激光原理_名词解释25页
激光原理绪论PPT课件
1963年建立了激光的半经典理论。 对激光的频率特性和功率特性进行了比较完 善的探讨。
1964年研制成了 氩离子（A+r）离子气体激光器 二氧化碳气体激光器 化学激光器（HF氟化氢） 掺钕的钇铝石榴石固体激光器
1965年实现了铌酸锂光学参量振荡器，借助 半经典理论预言了锁模效应的存在。
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1966年研制成了固体锁模激光器,获得了超短脉冲 1970年研制成了准分子激光器 1977年研制成了红外波段的自由电子激光器 1984年研制出光孤子激光器
如今形形色色的激光器据统计，已有数百种之多
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该领域的有关诺贝尔奖
1964: Townes, Basov, Prokhorov, 微波激射器和激光器的发明
1981:哈佛大学的布隆姆贝根和斯坦福大学的肖洛 , 激光光谱学 1997: 朱隶文等三人, 激光冷却和陷俘原子
说明: 朱隶文系美籍华人, 1948年生于密苏里州,其父台湾中央研究
很久以前，有人幻想一种“死光武器”的出现。在 古希腊，阿基米德利用巨大的反光聚焦镜摧毁了入 侵者的兵舰，但那时的船还是由木头做的。
现代的激光让人们有可能实现古代的梦想，制造出 可以摧毁一切的激光武器。
美国现在全力研制的“星球大战”防卫体系，所依 赖的重要一环就是用激光束来击毁入侵的导弹。可 以设想，一枚载着核弹头的导弹在强激光的照射下 会迅速化为一阵烟雾消散在空中，这该是多么神奇 的事！
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在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法 和新技术（如腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、自 由电子振荡辐射等）纷纷提出并获得实施，其中不少 具有独创性。
1964年，我国第一所，也是当时世界上第一所激光技 术的专业研究所——中国科学院上海光学精密机械 研究所（简称“上海光机所”）成立
激光原理概念
激光原理概念2.什么是光子简并度？为什么激光是一种强相干光？光子简并度：一个光子态（或光波模式）内的光子数原因：一个光子态内的光子数处于相干体积内，激光的光子简并度高，即在相干体积内的分子数多，有尽可能高的相干光强，因此激光是一种强相干光。
3.光与物质相互作用有几种基本形式？受激辐射产生的光子有什么特点？基本形式：自发辐射，受激辐射三种。
特点：受激辐射产生的光子与入射光子具有相同的频率、相位、传播方向、偏振、即入射光子与产生的光子处于同一光子态（或两者是相干的）5.产生激光的先决条件和决定性条件分别是什么？你为什么这么认为？先决条件：粒子数反转决定性条件：阈值条件 g0 >= a (g0为阈值条件)原因：若能产生激光，必须要有光放大与自激振荡实现光放大必须打破平衡态，即使粒子数反转，因为热平衡态下的物质只能吸收光子，不能辐射光子激光器能产生自激振荡的条件：g0 >= a（即增益大于等于损耗）其实现了任意小的出示光强Io均能形成确定大小的腔内光强Im6、激光器一般包括哪几个基本组成部分？基本组成部分由：工作物质泵浦源光学谐振腔7与普通光相比，激光主要有那几个方面的特性？激光四大特性：1.方向性好，最小发散角约等于衍射极限角2.单色性好3.亮度高4.相干性好8光学谐振腔的作用是什么？如何判断强的稳定性？光腔作用：1提供光反馈，维持自激振荡 2.选择控制激光振荡模式3.引导激光输出9什么是纵模？什么是横模？纵模：在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向即纵向形成驻波，驻波的波节数由q决定将这种由整数q所表征的腔内纵向场分布称为纵模横模：在腔的轴线方向即纵模方向的场分布是觉晕的，而腔内垂直于光轴的横截面内的场分布称为横模12什么是高斯光束？请写出其经薄透镜的变换公式，并说明如何对它聚焦和准直？高斯光束：激光谐振腔发出的基模辐射场，其横截面的振幅分布遵守高斯函数的光束聚焦：用短焦距透镜，使高斯光束腰斑远离透镜焦点，从而满足l》f，l》F；取l=0并设法满足f》F准直：短透镜焦距为F1,当满足F1《L时它将物高斯光束聚焦于前焦面上，得一个极小光斑Wo，若Wo恰好落在长焦距透镜的后焦面上，则腰斑为Wo的高斯光束则长焦距透镜很好的准直13光与物质相互作用的理论可分为哪几个层次？经典理论半经典理论量子理论速度方程理论14谱线均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个都是等同的加宽非均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子时不相同的加宽区别：均匀加宽不能将特定频率的光与特定的原子对应起来，自发光原子对光谱内任一频率都有贡献，而非均匀加宽则能够区别出谱线上某一频率的光是由哪一部分原子（或分子）发出的，自发光原子只对特定频率的光有贡献产生原因：1激光上下能级上的原子寿命有限2.原子与原子间以及原子与容器间的碰撞气体压强3.激活粒子受周围晶格场周期性变化的影响，出此之外也受温度影响非均匀加宽：多普勒效应2. 晶格缺陷使此处的激活粒子的能级发生位移线型函数略16.请分别写出均匀加宽的和非均匀加宽物质的增益系数表达式，什么是增益饱和，均匀加宽和非均匀加宽物质的增益饱和有何不同特点？增益饱和：当Iv可与Is相比拟时，随着Iv的增加，其增益系数g 随之减少的现象不同特点：均匀加宽：频率为v的强光入射不仅使自身的增益系数下降，也使其他频率的弱光的的增益系数也以同等程度下降，即当一个模振荡后，增益在整个谱线上均匀地下降，阻止其他模的振荡。
2024年度激光原理及应用PPT课件
激光的相干性比普通光 强很多，可用于精密测 量和全息照相等领域。
激光器组成及工作原理
激光器组成
激光器一般由工作物质、激励源和光学谐振腔三部分组成。
2024/3/24
工作原理
在激励源的作用下，工作物质中的电子被激发到高能级，形 成粒子数反转分布。当这些电子从高能级跃迁到低能级时， 会辐射出与激励源频率相同的光子，并在光学谐振腔内得到 放大和反馈，最终形成稳定的激光输出。
激光雷达
测距、成像、识别等多元化应 用
激光显示
高清晰度、大色域、节能环保
激光制造
高精度、高效率、无接触加工
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激光器类型及其特
03
点分析
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固体激光器
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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。
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根据实际需要，还可选择佩戴耳塞、手套 等个人防护装备，以降低激光对其他部位 的危害。
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未来发展趋势预测
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与挑战分析
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新型激光器研发方向探讨
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新型材料激光器
探索新型增益介质，如量子点、二维材料等，提高激光器的性能 。
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。
1960年，美国物理学家 梅曼制造出第一台红宝 石激光器
现代激光技术突破与创新
光纤激光器
高功率、高效率、光束质量好
量子级联激光器
覆盖中红外到太赫兹波段
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激光原理
dn2 = −A21n2 dt
自发跃迁爱因斯坦系数
− t
n2 = n20e− A21t = n20e τs 1 τs = A21
dn2 1 A21 = − dt n2
原子在E2能级上平均寿命
ns µs
如果某激发态能级的寿命相对其它能级长得多，则 称此能级为亚稳态能级。 10
(2.1.3)
8πν P = 3 Vdν ν c
黑体辐射普朗克公式-单色能量密度
8πhν3 ρν = nν E = c3 1 e
hν KT
(2.1.4)
−1
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§2.1 激光的基本理论 光与物质相互作用的三个过程：
为简化问题， 为简化问题，我们只考虑原子的 两个能级E2和E 1并有 E2—E 1 = hν 两个能级 单位体积内处于两能级的原 子数分 别用n2和n1，如图所示。
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§2.3 谱线加宽和线型函数 线型函数
为频率的函数。 自发辐射功率P (ν ) 为频率的函数。设总的辐射功率为P0,有：
+∞
P0 =
−∞
∫ P(v)dν
(2.3.1)
% 引入 线型函数 g (ν ,ν 0 ) (给定了光谱线的轮廓或形状) ： 给定了光谱线的轮廓或形状) P (ν ) % (ν ,ν 0 ) = g (2.3.2)
E2 − E1 ) KT
式中， 分别为能级E 式中，f2和f1分别为能级 1和E2的统计权重 3.在热平衡状态下 n1 （或 n2）应保持不变。
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§2.1 激光的基本理论
4. A21 、B21 、B12 的相互关系：
爱因斯坦三系数之间的关系 B21f2 = B12f1
最新激光原理简整理
1.什么是光波模式？答：光波模式:在一个有边界条件限制的空间内，只能存在一系列独立的具有特定波矢的平面单色驻波。
这种能够存在于腔内的驻波（以某一波矢为标志）称为光波模式。
2.如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度？答：光的相干性：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。
相干时间: 光沿传播方向通过相干长度所需的时间，称为相干时间。
相干长度:相干光能产生干涉效应的最大光程差，等于光源发出的光波的波列长度。
3.何谓光子简并度，有几种相同的含义？激光源的光子简并度与它的相干性什么联系？答:光子简并度:处于同一光子态的光子数称为光子简并度。
光子简并度有以下几种相同含义: 同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数。
联系: 激光源的光子简并度决定着激光的相干性，光子简并度越高，激光源的相干性越好。
4.什么是黑体辐射？写出公式，并说明它的物理意义。
答：黑体辐射:当黑体处于某一温度的热平衡情况下，它所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间应处于能量（热）平衡状态，这种平衡必然导致空腔内存在完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。
物理意义:在单位体积内，频率处于附近的单位频率间隔中黑体的电磁辐射能量。
5.描述能级的光学跃迁的二大过程，并写出它们的特征和跃迁几率。
答：(1)自发辐射:处于高能级的一个原子自发的向跃迁，并发射一个能量为hv的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。
特征：a)自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发过程，无需外来光。
b)每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元，原子之间毫无联系而且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然相同，均为V，各列光波之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发的光将向空间各个方向传播，即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。
激光原理与技术的名词解释
激光原理与技术的名词解释激光（Laser）是一种通过光的放大和受激辐射而产生的高度聚焦的、单色的、高能量的光束。
激光技术是一项重要的现代科学技术，广泛应用于医疗、通信、制造业等领域。
本文将从激光原理、激光器种类、激光应用等方面对激光技术进行深入解释。
激光原理是指通过特定的装置和工作介质来产生激光的物理过程。
激光原理的关键在于能级跃迁和受激辐射。
能级跃迁是指原子或分子在受到外界能量激发后，电子从低能级跃迁到高能级，然后再从高能级跃迁回到低能级释放出光子。
受激辐射是指在一个已经存在的光子的作用下，原子或分子激发态上的电子从高能级跃迁回到低能级，产生与外界光子一致的光子。
通过这种循环的过程，激光得以产生和放大。
根据激光器的工作方式和工作介质的不同，激光器可以分为气体激光器、固体激光器和半导体激光器。
气体激光器利用气体（如氦氖）放电时的原子或分子跃迁产生激光。
固体激光器则利用固体晶体（如钛宝石）中的掺杂物在激光器外加入能量时跃迁产生激光。
而半导体激光器是基于半导体材料的PN结构或异质结构，在电流作用下产生激光。
激光技术具有独特的特点和广泛的应用。
首先，激光具有高度聚焦的特点，可以实现对微小区域的精确加工和切割。
例如，在制造业中，激光切割可用于金属板材、塑料制品等的切割加工。
其次，激光具有高单色性，在通信领域中，激光器可以作为发射源，通过光纤传输信息。
另外，激光还可以用于医疗领域，例如激光手术刀可实现精确切割，激光治疗可用于皮肤病的治疗。
此外，激光还可以应用于测距、测速、材料分析等领域。
除了常见的激光器外，还有一些特殊种类的激光器。
例如，有色激光器是指通过改变激光输出波长，使激光具有红、绿、蓝等特定颜色的激光器。
这种激光器广泛应用于舞台灯光、激光显示器等领域。
另外，超快激光器是指脉冲宽度极短的激光器。
它具有很高的能量密度和短时间尺度，可用于材料表面改性、光学显微镜等领域。
激光技术的应用还在不断发展和创新。
激光原理
横模 光束通过孔阑传输线时，由于孔阑对光波 的衍射效应使光场的振幅和相位分布不断被改 变，经过足够多的孔阑之后最终达到了一种稳 态的自再现的分布，即当再一次通过孔阑时， 场的振幅和相位的横向分布不再变化了。
产生激光的必要条件
（1）选择具有适当能级结构的工作物质，在 工作物质中能形成粒子数反转，为受激辐射的 发生创造条件； （2）选择一个适当结构的光学谐振腔。对所 产生受激辐射光束的方向、频率等加以选择， 从而产生单向性、单色性、强度等极高的激光 束； （3）外部的工作环境必须满足一定的阈值条 件，以促成激光的产生。
(3) 气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干 性较好，激光波长可达数千种，应用广泛。气 体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。在 工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应 用广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、 光能、核能等多种激励方式。 (4) 以液体染料为工作物质的染料激光器于1966年 问世，广泛应用于各种科学研究领域。 (5) 红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它 是一种新型的红外辐射源，特点是辐射强度高、 单色性好、相干性好、方向性强。
2、横模模式 激光横模决定激光光波场在空间的展开程度， 高阶模展开比较宽，低价模能量比较集中，但 高阶模在空间内能量分布均匀。根据不同的加 工种类和加工要求对激光能量在空间的能量分 布提出相应的要求，激光切割和焊接要求基横 模，而淬火却要求高阶模。目前基模输出的光 一光转换效率在40%-50%之间，多模电一光 转换效率可以达到60%~70%.
激光加工对激光器的要求
1、 波长 激光输出波长越短，则金属材料的反射系数越 小，所吸收的光能就越多。目前，大功率CO2 激光器的主要发射波长是10. 6µm，大功率LD 的发射波长是0.7 - 1µm，而YAG激光器的发 射波长略大于1µm, YAG激光器的倍频技术发 展迅速，可以得到百瓦量级的绿光输出，三倍 频和四倍频输出在光刻方面有重要用途。通过 倍频、和频、喇曼等过程，DPSSL的波长覆 盖了紫外、可见、近红外波段，为激光加工的 发展提供了广阔的应用前景。
第八篇第一讲 激光原理
二、激光的形成
处于热平衡下的粒子,满足玻耳兹曼分布
Nn e
N2 e N1 E2 E1 kT
En kT
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数之比:
1
即能级越高,粒子数越少.
数量级估计：
T ～103 K；
E2 E1 kT 1 0.086
E 2-E 1～1eV;
kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
2、激光的应用
激光技术的应用涉及到光、机、电、材料及检测等多门 学科，主要分为以下几类： 激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、 心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允 许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有 YAG (钇铝石榴石)激光器，CO2激光器和半导体泵 浦激光器。 激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模 业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、 压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、 一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷 青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、 1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等 等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。
三、激光的特性及其应用 1、激光的特性
方向性好 激光能量集中在其传播方向上。其发散角 很小，一般为10-5～10-8球面度。 亮度高 光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内 沿单位立体角所发射的能量。例如，太阳表面的亮度 比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。而一台普通的 激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。 单色性好 如He－Ne激光器发射的632.8nm的谱线宽度 仅为10- 9nm。可用作光频计时标准。 相干性好普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只 有几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十公里， 比普通光源大几个数量级。
激光原理名词解
激光原理名词解————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：一 名词解释1. 损耗系数及振荡条件:0)(m ≥-=ααS o I g I ,即α≥o g 。
α为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。
2. 线型函数：引入谱线的线型函数pv p v v )(),(g 0~=，线型函数的单位是S ，括号中的0v 表示线型函数的中心频率，且有⎰+∞∞-=1),(g 0~v v ，并在0v 加减2v ∆时下降至最大值的一半。
按上式定义的v ∆称为谱线宽度。
3. 多普勒加宽:多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。
4. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，几个满足阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率0v 的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭的现象。
5. 谐振腔的Q 值:无论是LC 振荡回路，还是光频谐振腔，都采用品质因数Q 值来标识腔的特性。
定义p v P w Q ξπξ2==。
ξ为储存在腔内的总能量，p 为单位时间内损耗的总能量。
v 为腔内电磁场的振荡频率。
6. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线，在单模频率等于0的时候有一凹陷，称作兰姆凹陷。
7. 锁模：一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲。
这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。
8. 光波模：在自由空间具有任意波矢K 的单色平面波都可以存在，但在一个有边界条件限制的空间V 内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k 的平面单色驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。
9. 注入锁定：用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中，控制一个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象。
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
激光原理及应用
激光原理及应用第1章 辐射理论概要与激光产生的条件1.光波：光波是一种电磁波，即变化的电场和变化的磁场相互激发，形成变化的电磁场在空间的传播.光波既是电矢量→E 的振动和传播,同时又是磁矢量→B 的振动和传播。
在均匀介质中，电矢量→E 的振动方向与磁矢量→B 的振动方向互相垂直，且→E 、→B 均垂直于光的传播方向→k 。
(填空）2.玻尔兹曼分布:e g n g n kT n n m mE E n m )(--=（计算） 3.光和物质的作用：原子、分子或离子辐射光和吸收光的过程是与原子的能级之间的跃迁联系在一起的。
物质（原子、分子等)的相互作用有三种不同的过程，即自发辐射、受激辐射及受激吸收。
对一个包含大量原子的系统，这三种过程总是同时存在并紧密联系的.在不同情况下，各个过程所占比例不同，普通光源中自发辐射起主要作用，激光器工作过程中受激辐射起主要作用.（填空）自发辐射：自发辐射的平均寿命A 211=τ（A 21指单位时间内发生自发辐射的粒子数密度，占处于E 2能级总粒子数密度的百分比）4.自发辐射、受激吸收和受激吸收之间的关系在光和大量原子系统的相互作用中,自发辐射、受激辐射和受激吸收三种过程是同时发生的，他们之间密切相关。
在单色能量密度为ρV 的光照射下,dt 时间内在光和原子相互作用达到动平衡的条件下有下述关系：dt dt dt v v n B n B n A ρρ112221221=+ （自发辐射光子数） （受激辐射光子数) （受激吸收光子数）即单位体积中，在dt 时间内，由高能级E2通过自发辐射和受激辐射而跃迁到低能级E1的原子数应等于低能级E1吸收光子而跃迁到高能级E2的原子数。
（简答） 5.光谱线增宽:光谱的线型和宽度与光的时间相干性直接相关，对许多激光器的输出特性（如激光的增益、模式、功率等）都有影响，所以光谱线的线型和宽度在激光的实际应用中是很重要的问题。
（填空)光谱线增宽的分类：自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽自然增宽：自然增宽的线型函数的值降至其最大值的1/2时所对应的两个频率之差称作原子谱线的半值宽度,也叫作自然增宽.碰撞增宽：是由于发光原子间的相互作用造成的。
激光原理考试重点
激光原理考试重点第一章激光的基本原理1.光子的波动属性包括什么？动量与波矢的关系？光子的粒子属性包括什么？质量与频率的关系？答：光子的波动性包括频率，波矢，偏振等。
粒子性包括能量，动量，质量等。
动量与波矢：质量与频率：2.概念：相格、光子简并度。
答：在六维相空间中，一个光子态对应的相空间体积元为，上述相空间体积元称为相格。
处于同一光子态的光子数称为光子简并度，它具有以下几种相同含义：同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数3.光的自发辐射、受激辐射爱因斯坦系数的关系答：自发跃迁爱因斯坦系数：•受激吸收跃迁爱因斯坦系数：）。
受激辐射跃迁爱因斯坦系数：。
关系：；；为能级的统计权重（简并度）当时有4.形成稳定激光输出的两个充分条件是起振和稳定振荡。
形成激光的两个必要条件是粒子数反转分布和减少振荡模式数5.激光器由哪几部分组成？简要说明各部分的功能。
答：激光工作物质：用来实现粒子数反转和产生光的受激发射作用的物质体系。
接收来自泵浦源的能量，对外发射光波并能够强烈发光的活跃状态，也称为激活物质。
泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。
光学谐振腔：a）提供轴向光波模的正反馈；b）模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。
6.自激振荡的条件？答：条件：其中为小信号增益系数：为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数C7.简述激光的特点？答：单色性，相干性，方向性和高亮度。
8.激光器分类：固体液体气体半导体染料第二章开放式光腔与高斯光束1.开放式谐振腔按照光束几何偏折损耗的高低，可以分为稳定腔、非稳腔、临界腔。
2.驻波条件，纵模频率间隔答：驻波条件：应满足等式：式中，为均匀平面波在腔内往返一周时的相位滞后；为光在真空中的波长；为腔的光学长度；为正整数。
相长干涉时与的关系为：一或用频率来表示：一.纵模频率间隔：不同的q值相应于不同的纵模。
腔的相邻两个纵模的频率之差3.光线在自由空间中行进距离L时所引起的坐标变换矩阵式什么？球面镜的对旁轴光线的变换矩阵？答：光线在自由空间中行进距离L时所引起的坐标变换矩阵式球面镜的对旁轴光线的变换矩阵：而-为焦距。
激光原理及应用名词解释大题知识点总结考试专用
第一章1、自发辐射：在没有外界影响时，它们会自发的从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为hu的光子，这种与外界影响无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。
2、受激辐射：如果原子系统的两个能级E2和E1满足辐射跃迁选择定则，当受到外来能量hu=E2-E1的光照射时，处在E2能级的原子有可能受到外来光的激励作用而跃迁到较低的能级E1上去，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。
3、自发辐射和受激辐射的区别：①自发辐射是非相干光，受激辐射是相干光。
②自发辐射跃迁几率就是自发辐射本身，而受激辐射的跃迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色辐射能量密度的乘积。
③当受激辐射系数B21一定时，外来光的单色辐射能量密度越大，受激辐射几率越高。
4、受激吸收：处于低能级E1的原子受到一个外来光子的激励作用，完全吸收该光子的能量而跃迁到高能级E2的过程，叫作受激吸收。
5、自发辐射、受激辐射、受激吸收之间的关系：在光和大量原子系统的相互作用中，三者之间三种过程是同时发生的。
A21n2dt+B21n2ρvdt=B12n1ρvdt（自发辐射光子数+受激辐射光子数=受激吸收光子数）6、自然增宽:在不受外界影响时，处于激发态的粒子会自发的向低能态跃迁。
也就是说，在自发辐射发光过程中，能量不断衰减，电偶极子的正负中心不再做简谐振动，从而导致光谱线有一定的宽度，叫做自然增宽。
(洛伦兹线型函数)7、均匀增宽介质和非均匀增宽介质的区别:均匀增宽：(1)自然加宽（普遍存在，但在固体工作物质中可忽略）—源于不确定性原理(2)碰撞加宽（存在于气体工作物质中）—源于气体分子碰撞导致的上能级粒子寿命变化(3)晶格振动加宽（存在于固体工作物质中）—源于固体中激光工作粒子在晶格附近的热振动。
非均匀增宽：(1)多普勒加宽（存在于气体工作物质中）——源于工作物质不断地运动而产生的多普勒频移(2)晶格缺陷加宽（存在于固体工作物质中）——源于固体加工时内部产生的晶格缺陷导致工作粒子所处状态不完全相同8、光谱线宽度:通常定义Δv=v2-v1,即相对光强为最大值的1/2处的频率间隔叫做光谱线的半(值)宽度，简称光谱线宽度。
激光原理考点总结
对了课本两遍，基本覆盖所有考点，部分小四字体重在辅助理解。
有填空、名词解释、计算、简答。
计算题四个中出三个。
↖(^ω^)↗第一章1、光的基本性质：波粒二象性；波动性（电磁波），粒子性（光子流）。
2、光与物质的相互作用有：自发辐射、受激辐射、受激吸收。
普通光源中（自发辐射）占主要；激光器中（受激辐射）占主要。
3、简答：自发辐射、受激辐射、受激吸收之间关系：A21n2dt+B21n2ρv dt=B12n1ρv dt在光和大量原子系统的相互作用中，三者是同时发生的。
在单位体积中，在dt时间内，由高能级E2通过自发辐射和受激辐射而跃迁到低能级E1的原子数，应等于低能级E1吸收光子而跃迁到高能级E2的原子数。
4、光谱的（线型）和（宽度）与光的（时间相干性）直接相关。
自然增宽的线型函数：f N(v)=A/(4π2(v-v0)2+(1/2τ)2)f N(v)表示在频率v附近单位频率间隔的相对光强随频率的分布。
A为比例常数。
所得谱线的自然增宽是因为作为电偶极子看待的原子做衰减振动而造成的谱线增宽。
5、（名词解释）光的多普勒效应：随着光源和接收器的相对运动而发生光源的频率发生改变（频移）称为多普勒效应。
运动对向接受体频率增高，背向接受体频率降低。
6、（名词解释）均匀增宽与非均匀增宽：均匀增宽：自然增宽和碰撞增宽中每一个原子所发的光对谱线内任一频率都有贡献，而且这个贡献对每个原子都是等同的，这种增宽为均匀增宽。
非均匀增宽：不同粒子对谱线不同频率部分的贡献不同, 即可分辨谱线线型哪一频带是由哪些特定粒子发射的(∵热运动速度矢量相同的粒子引起的频移相同)7、（简答）实现光的放大的条件：1）需要一个激励能源，用于把介质的粒子不断地由低能级抽送到高能级上去；2）需要合适的发光介质（激光工作物质），它能在激励能源的作用下形成n2/g2>n1/g1的粒子数密度反成分布状态。
8、（简答）产生激光的条件：1）有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；2）有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；3）有光学谐振腔，增长激光介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。
激光原理及应用的名词解释
激光原理及应用的名词解释1. 激光（Laser）激光是一种特殊的光，它具有高度的单色性、高度的准直性和高度的相干性。
•高度的单色性：指激光的频率非常确定，只有一个明确的波长。
•高度的准直性：指激光光束的传输方向非常准确，光线几乎完全平行。
•高度的相干性：指激光的波前是高度有序的，光波的相位关系保持良好。
激光的产生过程主要包括：激发物质通过受激辐射产生光子，并通过光反射和增强干涉放大的过程，形成激光光束。
2. 激光器（Laser）激光器是用于产生激光的器件，它通常由激光介质、能级系统和光学反馈结构组成。
激光器中的激光介质是一个能够将输入的能量转化为光能的物质，常见的激光介质有气体、固体和半导体。
能级系统是指激光介质中的能级排布方式和能级跃迁的过程。
通过在激光介质中注入能量，可以实现电子从低能级跃迁到高能级，形成光子。
光学反馈结构是实现激光放大和光反射增强的必要条件。
光学反馈结构通常由两个反射镜组成，其中一个是半透明镜，使一部分光线可以逃逸，形成激光输出。
3. 激光光束（Laser Beam）激光光束是由激光器输出的具有高度单一频率、准直性和相干性的光束。
•单一频率：激光光束中的光波只有一个明确的波长。
•准直性：光线几乎完全平行，不会扩散。
•相干性：光波的相位关系保持良好，可以形成干涉和衍射现象。
激光光束可以用于很多应用领域，如激光切割、激光打标、激光医疗、激光通信等。
4. 激光切割（Laser Cutting）激光切割是利用激光光束的高能量密度和准直性，对材料进行精确切割的加工方法。
激光切割的原理是将激光光束聚焦在材料表面上，使材料吸收光能并发生熔化或气化，然后通过激光光束的运动，将材料切割成所需形状。
激光切割广泛应用于金属、塑料、纺织品等材料的加工领域，具有高精度、高速度和自动化程度高等优点。
5. 激光打标（Laser Marking）激光打标是利用激光光束对物体进行标记的过程，通常是在物体表面刻上文字、图案或二维码等标记。
激光原理与应用课件
1 ．3 激光工作物质的能级结构
一、三能级系统
激发态的平均寿命只有10-8(s)。然而在原子的能 级中，有一种特殊的能级，其寿命可达10-3(s)甚
至更长。我们称这种状态为原子的亚稳态。
在He、Ne、CO2 、N2等物质中都有这种能级结 构
10
物质三能级系统的示意图
抽运
快 E3
E2 (亚稳态)
n 受激辐射出的光子，与入射光子具有相
同的频率，相同的初相，相同的传播方
向，相同的偏振态等。
E2
hv
E1
hv
E2
hhvv
输入 hv
hv hv
hv hv 输出
E1
hv
受激辐射示意图
受激辐射光放大示意图
6
1 ．2 粒子数反转
n 处在温度为T的平衡态下，各能级上分布的分 子数，服从玻尔兹曼分布，
n 高能态En'上分布的分子数与低能态En上分布的 分子数之比为：
34
3．4 激光在几何参数测量方面的应用
一、激光测距技术
1、激光脉冲计数方法
2、相位测距法
B
X A
He-Ne激 光
45°
二、利用激光技术和几M何学d原理可以对板N参材考平面
的厚度进行测量
激光测厚原理示意图
35
3.5 激光条码检测技术
n 条码技术是通过一定形状和间隔的条纹 组合来表达计算机“0” 、“1”语言的一种方 法。
慢
E1 (基态)
n 应该注意：三能级系统，是指激光器在运转过 程中，所涉及到的三级能级。并不是指该系统 仅有这三条能级。
11
二、四能级系统
抽运
快 E4
E3 (亚稳态)
激光原理
1 mnq,其中q味纵模指数，不同的q值对应能够在腔内形成驻波的不同频率的光波模式。
都是2L分之c的整数倍。
L是腔的光学长度。
（2）实际q是个很大数因为光波长远小于腔长。
2多普勒效应是波源和观察者有相对运动时，观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象。
远方急驶过来的火车鸣笛声变得尖细（即频率变高，波长变短），而离我们而去的火车鸣笛声变得低沉（即频率变低，波长变长），就是多普勒效应的现象，同样现象也发生在私家车鸣响与火车的敲钟声。
这一现象最初是由奥地利物理学家多普勒在1842年发现的。
荷兰气象学家拜斯·巴洛特在1845年让一队喇叭手站在一辆从荷兰乌德勒支附近疾驶而过的敞篷火车上吹奏，他在站台上测到了音调的改变。
这是科学史上最有趣的实验之一。
观察者(O bserver) 和发射源 (S ource) 的频率关系为：f' 为观察频率，f为波源发射频率；v为波速，v o为观察者移动速度，v s为波源移动速度。
括号中分子和分母的上行运算和下行运算分别为“接近”和“远离”之意。
光波与声波的不同之处在于，光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化。
如果恒星远离我们而去，则光的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果恒星朝向我们运动频率达，波长短蓝光，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移。
多普勒效应从19世纪下半叶起就被天文学家用来测量恒星的视向速度。
现已被广泛用来佐证观测天体和人造卫星的运动。
目录[隐藏]1 光谐振腔：提供轴向光波模的正反馈，保证激光器里轴向模的振荡。
如果某一物质能够完全吸收任何波长的电磁辐射，称为绝对黑体。
空腔辐射体就是。
2 自发跃迁爱因斯坦系数；受激吸收跃迁爱因斯坦系数；受激辐射跃迁爱因斯坦系数。
3 12页黑体辐射场与物质原子相互作用的结果：（2）腔内物质原子按能级分布应服从热平衡状态下的波尔兹曼分布4：受激辐射与自发辐射的重要区别（13页）相干性。
自发辐射是原子不受外界辐射场控制情况下的自发过程。
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一 名词解释1. 损耗系数及振荡条件: 0)(m ≥-=ααS o I g I ,即α≥o g 。
α为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。
2. 线型函数：引入谱线的线型函数pv p v v )(),(g 0~=，线型函数的单位是S ，括号中的0v 表示线型函数的中心频率，且有⎰+∞∞-=1),(g 0~v v ，并在0v 加减2v ∆时下降至最大值的一半。
按上式定义的v ∆称为谱线宽度。
3. 多普勒加宽:多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。
4. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，几个满足阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率0v 的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭的现象。
5. 谐振腔的Q 值:无论是LC 振荡回路，还是光频谐振腔，都采用品质因数Q 值来标识腔的特性。
定义p v P w Q ξπξ2==。
ξ为储存在腔内的总能量，p 为单位时间内损耗的总能量。
v 为腔内电磁场的振荡频率。
6. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线，在单模频率等于0的时候有一凹陷，称作兰姆凹陷。
7. 锁模：一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲。
这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。
8. 光波模：在自由空间具有任意波矢K 的单色平面波都可以存在，但在一个有边界条件限制的空间V内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。
9.注入锁定：用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中，控制一个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象。
（分为连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定）。
10.谱线加宽：实际中的谱线加宽由于各种情况的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在E-附近一个很小的频率范围内。
这就叫谱线加宽。
中心频率η/)(2E111.频率牵引：在有源腔中，由于增益物质的色散，使纵模频率比无源腔纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫频率牵引。
12.自发辐射：处于高能级Ｅ２的一个原子自发的向Ｅ１跃迁，并产生一个能量为ｈｖ的光子13.受激辐射：处于高能级Ｅ２的一个原子在频率为ｖ的辐射场作用下，向Ｅ１跃迁，并产生一个能量为ｈｖ的光子14.激光器的组成部分：谐振器，工作物质，泵浦源15.腔的模式：将光学谐振腔内肯能存在的电磁场的本征态称为‘’。
16.光子简并度：处于同一光子态的光子数。
含义：同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数17.激光的特性：1.方向性好，最小发散角约等于衍射极限角2.单色性好3.亮度高4.相干性好18.粒子数反转：在外界激励下，物质处于非平衡状态，使得n2>n119.增益系数：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数20.增益饱和：在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱时，增益系数是一个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随光强的增大而减小。
21.Q值：是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标——品质因数。
22.纵模：在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向即纵向形成驻波，驻波的波节数由q决定将这种由整数q所表征的腔内纵向场分布称为纵模23.横模：腔内垂直于光轴的横截面内的场分布称为横模24.菲涅尔数：N,即从一个镜面中心看到另一个镜面上可划分的菲涅尔半波带的数目。
表征损耗的大小。
衍射损耗与N成反比。
25.自再现模：把开腔镜面上经一次往返能再现的稳态场分布称为自在现模或横模。
26.损耗系数：光通过单位距离后光强衰减的百分数27.自激振荡：不管初始光强多微弱，只要放大器足够长，就总能形成确定大小的光强Im，满足振荡条件。
28.多普勒效应：设一发光原子(光源)的中心频率为，当原子相对于接收器以速度v z运动时，接收器测得的光波频率变为；29.多普勒加宽：由于作热运动的发光原子(分子)所发出的辐射的多普勒频移引起的加宽30.谱线加宽：由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率附近一个很小的频率范围内。
31.谱线宽度：线型函数在n0时有最大值，下降至最大值的一半，对应得宽度。
32.线性函数：归归一化的自发辐射光功率，描述单色辐射功率随频率变化的规律，定义为分布在某一频率附近单位频率间隔内的自发辐射功率与整个频率范围内的自发辐射总功率之比。
用于表示谱线的形状。
33.均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，包括自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽每个发光原子都以整个线型发射，不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来，每一发光原子对光谱线内任一频率都有贡献。
34.非均匀加宽：原子体系中每个原子只对谱线内与它的表现中心频率相应的部分有贡献，因而可以区分谱线上的某一频率范围是由哪一部分原子发射的，包括气体工作物质中的多普勒加宽和固体工作物质中的晶格缺陷加宽。
35.激光器振荡阈值：工作物质自发辐射在光腔内因不断获得受激放大形成振荡所需要的门限条件，可用反转粒子数密度，阈值增益系数，阈值泵浦功率来表示。
36.ＡＳＥ：不满足阈值条件，但处于集居数反转的工作物质对自发辐射光具有放大作用。
37.增益的空间烧孔效应:在驻波腔激光器中，腔内形成一个驻波场,波腹处增益最小，而波节处增益最大，沿光腔方向增益系数的这种非均匀分布称为空间烧孔效应38.自选模：设三个纵模v1，v2，v3同时起振，随着振荡的持续光强I1，I2，I3逐渐增大，当光强足够大，（可与Is比拟时）由于增益饱和，导致增益曲线在各频率处整体下降，结果各纵模由于增益系数小于阈值增益系数,先后熄灭，最后仅剩下最接近中心频率vo的一个纵模维持自激振荡，这一现象称。
39.模式的空间竞争：由于空间烧孔效应的存在，不同的纵模可利用空间内不同的粒子反转数获得增益，从而实现多纵模振荡。
称为。
40.单模激光器的线宽极限：输出激光是一个略有衰减的有限长波列，具有一定的谱线宽度。
由自发辐射产生的无法排除谱线宽度称为极限线宽。
实际激光器中由于各种不稳定因素，纵模频率本身的漂移远远大于极限线宽41.总量子效率：发射荧光的光子数/工作物质从光泵吸收的光子数。
物理意义：抽运到E3的例子，一部分无辐射跃迁到E2，另一部分通过其他途径返回基态。
到达E2的粒子，一部分自发辐射跃迁至E1发射荧光，一部分无辐射跃迁至E1。
42.弛豫时间：某种状态的建立或消亡过程。
②纵向弛豫时间T1：反转粒子数的增长与衰减：宏观感应电极化的产生和消亡不是瞬时的。
极化强度P(z, 所需时间。
③横向弛豫时间T2t)较E(z, t)落后的时间T即是横向弛豫时间。
243.驰豫振荡：固体脉冲激光器所输出的并不是平滑的光脉冲，而是一群宽度只有微秒量级的短脉冲序列，即所谓‘尖峰”序列。
激励越强，则短脉冲之间的时间间隔越小。
称作。
44. 反兰姆凹陷：在饱和吸收稳频中，把吸收管放在谐振腔内，并且腔内有一频率为n1的模式振荡，若n 1 ¹n 0，购正向传播的行波及反向传播的行坡分别在吸收曲线的形成两个烧孔。
若n 1 ＝n 0 ，刚正反向传播的行波共同在吸收曲线的中心频率处烧一个孔。
若作出光强一定时吸收系数和振荡频率的关系曲线，则曲线出现凹陷，激光器输出功率出现一个尖锐的尖峰。
二 简答题1. 谱线加宽的类型？什么是均匀加宽，非均匀加宽？他们各自的特点是什么？类型:均匀加宽（自然加宽，碰撞加宽，晶格振动加宽），非均匀加宽（多普勒加宽，晶格缺陷加宽），综合加宽。
均匀加宽及特点：引起加宽的物理因素对每个原子都是相同的。
特点：每个发光原子都以整个线型发射，不能把线型函数上某一特定原子联系起来。
每个发光原子对光谱线内任一频率都有贡献。
非均匀加宽特点：原子体系中每一个原子只对谱线内与他的表观中心频率相应的部分有贡献，因而可以区分谱线中的某一频率范围是哪一部分原子发射的。
2. 什么是激光工作物质的纵模和横模烧孔效应？他们对激光器工作模式的影响。
在非均匀加宽工作物质中，频率为v 1的强光只在v 1附近宽度约为I I v sv H 11+∆的范围内引起反转集聚数饱和，对表观中心频率处在烧孔范围外的反转集聚数没有影响。
若有一频率V 的弱光同时入射，如果频率V 处在强光造成的烧孔范围之内，则由于集聚数反转的减少，弱光增益系数将小于小信号增益系数。
如果频率V在烧孔范围之外，则弱光增益系数不受强光的影响，、而仍等于小信号增益系数。
所以在增益系数-频率曲线上，频率为v1处产生一个凹陷。
此现象称为增益曲线的烧孔效应。
烧孔效应一般使激光器工作于多纵模和多横模的情况，不利于提高光的相干性但有利于增加光的能量或功率。
3.锁模的目的和意义及其方法。
目的是为了得到更窄的脉冲。
方法：主动锁模（振幅调制锁模和相位调制锁模），被动锁模。
4.简述速率方程所说明的问题及应用情况。
速率方程表征激光器腔内光子数和工作物质各有关能级上的原子数随时间变化的微分方程组。
它只能给出激光的强度特性，而不能揭示出色散(频率牵引)效应，也不能给出与激光场的量子起伏有关的特性。
对于烧孔效应、兰姆凹陷、多模竞争等，则只能给出粗略的近似描述。
5.简述稳定球面腔中横模形成的过程及分布特点。
设想一均匀平面波垂直入射到传输线的第一个孔阑上，第一个孔面波的强度分布应该是均匀的。
由于衍射，再穿过该孔后波前将发生变化，并且波束将产生若干旁瓣，也就是说，已不再是均匀平面波了。
当它达到第二孔时，其边缘部分将比中心部分小。
而且第二个孔面将不再是等相位面了。
通过第二个孔时，波束又将发生衍射然后经过第三个孔……每经过一个孔波的振幅和相位将发生一次改变，通过若干个孔后，波的振幅和相位分布被改变成这样的形状，以至于他们不再受衍射的影响。
当通过足够多的孔阑时，镜面上的场的振幅和相位分布将不再发生变化，即形成横模。
镜面中心附近的场振幅和相位分布可以用厄米特-高斯函数描述。
横模在镜面上振幅分布的特点取决于厄米特多项式和高斯分布函数的乘积。
厄米特多项式的零点决定场的节线，厄米特多项式的正负交替变化与高斯函数随X,Y的增大而单调下降的特性决定场分布的外形轮廓。
由于m阶厄米特多项式有m个零点，因此TEM mn横模在X方向有m条节线，沿y方向有n条节线。
6.简述Q调制技术原理。
为了得到更高的峰值功率和窄的单个脉冲，采用Q调制技术。
它是通过某种方法是谐振腔的损耗因子δ按照规定的程序变化，在泵浦激励刚开始的时候，使光腔具有高损耗因子δH，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。