激光技术.ppt
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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
激光原理及应用ppt课件
• 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。
激光调制前
激光调制后
4.机械运动系统
• 基片送入后，高精度伺服电机在微机的控制下转动振镜的角度；
• 激光束通过扫描镜的反射，由f-θ场镜聚焦到基片的边缘位置上；
• 在微机上通过专用的控制软件输入总的清边面积、激光束的行走速度 和需要重复的次数；
E2
E2
E1
E1
自发辐射跃迁
自发辐射光子
c. 受激辐射（激光）: 当频率为=ν（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅 速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都 相同的光子。
E2
E2
入射光子
E1
E1
受激辐射光子 入射光子
受激辐射跃迁 3-2 粒子数反转
(Top flat)
高斯
多元高斯
• 减少脉冲时间，高的峰值能量，更多的能量密度
Less pulse time, high peak power more energy density
能量密度=功率/频率/光斑面积
pulse
1.1uW/um=220W/20KHz/900um2
Hz
4.重叠率计算——Overlap
全反光镜
反光镜： （越75%
）
Shutter
激光器外形 接光纤
Q-Switch
晶体腔
功率计
激光器内部分解图（P4）
Q-Switch 半反镜
晶体腔 光纤耦合器
镜头聚焦原理——凸透镜
激光刻划原理——以P1为例
光斑
1.Beam Shaping （激光束形状）
• 一般的激光都为高斯分布的波形，即高斯光束，为实现特殊的制程需求，需要转变 成为扁平式波形的平顶光束，即Top Hat，通过透镜组改变光束质量和形状产生。
激光调制前
激光调制后
4.机械运动系统
• 基片送入后，高精度伺服电机在微机的控制下转动振镜的角度；
• 激光束通过扫描镜的反射，由f-θ场镜聚焦到基片的边缘位置上；
• 在微机上通过专用的控制软件输入总的清边面积、激光束的行走速度 和需要重复的次数；
E2
E2
E1
E1
自发辐射跃迁
自发辐射光子
c. 受激辐射（激光）: 当频率为=ν（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅 速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都 相同的光子。
E2
E2
入射光子
E1
E1
受激辐射光子 入射光子
受激辐射跃迁 3-2 粒子数反转
(Top flat)
高斯
多元高斯
• 减少脉冲时间，高的峰值能量，更多的能量密度
Less pulse time, high peak power more energy density
能量密度=功率/频率/光斑面积
pulse
1.1uW/um=220W/20KHz/900um2
Hz
4.重叠率计算——Overlap
全反光镜
反光镜： （越75%
）
Shutter
激光器外形 接光纤
Q-Switch
晶体腔
功率计
激光器内部分解图（P4）
Q-Switch 半反镜
晶体腔 光纤耦合器
镜头聚焦原理——凸透镜
激光刻划原理——以P1为例
光斑
1.Beam Shaping （激光束形状）
• 一般的激光都为高斯分布的波形，即高斯光束，为实现特殊的制程需求，需要转变 成为扁平式波形的平顶光束，即Top Hat，通过透镜组改变光束质量和形状产生。
激光ppt课件
利用激光的特定波长和能量对物质进行光谱分析，研究物质的组成和 结构。
激光雷达
利用激光的反射和散射特性对大气进行探测和研究，用于气象预报、 气候变化等领域。
激光冷却和囚禁原子技术
利用激光的相干性和偏振特性实现对原子的精确控制和囚禁，用于研 究量子力学和量子计算等领域。
激光操控和微纳加工技术
利用激光的强光束和高能量密度对微小颗粒和纳米材料进行精确操控 和加工，用于制造微型机械、传感器、集成电路等领域。
信、卫星还原度等特点，未来将逐渐取代传 统的显示技术，成为主流的显示方 式之一。
医疗领域
激光技术在医疗领域的应用将更加 广泛和深入，如激光手术、激光治 疗等，为医疗领域的发展提供更加 先进和安全的技术手段。
04
CATALOGUE
激光的安全与防护
激光的危害
激光辐射对眼睛的危害
01
高强度激光辐射直接照射眼睛，可能导致视网膜损伤、黄斑病
变等严重眼病。
激光辐射对皮肤的危害
02
激光辐射长时间照射皮肤，可能导致皮肤灼伤、色素沉着、皮
肤老化等问题。
激光辐射对其他生物体的危害
03
激光辐射可能对其他生物体产生影响，如影响植物的光合作用
、影响动物的视觉和行为等。
激光的安全标准
激光焊接
通过激光束的高能量密度实现 材料的快速、高效焊接，提高 焊接质量和效率。
激光打标
利用激光的高能量密度在各种 材料表面进行永久性标记，广 泛应用于产品追溯、防伪鉴别 等领域。
激光清洗
利用激光的强光束和高温去除 各种材料表面的污垢和杂质， 具有环保、高效、无损等优点
。
医疗美容
01
02
03
04
激光雷达
利用激光的反射和散射特性对大气进行探测和研究，用于气象预报、 气候变化等领域。
激光冷却和囚禁原子技术
利用激光的相干性和偏振特性实现对原子的精确控制和囚禁，用于研 究量子力学和量子计算等领域。
激光操控和微纳加工技术
利用激光的强光束和高能量密度对微小颗粒和纳米材料进行精确操控 和加工，用于制造微型机械、传感器、集成电路等领域。
信、卫星还原度等特点，未来将逐渐取代传 统的显示技术，成为主流的显示方 式之一。
医疗领域
激光技术在医疗领域的应用将更加 广泛和深入，如激光手术、激光治 疗等，为医疗领域的发展提供更加 先进和安全的技术手段。
04
CATALOGUE
激光的安全与防护
激光的危害
激光辐射对眼睛的危害
01
高强度激光辐射直接照射眼睛，可能导致视网膜损伤、黄斑病
变等严重眼病。
激光辐射对皮肤的危害
02
激光辐射长时间照射皮肤，可能导致皮肤灼伤、色素沉着、皮
肤老化等问题。
激光辐射对其他生物体的危害
03
激光辐射可能对其他生物体产生影响，如影响植物的光合作用
、影响动物的视觉和行为等。
激光的安全标准
激光焊接
通过激光束的高能量密度实现 材料的快速、高效焊接，提高 焊接质量和效率。
激光打标
利用激光的高能量密度在各种 材料表面进行永久性标记，广 泛应用于产品追溯、防伪鉴别 等领域。
激光清洗
利用激光的强光束和高温去除 各种材料表面的污垢和杂质， 具有环保、高效、无损等优点
。
医疗美容
01
02
03
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最新激光原理-激光技术教学讲义ppt
图21.1. -73 Q开关激光脉冲建立过程
在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值(Qo)状态，故阈值很 高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至 t0时刻， 粒子数反转达到最大值△ni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下 降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此△ni >>△nt(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质 存储的能量在极短的时间
设三个振动频率分别为ν1 、 ν2 、 ν3 的三个光波沿同一方向传播，
且有关系式： ν3=3ν1，
ν2= 2ν1 , E1 = E 2 =E3 = E0
若相位未锁定，则此三个不
E(t)
v3=3v1, v2=2v1， 初相位无 规 律
E0
-E0
I(t)
v2 v3
v1
同频率的光波的初位相 1 、 2 、 3 彼此无关，如左图， 由于破坏性的干涉叠加，所
可以推得总光强：
N 2
E
2 m
该式说明了平均光强是各个纵模光强之和,每
个脉冲的宽度 约为：
1
q
假如各个模的振幅及相位都固定，也可推得输出脉冲的峰值功率
正比于
N
2
E
2 0
，因此，由于锁模，峰值功率增大了N倍。
每个脉冲的宽度
窄的锁模脉冲。
1 1 , 可见增益线宽愈宽，愈可能得到
N q
二、锁模的基本原理 先看三个不同频率光波的叠加：Ei = E0cos(2π νi t+ i ) i=1,2,3
21世纪的激光技术与产业的发展将支撑并推进高速宽带海量的光通信以及网络通信并将引发一场照明技术革命小巧可靠寿命长节能半导体led发光将主导市场此外将推出品种繁多的光电子消费类产品如vcddvd数码相机新型彩电掌上电脑电子产品智能手机手持音响播放设备摄影投影和成像办公自动化光电设备如激光打印传真和复印等以及新型的信息显示技术产品如crtlcd及pdpfedoel平板显示器等并进入人们的日常生活中
激光原理与技术PPT(很全面)
激光束质量对应用的影响
分析激光束质量对激光加工、光通信、激光雷达等应用的影响。
激光束的控制与整形
激光束控制技术
探讨通过光学元件、机械装置等手段对激光束进行控制的原理和 方法。
激光束整形技术
介绍将激光束整形为特定形状（如平顶、环形等）的原理和方法， 以及整形后激光束的特性。
激光束控制与整形的应用
阐述激光束控制与整形在材料加工、生物医学、光通信等领域的应 用实例。
激光Байду номын сангаас眼睛的危害
激光束直接照射眼睛，可能导致视网膜烧伤、视力下降甚至失明。防护措施包 括佩戴合适的激光防护眼镜，避免直接观看激光束。
激光对皮肤的危害
激光照射皮肤可能导致烧伤、色素沉着、皮肤癌等。防护措施包括穿戴防护服 、使用防晒霜等。
激光安全标准与防护措施
激光安全标准
国际电工委员会（IEC）和美国国家标准学会（ANSI）等制定了激光安全标准， 对激光产品的分类、标识、使用等做出了规定。
液体激光器
染料激光器
使用有机染料作为增益介质，通 过泵浦光激发染料分子产生激光 ，具有宽调谐范围和短脉冲输出 能力。
液体激光核聚变
利用高功率激光束照射含有氘、 氚等聚变燃料的靶丸，实现核聚 变反应，是惯性约束聚变研究的 重要手段。
半导体激光器
边发射半导体激光器
电流注入半导体PN结，电子与空穴 复合释放能量形成激光输出，具有体 积小、效率高、寿命长等优点。
激光手术
利用激光的高精度和可控性，进行微 创手术操作，如眼科手术、皮肤科手 术等。
生物医学成像
利用激光的高亮度和方向性，对人体 内部组织进行光学成像，以辅助医学 诊断和治疗。
05
激光测量与检测技术
激光原理与技术PPT课件
激光手术
阐述激光手术在眼科、神 经外科等领域的应用及优 势，如精度高、创伤小等 。
05
CATALOGUE
激光测量与检测技术
激光干涉测量技术
1 2
干涉测量原理
利用激光的相干性，通过干涉条纹的变化来测量 长度、角度等物理量。
干涉测量系统组成
包括激光器、分束器、反射镜、探测器等部分。
3
干涉测量技术应用
时间特性
激光束的时间特性包括脉冲宽度、重复频率和稳定性等。其中，脉冲宽度决定 了激光的峰值功率和能量，重复频率则影响了激光的平均功率。稳定性则是确 保激光束在长时间内保持一致性的关键因素。
激光束的调制与偏转技术
调制技术
通过对激光束进行幅度、频率或相位等调制，可以实现信息 的加载和传输。常见的调制方式包括振幅调制、频率调制和 相位调制等。这些调制技术使得激光束能够携带更多的信息 ，并在通信、传感等领域得到广泛应用。
对皮肤的危害
长时间或高强度激光照射皮肤， 可能导致皮肤烧伤、色素沉着、 皮肤癌等严重后果。
激光安全标准与防护措施
激光安全标准
国际电工委员会（IEC）和美国激光产品安全标准（ANSI）等制定了激光产品的 安全标准，包括激光等级分类、安全警示标识、使用说明等。
防护措施
使用激光产品时，应佩戴合适的防护眼镜或面罩，避免直接照射眼睛或皮肤；同 时，应在激光工作区域内设置明显的安全警示标识，提醒他人注意安全。
偏转技术
激光束的偏转技术主要是通过改变激光束的传播方向来实现 。常见的偏转方式包括机械偏转、电光偏转和声光偏转等。 这些偏转技术使得激光束能够灵活地指向目标，并在激光雷 达、光学扫描等领域发挥重要作用。
激光束的聚焦与整形技术
《激光的基本技术》课件
《激光的基本技术》PPT 课件
激光的基本技术: 激发您对激光技术的兴趣！本课件将深入探讨激光的定义、 产生、性质、应用、安全以及未来发展。
1. 激光的定义
• 激光的发明和应用历程 • 激光的定义和特点 • 激光与其他光源的区别
2. 激光的产生
• 激光的基本原理 • 激光器的构成和工作原理 • 激光的发射和调制
3. 激光的性质
• 激光的单色性和相干性 • 激光的方向性和聚束性 • 激光的功率和能量密度
4. 激光的应用
• 激光在制造业中的应用 • 激光在医疗领域中的应用 • 激光在通信技术中的应用
5. 激光的安全
• 激光的辐射特性 • 激光的安全标准 • 激光使用时需注意的ຫໍສະໝຸດ 全事项6. 激光技术的未来
• 激光技术的发展前景 • 激光技术的未来趋势 • 激光技术的应用新领域
激光的基本技术: 激发您对激光技术的兴趣！本课件将深入探讨激光的定义、 产生、性质、应用、安全以及未来发展。
1. 激光的定义
• 激光的发明和应用历程 • 激光的定义和特点 • 激光与其他光源的区别
2. 激光的产生
• 激光的基本原理 • 激光器的构成和工作原理 • 激光的发射和调制
3. 激光的性质
• 激光的单色性和相干性 • 激光的方向性和聚束性 • 激光的功率和能量密度
4. 激光的应用
• 激光在制造业中的应用 • 激光在医疗领域中的应用 • 激光在通信技术中的应用
5. 激光的安全
• 激光的辐射特性 • 激光的安全标准 • 激光使用时需注意的ຫໍສະໝຸດ 全事项6. 激光技术的未来
• 激光技术的发展前景 • 激光技术的未来趋势 • 激光技术的应用新领域
激光技术ppt课件
超快激光技术面临的挑战主要包括如何提高激光器的重复 频率和稳定性，如何降低制造成本和提高生产效率，以及 如何解决超快激光对材料和环境的影响等问题。
光子晶体与光子集成电路
光子晶体是指具有光子带隙的人工微结构材料，能够控制光子在特定频率范围内 的传播。光子集成电路则是指将光子器件集成在一块芯片上，实现光子器件之间 的相互作用和光子信号的处理。
光动力治疗
利用特定波长的激光激活 光敏剂，产生光化学反应 ，杀伤病变细胞，常用于 治疗肿瘤等疾病。
激光美容
利用激光的能量对皮肤进 行美白、祛斑、除皱等治 疗，具有无创、无痛、无 副作用等优点。
激光雷达
激光雷达测距
利用激光对目标进行测距，具有精度 高、响应速度快等优点，常用于地形 测绘、无人驾驶等领域。
光器。
激光器的性能参数
输出功率
表示激光器的输出能量，单位 为瓦特。
光束质量
表示激光束的发散角、光束直 径和光束质量因子等参数。
波长与光谱宽度
表示激光的频率范围和光谱宽 度。
稳定性与可靠性
表示激光器的稳定性和可靠性 ，包括温度稳定性、寿命和故
障率等参数。
03 激光技术的基本特性
激光的相干性
相干性定义
相干性描述了光波之间的相互影响和关联程度。在激光中，相干性 是指光波在时间和空间上的有序性和规则性。
相干性的重要性
相干性决定了激光的干涉和衍射现象，是实现激光高精度、高效率 加工的关键因素。
相干性的应用
利用激光的相干性，可以实现干涉测量、光学通信、全息成像等技 术。
激光的偏振性
偏振性的定义
偏振性是指光波的电矢量或磁矢 量在传播方向上的振动特性。在 激光中，偏振态是指光波电矢量
光子晶体与光子集成电路
光子晶体是指具有光子带隙的人工微结构材料，能够控制光子在特定频率范围内 的传播。光子集成电路则是指将光子器件集成在一块芯片上，实现光子器件之间 的相互作用和光子信号的处理。
光动力治疗
利用特定波长的激光激活 光敏剂，产生光化学反应 ，杀伤病变细胞，常用于 治疗肿瘤等疾病。
激光美容
利用激光的能量对皮肤进 行美白、祛斑、除皱等治 疗，具有无创、无痛、无 副作用等优点。
激光雷达
激光雷达测距
利用激光对目标进行测距，具有精度 高、响应速度快等优点，常用于地形 测绘、无人驾驶等领域。
光器。
激光器的性能参数
输出功率
表示激光器的输出能量，单位 为瓦特。
光束质量
表示激光束的发散角、光束直 径和光束质量因子等参数。
波长与光谱宽度
表示激光的频率范围和光谱宽 度。
稳定性与可靠性
表示激光器的稳定性和可靠性 ，包括温度稳定性、寿命和故
障率等参数。
03 激光技术的基本特性
激光的相干性
相干性定义
相干性描述了光波之间的相互影响和关联程度。在激光中，相干性 是指光波在时间和空间上的有序性和规则性。
相干性的重要性
相干性决定了激光的干涉和衍射现象，是实现激光高精度、高效率 加工的关键因素。
相干性的应用
利用激光的相干性，可以实现干涉测量、光学通信、全息成像等技 术。
激光的偏振性
偏振性的定义
偏振性是指光波的电矢量或磁矢 量在传播方向上的振动特性。在 激光中，偏振态是指光波电矢量
激光原理与技术完整ppt课件
1.1.1所示)。每一模式在三个坐标铀方向与相邻模的间隔为
Δkx=л/Δx，Δky=л/Δy，Δkz=л/Δy 因此，每个模式在波矢空间占有一个体积元
(1.1.6)
ΔkxΔkyΔkz =л3 /（ΔxΔyΔz）=л3 /V
(1.1. 7)
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10
在k空间内，波矢绝对值处于|k|～|k|+d|k|区间的体积为(1／8)4л|k|2 d|k|，
可见，一个光波模在相空间也占有一个相格.因此，一个光波模等效于一个光子态。
一个光波模或一个光子态在坐标空间都占有由式(1.1.11)表示的空间体积。
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12
三、光子的相干性
为了把光子态和光子的相干性两个概念联系起来，下面对光源的相干性进行讨论。
在一般情况下，光的相干性理解为：在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某
4.4 典型激光器的速率方程
3.5 空心介质波导光谐振腔的反馈耦合损耗 4.5 均匀加宽工作物质的增益系数
4.6 非均匀加宽工作物质的增益系数
4.7 综合均匀加宽工作物质的增益系数
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3
第五章 激光振荡特性
5.1 激光器的振荡阈值 5.2 激光器的振荡模式 5.3 输出功率和能量 5.4 弛豫振荡 5.5 单模激光器的线宽极限 5.6 激光器的频率牵引
ε=hv
（1.1.1）
式中 h＝6.626×10-34J．s，称为普朗克常数。
（2）光子具有运动质量m，并可表示为
（1.1.2）
光子的静止质量为零。
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7
（3）光子的动量P与单色平面光波的波矢k对应
（1
式中
n。为光子运动方向(平面光波传播方向)上的单位矢量。 4．光于具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。 5．光于具有自旋，并且自旋量子数为整数。因此大量光于的集合， 服从玻色—爱因斯坦统计规律。处于同一状态的光子数目是没有限制的， 这是光子与其它服从费米统计分布的 粒子(电子、质子、中子等)的重要区别。 上述基本关系式(1.1.1)相(1.1.3)后来为康普顿(Arthur Compton)散射实验所证实 (1923年)，并在现代量子电动力学中得到理论解释。量子电动力学从理论上把光的电磁 (波动)理论和光子(微粒)理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来，从而在理论上 阐明了光的波粒二象性。在这种描述中，
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激光的基本原理 激光器 激光的特性及其应用
一、激光的基本原理
激光是 “受激辐射光的放大” 的简称，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写为LASER
1、光与物质的相互作用
自发辐射过程 受激吸收过程 受激辐射过程
当光和原子相互作用时，必然同时存在着 自发辐射、受激吸收和受激辐射三种过程， 表征三种过程的三个系数A21 、 B12 和B21之间 存在联系，可以证明
B12=B21=B
A21 B21
8hυ3
C3
2、粒子数反转分布
Ni CeEi / kT N1 E1 N2 E2
N1 / N2 e(E1E2 )/ kT
W21
dN 21 N 2dt
W12是单位时间内，在单色辐射能量密度ρ (v) 的入射光作用下，由于受激辐射跃迁到能级E1的 原子数密度在E2能级总原子数密度中所占比例， 也就是在E2能级上每个原子在单位时间内发生受 激辐射的概率，所以 W12 称为受激辐射概率
（i）受激辐射跃迁概率W12与自发辐射跃迁概率A21 的关系。
自发辐射概率 A21 对每一个能级系统是一常数，而 对于受激吸收，只有受激吸收系数 B21 对每一个 能级系统为常数，而受激吸收跃迁概率W12与入射 光强有关，不是常数
（3） 受激辐射
恰出好与原满外子足 来中光h处子于一E高样2 能特E级征1 )E的的2光诱的子发电,下子这向,会叫低在受能外激级来辐光E射1子跃. (迁其,频并率发
有些物质具有亚稳态，它不如基态稳 定，但比较激发态要稳定得多，如红宝 石中络离子、氦原子、氩原子、二氧化 碳等粒子中都存在亚稳态，具有亚稳态 的工作物质，就能实现粒子数反转。
三能级系统和四能级系统的工作物质
。激发态
E3
. 亚稳态
E2
. E1
。 基态
红宝石中铬离子能级示意图
当红宝石受到强光照射 时，铬离子被激励，使 处于基态的大量铬离子 吸收光能而跃迁到激发 态 E3上，被激发的铬离 子在E3能级上的平均寿 命很短，约为 5108 s ， 所以很快转移到 E2能级 上， 此能级寿命较长 （10-3秒），因而不立 即以自发辐射的方式返 回基态
（2） 受激吸收
原子吸收外来光子能量 h , 并从低能级 E1 跃迁 到高能级 E2 , 且 E2 E1 h , 这个过程称为光吸收.
E2
h
. E1
. E2
E1 。
吸收前
吸收后
设频率为 的外来光子的单色辐射能量为() ，低
能级E1上的原子数密度为N1，则单位时间内由于
吸收外来光子从E1跃迁到高能级E2上的原子数密
N 2 N 20 e A21t
N20为t=0时的N2值
t 1
A21
E2能级上的原子数减少到原来的1/e， 称
为原子在E2上的平均寿命，或简称为能级 的寿命
如果在能级En以下存在着不止一个较低的能级， 则能级平均寿命的更一般的表达式为
1
Ank
kn
各个原子的各个能级的平均寿命与原子 结构有关。一般来说，原子激发态的平均寿 命的数量级为10-8秒，有一种特殊的激发态， 原子在此激发态上的寿命特别长，可以达到 10-4~1秒——亚稳态
（1） 自发辐射
原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发
态的高能级E2 自动跃迁到低能级 E1, 这种跃迁称为自
发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.
E2 E1
h
E2 .
E1
发光前
。
E2
h
E1 .
发光后
自发辐射过程的概率只与初态E2上的原子数
密度N2有关，单位时间内，因自发辐射跃迁
3、光学谐振腔与阈值条件
激活介质本身不是一台激光器，在激活介质内部 受激辐射与自发辐射是同时存在的，且后者占主 导地位。即使在工作物质处于粒子数反转分布情 况下，所获得光的强度是很弱的，没有实用价值。
粒子数的正常分布
粒子数反转分布
产生激光最起码的条件造成粒子数反转分布 要实现粒子数反转，必须具备一定条件：
一是要具备必要的能源（如光源、电源等）， 把低能级上原子尽可能多的激发到高能级上 去，这个过程叫做“激励”、“激发”或者 叫“抽运”、“泵浦”；
二是必须选取能实现粒子数反转的工作物质， 这种物质具有合适的能级结构，即具有亚稳 态，这种物质称为激活介质。
而产生的光子数的密度为
A N dN21 dt
21 2
A21 自发辐射系数，物理意义：单位时间 内发生自发辐射的原子数密度在处于高能级
的原子数密度中所占有的比例，或者说是每
一个处于高能级的原子在单位时间内发生自 发辐射的概率。
dN 2 dN 21 A21N2d t
dN 2 N2
A21d t
度Байду номын сангаас
dN12 dt
B12 ()N1
W12 B12 ()
B12为受激吸收系数，如果令
W12
dN12 N1dt
W12 称为受激吸收的跃迁概率
W12 是在单色辐射能量密度为() 的光作用下， 在单位时间内产生受激吸收的原子数在E1能 级的原子数密度中所占的比例，也就是处在 E1能级的每一个原子在单位时间内发生受激 吸收的概率，W12称为受激吸收的跃迁概率。
已知 E2 E1
N1 N2 表明 , 处于低能级的电子数大于高能级的 电子数,这种分布叫做粒子数的正常分布 . N2 N1 叫
做粒子数反转分布.
E2 .. .. . N2 E2 ............. N2
E1 。。。E。。2。。。。。。E。1。N1
E1 。E。2 。。E。1 N1
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
. E2
E2
h
。
h h
E1
E1 .
发光前
发光后
受激辐射的光 放大示意图
如果处于能级E2上的原子数密度为N2，入射光单 色辐射能量密度为 ()，则在单位时间内受激辐射
的原子数密度为
dN 21 dt
B21()N 2
B21为受激辐射系数，令 W21 B21()
一个原子系统中有处于能级E2的原子时，就有自 发辐射，而这种自发辐射的光子对于原子就是外 来光子，会引起它的受激辐射的发生（也有受激 吸收发生）。占优势，证明，在热平衡体系中
W21 A21
1 e h / kT
-1
越小，T越大，受辐射跃迁的概率与自 发辐射跃迁概率比值越大。
（ii）自发辐射、受激吸收和受激辐射的关系
一、激光的基本原理
激光是 “受激辐射光的放大” 的简称，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写为LASER
1、光与物质的相互作用
自发辐射过程 受激吸收过程 受激辐射过程
当光和原子相互作用时，必然同时存在着 自发辐射、受激吸收和受激辐射三种过程， 表征三种过程的三个系数A21 、 B12 和B21之间 存在联系，可以证明
B12=B21=B
A21 B21
8hυ3
C3
2、粒子数反转分布
Ni CeEi / kT N1 E1 N2 E2
N1 / N2 e(E1E2 )/ kT
W21
dN 21 N 2dt
W12是单位时间内，在单色辐射能量密度ρ (v) 的入射光作用下，由于受激辐射跃迁到能级E1的 原子数密度在E2能级总原子数密度中所占比例， 也就是在E2能级上每个原子在单位时间内发生受 激辐射的概率，所以 W12 称为受激辐射概率
（i）受激辐射跃迁概率W12与自发辐射跃迁概率A21 的关系。
自发辐射概率 A21 对每一个能级系统是一常数，而 对于受激吸收，只有受激吸收系数 B21 对每一个 能级系统为常数，而受激吸收跃迁概率W12与入射 光强有关，不是常数
（3） 受激辐射
恰出好与原满外子足 来中光h处子于一E高样2 能特E级征1 )E的的2光诱的子发电,下子这向,会叫低在受能外激级来辐光E射1子跃. (迁其,频并率发
有些物质具有亚稳态，它不如基态稳 定，但比较激发态要稳定得多，如红宝 石中络离子、氦原子、氩原子、二氧化 碳等粒子中都存在亚稳态，具有亚稳态 的工作物质，就能实现粒子数反转。
三能级系统和四能级系统的工作物质
。激发态
E3
. 亚稳态
E2
. E1
。 基态
红宝石中铬离子能级示意图
当红宝石受到强光照射 时，铬离子被激励，使 处于基态的大量铬离子 吸收光能而跃迁到激发 态 E3上，被激发的铬离 子在E3能级上的平均寿 命很短，约为 5108 s ， 所以很快转移到 E2能级 上， 此能级寿命较长 （10-3秒），因而不立 即以自发辐射的方式返 回基态
（2） 受激吸收
原子吸收外来光子能量 h , 并从低能级 E1 跃迁 到高能级 E2 , 且 E2 E1 h , 这个过程称为光吸收.
E2
h
. E1
. E2
E1 。
吸收前
吸收后
设频率为 的外来光子的单色辐射能量为() ，低
能级E1上的原子数密度为N1，则单位时间内由于
吸收外来光子从E1跃迁到高能级E2上的原子数密
N 2 N 20 e A21t
N20为t=0时的N2值
t 1
A21
E2能级上的原子数减少到原来的1/e， 称
为原子在E2上的平均寿命，或简称为能级 的寿命
如果在能级En以下存在着不止一个较低的能级， 则能级平均寿命的更一般的表达式为
1
Ank
kn
各个原子的各个能级的平均寿命与原子 结构有关。一般来说，原子激发态的平均寿 命的数量级为10-8秒，有一种特殊的激发态， 原子在此激发态上的寿命特别长，可以达到 10-4~1秒——亚稳态
（1） 自发辐射
原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发
态的高能级E2 自动跃迁到低能级 E1, 这种跃迁称为自
发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.
E2 E1
h
E2 .
E1
发光前
。
E2
h
E1 .
发光后
自发辐射过程的概率只与初态E2上的原子数
密度N2有关，单位时间内，因自发辐射跃迁
3、光学谐振腔与阈值条件
激活介质本身不是一台激光器，在激活介质内部 受激辐射与自发辐射是同时存在的，且后者占主 导地位。即使在工作物质处于粒子数反转分布情 况下，所获得光的强度是很弱的，没有实用价值。
粒子数的正常分布
粒子数反转分布
产生激光最起码的条件造成粒子数反转分布 要实现粒子数反转，必须具备一定条件：
一是要具备必要的能源（如光源、电源等）， 把低能级上原子尽可能多的激发到高能级上 去，这个过程叫做“激励”、“激发”或者 叫“抽运”、“泵浦”；
二是必须选取能实现粒子数反转的工作物质， 这种物质具有合适的能级结构，即具有亚稳 态，这种物质称为激活介质。
而产生的光子数的密度为
A N dN21 dt
21 2
A21 自发辐射系数，物理意义：单位时间 内发生自发辐射的原子数密度在处于高能级
的原子数密度中所占有的比例，或者说是每
一个处于高能级的原子在单位时间内发生自 发辐射的概率。
dN 2 dN 21 A21N2d t
dN 2 N2
A21d t
度Байду номын сангаас
dN12 dt
B12 ()N1
W12 B12 ()
B12为受激吸收系数，如果令
W12
dN12 N1dt
W12 称为受激吸收的跃迁概率
W12 是在单色辐射能量密度为() 的光作用下， 在单位时间内产生受激吸收的原子数在E1能 级的原子数密度中所占的比例，也就是处在 E1能级的每一个原子在单位时间内发生受激 吸收的概率，W12称为受激吸收的跃迁概率。
已知 E2 E1
N1 N2 表明 , 处于低能级的电子数大于高能级的 电子数,这种分布叫做粒子数的正常分布 . N2 N1 叫
做粒子数反转分布.
E2 .. .. . N2 E2 ............. N2
E1 。。。E。。2。。。。。。E。1。N1
E1 。E。2 。。E。1 N1
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
. E2
E2
h
。
h h
E1
E1 .
发光前
发光后
受激辐射的光 放大示意图
如果处于能级E2上的原子数密度为N2，入射光单 色辐射能量密度为 ()，则在单位时间内受激辐射
的原子数密度为
dN 21 dt
B21()N 2
B21为受激辐射系数，令 W21 B21()
一个原子系统中有处于能级E2的原子时，就有自 发辐射，而这种自发辐射的光子对于原子就是外 来光子，会引起它的受激辐射的发生（也有受激 吸收发生）。占优势，证明，在热平衡体系中
W21 A21
1 e h / kT
-1
越小，T越大，受辐射跃迁的概率与自 发辐射跃迁概率比值越大。
（ii）自发辐射、受激吸收和受激辐射的关系