激光的理论基础讲解
激光产生的原理
二、激光产生的三要素 从图上可以看出，凡非腔轴方向的自发辐射，尽管它也可以诱 发激发态上的粒子产生光放大，但因介质体积有限，腔侧面又 是敞开的，终将逸出腔外。所以，产生激光的作用不大。唯独 沿腔轴方向的自发辐射才起作用。每当它碰到镜面时，便被反 射沿原路折回，又重新通过介质不断诱发激发态上的粒子产生 受激辐射光放大。由于受激辐射光在腔镜间往返运行，介质被 反复利用，腔轴方向受激辐射光就越来越强。其中一部分从部 分反射镜端射出，这就是激光；
量级，而高功率钕[nǚ]玻璃激光则比太阳亮16个数量级。 2、方向性好
激光的方向性很好，它能传播很远距离而扩散面积很小， 接近于理想的平行光 3、单色性好
激光为单色光，它的发光光谱宽度，比氪灯的光谱宽度窄 几个数量级。
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二、激光的特点 正是由于激光的上述三个特殊优点，人们把它用于焊接之
中，聚焦后在焦点上的功率密度可高达106～1012W/cm2，比寻 常的焊接 热源高几个数量级，成为一种十分理想的焊接热源。
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一、激光产生的基本理论
跃迁。发出或吸收的光的频率满足普朗克公式（hv=E2-E1，h为 普朗克常数6.626×10-34J·s，v为光的频率，E2和E1分别为高 能级和低能级的能量）。
2、自发辐射、受激吸收和受激辐射 由于物质有趋于最低能量的本能，处于高能级E2上的
原子总是要自发跃迁到低能级E1上去，如果跃迁中发出光子， 这个过程称为自发辐射。处于低能级E1上的原子，吸收外来 能量后跃迁到E2上，则称之为受激吸收。
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Байду номын сангаас
思考与练习
1、激光产生的三要素是什么？ 2、受激辐射过程中外来光子的频率应满足什么关系式？ 3、受激辐射和自发辐射有本质的区别？ 4、激光器的激励源——光泵作用是什么？ 5、是不是任何物质都可以作为激光的工作物质？只有具备什么
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。
激光美容基本理论
一个理想的激光波长要符合以下3个点： 1、与靶色基的吸收峰尽可能匹配 2、来自其他色基的竞争性吸收尽可能要少 3、有足够的穿透深度
治疗色素增生性皮肤病的调Q红宝石激光（波长694nm）比较好地符合了 上述几点。在这一波长下来自氧合血红蛋白的竞争性吸收就很少，而 该波长既能较好地成为成熟黑素小体吸收，又有一定的穿透深度。
前者是指 光子被吸收后激活了生物分子，被激活的生物分子与周围 其他分子不断碰撞并使其获得振动能和转动能； 后者是指 偶极分子（主要是水分子）吸收了红外光光子后，光能直接 转化为该分子的振动能和转动能。这两种方式均可导致皮肤组织温度 升高，热效应产生。
（2）热弥散： 热效应产生的同时，热弥散即已经开始。通过
A
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• 黑色素：显微爆破 • 血管内皮：凝固坏死/变性 • 毛囊组织：凝固性坏死/变性 • 胶原组织与纤维母细胞：皮肤年轻化
A
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长、短波长所携带相同的光能量时 • 短波长、高频率、高能量 • 长波长、低频率、低能量 • 短波穿透较浅、长波穿透较深（在一定范
围内） • 短波光子携带的能量高，治疗较强烈 • 长波光子携带的能量高，治疗较强烈
20世纪90年代进入——脉冲激光年代（美容激光）
A
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光盘存储器原理—激光刻蚀与读出
A
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激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）
A
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激光控制核聚变
A
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天文台（激光导航星）
来自纳层 的反射光 （高度约 100km)
最大高度 约35km
来自空气 分子的 Rayleigh光
A
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激光测距与激光雷达
激光知识点归纳总结
激光知识点归纳总结一、激光的基本概念1. 激光的定义：激光是指一种纯准直性极好的光线，其光子是高度同步的单色光子。
2. 激光的产生：激光是由受激发射产生的，利用三能级或四能级的原子，分子或离子系统，通过外加能量使体系转移到激发态，再利用其辐射产生激光光子。
3. 激光的特性：激光具有单色性、准直性、明暗对比度高、相干性强等特点。
4. 激光的种类：激光可以分为气体激光器、固体激光器、液体激光器和半导体激光器等。
二、激光的基本原理1. 激光的受激辐射：当原子、分子或离子处于激发态时，通过外界刺激的辐射能引起它们从激发态向稳态跃迁，再发出与外界激发辐射相同特性的电磁波，即受激辐射。
2. 激光的稳态条件：产生激光需要满足稳态条件，即发射和吸收的粒子数要平衡，从而实现能量的持续放大和稳定输出。
3. 激光的放大作用：在激光器内，通过激发态原子、分子或离子吸收外界光子能量，使它们跃迁到更高激发态，从而放大光子，产生激光。
4. 激光的光学谐振腔：激光器内部常常设置光学谐振腔，用来反射和增强激光，从而实现激光的输出。
三、激光的应用领域1. 激光测距与测速：激光雷达通过测量反射光的飞行时间来实现测距，同时通过多普勒效应测速。
2. 激光材料加工：激光可用于金属切割、焊接、打孔等材料加工过程。
3. 激光医学应用：激光可用于眼科手术、皮肤治疗、激光治疗仪等医疗设备。
4. 激光通讯：激光可以传输更大带宽、更高速率的信息，用于通讯领域。
5. 激光导航：激光雷达可用于无人飞行器、自动驾驶汽车等导航系统。
6. 激光防御：激光武器可用于导弹防御、激光束武器等领域。
四、激光器的分类1. 气体激光器：以气体为工作物质的激光器，常见的包括二氧化碳激光器、氦氖激光器等。
2. 固体激光器：以固体为工作物质的激光器，常见的包括Nd:YAG激光器、激光二极管等。
3. 半导体激光器：以半导体为工作物质的激光器，可用于激光打印机、光纤通信等领域。
4. 液体激光器：以液体为工作物质的激光器，常见的包括染料激光器等。
第一章 激光的基本原理及其特性
1913年波尔提出了原子中电子运动状态量子化假设。
1917年爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体
辐射的普朗克公式，在推导中提出了两个极为重要地概
念：受激辐射和自发辐射。
（第一章）
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
原子的能级
• 基态
激发态
电子只能处于分立的能级，电磁辐射与物质的相互作用将 导致物质中电子能级的变化，当吸收或辐射能量时，可在 特 定的能级间跃迁；该能量为这两个能级的能量差，并且 该能量差唯一地决定了电磁辐射的频率： ∆Ed t 0
受激跃迁几 率
（第一章）
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
受激吸收的特点
原子的受激吸收几率与外界辐射场的频率有关 原子的受激吸收几率与受激爱因斯坦系数有关 原子的受激吸收几率与外来光辐射能量密度有关
（第一章）
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
光的受激辐射
入射光
h E 2 E 1
(t ) N u 0 e 1 Au 1 1
N u 0e
t
u
u u
Au i
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
自发辐射的特点
原子的自发辐射与原子的本身性质有关，与外界 辐射场无关 自发辐射的随机性，自发辐射光的相位、偏振态 和传播方向杂乱无章
光源发出的光的单色性、定向性很差。没有确定 的偏振状态。
原子数按能级分布
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:
N2 N1
e
( E 2 E1 ) kT
高 能 级 低 能 级
物理与电子工程学院
激光原理简介-精品
激光发展历史
5、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。 6、1966年研制成了固体锁模激光器获得了超短脉冲。 7、1967年研制成了Ｘ射线激光器。 8、1970年研制成了准分子激光器。 9、1977年研制成了红外波段的自由电子激光器（FEL） 10、1984年研制出光孤子激光器（SL） 11、1961年8月，中国第一台红宝石激光器问世。中国科学 院长春光学精密机械研究所研制成功。 12、1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统——神光装置 ，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功。 神光I、神光II、神光III
A.M.Prokhorov
The Nobel Prize in Physics 1964
N.G.Basov
汤斯1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微 波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几乎同时在量子电子学的基 础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以上工作 导致了激光器的发明。
激光发展历史
02
激光器基本原理
03 激光器的应用及前景
激光发展历史
LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) ——辐射的受激发射的光放大
激光是20世纪 的四项重大的 发明之一
C.H.Townes
E2 .. .. . N2
E1 。。。。E。2。。。。。E。。1。N1
E2 ............. N2
E1 。E。2。。 E。1 N1
粒子数的正常分布
粒子数反转分布
激光器基本原理
从外界输入能量（如光照,放电等） , 把低能级 上的原子激发到高能级上去, 这个过程叫做激励（也 叫泵浦-pump）.
激光的理论基础
激光的理论基础
激光是一种特殊的光，按其特征可以分为多个类别。
它具有相同频率和向量方向的电
磁辐射，可以把复杂的电场双极转换为光场双极，其振荡频率在可视光到红外光之间，占
据辐射场中的特定频率范围，而光束具有较高的能量强度和一致性。
激光技术，是根据半
导体激光器的发展，此技术可以主要应用于可视光投射、仪器仪表、打印机以及生物医学
等领域。
激光的理论基础是光学和量子电动力学。
归纳起来概括可有四个基本要素：一是光调
制系统，将复杂的电场双极转换为光场双极，例如准直镜的一种折射或反射；二是能量放
大系统，由多个放大管或激光晶体组成，以把中微量的能量大量地放大输出；三是光学系统，由反射镜、透镜等元件组成，调整激光束的方向；四是量子电动力学，研究电态到光
态的转换，形成基本的激光源。
因此，各种光学和量子电动力学的理论与实验及各种光学
器件的应用，是激光的理论基础。
同时，激光有多个理论模型，基本上可以分为非平衡模型、直接激发模型、激光器模型、激光共振腔模型及衍射激光模型五种。
其中，非平衡模型和激光器模型是最常用的理
论模型。
它们分别涉及物理系统非平衡状态和物理激光器两个大的研究问题。
激光的理论基础，即模型理论基础和实验理论基础。
模型理论基础是指上述激光的理
论模型，实验理论基础是指实验研究、探讨激光的特性及其现象的理论基础。
结合上述理
论和实验，可以剖析激光的特性和表现，从而更有效地发挥激光的性能，应用到实践中去。
《激光》 讲义
《激光》讲义一、激光的定义与原理激光，这个在现代科技中频繁出现的词汇，对于很多人来说或许既熟悉又神秘。
那么，究竟什么是激光呢？简单来说，激光（Laser）是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的缩写，意思是“通过受激辐射实现光放大”。
其工作原理基于量子力学的概念。
在普通光源中，比如灯泡，光是由大量原子或分子自发地发射出来的，这些光子的发射方向、频率和相位都是随机的，这就导致了光的分散和不集中。
而激光的产生则是一个受控的、高度有序的过程。
首先，有一个增益介质，比如气体（如氦氖气体）、固体（如红宝石、钕玻璃）或半导体。
在增益介质中，存在着大量处于不同能级的原子或分子。
当外界提供能量（例如通过电流、光照射等方式）时，一些原子或分子会被激发到较高的能级，形成所谓的“粒子数反转”状态。
处于这种状态下的原子或分子，当受到一个特定频率和相位的光子激发时，会产生一个与激发光子完全相同的光子，这就是受激辐射过程。
这两个光子不仅频率、相位相同，而且方向也完全一致。
通过在增益介质两端放置反射镜，形成一个光学谐振腔，使得受激辐射产生的光子在腔内来回反射，不断激发更多的原子或分子产生受激辐射，从而实现光的放大。
最终，当光强达到一定程度时，从其中一个反射镜部分透射出去，形成一束高强度、高方向性、高单色性和高相干性的激光束。
二、激光的特点激光具有许多独特的特点，使其在众多领域得到了广泛的应用。
1、高方向性激光束的发散角非常小，可以近似看作是平行光。
这使得激光能够在长距离传输后仍然保持较小的光斑尺寸，从而实现精确的能量传递和信息传输。
例如，在激光测距中，激光可以照射到很远的目标，并通过测量光的往返时间来精确计算距离。
2、高单色性激光的波长非常单一，即颜色非常纯。
这使得激光在光谱分析、医学诊断和通信等领域具有重要的应用价值。
比如在医学领域，特定波长的激光可以被血红蛋白吸收，从而用于治疗血管病变。
《激光基础知识》课件
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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。
激光基础--详解
像束或点阵激光器
技术参数:波长2940/10600/1550/1440nm,微孔直径50200um
作用原理:局灶性光热作用原理，可在皮肤上作用数个微 孔，微孔之间是正常皮肤，激发皮肤修复机制使真皮产 生更多新的胶原并重组，起到除皱紧肤效果，磨削类波 长激光还有气化剥脱作用，故而可用于疤痕的治疗。 适应于： 细小皱纹、紧肤、全面部改善、痤疮疤痕、外 伤疤痕。
吸收
激光的能量进入皮肤组织并转化为其他形式的能量，如 热能、化学能等； 只有当激光被吸收时才能产生生物学效应； 激光主要被皮肤中的色素基团所吸收； 皮肤中主要的色基是黑素、血红蛋白和水；
激光对皮肤组织的生物学效应
热效应
是指激光被吸收后转化为热能，使皮肤组织温度升高， 这是激光对皮肤最重要的生物学效应，很多激光都是 透过热效应来达到临床疗效的。 热产生的方式：主要是通过碰撞生热和吸收生热两种 方式来实现的。这两种方式均可导致皮肤组织温度升 高，热效应产生。
常用激光术语
光斑大小：mm，激光在正常聚焦状态下的照射范围； 功率：w，激光在单位时间内输出的能量； 色基：组织中能吸收一定波长光的生物分子，皮肤中最重 要的色基为血红蛋白、黑素、水; 热弛豫时间 ：指色基吸收激光能量后，温度下降50％所 需要的时间，一般而言，色基体积或直径越大，热弛豫时 间越长; 重复频率：脉冲激光单位时间内的脉冲数目。
激励能源
全反射镜
工作物质
激光输出 部分反射镜
光学谐振腔
L
4.1激光物理的各种基本理论
3、缺陷：数学处理也复杂。理论上还掩盖了光场的量子特性， 无法解释自发辐射的产生、线宽极限、振荡过程的量子起伏效 应(噪声和相干性)等。
四、速率方程理论——量子理论的简化形式
1、处理方法：从光子(即量子化的辐射场)与物质原子的相 互作用出发的。但是，忽略了光子的相位特性和光子数的 起伏特性。
2、作用和优势：简明性而诱人。能给出激光的强度特性。 对于烧孔效应、兰姆凹陷、多模竞争等，能给出粗略的近似 描述。
(4) 描述：平均碰撞时间 —统计方法
(5) 碰撞加宽线型函数
碰撞线宽
L 1
~ g L ,0
L 2 2 2 0 L 2
L
L 碰撞时间间隔一个原子与其它原子发生碰撞的平均时间间
隔-描述碰撞的频繁程度
在气压不太高时， 碰 撞线宽与气压成正比 例子：CO2 ： He3:Ne20(7:1)
结果：不会使激发态原子减少，却会使自发辐射波列 相位发生突变，波列长度，等效于激发态寿命 。
b、非弹性碰撞 无 辐射跃迁
激发态原子与其他原子或器壁碰掩使内能转换 为其他原子或器壁的动能，而自己回到基态。 结果：使激发态原子减少， 也使激发态寿命 。
(3) 结果：使激发态寿命 ，从而谱线加宽。
mv z2 / 2 KT e dvz
12
单位体积内,某能级上z向速度 分量在vz~vz+dvz的原子数。 n(v z )单位体积内,某能级上，z向 速度分量为vz附近，单位速度间 隔内内的原子数。
总原子数密度
n(vz)
n(vz)dvz
dvz 0 vz
m mv z2 / 2 KT dvz e E2能级上： n2 vz dvz n2 2KT
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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激光的理论基础
直到二十世纪初，人们才在实验的基础上揭开了原子结构的奥秘。
原子结构像是一个小小的太阳系，中间是原子核，电子围绕原子核不停地旋转，同时也不停地自转。
原子核集中了原子的绝大部分质量，但却只占有很小的空间。
原子核带正电，电子带负电，一般原子核与电子所携带的正负电荷数量相等，因此对外呈中性。
电子绕核旋转具有一定的动能，同时负电荷的电子与正电荷的原子核之间存在着一定的位能。
所有电子的动能与位能之和就是整个原
直到二十世纪初，人们才在实验的基础上揭开了原子结构的奥秘。
原子结构像是一个小小的太阳系，中间是原子核，电子围绕原子核不停地旋转，同时也不停地自转。
原子核集中了原子的绝大部分质量，但却只占有很小的空间。
原子核带正电，电子带负电，一般原子核与电子所携带的正负电荷数量相等，因此对外呈中性。
电子绕核旋转具有一定的动能，同时负电荷的电子与正电荷的原子核之间存在着一定的位能。
所有电子的动能与位能之和就是整个原子的能量，称为原子的内能。
这种原子模型是1911年由英国科学家卢瑟福提出的。
紧接着，1913年，丹麦物理学家玻尔提出了原子只能处于由不连续能级表征的一系列状态——定态上，这与宏观世界中的情况大不相同。
人造卫星绕地球旋转时，可以位于任意的轨道上，也就是说可具有任意的连续变化的能量。
而电子在绕核运动时，却只能处于某些特定的轨道上。
从而原子的内能不能连续的改变，而是一级一级分开的，这样的级就称为原子的能级。
不同的原子具有不同的能级结构。
一个原子中最低的能级称为基态，其余的称为高能态，或激发态。
原子从高能态E2过渡到低能态E1时，会向外发射某个频率为ν的辐射，满足普朗克公式：hv = E1 - E2
式中h为普朗克常数。
反之，该原子吸收频率为ν的辐射时，就会从低能态E1过渡到高能态E2。
爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表《关于辐射的量子理论》。
文章提出了激光辐射理论，而这正是激光理论的核心基础。
因此爱因斯坦被认为是激光理论之父。
在这篇论文中，爱因斯坦区分了三种过程：受激吸收、自发辐射、受激辐射。
前两个概念是已为人所知的。
受激吸收就是处于低能态的原子吸收外界辐射而跃迁到高能态；自发辐射是指高能态的原子自发地辐射出光子并迁移至低能态。
这种辐射的特点是每一个原子的跃迁是自发的、独立进行的，其过程全无外界的影响，彼此之间也没有关系。
因此它们发出的光子的状态是各不相同的。
这样的光相干性差，方向散乱，而受激辐射则相反。
它是指处于高能级的原子在光子的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。
这好比清晨公鸡打鸣，一个公鸡叫起来，其他的公鸡受到“刺激”也会发出同样的声音。
受激辐射的最大特
点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。
它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。
这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。
这意味着光被加强了，或者说光被放大了。
这正是产生激光的基本过程。
爱因斯坦的理论在当初只是为了解决黑体辐射问题而提出的假设。
但是几十年后却成了打开激光宝库的金钥匙。
那么，激光是怎样产生的？在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处于低能级。
而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也可能被低能级的原子吸收而造成受激吸收。
因此，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。
如果想获得越来越强的光，也就是说产生越来越多的光子，就必须要使受激辐射产生的光子多于受激吸收所吸收的光子。
怎样才能做到这一点呢？我们知道，光子对于高低能级的光子是一视同仁的。
在光子作用下，高能级原子产生受激辐射的机会和低能级的原子产生受激吸收的机会是相同的。
这样，是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原子数量之比。
若位于高能级的原子远远多于位于低能级的原子，我们就得到被高度放大的光。
但是，在通常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分布率。
因此，位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。
在这种情况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。
所谓非热平衡体系，是指热运动并没有达到平衡、整个体系不存在一个恒定温度的原子体系。
这种体系的原子数目按能级的分布不服从玻尔兹曼分布率，位于高能级上的原子数目有可能大于位于低能级上的原子数目。
这种状态称为“粒子数反转”。
如何才能达到粒子数反转状态呢?这需要利用激活媒质。
所谓激活媒质(也称为放大媒质或放大介质），就是可以使某两个能级间呈现粒子数反转的物质。
它可以是气体，也可以是固体或液体。
用二能级的系统来做激活媒质实现粒子数反转是不可能的。
要想获得粒子数反转，必须使用多能级系统。
在现代的激光器中，第一台激光器红宝石激光器是三能级系统，也有一些激光器采用了四能级系统，如钕玻璃激光器。
（编辑：文静）。