激光的单色性和时间相干性
激光的单色性和时间相干性_图文
当2l逐渐增大时，可以看到屏 上的明暗条纹逐渐模糊起来
当2l增大到一定程度时，屏上 的明暗条纹将模糊到完全分不清 了。即观察不到干涉现象。
当狭缝宽度2l较大时，应分别 考虑从下分中央s0到至边缘各点 各自发出的光线。
每一点发出的光都会在屏幕上因干涉形成一套明暗条纹 如果各套明暗条纹相互错开，将由于相互重叠以至于变成模 糊一片，即观察不到干涉现象。
相干长度和相干时间
进一步讨论最大光程差max的物理意义
在迈克尔逊干涉仪中，当光程差一旦超过max，这两光
束就不再相干了
因此，max也称为相干长度，记为max=Lc 光通过相干长度所需要的时间称为相干时间，记c
因为
则
表明，光谱线的频率宽度越窄，相干时间就越长
在迈克尔孙干涉仪中，两束光线的光程差为，这相当于两 光束是由同一光源在不同时刻t1和t2先后发出的
将
改写为
并记
则有
（本教材直接给出的条件）
如果记
由于2很小，有
代入
得
此式表明，入射光一定时
若张角2=d/R固定，则狭缝宽度2l必小于/2，才能在屏处
观察到干涉条纹
若缝宽2l固定，则张角2必小于/2l，才能在屏处观察到干
涉条纹
光的这种相干性，称为空间相干性
相干面积
当满足 在屏上才能产生干涉条纹 将该装置绕z轴旋转90，实验结果不变
激光的单色性和时间相干性_图文.ppt
光谱线的频率宽度
越窄，光的单色性就越好 普通光源中，氪同位素86（Kr86）灯发出波长=605.7nm的 光谱线的单色性最好 单模稳频氦氖激光器发出=632.8nm的光谱线 二、激光的时间相干性 若同一光源在不同时刻发出的光在空间会合后能发生干涉，
激光的基本原理及其特性
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
•光的放大作用的大小通常用放大 光的放大作用的大小通常用放大 增益）系数G来描述。 （增益）系数G来描述。P8!
I ( z)
I (l ) I + dI I
dI = G ( z ) I ( z )dz
原子数按能级分布
热平衡时， 热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布
玻尔兹曼分布律: 玻尔兹曼分布律:
N2 −( E2 −E1 ) kT =e N1
E E2 E1 N1 N2 N
高 能 级 低 能 级
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
§1.2.1 二能级系统的三种跃迁
3-01光源、光波叠加.exe
3、光子简并度与激光的强度 、
激光的强度： 激光的强度：
I = cωv= nchv /η
光子简并度越大， 光子简并度越大，同一光子态的光的能量越大 激光的简并度是很高的， 激光的简并度是很高的，如He—Ne激光器 激光器
n = 4×10 ×
11
对于普通光源到目前为止还没有发现 n > 1 的
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 普通光源的亮度，太阳表面的亮度比蜡烛大30万 普通光源的亮度，太阳表面的亮度比蜡烛大30万 30 比白炽灯大几百倍。 倍，比白炽灯大几百倍。 普通的激光器的输出亮度， 普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大 10亿倍 亿倍。 10亿倍。 激光器的输出功率并不一定很高， 激光器的输出功率并不一定很高，但由于光束很 光脉冲窄，光功率密度却非常大。 细，光脉冲窄，光功率密度却非常大。
∴ B21 · ρ (ν21) · N1 >> B12 · ρ (ν21) · N2
激光的单色性和时间相干性
2l
2
2 R 2
As
As 光源面积
在周炳坤激光原理教材中
s1
x
Lx
z
xL x R
Ac L2 x
x As 2 只有从光源面积小于 发出的光，才能保证在 内的光 线具有相干性 2 c3 c 2 光源的相干体积Vcs Vcs As Lc 2
c 则 cc
Lc c
cc
c
c 1
表明，光谱线的频率宽度越窄，相干时间就越长 在迈克尔孙干涉仪中，两束光线的光程差为，这相当于两 光束是由同一光源在不同时刻t1和t2先后发出的 若 Lc，则 t2 - t1 c ，这两束光就是相干的。 所以，由同一个光源在相干时间c内不同时刻发出的光，经 过不同的路程相遇，将能产生干涉。 光的这种相干性，称为时间相干性
由于01比0多了一个恒定的光程差，所以从这两点发出的 光在屏上的条纹相互错开
屏
P
01 0
s01 2l s 0 s02
s1
d
ld R
可以看出，当满足
ld R 2
s2
R D
这两套条纹才不至于明暗重叠 换句话说，当狭缝的宽度2l曾大到 R 时，屏上将变成一片模糊
2l d
2
R
s2
x
R
Lx
Lx
2
R
x
2 R 2
2
2 R 2
As
光子观点 Px Py P h
h xyz Px Py Pz
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。
激光基本概述范文
激光基本概述范文激光是一种特殊的光辐射，具有单色性、相干性和方向性等特点。
激光器是一种能产生激光的装置，通常由激发源、增益介质和光腔三部分组成。
激光由于其特殊的性质，在科研、医疗、通信、材料加工等多个领域有着广泛的应用。
激光的单色性是指激光具有极窄的频率谱线，一般能够达到很高的频率稳定性。
这是由于激光的产生依赖于特定的能级跃迁，因此能够产生具有固定频率的光波。
与其他光源相比，激光的单色性使得其具有更强的穿透力和辨识能力。
激光的相干性是指激光光束中的光波具有非常好的相位关系。
这种相位关系使得激光光束能够形成明亮、锐利、高对比度的干涉条纹。
相干性使得激光在干涉、衍射和散射等方面有着独特的应用，例如激光干涉测量和激光全息术等。
激光的方向性是指激光光束能够在相当长的距离上保持较小的光束发散角度。
这是由于激光的光波具有在空间上高度一致的波前形状，能够通过适当设计的光学系统将光束聚焦成较小的点。
激光的方向性使得其在光通信、激光雷达等领域有着广泛的应用。
激光器是产生激光的装置，根据辐射介质的不同，可分为气体激光器、固体激光器和半导体激光器等。
气体激光器利用气体放电产生激发能级，再通过受激辐射过程产生激光。
常见的气体激光器包括氦氖激光器、二氧化碳激光器等。
固体激光器利用固体增益介质，通过光泵浦方式产生激发能级，再进行受激辐射过程得到激光。
常见的固体激光器有Nd:YAG激光器、激光二极管等。
半导体激光器是利用半导体材料的特殊性质产生激光，这类激光器尺寸小、功耗低，广泛应用于光通信和激光打印等领域。
激光的应用十分广泛，其中激光切割是一种主要的激光材料加工方法，广泛应用于金属、塑料、木材等材料的切割和雕刻领域。
激光打印技术利用激光的单色性和方向性，可以高速、高质量地实现文件和图像的打印。
此外，激光还在医疗领域有着广泛的应用，例如激光治疗和激光手术等。
总之，激光作为一种特殊的光辐射，具有单色性、相干性和方向性等特点。
激光器是产生激光的装置，根据辐射介质的不同有气体激光器、固体激光器和半导体激光器等。
激光特性
激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。
1 单色性好：普通光源发射的光子，在频率上是各不相同的，所以包含有各种颜色。
而激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源。
由于光的生物效应强烈地依赖于光的波长，使得激光的单色性在临床选择性治疗上获得重要应用。
此外，激光的单色特性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应用，已成为基础医学研究与临床诊断的重要手段。
2 相干性好：由于受激辐射的光子在相位上是一致的，再加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点间有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好（由自发辐射产生的普通光是非相干光）。
激光为我们提供了最好的相干光源。
正是由于激光器的问世，才促使相干技术获得飞跃发展，全息技术才得以实现。
3 方向性好：激光束的发散角很小，几乎是一平行的光线，激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。
而普通光源发出的光射向四面八方，为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置，但即便是最好的探照灯，如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1 000公里以上。
激光束的方向性好这一特性在医学上的应用主要是激光能量能在空间高度集中，从而可将激光束制成激光手术刀。
另外，由几何光学可知，平行性越好的光束经聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之激光单色性好，经聚焦后无色散像差，使光斑尺寸进一步缩小，可达微米级以下，甚至可用作切割细胞或分子的精细的“手术刀”。
4 亮度高：激光的亮度可比普通光源高出1012－1019倍，是目前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。
激光的高能量是保证激光临床治疗有效的最可贵的基本特性之一。
利用激光的高能量还可使激光应用于激光加工工业及国防事业等。
切换到宽屏19362超声波探伤编辑超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。
激光基本特征
激光基本特征激光是指一束高度聚焦、具有单色性、相干性和高亮度等特征的光束。
激光是由处于激发态的原子或分子释放出来的光子所组成的。
激光的基本特征是指激光独特的性质和行为，下面将从以下几个方面详细介绍激光的基本特征。
1. 单色性激光的单色性指激光所产生的光是单一频率的。
激光的单色性由于激发态原子或分子之间的能级结构和产生激光的物质的特性所决定。
激光所具有的单色性使其在科学研究、医学、通信等领域具有广泛的应用。
2. 相干性激光的相干性是指激光光波中光子的相位关系保持一致的特性。
激光光束的相干性使其具有干涉、衍射等特性。
激光的相干性能够保持光束的集中性，使得激光在远距离传输时损失较小，有助于激光的聚焦和精确测量。
3. 高亮度激光的高亮度是指激光的亮度远远高于其他光源。
激光的高亮度是由于激光所具有的高度聚焦特性和聚光能力优秀的光学系统所决定的。
高亮度的激光在医学、材料加工和军事等领域有着广泛的应用。
4. 窄束性激光的窄束性是指激光光束的直径非常小。
与其他光源相比，激光光束的直径可以达到亚微米甚至更小的级别。
激光的窄束性使得激光光束能够在远距离传输时保持高度集中，从而实现高精度的光学操作。
5. 高能量激光所具有的高能量使得其在科学研究、医学治疗和军事应用等领域展现出巨大的潜力。
激光的高能量是由于激发态原子或分子释放出的光子具有高能量特性所决定的。
高能量的激光在材料切割、焊接、打孔等领域具有重要的应用价值。
总之，激光的基本特征是单色性、相干性、高亮度、窄束性和高能量。
这些特征使得激光在科学研究、医学、工业生产等领域发挥着重要的作用。
随着激光技术的不断发展壮大，激光领域的应用将会更加广泛。
激光的原理与特点
激光的原理与特点
激光，是指具有高度一致的光波振荡特性的一种光束。
激光的原理是通过三级系统（包括基态、激发态和亚稳态）之间的电磁辐射相互作用而产生的。
具体来说，激光的原理包括光放大、光共振、正反馈等。
激光的特点主要有以下几个方面：
1. 高度的单色性：激光的频率非常纯净，只有极少的频率成分，因此它具有非常高的单色性。
这是由于激光光波是由一个频率极为准确的谐振振荡系统所产生的。
2. 高度的方向性：激光光束具有非常高的方向性，激光光束在传播过程中很少发生散射，能够以非常窄的角度进行定向传播。
这是由于激光的振荡介质是一个长而细的谐振腔。
3. 高度的相干性：激光光束具有非常高的相干性，所有的光波的振幅和相位都高度一致。
这是由于激光光波是由许多同样频率和相位的原子或分子发射的。
4. 高度的能量密度：激光光束具有非常高的能量密度，能够集中大量的能量在一个很小的空间范围内。
由于激光的强度非常大，因此它可以用来进行高精度的切割、焊接等工业加工。
总之，激光作为一种特殊的光线，具有高度的单色性、方向性、相干性和能量密度，这些特点使得激光被广泛应用于科学、医学、工业等多个领域。
激光的特性及应用
激光的特性及应用激光（laser）是一种高度聚焦的、单色性和相干性极高的光束。
它具有独特的特性，因此在各个领域有广泛的应用。
本文将介绍激光的特性以及一些常见的激光应用。
一、激光的特性1. 高度聚焦：激光束可以被聚焦到极小的直径，因此可以实现高精度和高分辨率的操作。
这种属性使激光在医疗、材料加工和通信领域得到广泛应用。
2. 单色性：激光是单色光，即它的频率非常纯净。
这使得激光在光谱分析、光学传感器和高精度测量中具有重要作用。
3. 相干性：激光的光波是相干的，即光的波峰和波谷保持稳定的相对位置。
这种特性使激光在干涉测量、全息术和激光雷达等领域得到广泛应用。
4. 高能量密度：激光具有高能量密度，可以在很小的空间范围内提供大量的能量。
这使得激光在切割、焊接和打孔等材料加工过程中非常有效。
二、激光的应用1. 医疗领域：激光在医疗领域有着广泛的应用。
例如，激光手术可以实现精确的组织切割和病变去除，减少手术风险和恢复时间。
激光还可以用于激光治疗中的照射，用于促进伤口愈合和病症治疗。
2. 通信领域：激光在光纤通信中起到关键作用。
激光作为信息传输的光源，可以提供高速、高带宽的数据传输。
此外，激光器还可以用于激光雷达系统，提供高分辨率和远距离测量。
3. 制造业：激光在制造业中有广泛应用。
例如，激光切割机可以用于精确切割金属和非金属材料，激光焊接机可以实现高质量的焊接工艺，激光打标机可以在产品上进行纹理、标记和刻字。
4. 科学研究：激光在科学研究中也扮演重要角色。
例如，激光光谱学被广泛应用于化学和物理领域的分析和研究。
激光还可以用于量子物理实验、原子和分子物理学研究等领域。
5. 军事应用：激光在军事领域有着重要的应用。
激光器可以作为导引系统用于精确制导导弹和飞行器。
激光还可以用于激光武器系统，具有远射程、高精度和强杀伤力等特点。
综上所述，激光作为一种特殊的光束，具有高度聚焦、单色性、相干性和高能量密度等特性。
这些特性使得激光在医疗、通信、制造和科学研究等领域都得到了广泛应用。
激光的特性
衍射的结果： 1、当光束通过一系列光阑后，其振幅和相位 的空间分布不可避免地逐次发生畸变，并 于最后趋向一定的稳定分我们用符号TEMmn来表示各种横向模式。 m,n均为非负整数，分别表示在x轴和y轴 方向上光强为零的那些零点的序数，称为 模式序数
3、激光的衍射损耗 N=a2/λl，称为菲涅尔数。N越大，则表示 衍射损耗越小。 衍射损耗除了与菲涅 尔数N有关外，还与谐 振腔的振荡模式有关， 不同模式的衍射损耗 是不同的。
衍射损失了激光的能量，却使激光具备了空 间相干性
（2）普通光源的相干性：
普通光源的相干性很差。在普通光源中， 受激辐射过程总是小于自发辐射过程。由 于后者总是占主导地位，所以普通光源所 发射的光相干性很差。
1、工业方面 2、医学方面 3、生活方面 4、军事方面 5、科学研究
激光在工业上，应用极为广泛，因为 激光在激光束聚焦在材料表面的时候能够 使材料熔化，使激光束与材料沿一定轨迹 作相对运动,从而形成一定形状的切缝。
激光切割机
激光在医学上的应用主要分三类： 激光生命科学研究、激光诊断、激 光治疗，其中激光治疗又分为：激 光手术治疗、弱激光生物刺激作用 的非手术治疗和激光的光动力治疗。
用单色仪分光后，通过狭缝可以得到时间 相干性比较好的光 用杨氏实验装置则可以得到空间相干性很 好的光
在迈克尔逊干涉仪 中，讨论的是两束 光的时间相干性
在杨氏实验中，讨 论的是两束光的空 间相干性
（3） 激光的相干性： I.时间相干性: 已知∆v=1/∆t，由于激光的单色性很好，所 以激光的相干时间很大，即激光的时间相 干性是很好的 II.空间相干性：光的衍射扩散使得光束截面 上的各点相互混合，相互关联，建立了空 间相干性。
激光原理第一章1.5
四、激光的时间相干性和单色性
1、时间相干性描述复习 相干时间 c 相干长度 Lc 线宽 (单色性)
1 Lc c c c 来自2、关系：单色性越好，则时间相干性越好。 3、单色性、时间相干性与激光模式的关系 (1)对单横模TEM00工作的激光器，激光的单色性和 时间相干性取决于纵模结构和模式的频带宽度。 纵模数越少，单模线宽越窄，则单色性和时间相 干性越好。
太原理工大学物理与光电工程学院
TEM 00
基横模
三、激光的空间相干性和方向性
1、关系：方向性越好，则光束的空间相干性越好 。
方向性描述：用光束发散角。发散角越小，光束 方向性越好。 ①对普通光：只有当光束发散角小于某一限宽即：
x
时，光束才具有明显的空间相干性。
②对理想的平面波： 0 ，故具有完全的空间 相干性。 2、影响激光空间相干性和方向性的因素
B
2h
2
n
光源的单色亮度正比于光子简并度，而激光 具有极高的光子简并度。
太原理工大学物理与光电工程学院
太原理工大学物理与光电工程学院
太原理工大学物理与光电工程学院
⑴横模的影响 ①基横模TEM00的发散角小，方向性好。高次横模 的发散角大，方向性差。 ②工作在单横模，则方向性好，同时，同一模式内 的光波场是空间相干的；工作在多横模，则方向性 差，同时，不同模式内的光波场是空间非相干的。 ⑵工作物质的均匀程度、光腔类型、腔长、激励方 式、激光器的工作状态的影响 ⑶光衍射效应的影响 激光所能达到的最小光束发 散角不能小于激光通过输出 孔径时的衍射极限角。
1.22 m 2a 2a
2a：光腔输出孔径
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激光原理与应用：相干性和单色性
PART FOUR
激光具有高相干性，能够实现精确的干涉和测量 激光具有单色性，能够提供单一波长的光束，适合于各种光谱分析和科学研究 激光具有高亮度，能够实现远距离的传输和聚焦 激光具有高方向性，能够实现定向照射和精确控制光束的传播方向
成本高昂：激光器及其配件价格昂贵，增加了使用成本 稳定性问题：激光的相干性和单色性可能导致稳定性问题，需要精密的调整和维护 安全性问题：激光的强能量和高亮度可能对眼睛和皮肤造成伤害，需要采取安全措施 应用范围有限：虽然激光在某些领域具有广泛的应用，但在其他领域的应用仍然有限
汇报人：XXX
相干性的应用：在光学干涉测量、光学显微镜、全息成像等领域有广泛应用
定义：激光的单色性是指激光的频率宽度极窄，具有高度单一的波长。
产生原因：由于激光的谐振腔对不同波长的光具有不同的反射系数，使得只有某一特定波长 的光能够通过谐振腔并被放大，从而实现单色性。
应用：单色性使得激光在光谱分析、光学通信、医学诊断等领域具有广泛的应用。
XXX,a click to unlimited possibilities
汇报人：XXX
CONTENTS
PART ONE
PART TWO
相干性定义：描述光波在空间不同点上相位关系是否一致的物理量
相干性与干涉现象：相干性好的光波能够产生明显的干涉现象，相干性差的光波则难以观察到干涉现象 激光的相干性：由于激光的相干性好，因此能够产生明显的干涉现象，这是激光的一个重要特性
优势：单色性好，能够实现高精度、高分辨率的测量和成像。
PART 表面形貌等 光学通信：利用相干光进行信息传输，提高通信质量和稳定性 光学雷达：利用相干激光雷达进行距离、速度、角度等测量 光学成像：利用相干激光进行高分辨率、高对比度成像
1、激光的三个基本特点
1、激光的三个基本特点
激光是一种高度集中、强聚焦、高频率的电磁辐射波，因此具有以下三个基本特点：
1. 高强度：激光的光束具有高强度的能量，其光束可以聚焦到非常小的区域内，从
而能够产生极高的功率密度。
激光的光束经过聚焦后，能够将其能量集中到很小的空间内，实现高功率密度的能量输出。
由于激光具有高强度的能量，因此使用激光材料加工可以显
著提高加工效率。
2. 单色性：激光的光线是非常单色的光线。
激光通常只有一种波长，而且光的相位、频率、波长等参数非常稳定。
因此，激光可以非常有效地用于光学测量和光学通信等领域。
激光光线的单色性还使得它可以被用来制造光阀和光学传感器等设备。
3. 相干性：激光的光线具有相干性，即所有光的波向初始波的偏移是一致的。
这种
相干性可以使激光具有高质量的光学特性，能够保持高光强度和高能量密度。
激光使用中，其相干性可以使得激光干涉现象得到有效控制，从而实现了多种无线通信和高速网络通信
技术的开发应用。
总的来说，激光的三个基本特性，高强度、单色性和相干性，使其在许多现代科技领
域得到广泛应用，如制造业、医疗、军事、通信等领域。
简述激光的特性及应用领域
简述激光的特性及应用领域激光是一种由激光介质产生的具有高度定向性、单色性、相干性和高亮度的电磁辐射。
激光的特性和应用领域广泛，下面将分别进行详细描述。
激光的特性包括：1. 高度定向性：激光具有很高的定向性，其光束呈现出非常狭窄和集中的特点。
这种特性使激光可以在长距离传播过程中保持较小的光束扩散角度。
2. 单色性：激光是一种单色光，即具有非常窄的光谱线宽。
这是由于激光介质的能级结构决定的，激光产生的光具有很高的频率稳定性。
3. 相干性：激光的光波具有高度相干性，即激光光波上的任意两个点的光波相位关系是恒定的。
这种相干性使得激光可以形成稳定的干涉和衍射效应。
4. 高亮度：激光具有高亮度，即单位面积上的功率非常大。
激光因其高亮度可以在远距离进行传播而不容易衰减。
激光的应用领域有很广泛，包括但不限于以下几个方面：1. 医疗领域：激光在医疗领域中有着广泛的应用，如激光手术、激光治疗和激光检测等。
例如，激光可以用于皮肤病激光治疗、白内障手术和视网膜手术等。
2. 通信领域：激光被广泛应用于通信技术中的光纤通信和激光雷达等领域。
激光可以通过光纤进行信息传输，具有高速、远距离传输和抗干扰性强的特点，因此在通信领域有着重要的应用。
3. 制造加工领域：激光可以用于丝印、切割、焊接、打孔和表面处理等工艺。
例如，激光切割可以用于金属制品、塑料和玻璃切割等；激光焊接可以用于汽车制造、电子工业和航空航天等领域。
4. 科学研究领域：激光在科学研究领域中得到广泛应用。
例如，激光光谱学可以用于原子和分子结构研究；激光光谱学和激光干涉技术可以用于材料表征和光学实验等。
5. 军事应用领域：激光在军事领域有着重要的应用，如激光制导导弹和激光测距仪等。
激光制导导弹可以通过激光束进行精确瞄准和追踪目标，提高命中率；激光测距仪可以用于测量目标与观测者之间的距离。
6. 激光显示技术：激光在显示技术中被广泛应用，如激光投影仪和激光显示屏等。
激光投影仪可以产生高亮度、高对比度和高分辨率的投影效果；激光显示屏可以提供更鲜艳、更真实和更逼真的图像显示。
激光原理简答题整理
1.什么是光波模式？答：光波模式:在一个有鸿沟条件限制的空间内，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（以某一波矢为标记）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:在分歧的空间点上、在分歧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：相干光能发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，这种平衡必定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三大过程，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自己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整齐纷歧，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，各有分歧的偏振方向，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。
激光的特点及应用.
四、光学谐振腔 纵模与横模 激光器有两个反射镜， 它们构成一个光学谐振腔。射镜
光学谐振腔的作用： 1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）； 2.增强光放大作用（延长了工作物质）； 3.使激光具有极好的单色性（选频）。
A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。
爱因斯坦在 1９１７年从理论上得出
B21 = B12
A21
8 h3
C3
B12
爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上 获得激光奠定了理论基础。
没有实验家,理论家就会迷失方向。 没有理论家,实验家就会迟疑不决。
二、 粒子数反转 一. 为何要粒子数反转: 从E2 E1 自发辐射的光，可能引起 受激辐射过程，也可能引起吸收过程。
3 . 吸收:
N2 E2
h
N1 E1
上述外耒光也有可能被吸收，使原子 从E1E2。
单位体积中单位时间内因吸收外来光而从 E1E2 的原子数：
dN12 dt 吸
,TN1
收
写成等式
ddN1t2吸收 B12,TN1
B12 吸收系数
令 W12=Ｂ12 ( 、T)
dN12 dt 吸
W12N1
收
W12 单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。
激光测长、激光干涉、激光测流速、激光全息照象、 --------激光相干性极好
激光通讯、数据处理、--------超短脉冲激光 激光信息储存和光计算机：光计算机的运算速度可高达每秒百亿次.
三、激光的种类： 按工作物质分 固体（如红宝石Al2O3） 液体（如某些染料） 气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs）
激光原理复习提纲
激光原理复习提纲1、激光的基本特性：单色性好；方向性好；强度高；相干性好。
2、原子能级与简并度答：原子能级：电子在原子系统中运动时，可以处在一系列不同的壳层状态运动时，相应地有一系列分立的不连续的能量。
简并度：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,这样的能级叫做简并能级。
同一个能级所对应的不同电子运动状态的数目，叫作简并度。
3、热平衡时的能级粒子数分布答：4、能级的三个跃迁过程，特征和跃迁几率、爱因斯坦系数5、自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽、均匀增宽、非均匀增宽以及其影响因素6、产生激光的三个必要条件答：1.激励能源；2.亚稳态物质；3.光学谐振腔。
7、光学谐振腔的稳定条件，什么是稳定腔和非稳腔，什么是自再现模。
答：稳定腔：腔中任一束傍轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的谐振腔。
非稳腔：腔中任一束傍轴光线经过任意多次往返传播会逸出腔外的谐振腔。
自再现模：光束在谐振腔经过多次反射，光束的横向场分布趋于稳定，场分布在腔内往返传播一次后再现出来，反射只改变光的强度大小，而不改变光的强度分布。
8、能画出圆形镜、方形镜几个横模的光斑花样答：9、三能级系统和四能级系统，粒子的抽运跳跃过程，以及两者区别(P48)区别: 比起三能级系统来，四能级系统对光激励能量的要求就没那么高。
10、什么是粒子数反转？如何实现答:粒子数反转：把处于基态的原子大量激发到亚稳态E2，处于高能级E2的原子数就可以大大超过处于低能级E1的原子数，从而使之产生激光。
（1）、泵浦功率大，抽运速率必须足够快（2）、有亚稳态能级存在，且能级寿命长的好。
11、什么是增益？什么是小信号增益？什么是增益饱和答：光的放大叫做增益。
小信号增益是在入射光的光强很小时的增益。
增益饱和：当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随着光强的增大而减少。
12、什么是烧孔效应，什么是兰姆凹陷。
其产生机制是什么？答：增益系数在和处下降的现象称为增益系数的”烧孔效应”13、激光器的损耗有那些？是什么原因造成的答：内部损耗：在增益介质内部由于成分不均匀，粒子数密度不均匀，或者有缺陷，光波通过这样的节制时就会发生折射、散射，使部分光波偏离原来的传播方向，造成光能量的损耗。
第1章-激光的物理基础
k 2z q 2
k q z
x
结论
z
(jiélù
y
n)
➢ 不同(bù tónɡ)的光波模式以不同(bù tónɡ)的波矢k来区分
➢同一波矢k对应着两个(liǎnɡ ɡè)具有不同偏振方向的模
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15
第十五页，共76页。
2.空腔内的光波(guāngbō)模式数
设空腔为V xyz的立方体,则波矢k的三个分量 应满足条件:
在六维相空间， 子一 态个 所光 占的体积元为：
xyzP xPyP zh3
一个光子态对应间 的体 相积 空元称为相格
一个光子态所占的坐标空间体积为：
xyz
h3
PxPyPz
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3.光子(guāngzǐ)状态数
计算 V 内 空， 间 P 动 ~ 体 P d 量 P 积 区处 间于 的
2 h
2 kn 0
n0为光子运动方向(平面光波传播方向)上的单位矢量。
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(4)光子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)光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。因此大量光子的 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(méi yǒu)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。
其中(qízhōng)， 为 光程差
频率在 0
/2～ 0
某一考察点处干涉的强度为
/2的非单色光在空间(kōngjiān)
I2I01sinccos2c0
c
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激光的特性及其应用
2.单色性好
光波的单色性可表示为
谱宽度 中心波长
or
I0
I0 2
2
2
单色性最好的氪灯Kr86 Δ=4.7×10-3 nm
稳频He—Ne激光器
109nm
3.亮度高
激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使用锁模技术，可 产生10-14s的光脉冲。由于能量被集中在极短的时间 内发射出来，因此光功率极高。
B
P
A
4.相干性好
相干时间： c
Lc c
1
相干长度：Lc
c
干的
特制的氦氖激光器输出的光束，相干长度达2107km。氪 灯只有38.5cm。
地基激光炮 (USA)
ABL设想图
机载激光武器(ABL,USA)
舰载激光武器
舰载激光武器 辽宁舰
3.信息领域
激光信息处理：光存储(光盘),激光通信(或光纤通信)
电缆
光纤
卫星通信
4.医疗应用
最早的激光医疗应用：1961年12月在美国哥伦比亚长老会 医院用红宝石激光器进行了视网膜肿瘤治疗
激光制导炸弹
空地导弹
防空导弹
火箭弹
激光制导的优点：
1. 命中率高。经多次实验证明命中率可在97%。 2. 抗电磁干扰能力强。激光属于可见光，故不受电磁波干扰。 3. 制导系统体积小，重量轻、结构简单、造价低廉。
但是，激光制导也存在其缺点：主要是受天气影响较大。 大雨浓雾、扬尘(烟幕)使激光传输受限制难以正常工作。
二、激光的应用 1.工业领域
激光打孔
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下面做定量分析计算
s 01
2l s 0 s02
s1
d
s2
R
D
屏 P
只分别考虑从中央s0和边缘处 s01各自发出的光线在P点的光程差
0S2PS1P
0 1 S 0 S 2 1 S 2 P S 0 S 1 1 S 1 P
激光的单色性和时间相干性
一、（激）光的单色性 同一原子从E2跃迁至E1，发出频率为的光 实际上，光谱线总有一定的频率宽度 这是由于原子能级总有一定的宽度引起的
E2 E1
h
图示为一条光谱线的光强按频率的分布
I ( )
在不同的频率d内，光强是不同的，
用g()表示这种分布，则
I()dI0g()d
I0
2
若是理想单色光 M2移动半个波长，屏幕光强交替变化一次
当光谱线有一定宽度时（），会有什么影响呢？
考虑从 到 的每一波长的情况 画出边缘两波长2的光在屏幕出2的亮度随光程差的变化情况
2
2
当光程差达到某个数值max时，
波长为
2
的第K+1个强度峰值与波长为
个强度峰值将重叠在一起
在本教材中
x
s1 Lx
xLx
R
z
Ac L2x
2R 2 x 2
2R 2 As
s2 R
x R
Lx
Lx R
x2 As 2
只有从光源面积小于 2 发出的光，才能保证在 内的光
线具有相干性
光源的相干体积Vcs
VcsAsLc
2
c
c3
2
2
光子观点 PxPyP h
xyz h3 PxPyPz
2l s 0 s02
s1
d
s2
R
D
屏
P
当2l逐渐增大时，可以看到屏
上的明暗条纹逐渐模糊起来
当2l增大到一定程度时，屏上 的明暗条纹将模糊到完全分不清 了。即观察不到干涉现象。
当狭缝宽度2l较大时，应分别 考虑从下分中央s0到至边缘各点 各自发出的光线。
每一点发出的光都会在屏幕上因干涉形成一套明暗条纹
S0S 12S0S 1 10
由几何关系，有
S01S2 2
R2dl2 2
S01S1 2
R2dl2 2
二式相减，得 S 0 S 2 2 1 S 0 S 1 2 1 S 0 S 2 1 S 0 S 1 1 S 0 S 2 1 S 0 S 1 1
所以
S01S2S01S1lRd
2
的第K
从此以后，光程差再增加屏幕处则不能观察到合成强度的明暗 交替现象了。
因此，波长宽度为的光能够在屏幕形成合成强度明暗交
替的条件是： ma xK1 2 K 2
max 称为最大光程差
因为 由上式得
K
max
2
max
2
可见，光谱线波长一定时，其越窄，max越长
2 R S 0 S 2 1 S 0 S 1 1 2ld
即
0
10
ld R
由于01比0多了一个恒定的光程差，所以从这两点发出的
光在屏上的条纹相互错开
s 01
2l s 0 s02
s1
d
s2
屏 P
0
10
ld R
可以看出，当满足 ld
R2
这两套条纹才不至于明暗重叠
换句话说，当狭缝的宽度2l曾大到
R
D
I()d
0
0I0g()dI0
g()d
0
所以g()应满足
0 g()d 1
g()是以频率为横坐标，光的相对强度为纵坐标，来描述光 谱线的，成为光谱线的线型函数
光谱线的频率宽度
g( )
g( 0 )
1 2
g
(
0
)
21
c
d c d 2
d d
d d
1 0 2
, 越窄，光的单色性就越好
普通光源中，氪同位素86（Kr86）灯发出波长=605.7nm的
得
2 l2
此式表明，入射光一定时
若张角2=d/R固定，则狭缝宽度2l必小于/2，才能在屏处
观察到干涉条纹
若缝宽2l固定，则张角2必小于/2l，才能在屏处观察到干
涉条纹
光的这种相干性，称为空间相干性
相干面积
s 01
2l s 0 s02
s1
d
s2
屏 P
0
10
ld R
ld R2
当满足
z
d R
2l
在屏上才能产生干涉条纹
将该装置绕z轴旋转90，实验结果不变
R
D
可引入相干面积Ac
Ac d2
2R 2
2l 2
2R 2 As
As 光源面积
由光源面积As内各点所发出的光，经过与光源相距R后，并于光
源垂直的两点，如果这两点在Ac内，则通过这两点的光是想干的
光的空间相干性：指的是垂直光传播方向的截面上的空间相干 性，是由相干面积来描述的
c
h3
h
2
h
c c
Pz P
Pz
h
c
c3
2
2
光源的相干体积Vcs
VcsAsLc
2
c
c3
22
xyz h3 PxPyPz
h
h3
2
h
c c
c3
2
2
相格的空间体积和光源的相干体积相等 --------属于同一光子态的光子是相干的
（1）相格的空间体积、光波模或光子态所占有的空间体积，都等 于相干体积
过不同的路程相遇，将能产生干涉。Biblioteka 光的这种相干性，称为时间相干性
三、激光的空间相干性
从面积为A的光源发出的，并且通过与光源相距R且与传播 方向垂直的面上相距不超过d的两点的光，在空间再度会合时， 如能发生干涉，则称空间这两点的光具有空间相干性
屏
A d
s1
P
s
d
s2
R
讨论狭缝宽度对干涉的影响
s 01
对Kr86 0.000n4m7 60.75 nm max有限
对HeNe Laser 10 8nm 63.82 nmmax达数公里
相干长度和相干时间
进一步讨论最大光程差max的物理意义
在迈克尔逊干涉仪中，当光程差一旦超过max，这两光
束就不再相干了
因此，max也称为相干长度，记为max=Lc
光通过相干长度所需要的时间称为相干时间，记c
（2）同一状态的光子、或是同一模式的光波是相干的
光子简并度 n 同态光子的数目
-------同一模式内的光子数，相干体积内的光子数，同一相格 内的光子数
光谱线的单色性最好 0.000n4m7
单模稳频氦氖激光器发出=632.8nm的光谱线 10 8nm
二、激光的时间相干性
若同一光源在不同时刻发出的光在空间会合后能发生干涉，
则称这两部分光具有时间相干性，这两时刻之差c称相干时间
结合迈克尔逊干涉仪分析
M2 反射镜 1 M1
单 色
G1 G2
光
源
M2
反 射 镜
c
Lc c
因为 maxLc cc 2
则
cc
c
cc
c
c 1
表明，光谱线的频率宽度越窄，相干时间就越长
在迈克尔孙干涉仪中，两束光线的光程差为，这相当于两 光束是由同一光源在不同时刻t1和t2先后发出的
若 Lc，则 t2 - t1 c ，这两束光就是相干的。
所以，由同一个光源在相干时间c内不同时刻发出的光，经
2l R 时，屏上将变成一片模糊
d
将 ld
R2
s1
x
改写为 2ld
R
并记 2lx d Lx
则有 xLx
Lx
R
z
（本教材直接给出的条件）
s2 R
s 01
2l s 0 s02
s1
d
s2
R
D
屏 P
0
10
ld R
ld R2
如果记 s1s0s22
由于2很小，有
2 d l
代入 ld
R2