激光基础知识
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。
激光学基础知识、X线摄影基础【考点总结+精选习题】
激光学基础知识、X线摄影基础【考点总结+精选习题】一、激光的产生1、1916年爱因斯坦提出的“自发和受激辐射〃理论是现代激光理论的物理学基础。
（一）受激吸收和光辐射1、受激吸收（激发或电离）：原子吸收一个光子而从低能级跃迁到高能级的过程。
2、受激吸收的特点：（1）不是自发产生的，必须有外来光子的"激发"；（2）外来光子的能量应等于原子激发前后两个能级间的能量差；（3）受激吸收对激发光子的振动方向、传播方向和位相没有任何限制。
3、自发辐射：在没有任何外界影响的情况下，高能态EH的原子会自发地跃迁到基态或者较低激发态E L,因为这种跃迁是不受外界影响而自发进行的，称为自发跃迁，如果跃迁时释放的能量是以光辐射的形式放出的，则这个过程叫做自发辐射。
4、受激辐射：处于高能级EH的原子在自发辐射之前，受到一个能量为hv=E H-EL的光子的“诱发〃后可释放出一个与诱发光子特征完全相同的光子而跃迁到低能级E L,这个过程称为受激辐射。
持续的受激辐射形成的光束就叫做激光。
5、受激辐射的特点：①它不是自发产生的，必须有外来光子的"刺激"才能发生，外来光子的能量或频率必须满足hv=E H-E L；②辐射出的光子与诱发光子特征完全相同；③与受激吸收不同，受激辐射中的被激原子并不吸收诱发光子的能量。
6、受激辐射光放大不是自然的，自然界没有哪种物质能够自然地发出激光来，只有人为地创造条件，才能得到激光。
（二）激光的产生1、激光器的构成：工作物质、激发装置、光学谐振腔2、工作物质：激光器中能产生激光的物质称为工作物质。
3、激发装置:作用是把处于低能级上的原子激发到高能级上去，使工作物质实现粒子反转。
4、光学谐振腔：作用是①产生和维持光放大；②选择输出光的方向；③选择输出光的波长。
5、谐振腔能起选频作用，使激光的单色性更好。
（三）激光器的分类1.应用于医学领域的激光器一般可按工作物质形态（固体、液体、气体、半导体等）、发光粒子（原子、分子、离子、准分子等）、输出方式（连续、脉冲）等进行分类。
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。
激光基础知识
点阵模式
• 点阵激光是在皮肤均匀地打上微细的小孔，继而引起一连 串的皮肤生化反应，当这些微小的激光束作用于皮肤表面 时，会刺激皮下真皮组织中的胶原蛋白和弹性纤维的生长， 消除疤痕，消除痘印，从而达到祛痘印的效果。由于点阵 激光治疗只会覆盖部分皮肤组织，新打上的小孔不会相互 重叠所以部分正常的皮肤得到保障。
毛发生长周期与激光脱毛的关系
• 目前有些研究不论解刨部位，激光治疗间隔均为一个月。 激光治疗后是否会引起毛发周期的改变尚待进一步研究， 临床上掌握治疗间隔一个简单的法则是只要发现毛发有较 多的再生就可以进行再次治疗。
激光脱毛后的护理
• 激光脱毛术后正常情况下可有轻度烧灼感，局部皮肤可出 现轻度红斑及毛囊性丘疹，一般数小时之后即可消失。治 疗区无需包扎，治疗后可用冰袋冷敷治疗区域30分钟，然 后局部涂抹抗生素软膏或护肤软膏即可。患者可每天对脱 毛区轻轻清洗两次，治疗后一周复诊，为了最大程度的减 少色素沉着，可在进行户外活动前使用SPF不少于15的防 光剂，并防止日光暴晒。
• 热弛豫：当组织靶目标吸收激光能量后，温度一定会升高， 也必定会向周围邻近组织发生热的传导，那么靶目标的热
箱周围组织发出的这种热的传导，就是热弛豫。衡量热弛 豫速度的快慢就是热弛豫时间。
调Q激光
调Q激光
• 治疗范围： 1064nm波长激光——蓝色和黑色对其吸收强烈，且此
波长激光具有较强穿透性，适用于治疗真皮层蓝、黑色素 疾病，如文眉、文身等，长脉冲非调Q时，改善黄褐斑、 毛孔粗大、减小细小皱纹、令皮肤光滑白皙、增强皮肤弹 性。其长脉冲功能将是光子的绝世替代方案。同时可用于 浅表红血丝等疾病。
调Q激光
• 532nm波长激光——红、黄、褐色等对其吸收较为强烈， 能量局限与组织表面，适用于治疗表皮的色素性疾病， 如雀斑等。
激光基础知识
激光基础知识问红光与绿光的区别？答：A, 波长不同：红光波长635-980nm,绿光波长532nm;B, 出光⽅式不同：红激光：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）低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，⽽且当处于⾼能级上的粒⼦数⼤于低能级上的粒⼦数时，就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。
也就是红光不⽤外加任何装置，本⾝就会产⽣激光；绿激光: 是由808nmLD泵浦晶体产⽣激光问蓝紫光的光点为什么很弱？没有绿光那么亮？答：根据激光的原理，同功率的情况下，波长越短的激光就越亮，但由于⼈的视⾓对532nm波长的光容易吸收和敏感，错误的感觉就认为是绿光亮！问同功率的红光和绿光为什么红光不可以看到光束，⽽绿光可以？但红光反⽽⽐绿光传播得远？答：由于光波越短在⼤⽓中损耗越⼤，所以容易看到绿光的光柱⽽不容易看到红光的光柱；⼜因绿光光波容易被空⽓中的灰尘吸收，吸收的越多，反射就越多，我们看到的光柱也就越明显，同时，吸收的越多损耗也越⼤，所以同样功率红光⽐绿光传播的远。
也是为什么交通⽤的红绿灯，⽤红灯表⽰停⽌通⾏，⽽⽤绿灯表⽰放⾏。
问绿光最长可以持续多久点亮，持续点亮的稳定时间是多久？答: 绿激光根据不同功率点亮的时间会有所差别，便携式激光器室温（25°）下正常⼯作时间为⼩于10秒(指在该时间内功率不会低于要求值，⽽功率将随时间的增加⽽衰减，直⾄不亮；⼯作时间越长对LD和晶体的损坏就越严重，甚⾄烧坏LD）；⼯业⽤激光模组在室温和正确散热情况下可以长时间点亮（正确散热：⼯作时，必须把激光头部分固定在和激光头同体积或更⼤体积的⾦属体上）。
问便携激光器的LD和晶体⼀般在什么情况下会烧掉导致不出激光。
答：长时间⼯作。
由于长时间⼯作，激光器温度会随⼯作时间的增加⽽升⾼，从⽽导致损坏LD和晶体。
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
激光物理学的基础知识
激光物理学的基础知识引言激光物理学是研究激光的发生、传输和相互作用过程的学科，是现代光学中的重要分支之一。
激光在现代科技和工业中有广泛的应用，如通信、医疗、制造等领域。
本文将介绍激光物理学的基础知识，包括激光的基本概念、激光的产生原理和特性等内容。
一、激光的基本概念1.1 激光的定义激光是指具有较高的单色性、方向性和相干性的电磁波。
它具有狭窄的频率谱宽度和小的发散角，能够进行远距离传输和聚焦。
1.2 激光的特点激光具有以下特点：•高亮度：激光的光强度高，激光束能够被聚焦成极小的点。
•单色性：激光的频率非常纯净，只有一个狭窄的频带。
•相干性：激光的波前相位具有高度的一致性，可以形成干涉和衍射效应。
•高直线度：激光束的传输路径非常直线，几乎没有散射和吸收损耗。
1.3 激光的分类根据激光的工作介质和工作原理，激光可以分为以下几类：•气体激光：利用气体分子的跃迁能级产生激光，如氦氖激光器、二氧化碳激光器等。
•固体激光：利用固体晶体或玻璃中的杂质离子或激活离子进行激光辐射，如氙灯激光、钕玻璃激光等。
•半导体激光：利用半导体材料的PN结或PN结与金属结合面，通过注入电流激发电子和空穴复合辐射光子，如激光二极管。
二、激光的产生原理2.1 需要的条件产生激光需要满足以下几个条件：•能级结构：激光工作介质中存在能级结构，可以通过能级跃迁来产生激光。
•反转粒子分布：工作介质中的粒子分布需要处于反转态，即高能级粒子数目大于低能级粒子数目。
•反馈机制：在工作介质中形成正反馈，使得光子在介质中多次来回传播，增强激光的放大效应。
2.2 激光的产生过程激光的产生过程包括以下几个步骤：1.激发产生：利用外部能量激发工作介质中的粒子，使其跃迁到高能级。
2.自发辐射：跃迁到高能级的粒子会自发辐射出光子。
3.反射反馈：反射光子返回工作介质中，使得自发辐射的光子受到激发而再次发射。
4.反复放大：光子在工作介质中来回传播，通过受激辐射逐渐增强，形成激光。
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
《激光基础知识》课件
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汇报人：PPT
原理：通过发射激 光束并接收反射信 号，测量距离和速 度
应用：自动驾驶、 机器人、测绘等 领域
优势：精度高、 速度快、抗干扰 能力强
发展趋势：小型 化、低成本、高 可靠性
激光手术：用于眼科、皮肤科、 牙科等手术
激光治疗：用于癌症、心血管 疾病等疾病的治疗
激光诊断：用于医学影像、病 理诊断等领域
激光美容：用于皮肤美容、整 形等领域
激光的产生：通过受激辐射产生光子，形成激光 激光的特性：单色性、相干性、方向性和亮度高 激光的应用：通信、医疗、工业、军事等领域 激光的安全：激光操作需要遵守安全规定，防止眼睛和皮肤受到伤害
方向性好：激光束在传播过程中几乎不发散，具有很高的方向性。 亮度高：激光的亮度比普通光源高出数亿倍，甚至更高。 单色性好：激光的波长非常单一，具有很高的单色性。 相干性好：激光的相干性非常好，可以产生干涉、衍射等光学现象。
工业领域：激光切割、激光 焊接、激光打标等
医疗领域：激光手术、激光 美容等
科研领域：激光测距、激光 雷达、激光通信等
娱乐领域：激光投影、激光 表演等
激光的产生与控制
激光的产生原理： 受激辐射
激光的产生过程： 原子或分子吸收 能量后，从低能 级跃迁到高能级， 再跃迁回低能级， 释放出光子
激光的波长：取 决于产生激光的 原子或分子的能 级差
激光对生物体的影响主要体现在热效应、光化学 效应和生物效应三个方面。
热效应：激光照射生物体时，生物体吸收激光能 量，产生热效应，导致生物体组织温度升高，甚 至烧伤。
光化学效应：激光照射生物体时，生物体 吸收激光能量，产生光化学效应，导致生 物体组织发生化学反应，甚至破坏生物体 组织。
1-4 激光的基本知识
非辐射跃迁：指不发射光 子的跃迁，它是通过释放 其它形式的能量如热能而 完成的。 （a）图中：E1为基态，作为激光下能级；E3能级的寿命 很短，激活粒子很快地经非辐射跃迁方式到达E2能级；E2 能级寿命比起E1来要长得多，称为亚稳态，并作为激光上 能级。 只要抽运速率达到一定程度，就可以实现E2与E1两个 能级之间的粒子数反转，为受激辐射创造条件。例如固体 激光器中的红宝石激光器激活粒子——铬离子就属于这类 能级系统。
1-4 激光的基本知识
1917年爱因斯坦就预言 了受激辐射的存在，但在一 般人平衡情况下，物质的受 激辐射总是被受激吸收所掩 盖，未能在实验中观察到。 直到1960年，第一台红宝石 激光器才面世它标志了激光 技术的诞生。 从此激光技术的发展十分 迅速，现已在几百种工作物 质中实现了光放大或制成了 激光器。
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
（二）四能级系统 下图E4能级寿命很短，抽运的激活粒子 立即通过非辐射跃迁的方式到达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。 这种能级系统也很容易实现粒子数反转。例如固体激 光器中的钕玻璃激光器以及掺钕钇铝石榴石激光器（YAG） 中的激活粒子——钕粒子便属于这类能级系统。
（b）图：E1是基态，但它不作为激光下能级，而是以E3 和E2分别作为激光上能级和下能级。 在这种三能级系统里，E3的寿命要比E2要长，E2能级 在热平衡条件下基本上是空的。因此，只要抽运一些粒子 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。
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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激光基础知识
1．目的
了解激光的发展简史，清楚激光的产生原理及特性，熟知激光的危害等级及激光发振器的结构
2．激光的产生及发展史
2．1世界上第一台激光器是由美国科学家梅曼（T.H.Maiman）于1960年研究成功的，这台红宝石激光器作为发光物质（棒两头镀上银膜形成反射镜面），棒外面套上一支螺旋状的氪气灯，为了充分利用氪灯光，梅曼又在螺旋灯外套上一个反射率很高的圆柱，以便使更多的氪灯光照在红宝石上。
其实，早在1916年爱因斯坦就曾发表过一篇论文，提出了一种现在叫光学感应吸收和光学感应发射的观点（又叫受激吸收和发射），这一观点后来竟成为激光器的主要理论基础，1952年，美国马里阑大学的韦伯开始运用上述概念去放大电磁波，但工作没能往前发展，只有激光的发明人汤期（C.TOWES）向韦伯索要了论文，继续这一工作，才打开了一个新的领域。
汤斯的最初设想：由四个反射镜围成一只玻璃盒，盒内充以铊，盒外放一个铊灯，用这一装置可产生激光，汤斯的合作者肖洛（A.schawlow）擅长于光譜学，对原子光譜及两平行反射镜的光学特性十分熟悉，便对汤斯的设想提出两条修改意见，一是他证明铊原子不可能产生光放大，建议改用钾（其实钾也不易产生激光），二是建议只用两面反射镜便可形成光的振荡器，不必沿用微波放大器的封闭盒子作为谐振器。
直到现在，汤斯和肖洛研制
出来的，但是他们提出的基本概念和构想却被公认是对激光领域划时代的贡献。
2．2激光的产生原理
由原子结构可知，电子绕核高速旋转，各自有不同轨迹道，这些轨迹道称为能级电子，处于不同的能级。
原子系统的能量不同，由于粒子有趋于低能级的特性，平衡状态时，低能级粒子吸收能量，跃迁到高能级上，（分布规律符合玻而兹曼公式）。
如果提供一个能源，使低能级粒子吸收能量，跃迁到高能级上，使高能级粒子数多于低能级粒子数，这就是所谓的“粒子聚集数反转”，高能级粒子有向低能级自发跃迁的趋势，一个电子自发跃迁时，一个能级差放出一个光子，称自发辐射，自发辐射放出光子的频率的跃迁的能差成正比，符合普朗克公式hr=E1-E2，式中H=6.626x10^-34(J.S)为普朗克常数；r为光子频率；E2，E1分别为高能级和低能级能量，此光子又激发E2能级的粒子，使E2能级的粒子受激放出频率，相位，方向完全一致的光子即受激发射，此时E2能级一个粒子，产生了二个完全相同的光子，这两个光子再出激发E2能级的粒子，就产生了四个相同光子，这种雪崩式的反应，使入射光得到放大，使光强迅速增强，如果在粒子受激辐射系统的两端设置二块相互平行的反射镜，构成光学谐振腔，那么平行于谐振腔轴线的光，在二个反射镜之间振荡放大，越来越强，直到E2能级的粒子都受激跃迁到E1能级时，“粒子聚集反转”现象消失，随时逸出谐振腔外而消失，最后得到的光束方向一致，亮度最高的单色光即激光（LASER-Light，Amplification by
simulated emission of radiation）。
2．3激光的特点：
2．3．1亮度高：它是世界上最亮的光源，CO2激光亮度比太阳表面亮8个数量级，铂玻璃激光亮度比太阳表面亮16个数量级。
2．3．2方向性好：近似于理想的平行光，远距离传播时，扩散面积很小。
2．3．3单色性好：光谱宽度极窄，比氪灯的光谱还窄几个数量极。
2．3．4具有反射.折射.透射.聚焦特性。
2．3．5功率密度高：一般在10^5-10^7w/cm^2，经充分聚焦后可达10^6-10^12w/cm^2。
2．4激光危害分类：
激光器的分类基本上是根据其可达发射极限AEL（Accessible Emission Limit）来划分的，而可达发射极限定义：在确定的危害类别内，允许激光器发射的最大辐射功率和能量，一个激光器可能发射4类激光，但在该激光产品被定为4类之前，其辐射必须真正超过3B类激光发射极限：
I类激光（class 1 Laser product）是无危险不需要进行危害控制的激光产品，在设计的最大发射持续时间内，可达到的发射极限低于照射限值，即使通过光学放大仪器进行光束内视，也不会引起眼损伤。
II类激光（class 2 Laser product）是低危险低功率的可见激光
产品，输出功率大于I类，但小于或等于1mw的连续激光产品或在设计的最大发射持续时间内，输出功率超过相应光束内视照射极限，但不超过0.25s照射时间的眼照射限值的重复频率脉冲激光产品。
IIIA类激光产品（class 3A Laser product）是低危险中功率的激光产品，输出功率为1-5mw，辐照度不大25w/m^2的可见光连续波或重复频率脉冲激光产品.
IIIB类激光产品（class 3B Laser product）是中等危险,中功率的激光产品,这类激光产品包括:辐照量超过相应极限,但小于或等于10j/m^2的脉冲激光产品,辐射功率超过相应眼照射限值,但小于或等于0.5w的连续波或重复频率脉冲激光产品。
IV类激光产品（class 4 Laser product）是高功率的激光产品，即辐射功率超过0.5w的连续波或重复频率脉冲激光产品或辐射量。
2.5CO2激光器的重要特点
2.5.1高功率,其最大连续输出功率已达25KW;
2.5.2高效率,其总效率为10%左右,比其它加工用激光器的效率高得多;
2.5.3高功率质量,其模式较好且较稳定;
A.封离型激光器
此种类型CO2激光器的工作气体不流动,直流自持放电产生
的热量,靠玻璃管或石英管壁传导散热,故其热导率低,注入功率和激光功率受工作气体温升的限制,每米激光管的输出功率在50W
至70W之间,由于工作气体在放电过程中有分解,故其输出激光功率随运行时间延长逐渐下降,其优点是结构简单,维护方便,造价和运行费均较低,在加工中仅需数百瓦级激光功率时,采用此种准封离型CO2激光器是适宜的.
B.快速轴流CO2激光器
它是由工作气体沿放电管轴向流动来实现冷却,且气流方向同电场方向和激光方向一致,其气流速度一般大于100M/S,有的甚至可达亚单速,其结构主要由细路放电管,谐振腔,高压直流放电系统,高速风机,热交换器及气流管道等部分组成.快速轴流CO2激光器的主要特点有:
(1)光束质量好(基模或TEM01模)
(2)功率密度高
(3)电光效率高,可达26%
(4)结构紧凑
(5)可以连续和脉冲双制运行
因此,这种类型CO2激光器使用范围很广
C.横向流动型激光器
该激光器的工作气体沿着与光轴垂直的方向快速流过放电区以维持腔内有较低的气体温度,从而保证有高功率输出,单位有效谐振腔长度的输出激光功率达每米10KW,商用器件的最大功率可达25KW,但其缺点是光束质量较差,在好的情况下可以得到低阶模输出,否则为多模输出,这种类型的激光器广泛应用于材料的表面改性加工领域,如激光表面淬火,激光表面合金化,激光表面熔覆,激
光表面非晶化等.。