激光原理(1)
激光的工作原理
激光的工作原理激光技术是一种强大而广泛应用的技术，在医疗、通信、材料加工等领域发挥着重要作用。
要了解激光的工作原理，我们首先需要了解什么是激光以及激光的产生过程。
一、激光的定义激光是一种特殊波长和相干性的光束，它具有高度的单色性、方向性和纳秒至皮秒级的尖锐脉冲。
相比于其他光源，激光的光束更加集中和聚焦，能够实现对物质的高精度切割、组织的准确切除以及信息的高速传输。
二、激光的产生过程激光的产生过程主要包括激发、放大和波长选择三个基本步骤。
1. 激发（Excitation）在激光器中，通常需要一种能量来源来激发光的产生。
常用的激发方式包括电离、低温等离子体、光激发和注能激光。
通过这些激发方式，物质中的电子被激发到高能级，形成激发态。
2. 放大（Amplification）激光的放大是通过在放大介质中不断反复传播的光子来实现的，放大介质一般是具有特定光学性能的物质，如固体、气体或液体。
当光子在放大介质中传播时，与激发态的原子或分子发生相互作用，从而引起放大效应。
通过这种过程，光子逐渐增加，光束逐渐变强。
3. 波长选择（Wavelength Selection）波长选择是为了确保激光的单色性，即激光光束中仅包含特定波长的光子。
通常情况下，通过借助波长选择装置，如光栅、衍射镜或各种共振腔来实现对波长的选择，使得只有满足特定条件的光可在腔中平行地传播，其他波长的光则被过滤掉。
三、激光的工作原理了解了激光的产生过程，我们可以进一步了解激光的工作原理。
1. 稳定反转态（Population Inversion）在激光器中，放大介质中的原子或分子被激发到高能级，形成激发态。
当这些激发态的粒子数超过低能级的粒子数时，就形成了稳定反转态。
稳定反转态是激光工作的前提条件，只有具备稳定反转态，才能产生激光光束。
2. 光放大（Optical Amplification）在激光器中，当外界提供足够的能量，与激发态的原子或分子相互作用时，会引发光子的放大效应。
激光的原理及应用论文摘要
激光的原理及应用论文摘要引言激光（Laser）是一种具有高度聚焦性、单色性、相干性和高亮度的光束，在现代科学技术和各个领域都有广泛的应用。
本文将介绍激光的原理和一些常见的应用领域。
激光的原理激光发射的光束具有与自然光不同的特性。
激光的原理主要基于光的放大、光的反射和光的受激辐射。
1.光的放大：–原子或分子通过能量转移吸收外部能量；–外部能量传递给原子或分子的电子；–导致原子或分子中的电子从基态跃迁到激发态；–激发态的电子通过自发辐射跃迁返回基态，释放出辐射能量，即光；–大量原子或分子被激发产生的光共同放大，形成激光束。
2.光的反射：–光进入激光器中的反射腔；–反射腔内部设有两个镜子，其中一个镜子是半透明的；–光在两个镜子之间多次反射，形成多次通过激发原子或分子产生的光的放大。
3.光的受激辐射：–激发态的原子或分子与外来光发生碰撞；–外来光的能量激发原子或分子中的电子；–激发态的电子通过受激辐射跃迁返回基态，释放出辐射能量，与自发辐射相似；–受激辐射的光与其他原子或分子碰撞，继续产生更多的受激辐射，形成激光的扩散。
激光的应用领域医疗领域激光在医疗领域发挥了重要作用。
以下是一些医疗领域中激光的应用： - 激光手术：激光可用于切割、焊接和蒸发组织，用于各种手术，例如眼科手术、皮肤手术和神经手术等。
- 激光疗法：激光可用于治疗肿瘤、青春痘和红血丝等疾病。
-激光检测：激光可用于医学诊断，例如通过检测血液中的激光背散射来诊断糖尿病。
通信领域激光在通信领域中起到了连接世界的关键作用。
以下是一些通信领域中激光的应用： - 光纤通信：激光通过光纤进行传输，提供了高速的数据传输和稳定的信号传输。
- 激光雷达：激光雷达利用激光束传播和接收的时间差计算出距离和速度。
- 光空间通信：激光被用于地球之间的星际通信，通过激光束传输大量数据。
制造业激光在制造业中广泛应用，提高了生产效率和制造质量。
以下是一些制造业中激光的应用： - 激光切割：激光可用于切割金属、塑料和木材等材料，实现高精度和高速切割。
激光的原理和应用论文
激光的原理和应用论文概述激光（Laser）是一种特殊的光源，具有高单色性、高亮度、高方向性等特点，广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
本文将介绍激光的原理和应用。
一、激光的原理激光的原理基于激光介质中的受激辐射和增强反射。
以下是激光的原理的详细解释：1.受激辐射激光的产生依赖于受激辐射过程。
当激发能量施加到激光介质上时，介质中的一个激发原子释放出能量，引起其他原子被激发。
这个连锁反应会形成光子，产生一束相干光。
2.增强反射当光子在激光介质中来回传播时，它们会受到介质两端的衰减和失能。
为了保持光子的能量和相干性，需要在介质两端放置反射镜。
这种增强反射形成了光的反馈回路。
3.非线性光学效应除了受激辐射和增强反射，激光的原理还涉及到非线性光学效应。
这些效应包括倍频、自聚焦和自相位调制等，可以进一步改变激光的频率、强度和相位。
二、激光的应用由于其独特的特性，激光在多个领域有广泛的应用。
下面将列举一些主要的应用领域和案例：1.科学研究–激光在原子物理、核物理和粒子物理等研究中扮演着重要角色。
通过调控激光的频率和强度，科学家可以研究和操纵物质的微观结构。
–激光也广泛应用于光谱学研究中，例如拉曼光谱和荧光光谱等。
这些研究对于分析物质的成分和性质非常重要。
2.医疗–激光在医疗领域有多种应用，例如激光手术和激光疗法。
激光手术可以用于切割组织、凝固血管和焊接皮肤等。
激光疗法可以用于治疗癌症和其他疾病。
3.通信–激光在光纤通信中起着至关重要的作用。
激光束可以通过光纤传输大量数据，实现高速和远程的通信。
激光还可以用于光纤传感技术，监测和测量环境中的参数。
4.制造业–激光在制造业中被广泛应用于切割、焊接和打标等工艺。
激光切割能够实现高精度和高速度的切割过程。
激光焊接可以用于精细和复杂的零部件连接。
5.娱乐–激光在娱乐行业中有多种应用，例如激光演出和激光展示。
激光灯光效果可以创造出炫目的光影效果，给观众带来视觉盛宴。
以上只是激光应用的一部分例子，随着科技的不断进步和应用的扩大，激光将在更多领域发挥重要作用。
激光原理第一章
其中 m, n, q = 0, 1, 2, · · · 分别代表沿三边所含的半波数目。这时波矢 ⃗ k 所满足应满足 kx = m π , ∆x ky = n π , ∆y kz = q π ∆z
每一组 m, n, q 对应腔内的一种模式（包含两个偏振） 。 在由 kx , ky , kz 所张开的波矢空间中，每个模式对应一个点，所有模式点呈周期性排列。每一模式沿 kx , ky , kz 三个方向与相邻模式的间隔分别为 ∆kx = π , ∆x ∆ky = π , ∆y ∆kz = π ∆z
证明： k 区间的模式数。 k ∼ ⃗ k +d⃗ • 首先考虑，波矢大小处于 ⃗ 在波矢空间中，波矢大小处于 ⃗ k ∼ ⃗ k +d⃗ k 区间的体积为 4π ⃗ k d⃗ k 对于驻波模来说所有模式点只位于 kx ky kz 直角坐标系的第一个 1/8 相限，再考虑到一个空间模 式包含 2 个偏振模。因此，波矢大小位于 ⃗ k ∼ ⃗ k +d⃗ k 区间的模式数为 ⃗ ⃗ 1 4π k d k 2× π3 8 V • 然后再考虑，频率位于 ν ∼ ν + dν 区间内的模式数。 2π 2π 2π 2π 由于 ⃗ ν ，因此频率范围 ν ∼ ν + dν 对应波矢大小位于区间 ν∼ ν+ dν ，该区 k = c c c c 间在波矢空间所对应的体积为 4π 2 2π 4π 2 ν 2 dν c c 因此，其中的模式数为 2× 1 4π 8 4π 2 2 2π ν dν 8πν 2 c2 c = V dν π3 c3 V
于是工作物质的增益系数为 g = α + ln (2.72)/l = 0.2 cm−1 。
第一章
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激光 原理
激光原理激光原理激光是一种具有高度单色性、高亮度和直线传播特性的电磁波。
它的产生是通过激发原子或分子中的电子，使其跃迁到高能级，然后从高能级回到低能级时放出光子。
这些光子具有相同的频率、相同的相位和相同的方向，形成了一束高度集中、方向性强的光束。
1. 激发原理激发原理是指将物质中的电子从低能级激发到高能级，使其处于激发态。
当电子从高能级回到低能级时，会放出一个光子。
这个过程称为自发辐射。
2. 反转粒子数密度反转粒子数密度是指在一个物质中，处于激发态的粒子数比处于基态的粒子数多。
只有在反转粒子数密度大于临界值时才能产生激光。
3. 共振腔共振腔是指由两个反射镜组成的空间，在其中放置了具有反转粒子数密度大于临界值的物质。
当一个光学泵浦器向物质注入能量时，会激发物质中的电子，使其处于激发态。
当这些电子从高能级回到低能级时，会放出光子，这些光子被反射镜反射回共振腔内部。
4. 激光输出当光子在共振腔内来回多次反射时，它们会与处于激发态的粒子相互作用，促使更多的粒子从高能级回到低能级。
这个过程称为受激辐射。
随着时间的推移，越来越多的粒子从高能级回到低能级，放出越来越多的光子。
最终，在一个反射镜上形成了一束高度集中、方向性强的光束。
5. 激光特性激光具有单色性、方向性和相干性等特性。
单色性是指激光只有一种频率；方向性是指激光具有非常好的直线传播特性；相干性是指激光具有非常好的波前相干性和时间相干性。
6. 应用领域激光广泛应用于科学研究、医疗、通信、制造业等领域。
例如，激光可以用于制造高精度的零件、切割材料、焊接金属等。
同时，激光还可以用于医疗领域，例如激光手术、激光治疗癌症等。
此外，激光还被广泛应用于通信领域，例如激光通信和光纤通信等。
总结通过对激发原理、反转粒子数密度、共振腔和激光输出等方面的介绍，可以了解到激光的产生和特性。
同时，我们也能够了解到激光在科学研究、医疗、通信和制造业等领域中的广泛应用。
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
激光的工作原理及应用
激光的工作原理及应用1. 激光的工作原理激光（laser）是一种特殊的光源，具有高亮度、自聚焦、单色性和相干性等特点，广泛应用于科学研究、医学、通信、制造业等领域。
激光的产生基于激发粒子之间的能级跃迁，通过受激辐射放大产生高度单色和相干的光束。
以下是激光的工作原理的详细说明：1.1 光激发：激光的产生需要一个能给光子提供能量的光激发源，包括电子束激发、光束激发和化学激发等。
其中，电子束激发是目前应用最广泛的激发方式。
1.2 能级跃迁：光激发后，光子与外层电子发生碰撞，使电子跃迁到能级较高的状态。
此时，只有两个能级之间的跃迁才能产生激光。
1.3 受激辐射：当一个已激发的电子回到较低的能级时，会释放出一个与入射光子相同频率和相位的光子，这就是受激辐射。
受激辐射产生的光子与入射光子具有相同频率、相同方向和相干性。
同时，较低能级的粒子会受到激发自发辐射的影响，维持产生的光子数目。
1.4 驻波放大：光子经过反射镜的反射，形成来回传播的光束，与受激辐射的光子相叠加后得到放大。
这种来回传播且同时放大的光束就是激光。
2. 激光的应用激光由于其高度单色性、高亮度和自聚焦等特点，在许多领域有着广泛的应用。
以下是激光的主要应用领域：2.1 科学研究•光谱学研究：激光可用于分析物质的成分，用于化学、物理、生物学等领域的研究。
•材料科学：激光可以用于材料加工、表面改性和光学薄膜制备等方面的研究。
•原子与分子物理：激光可用于原子和分子的精细操控和精确测量。
2.2 医学应用•激光手术：激光刀可以实现非接触性的手术操作，减少创伤和出血。
•激光治疗：激光可以用于皮肤治疗、眼部治疗和牙科治疗等。
•医学影像：激光可以用于医学成像，如激光超声成像和激光扫描成像等。
2.3 通信与信息技术•光纤通信：激光作为光源广泛应用于光纤通信中，实现高速和远距离的信息传输。
•激光打印：激光技术广泛应用于打印行业，提供高分辨率和高速度的打印效果。
•光盘存储：激光可以读取和写入光盘上的信息，广泛应用于光盘存储技术。
激光发生的工作原理
激光发生的工作原理
激光的工作原理是通过受激辐射过程产生的一种高度聚焦、单色、相干光束。
其主要包含以下几个步骤：
1. 激发：将激光介质（如固体、液体或气体）中的原子或分子激发到一个较高的能级，使其电子处于激发态。
2. 反转粒子分布：通过注入能量，使激发态粒子的数目多于基态粒子，实现粒子数密度反转。
3. 反射：在激光介质两端分别安装一个反射镜，形成光学共振腔。
一端为半透镜，允许一部分光通过，另一端为完全反射镜。
4. 反馈：当一小部分激发态粒子发射光子，其中一部分可以由半透镜透射出来，一部分经完全反射镜反射回来，形成光的反馈。
5. 受激辐射：反馈的光子通过与其他激发态粒子碰撞交互作用，使更多的粒子从激发态跃迁到基态并发射出相同频率、相同相位的光子，引发受激辐射过程。
6. 放大：通过多次反射、受激辐射过程，激光光束逐渐被放大，形成幅度相干、相位相干的激光。
7. 输出：当激光光束达到一定能量后，部分光通过半透镜从腔外透出，形成激光输出。
整个工作过程可以持续进行，得到连续激光输出。
这就是激光发生的基本工作原理。
不同的激光器种类和结构有所差异，但以上步骤是激光工作的基本过程。
激光原理简答1
答：共焦球面扫描干涉仪是一个无源谐振腔。
由两块球形凹面反射镜构成共焦腔,既两块镜的曲率半径和腔长相等，R1=R2=L。
反射镜度有高反射膜。
两块镜中的一块是固定不变的，另一块固定在可随外加电压而变得电压陶瓷环上。
改变腔长L或改变腔内折射率n，就可以使不同波长的光以最大的透射率透射，实现光谱扫描。
从而使各个激光模式依次通过干涉仪，由光电接收器转换成电信号，并连接到示波器观察。
从而荧光屏上即显示出透过干涉仪的激光模式。
2.简述电光调Q技术的原理，框图及调节Q开关注意问题。
答：调Q原理：通过某种方法使谐振损耗按照规定的程序变化，在泵浦激励刚开始时，先使光腔具有高损耗，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较高的水平。
然后在适当的时刻，使腔的损耗突然降低，阈值也随之突然降低，此时反转集居数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强。
在极短时间内，上能级储存的大部分粒子的能量转变为激光能量，在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。
电光调Q：利用晶体的普克尔效应来实现损耗突变。
注意问题：激光器输出的光能量高、功率密度大，应避免直射到眼睛。
避免用手接触激光器的输出镜，晶体的镀膜面，膜片应防潮，不用的晶体，输出腔片用镜头纸包好，放在干燥器里。
3.简述非均匀加宽工作物质增益饱和的“烧孔效应”及特性。
答：入射光强与饱和光强可比拟时，入射光强增加，增益系数减少。
这就是非均匀加宽情况下的增益饱和现象。
增益曲线的烧孔效应：在非均匀增宽型介质中，频率为、强度为I 的光波只在附近宽度约为的范围内有增益饱和作用。
增益系数在处下降的现象称为增益系数的“烧孔”效应。
空间烧孔效应：当频率为v的纵模在谐振腔内产生稳定振荡时，腔内就会形成驻波场，波腹处的光强最大，波节处的光强最小。
频率为v的模在腔内的平均增益系数为g，但轴向上各点的反转集居数密度和增益系数不同，波腹处增益系数最小，波节处增益系数最大，这一现象为增益的空间烧孔效应。
(完整版)激光原理第一章答案
第一章 激光的基本原理1. 为使He-Ne 激光器的相干长度达到1km ,它的单色性0/λλ∆应是多少? 提示: He-Ne 激光器输出中心波长632.8o nm λ= 解: 根据c λν=得 2cd d d d ννλνλλλ=-⇒=-则 ooνλνλ∆∆=再有 c c cL c τν==∆得106.32810o o o c o c c L L λλνλνν-∆∆====⨯ 2. 如果激光器和微波激射器分别在=10μm λ、=500nm λ和=3000MHz ν输出1W 连续功率，问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？解：设输出功率为P ，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则：由此可得：其中346.62610J s h -=⨯⋅为普朗克常数，8310m/s c =⨯为真空中光速。
所以，将已知数据代入可得：=10μm λ时： 19-1=510s n ⨯=500nm λ时：18-1=2.510s n ⨯ =3000MHz ν时：23-1=510s n ⨯3．设一对激光能级为2E 和1E (21f f =)，相应的频率为ν(波长为λ)，能级上的粒子数密度分别为2n 和1n ，求(a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时，21/?n n = (b) 当λ=1μm ，T=300K 时，21/?n n = (c) 当λ=1μm ，21/0.1n n =时，温度T=？解：当物质处于热平衡状态时，各能级上的粒子数服从玻尔兹曼统计分布,则(a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时：(b) 当λ=1μm ，T=300K 时：cP nh nh νλ==PP n h hcλν==2211()exp exp exp b b b n E E h hc n k T k T k T νλ⎡⎤⎛⎫⎛⎫-=-=-=- ⎪ ⎪⎢⎥⎣⎦⎝⎭⎝⎭3492231 6.62610310exp 11.3810300n n --⎛⎫⨯⨯⨯=-≈ ⎪⨯⨯⎝⎭34822361 6.62610310exp 01.381010300n n ---⎛⎫⨯⨯⨯=-≈ ⎪⨯⨯⨯⎝⎭(c) 当λ=1μm ，21/0.1n n =时：4. 在红宝石调Q 激光器中，有可能将几乎全部3+r C 离子激发到激光上能级并产生激光巨脉冲。
激光原理(1-2)
激光原理 . 第一章
集居数反转： 集居数反转：
E
2
> E1, n
2
>
f2 n1. f1
f2 n1 f 1 ）─集居数反转
外界泵浦 受激吸收( 受激吸收
n2 f < 2 n1 f1
) ————受激辐射（ 受激辐射（ 受激辐射
n2 >
（热平衡态） 热平衡态）
（非热平衡态） 非热平衡态）
光放大条件： 光放大条件：
激光原理 . 第一章
激光线宽越小，相干时间越长，反之亦然。 激光线宽越小，相干时间越长，反之亦然。 （3）激光的高亮度（强相干光） 激光的高亮度（强相干光） 光源亮度定义： 光源亮度定义： B =
(P)1 S
意义：单位面积、单位立体角内发射光功率。 意义：单位面积、单位立体角内发射光功率。
光源单色亮度定义： 光源单色亮度定义：
dz
（2）增益系数： 增益系数：
g=
dI ( z ) 1 dz I ( z )
受激吸收与受激辐射之和： 受激吸收与受激辐射之和：
激光原理 . 第一章
dn21 dn dI(z) ∝ ( 12 )st hνdz dt dt = (W21n2 W n1)hνdz 12 = B21hνρ(ν )(n2 n1)dz
,
亦即： 亦即：
Im = (g
0
α)
α
Is
.
结论： 结论：
无关； （1） I m 与激光器本身参数 g 0 , α ，与 I 0 无关； （2）只要激光器足够长，就能形成自激振荡。 只要激光器足够长，就能形成自激振荡。
Im = (g 0 α ) Is ≥ 0,
2．振荡条件
α
激光 原理课后习题答案
激光原理复习题第一章电磁波1、麦克斯韦方程中麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的内在矛盾和运动；不仅电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的电场和磁场也可以相互激发。
在方程组中是如何表示这一结果？答：每个方程的意义：1）第一个方程为法拉第电磁感应定律，揭示了变化的磁场能产生电场。
2）第二个方程则为Maxwell的位移电流假设。
这组方程描述了电荷和电流激发电磁场、以及变化的电场与变化的磁场互相激发转化的普遍规律。
第二个方程是全电流安培环路定理，描述了变化的电场激发磁场的规律，表示传导电流和位移电流（即变化的电场）都可以产生磁场。
第二个方程意味着磁场只能是由一对磁偶极子激发，不能存在单独的磁荷（至少目前没有发现单极磁荷）3）第三个方程静电场的高斯定理：描述了电荷可以产生电场的性质。
在一般情况下，电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献。
4）第四个方程是稳恒磁场的高斯定理，也称为磁通连续原理。
2、产生电磁波的典型实验是哪个？基于的基本原理是什么？答：赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理设计的电磁波发生器实验。
（赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上。
当感应线圈的电流突然中断时，其感应高电压使电火花隙之间产生火花。
瞬间后，电荷便经由电火花隙在锌板间振荡，频率高达数百万周。
有麦克斯韦理论，此火花应产生电磁波，于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波。
他将一小段导线弯成圆形，线的两端点间留有小电火花隙。
因电磁波应在此小线圈上产生感应电压，而使电火花隙产生火花。
所以他坐在一暗室内，检波器距振荡器10米远，结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生。
赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌板，入射波与反射波重叠应产生驻波，他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实。
赫兹先求出振荡器的频率，又以检波器量得驻波的波长，二者乘积即电磁波的传播速度。
全飞秒激光原理(一)
全飞秒激光原理(一)全飞秒激光原理•什么是全飞秒激光？•全飞秒激光的原理是什么？•全飞秒激光有哪些应用？什么是全飞秒激光？全飞秒激光是一种超快速的激光技术，它的脉冲宽度在飞秒（1fs=10^-15s）量级以上。
全飞秒激光技术将极短脉冲激光应用于材料加工、医疗、通信等领域，为这些领域的发展提供了技术支持。
全飞秒激光的原理是什么？全飞秒激光的原理是基于外差相干技术，也就是将两个不同频率的激光束叠加，产生新的光波。
利用这种原理，可以在不回声的情况下产生非线性效应，将材料直接氧化或照射导电性材料。
全飞秒激光通过将光频强度集中在一个脉冲内，可以实现非线性效应并进一步改变材料的特性。
这种非线性效应包括多光子吸收、径向电流传输、中心电子等离子体形成等。
因此，全飞秒激光技术可以实现高精度、高速度的材料加工。
全飞秒激光有哪些应用？全飞秒激光技术广泛应用于材料加工、医疗、通信等领域。
其中，最常见的应用是材料加工，如激光微加工、激光切割等。
同时，全飞秒激光还可应用于联综成像、分子精细控制等实验研究中。
此外，全飞秒激光技术也在医学领域得到了广泛应用。
利用全飞秒激光可以精确控制组织，使其被摧毁的同时，周围组织不受损伤。
因此，全飞秒激光可用于手术切除、癌症治疗等领域。
在通信领域，全飞秒激光技术可用于高速数据传输，其速度可达每秒200 Tbit/s以上。
总之，全飞秒激光技术以其高精度、高速度的特点，成为了材料加工、医疗、通信等领域的重要技术手段。
•全飞秒激光技术的优势是什么？•全飞秒激光技术的局限性是什么？全飞秒激光技术的优势是什么？全飞秒激光技术具有以下的优势：1.高精度：全飞秒激光技术能够实现微米级别的加工精度。
2.高速度：全飞秒激光技术能够实现每秒数百倍的加工速度。
3.非热效应：全飞秒激光技术将能量仅有地聚焦在特定区域内，避免了热效应导致的不良影响。
4.高度可控：全飞秒激光技术能够实现对光能量、频率、相位等多参数的控制，以满足不同材料和应用场景的需求。
激光原理(第1章)
tc ＝ Dt ＝ 1/Dv
上式说明，光源单色性越好，则相干时间越长。
物理光学中曾经证明：在图1.1.4中，由线度为Dx的光源A照明的
S1和S2两点的光波场具有明显空间相干性的条件为 DxLx/R ≤ (1.1.18) (1.1.19) (1.1.20)
式中 为光源波长。距离光源R处的相干面积 Ac 可表示为
上 述 基 本 关 系 式 (1.1.1) 和 (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，任意电 磁场可看作是一系列单色平面电磁波(它们以波矢k为标志)的线 性叠加，或一系列电磁波的本征模式(或本征状态)的叠加。但 每个本征模式所具有的能量是量子化的，即可表为基元能量hv 的整数倍。本征模式的动量也可表为基元动量 hkl 的整数倍。 这种具有基元能量hvl和基元动量hkl的物质单元就称为属于第 l 个本征模式(或状态)的光子。具有相同能量和动量的光子彼此 间不可区分，因而处于同一模式(或状态)。每个模式内的光子 数目是没有限制的。
空间称为相空间，相空间内的一点表示质点的一个运动状态。
当宏观质点沿某一方向(例如：x轴)运动时，它的状态变化对应 于二维相空间(x, Px)的一条连续曲线，如图1.1.2 所示。但是，
光子的运动状态和经典宏观质点有着本质的区别，它受量子力
学测不准关系的制约。
测不准关系表明：微观粒子的坐标和动量不能同时准确测定，
hv
式中 h＝6.626×10-34Js，称为普朗克常数。
制作激光的原理与方法
制作激光的原理与方法激光（Laser）全称为“光线激发放大辐射发射”，是一种通过光线的激励产生辐射发射的装置。
它具有高亮度、单色性、尖锐的空间相干性和强大的定向性等特点，被广泛应用于医学、通信、制造业等领域。
本文将详细介绍激光的原理与制作方法。
1. 激光的原理激光产生的原理主要基于物质的激发、光的放大和正反馈反射。
常用的激光产生原理有四种：受激辐射原理、半导体激光原理、固体激光原理和气体激光原理。
1.1 受激辐射原理受激辐射原理是激发原子或分子进入激发态，当它们通过非辐射的过程从激发态回到基态时，会放出射频或微波辐射。
这些辐射作为外界的刺激，可以激发周围的原子或分子进入同样的激发态，从而形成辐射能量的放大。
最后，这些激发态的原子或分子回到基态，释放出一束聚焦的射线，即激光束。
1.2 半导体激光原理半导体激光器是利用半导体材料中的正负载流子复合产生辐射发射的装置。
当半导体中注入载流子（电子和空穴）时，这些载流子会在材料中扩散。
当电子和空穴相遇并结合在一起时，会释放出能量，形成光子。
这些光子在半导体中得到放大，并通过光波导器材料集中成激光束。
1.3 固体激光原理固体激光器使用某种固体物质（如晶体或玻璃）作为激活材料。
该材料通常被旁边的辅助装置激发，例如闪光灯或强光泵浦激光器。
在激发的过程中，固体材料的原子或分子进入激发态，并通过辐射跃迁释放放大后的能量。
这种放大作用通过反射、增强和聚焦反射产生并形成激光束。
1.4 气体激光原理气体激光器使用气体介质作为激发材料，通常使用气体混合物，如二氧化碳、氦氖、氩气等。
在激活气体时，电子首先被激发进入不稳定的能级，然后通过非辐射的碰撞和辐射跃迁（受激辐射）回到基态。
这一过程产生了激光放射，形成激光束。
2. 激光的制作方法根据不同的激光原理，制作激光器的方法也各不相同。
以下是几种常用的激光器制作方法。
2.1 半导体激光器制作方法半导体激光器的制作包括材料选取、晶体生长、薄片切割、电极制备、激光腔装配等步骤。
激光原理及应用复习资料(1)
尖峰：激光器开启时所发生的不连续的、尖锐的、大振幅脉冲。 （激光尖峰与弛豫振荡具体内容见书） 24.兰姆下陷：当激光器振荡模的频率被调谐至介质跃迁中心频率 0 时，输出功 率呈现出某种程度的降低。下陷宽度（介质中均匀加宽的线宽）。 25.均匀加宽激光器的模竞争：当数个模同时起振时必然存在诸模竞争反转原子
（3.添加）激光器的分类（记两三个例子）：
①按工作物质的物态分类：气体激光器：氦氖激光器，co2 激光器，氩离子激
光器等。
②固体激光器：红宝石激光器，钇铝石榴石激光器，硅酸盐等。
③半导体激光器：砷化镓，硫化镉。
④液体激光器：。。化学激光器：。。自由电子激光器：。。X 射线激光器。。光纤激
光器。
第二章：激光的物理学基础
q q 1 -q C （详见书）。 2nL
29.横模图形及线偏振腔模结构见书 30.解释①横模：腔内电磁场在垂直于其传播方向的横向 X-Y 面内也存在稳定的 场分布，称为横模。 解释②横模：在腔镜面上经过一次往返传播后能“自再现”的稳定光场分布称 为自再现模或横模。 ③横模特点：光能集中在光斑中心部分，而边缘部分光强甚小。
则处于低能级 E1 上的院子由于吸收这个能量为 h 21 的光子而受到激发跃迁到高
能级 E2 上去，此物理过程称为光的受激吸收。
激光工作原理
激光工作原理激光（Laser）是指通过受激辐射放大的光，具有高度的单色性、相干性和方向性。
激光在日常生活中得到广泛应用，如激光打印机、激光切割机、激光器等。
那么，激光是如何工作的呢？下面就为大家详细介绍激光的工作原理。
一、激光的产生激光的产生过程主要包括受激辐射、受激吸收、光学放大等。
首先，激光器内有一个光学腔，其中夹杂着能激发原子或分子的激发源，例如电流、光、放电等。
当激发源刺激物质时，会使得物质中的原子或分子跃迁至高能级。
而当一个高能级的原子或分子与低能级的原子或分子碰撞时，就会导致之前低能级的原子或分子跃迁至高能级，并释放出一束能量相同、相干性很强的光子。
这个现象就是受激辐射，而产生的光子就是激光。
二、激光放大激光在产生后通常光线很弱，需要经过光学放大来获得足够强的能量。
光学放大通常通过构建激光器来实现，激光器中的光学腔被包围在两片反射镜之间。
其中，一个镜子是半透明的，能够让一部分光通过，而另一个镜子是全反射的。
这样，当激光通过半透明镜传播回到激发源后，又会激发更多的原子或分子跃迁至高能级，并产生更多的受激辐射。
这个过程会不断放大激光的能量，直到光强达到一定水平。
而产生的激光光束，经过全反射镜后就能纵向传播出来，形成一束强大的激光。
三、激光的特性激光具有许多独特的特性，这也是它在众多领域得到广泛应用的重要原因。
首先，激光光束具有高度的单色性，即它只包含一个特定波长的光子。
这种单色性使得激光在光谱分析、通信传输等领域具有重要应用。
其次，激光具有高度的相干性，不同光子之间的相位关系非常稳定。
这种相干性使得激光能够形成细而锐利的光束，能够进行精确的测量和切割。
此外，激光具有高度的方向性，它的光束非常集中且能量密度很高。
这种方向性使得激光特别适用于激光打印、激光切割等领域。
四、激光应用激光的应用非常广泛，几乎触及各个领域。
其中，医学领域应用最为突出，激光在激光手术、激光治疗等方面发挥着重要的作用。
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南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹 机器人激光焊接技术
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Laser Application——Laser radar
反射回来的不同光谱成分预测污 染物分布情况 激光测试大气污染
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Nicolay G. Basov, Aleksandr M. Prokhorov 南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
30
Laser History 【激光器的发明】 1960年：梅曼制成世界上第一台红宝石激光器
增益介质：红宝石晶体 泵浦源：脉冲激光
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31
Laser History 【中国第一台激光器】 1961年8月，中国科学院长春光学精密机械研究所， 王之江院士（中国激光之父）、邓锡铭、汤星里
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激光治疗 外科手术
材料加工
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28
Laser History
第一台激光器 Laser 微波振荡器（ ） Theodore Maiman 受激辐射理论 Hard Maser Townes Albert Einstein Charles 光导纤维理论，成就光纤通信 纯石英光纤：没有杂质的玻璃 1000dB/km------20dB/km 美国康宁公司
激光用于：石质材料、文物的清洗、修复
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Laser Application——Hologram Holograms 激光全息：利用激光的干涉和衍射原理记 录并再现物体真实的三维图像。 全息防伪：加密技术
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Laser Application——3D laser hologram
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25
Laser Application——Optical communication
激光光源决定了光传输系统的信噪比与传输距离
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26
Laser Application——Optical communication 光纤通信 光纤中传送的是一系列经过编码的激光脉冲。 光纤的优越性： • • • • 宽带 不受电磁干扰，保密性好，不易截获 重量轻，尺寸细小 低损耗
中国军方100kW 脉冲舰载激光武器 激光武器只要能维持供电，便等于拥有无限子弹
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11
Laser Application
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12
Laser Application——Laser weapon
激光制导
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13
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45
第一章 概述
1.1 激光发展简史
1.2 激光的特性
1.3 激光的应用
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Laser Properties 1. 高方向性
发散 角
由于谐振腔对光振荡方向的限制，激光只有沿腔轴方向受 激辐射才能振荡放大，所以激光束具有很高的方向性。
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹 Charles K. Kao
29
Laser History 【爱因斯坦的理论贡献】 1917年：爱因斯坦在《关于辐射的量子力学»一文预言了 原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性; 【激光器理论】 1954年：发明微波振荡器（Maser） Maser：Microwave amplification by stimulated emission of radiation 1958年：汤斯和肖洛的光激射器理论，提出激光器方案；
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参考书目
1.《激光原理》，周炳琨， 国防工业出版社 2.《激光原理》，陈钰清 ， 浙江大学出版社 3.《激光原理及应用》，陈家璧， 电子工业出版社 4.《激光原理技术及应用》， 李相银， 哈尔滨工业大学出版社 5.《激光原理与技术》， 阎吉祥， 高等教育出版社 6.《Principles of Lasers (Fouth Edition)》, Orazio Svelto, Plenum Press, New York
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Laser Properties 2. 单色性好
激光由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄
∆λ
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λ
或
∆ν
ν
48
Laser Properties 3. 相干性好 相干条件：?
激光：相干光
普通光源：、相位差恒定
39
Laser Category
产品照片
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Laser Category
产品照片
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41
Laser Category
半导体激光器实物图
发光二极管
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42
课程要求
对激光技术中的物理问题有较系统全面的认识； 建立正确的基本概念； 掌握一定的有关激光器技术与应用方面的知识。 考核：平时+期末考试
Laser Application——Laser DC/DVD
CD/VCD
激光刻录：刻录机发出高功率的 激光，聚焦在CD盘片某个特定 部位上，使这个部位的有机染料 层产生化学反应，形成凹凸表面， 实现信息记录
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24
Laser Application——Optical communication 空间激光通信（激光雷达）：脉冲激光，通过激光传回的时间 获得距离信息
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32
Laser History——Nobel Prize related
激光；二十世纪出现的改 变人类生活的重要发明， 诞生了许多Nobel物理学 奖
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Laser History
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34
Laser History
4
Laser Application——Laser medicine
Eye surgery
外科手术：眼科手术&光子美肤
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5
Laser Application——Laser medicine
光子美肤
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6
Laser Application——Artworks conservation
22
Laser Application——Laser cooling
Bose-Einstein Condensation 利用光子冷却原子 激光冷却俘获钠原子的过程
当原子与反向前进的光子相遇时,会吸收光子并使原子的速度发生改变, 23 然后再释放光子并继续前进 .这一现象会使原子的速度降低 ,而降低原子的振荡会使其冷却 南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
Laser Application——Laser weapon
“外科手术刀(Scalpel)” 超小型制导航空炸弹效果 图 取代导弹，搭载到坦克、 战舰和战机上使用。
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Laser Application——Laser weapon
反卫星激光武器
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Laser Category
根据工作物质 固体激光器 ：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃 气体激光器 ：He—Ne，CO2，离子激光器 液体激光器 ：染料激光器 半导体激光器 根据工作方式： 连续 脉冲
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Laser Category
实物照片
A helium-neon laser demonstration. The glowing ray in the middle is an electric discharge producing light in much the same way as a neon light. It is the gain medium through which the laser passes, not the laser beam itself, which is visible there. The laser beam crosses the air and marks a red point on the screen to the right. 南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
Laser Application——Laser manufacture
激光器工业领域的应用
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Laser Application——Laser manufacture
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Laser Application——Laser manufacture
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Laser History 增益介质类型
光纤通信重要光源
20年间时间，出现基于各种增益介质的激光器，包括气体激光体，掺铷元素激光器，砷化镓半 36 导体激光器，二氧化碳激光器，掺铷镱铝石榴石激光器，氩离子激光器，化学激光器（波长达 南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹 3um），染料激光器，准分子激光器，钛宝石激光器
激光原理
教师：万洪丹
单位：南京邮电大学光电工程学院 办公室：教4－312对面 邮箱： hdwan@ 南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹