氦氖激光器（四能级系统） E4 E3 E2 E1
(10-8s) (10-3s)
E4 E3 E2 E1
h
He-Ne激光器的结构可以分为内腔式、外腔式 和半内腔式三种，如图所示。
He-件下，使输出功率最大的放电电流叫 最佳放电电流 He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强， 即存在最佳充气条件。 若放电毛细管的直径为d，充气压强为p，则存在一 个使输出功率最大的最佳pd值。 在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管 直径d成反比。
1960年5月15日，在休斯公司的一 个研究室里，年轻的美国物理学 家梅曼正在进行一项重要的实验。 他的实验装置里有一根人造红宝 石棒。突然，一束深红色的亮光 从装置中射出，它的亮度是太阳 表面的4倍！这是一种完全新型的 光，科学家渴望多年而自然界中 并不存在的光，它被命名为Laser， 是英文“受激辐射光放大"大缩写， 这就是激光。产生激光的装置被 称为激光器。激光和激光器的问 世，被称为20世纪最重大的科学 发现之一。
1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器。它标志着激 光技术的诞生。
自发辐射跃迁 定义：发光粒子从高能级E2自发跃迁到低能级E1, E E 并发射一个频率为 的光子。 h
2 1
E2
E1
受激辐射跃迁 定义：处于高能级E2 发下,跃迁到低能级E1,并发射一与诱发光子同一 光子态的光子。
E1
的发光粒子在
E 2 E1 h 光子诱
E2
受激吸收跃迁 定义：处于低能级E1的发光粒子吸收了 E 子后,跃迁到高能级E2。
E1 E2
2
E1 h
光
二、激光的特点
方向性强 亮度大
单色性好
相干性好
方向性强：激光几乎是一束定向发射的平行 光，其发射角很小，可在1〃以下。用红宝石激 光器将直径为1mm的光束射向月球，通过 380000km的距离，月球上的光斑直径仅有1.6km 而普通探照灯（光束直径约为0.3m）射出1km， 光斑直径就有10m。
工作 物质
掺 杂 泵浦系统 激光波长
脉冲氙灯、 高压 脉冲氙灯、激光器、砷化镓半导体 汞蒸气灯 0.6943m 1.0640m 1.0600m 三能级系统 四能级系统 四能级系统
六、典型激光器
1、气体激光器 （1） 氦-氖(He-Ne)激光器
• 氦一氖气体激光器：原子激光器类，1961年实现激光输出， 多采用连续工作方式，输出功率与放电毛细管长度有关；输 出激光方向性好，（发散角达1mrad以下），单色性好（ 可小于20Hz），输出功率和波长能控制得很稳定 • He-Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源 组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成，放电管是 He-Ne激光器的心脏，是产生激光的地方，放电管通常由毛 细管和贮气室构成。
激光器的基本知识
一、激光的起源
激光又名镭射 (Laser)，它的全名是“辐 射的受激发射光放大” （Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation）
某些物质原子中的粒子受光或电的激发，由 低能级的原子跃迁为高能级的原子，当高能级原 子的数目大于低能级原子的数目时，就发射出位 相、频率、方向等完全相同的光，这种光叫做激 光。
CO2激光器温度效应
CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超 过40％，这就是说，将有60％以上的能量转换为气 体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引 起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这 都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高， 将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体 温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管 内的CO2分子浓度。
气体激光器:以气体或金属蒸气为发光粒子
所采用的物质 氦、氖、氩、氪、 氙、氧、溴、碘、 原子 氮、硫、碳、铯、 镉、铜、锰、锡等 金属原子蒸气 分子 未电离的气体分子 CO2、N2、O2、CO、 N2O 和水蒸气等 工作气体在常态下为原子，当 Ar2* 、 Xe2* 、 XeF* 、 准分 激发时，可暂时形成寿命很短 KrF*、ArF*、XeCl*、 子 的分子，称为准分子 XeBr*、XeQ*、KrQ* 等 离子 利用电离后气体离子产生激光 惰性气体离子和金 作用 属蒸气离子 产生激光作用的物质 未电离的气体原子 典型代表 He-Ne laser
CO2 和 N2 KrF*、ArF*
氩离子（Ar+ ） 、氦— 镉（ He-Cd ）离子激 光器
一般固体激光器：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 质 红宝石激光器 刚 玉 晶 体 （Al2O3） Cr2O3 Nd:YAG 激光器 钇铝石榴石晶体 Y3Al5O12 Nd2O3 钕玻璃激光器 钛宝石激光器 光学玻璃 （硅酸 刚 玉 晶 体 盐，硼酸盐、磷 （Al2O3） 酸盐） Nd2O3 Ti2O3 闪光灯泵浦、 激 光泵浦 0.795m 调 谐 0.66~1.1m
可得到相邻两个本征纵模之间的频率间隔应为： c q 2nL G0()
Gm
Gt
T
两红线之间的频率间隔为： q
五、激光器的分类
1、工作物质形态---可以分为气体、固体、半导体、 液体、等
2、工作方式---连续工作和脉冲工作
3、激光技术---调Q激光器、锁模激光器、倍频激光器、 可调谐激光器、单模和多模激光器等
由上式可得：
qc Lq 2 2n
得本征纵模的频率为
c q q 2nL
该式的物理意义是，当谐振腔长度给定后，它 只能对频率满足该式的激光模式提供正反馈，使之 产出振荡。满足这个谐振条件的驻波场或本征纵模 有无数多个。q表示对应模序数q的本征纵模频率。
由本征纵模的频率
c q q 2nL
相干性好：激光的线谱宽度极窄，相应在空 间的分布也不随时间的变化，其相干长度可达到 100km，而普通单色光的相干长度只有米的量级。 激光横向相干面积也很大，其光截面的各个部分 都是相干波源。
三、激光器构造
1、激光工作物质 (1)激活粒子(分子、原子、离子) (2)基质 寄存激活粒子的材料
发光
2、泵浦源(光泵、放电管)