激光产生的充分条件讲解
光学经典理论激光光学的几个重要原理
光学经典理论激光光学的几个重要原理激光是光学研究十分重要的一个方向，今天为大家整理了一些关于激光光学的几个重要原理，相信很多的朋友们应该会喜欢，可以收藏一下。
激光的产生说到激光的产生就要先从原子结构说起。
卢瑟福通过α粒子散射实验得出了原子的行星模型，依照公认的电动力学法则，绕核运动的电子将连续发光，并因能量损耗终将崩溃落人核内，这与观察到的分立光谱线并不一致。
女人上了年纪，改如何保养？广告为了解决这一矛盾，1913年，玻尔提出了两点假没：第一点假设认为，电子只能在某些确定的轨道上运动，这就是所谓的“定态”，电子只要停留在这些态中的任何一个，它就不会发光；第二点假设认为只有当电子从一个较高能量的定态跃迁到一较低能量的定态时，辐射才从原子中放出，放出的辐射能量等于两定态能量的差值，通过一个类似的逆过程，原子能够吸收一个辐射量子，使得一个电子跃迁到较高能量的定态。
玻尔原子理论解决了原子的稳定性问题，以及光谱规律与原子结构的本质联系问题展开剩余97%原子发光的机理原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级，称之为原子跃迁。
爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。
自发辐射与受激辐射当外来光子的频率满足hv=E2-E1时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。
受激辐射光子与入射光子属于同一光子态（或光波模式），具有相同的频率、相位、波矢、偏振。
——自发辐射系数——受激辐射系数受激吸收——受激吸收系数受激辐射与受激吸收的矛盾受激辐射使光子数增多，受激吸收使光子数减少。
受激辐射与自发辐射的矛盾要克服上述矛盾就需要粒子数反转。
受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强，获得光放大。
激光的产生条件：1、增益介质：激光的产生必须选择合适的工作物质，可以是气体、液体、固体。
在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。
激光的产生与特点
激光的产生与特点一、激光的产生激光的英文名字Laser，所以又称镭射，是受激辐射引起的光放大。
1.三种光辐射过程（1）自发辐射是指高能态粒子自发地向低能态跃迁。
（2）受激辐射是指高能态粒子在外来光子的激发下向低态跃迁。
（3）受激吸收是指低能态粒子吸收外来光子能量向高能态跃迁。
在激光器中是受激辐射，即高能态粒子在外来光子激发下向低能态跃迁，其频率、相位、偏振状态与外来光子相同。
只有受激辐射占优势时，外来光放大以后，才能发出激光，如高能态粒子数为N2，大于低能态粒子数N，时（即N，>N，时），才能把外来光放大，发出激光。
2.必要条件和充分条件产生激光的必要条件是要有使低能态粒子跃迁的激励过程，又称泵浦过程。
产生激光的充分条件是要有小损耗的谐振腔。
3.产生激光的三个条件1）实现粒子数反转。
2）满足阈值条件。
3）满足谐振条件。
泵浦过程实现了粒子数的反转，谐振腔内的两个反射镜，使受激辐射光在其中来回反射，满足阈值条件后发出激光。
二、激光的特点激光是以受激辐射的光放大为基础的发光现象，用以自身辐射为基础的光源相比，具有单色性好、方向性好、亮度高以及相干性好等特点。
1.单色性好对于单色性，有如下几点说明：1）单色光的波长范围很小，谱线宽度窄，所以，波长范围很小的辐射，谱线宽度越窄的光，其单色性越好。
2）激光是受激辐射，谐振腔有选频作用，所以输出光的谱线宽度很小，因而能具有好的单色性。
3）单色性好的光越易于调制，因而在光通信中得到广泛的应用。
2.方向性好用光的发散角来描写方向性，发散角小，方向性好。
激光的发散角可达10弧度，所以方向性非常好。
3.亮度高高度是指单位面积的光源在给定方向上单位立体角范围内发出的辐射功率。
有书记载：激光可达104W，比太阳的亮度还高出上千亿倍。
4.相干性好相干性是指两束光能够发生干涉，形成明暗相间干涉图缘的特性。
激光是完全相干的，接近电磁波。
所以在光通信、全息摄影、精密测量中得到广泛应用。
q激光的原理
q激光的原理
激光的原理是通过受激辐射实现的。
激光是由一束相干光组成的，而相干光是指具有相同频率、相位和方向的光波。
激光的产生基于受激辐射现象，受激辐射是指一个光子与已经存在的一个处于激发状态的原子或分子相互作用后，使该原子或分子从激发态跃迁到基态，并放出一个与原光子具有相同频率、相同方向和相同相位的新光子。
激光的发射是通过三个过程实现的：吸收、激发和辐射。
首先，外部能量的输入被吸收，使得光源中的原子或分子激发到激发态。
然后，在光源中激发态的原子或分子受到外界的激励，使它们跃迁回基态，释放出一个光子。
最后，释放出的光子经过增强，与已经存在的光子相互作用，进一步产生更多的受激辐射，形成一个强大的激光束。
激光的增强过程是通过光源中的增强器实现的。
增强器通常是由具有光放大特性的物质构成的。
在增强器中，光子与激发态的原子或分子相互作用，导致受激辐射现象发生。
这样，激光在增强器中不断增强，从而形成了一束强大的激光束。
激光的性质与其相干性、单色性、方向性和高强度密切相关。
激光具有高度的相干性，光波的相位关系非常稳定，使得激光束能够保持在一个狭窄的光束中传播。
激光也具有很高的单色性，只包含非常狭窄的频率范围内的光波。
此外，激光束具有很强的方向性，即能量被高度集中在一个狭窄的角度范围内。
最后，激光的强度非常高，激光束能够携带大量的能量，并且
在很短的距离内保持高强度。
综上所述，激光的原理是利用受激辐射现象，在特定的条件下产生一束相干、单色、方向性和高强度的光波。
激光器件作业部分答案
《激光器件》作业（1）1.说明激光产生的必要和充分条件。
简述激光器的基本组成部分及其功能。
激光器基本构成：1)工作物质：激光器的核心。
谱线波段，增益，结构形态。
2)泵浦源：电、光、热、化学能、核能激励。
激光电源，控制电路，能量转换效率。
3)光学谐振腔：为激光振荡建立提供正反馈；其参数影响输出激光束的质量。
稳定性，模式；镜片加工和镀膜工艺，调整精度4)辅助设施：散热系统，滤光设施。
调Q ，锁模，稳频，选模，放大。
产生激光的必要条件——粒子数反转：受激辐射要得到放大，必须辐射作用大于吸收作用。
要求上能级的粒子数大于下能级粒子数. 理想能级结构：上能级：亚稳态（长寿命），粒子数积累。
下能级：尽量清空。
产生激光的充分条件——阈值条件：激活介质的增益不小于损耗，才能产生激光振荡。
21G R ≥2. 判断谐振腔的稳定性(单位:mm) (1)R1=90, R2=40, L=100 (2)R1=20, R2=10, L=45 (3) R1=-40, R2=75, L=60 (4) R1=∞, R2=-10, L=501、稳定腔——傍轴光线在腔内任意多次往返不会横向逸出腔外 ()2211211,1101211R L g R L g g g D A -=-=<<<+<-其中或2、非稳腔——傍轴光线在腔内有限次往返必然从侧面溢出腔外 ()()121012112121-<+<>+>D A g g D A g g 即或即3.某稳定腔两面反射镜的曲率半径分别R1=-1.25m 及 R2=1.6m 。
(1)这是哪一类型谐振腔?(2)试确定腔长L 的可能取值范围, 并作出谐振腔的简单示意图。
凹凸镜；|g 1g 2|<14、画出下图所示谐振腔的等效透镜光路，并写出往返矩阵。
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛000000211110111011011101θθθθr T r D C B A r L f L f r注意：相乘时要反序乘；5. 某CO 2激光器采用平凹腔，L=50cm ，R=2m ，2a=1cm ，λ=10.6μm 。
光电子技术作业解答
赖老师的课到期中考试为止一共有9次作业，依次分别由冯成坤、饶文涛、黄善津、刘明凯、郑致远、黄瑜、陈奕峰、周维鸥和陆锦洪同学整理，谨此致谢！作业一：1、桌上有一本书，书与灯至桌面垂直线的垂足相距半米。
若灯泡可上下移动，灯在桌上面多高时，书上照度最大？（假设 灯的发光强度各向通性，为I0） 解：设书的面积为dA ，则根据照度的定义公式：dAd I dA d E 0Ω==φ （1）其中Ωd 为上图所示的立体角。
因而有：2/32222)h (L hdA h L cos dA d +⋅=+⋅=Ωθ （2） 将（2）式代入（1）式得到：2/3220)h (L hI E += （3） 为求最大照度，对（3）式求导并令其等于零，0dhdE= 计算得：m 221h =因而，当高度为m 221时书上的照度最大。
2、设He-Ne 激光器中放电管直径为1mm ，发出波长为6328埃的激光束，全发散角为θ=10-3rad ，辐射通量为3mW ，视见函数取 V(6328)=0.24，求： （1）光通量，发光强度，沿轴线方向的亮度？（2）离激光器10米远处观察屏上照明区中心的照度？（3）若人眼只宜看一熙提的亮度，保护眼镜的透射系数应为多少？ 解：（1）光通量：lm 49.010324.0638V K 3m v =⨯⨯⨯=Φ⋅⋅=Φ-θ 发光强度：cd 1024.64d d I 52vv ⨯≈Φ=ΩΦ=θπ 亮度：211235m /cd 1059.7)10(41024.6dAcos dI L ⨯≈⨯⨯==-πθ轴（2）由题意知，10米远处的照明区域直径为： m 101010L D 23--=⨯=⋅=θ从而照度为：lx 9.6238)10(4149.0D 4E 222v=⨯⨯=Φ=-ππ（3）透射率：81141026.11095.710L 1T -⨯≈⨯==轴（熙提）作业二1、说明蓝色火焰与黄色火焰的色温谁高，为什么？ 答：色温是用黑体的温度来标度普通热辐射源的温度。
激光输出的三个必要条件
激光输出的三个必要条件激光输出作为激光器的关键指标之一，是指激光系统输出的激光的功率、波长、光束发散角等参数。
而想要得到高质量的激光输出，必须满足以下三个必要条件：1.高效的激光激发激光器的激发过程是激光输出的基础，而使用高效激发方式能够提高激发效率，进而增强激光输出功率。
目前广泛应用的激发方式有光学、电子和化学三种。
在光学激发方式中，光源发出的光线进入激光器内部，在激光介质中发生反射、散射或透过等过程，使介质内部的粒子获得足够的能量实现激发。
在电子激发方式中，外部电源把电子注入激光介质内，激发介质中处在激发态之下的粒子，使之向更高能级跃迁并释放激光。
而化学激发方式则利用化学反应的能量释放作为激发能源，将化学能转化为激光能，适合于大功率激光器。
2.合适的光学谐振腔光学谐振腔是激光器的核心组成部分，与激光输出密切相关。
只有谐振腔合适，才能充分实现光子在介质中的反复运动，最终实现激光放大。
所以，设计恰当的光学谐振腔结构非常关键。
光学谐振腔主要由反射镜组成，两面反射镜的光学特性决定着激光输出光的波长和发散角度。
同样，反射镜的光学特性也会影响激光谐振腔的损耗和稳定性，进而影响激光输出功率和波长等性能。
因此，在设计谐振腔结构时，需要考虑反射镜反射率、带宽和稳定性等指标，并合理选择反射镜的材质和工艺。
3.高质量的激光介质激光介质是刺激和产生激光的载体，所以其质量的好坏对激光输出影响非常大。
在选择激光介质时，需要考虑其透明度、折射率、吸收系数、发光寿命和温度稳定性等因素。
在实际应用中，常见的激光介质包括气态、液态和固态三种。
气态激光介质广泛应用于激光打印、激光加工和激光测距等领域。
液态激光介质主要应用于激光医疗和化学合成等领域。
而固态激光介质则更适合用于工业激光加工等高功率激光系统。
综上所述，高效的激光激发、合适的光学谐振腔和高质量的激光介质是实现高质量激光输出的三个必要条件。
只有同时优化这三个方面，才能获得更加卓越的激光输出性能。
产生激光的三个必要条件
产生激光的三个必要条件激光（Laser）是一种特殊的光源，具有高亮度、高单色性和高相干性等独特的特点。
要产生激光，需要满足三个必要条件。
本文将详细介绍这三个必要条件，并解释其原理和作用。
一、粒子的受激辐射粒子的受激辐射是产生激光的第一个必要条件。
当原子或分子处于激发态时，它们具有较高的能量。
当外界能量作用于这些激发态粒子时，它们可能发生跃迁，从而回到低能量的基态。
在这个过程中，粒子会释放出辐射能量，这种辐射即为受激辐射。
在产生激光的过程中，通过给粒子提供能量，使它们处于激发态。
当粒子回到基态时，将会释放出光子。
这些光子具有相同的频率和相位，从而形成一束高相干的激光。
因此，粒子的受激辐射是产生激光的首要条件。
二、反馈机制反馈机制是产生激光的第二个必要条件。
在激光器中，光通过一个光学共振腔多次来回反射，这样就形成了一个反馈环路。
反射光线经过增益介质时，会激发更多的粒子跃迁到激发态，并产生更多的受激辐射。
这些受激辐射光线又会被反射回来，继续激发更多的粒子，形成更多的受激辐射。
通过不断的反射和受激辐射，光线的强度和频率不断增强，最终形成一束高强度、单色性良好的激光。
因此，反馈机制是产生激光的重要条件之一。
三、增益介质增益介质是产生激光的第三个必要条件。
增益介质是激光器中的一个重要组成部分，它能够提供足够的能级差，使得粒子能够在受激辐射中得到充分的激发。
常见的增益介质包括固体、液体和气体等。
在固体激光器中，常用的增益介质有Nd:YAG和Nd:YVO4等。
在液体激光器中，常用的增益介质有染料溶液。
在气体激光器中，常用的增益介质有二氧化碳和氩离子等。
增益介质的作用是提供足够的粒子数，使得受激辐射能够发生，并且能够形成一束高强度的激光。
因此，增益介质是产生激光的不可或缺的条件。
产生激光的三个必要条件分别是粒子的受激辐射、反馈机制和增益介质。
这三个条件相互促进、相互作用，共同实现激光的产生。
激光的独特性质使其在科学研究、医疗、工业制造等领域有着广泛的应用前景。
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。
14激光产生的必要条件
辐射出的光子能量满足 波尔条件： h E2 E1
其频率为 E2 E1 h
2) 自发辐射跃迁几率
从E2自发跃迁到下能级 E1的原子数 dn21 sp 应正比于 n2和dt， t时刻处于上能级 E2的原子数为 n2，则在 t ~ t dt时刻
dn21 sp A21n2dt
三、A21、B12、B21的关系
物质原子是一个二能级 系统，达到 温度为 T的热平衡时，有
（ 1）腔内黑体辐射场单色 能量密度为 8h 3 1 h 3 c e KT 1
（2）各能级上原子数服从 玻耳兹曼分布 n2 g 2 e n1 g1
E 2 E1 KT
（3）在热平衡状态下， n1和n2应保持不变 dn21 dn21 dn12 dt sp dt st dt st
当物质处于热平衡时， 各能级上的原子数服从 玻耳兹曼分布 dn12 E2 E1 B n n g dt st 12 1 1 2 e KT 1 B21 n2 n2 g1 dn21 dt st
在热平衡状态下，物质以吸收光子为主，光通过物质被衰减
1)定义
处于能级E2的原子在频率为的辐射场作用下，向 E1能级跃迁并发射与外来光子能量相同的光子的过程 称为受激辐射跃迁。
2) 受激辐射跃迁几率
在的作用下，从 E2受激辐射跃迁到能级 E1的原子数 dn21 st 应正比于 、n2和dt， t时刻处于能级 E2的原子数为 n2，则在 t ~ t dt时间内
dn21 st B21 n2dt
其中，B21——受激辐射跃迁爱因斯坦系数
受激辐射跃迁几率
dn21 1 W21 B21 dt st n2
激光工作原理
激光工作原理
激光的工作原理是通过激发物质内部的活动来产生一种高度集中的、相干、单色的光线。
首先，激光器中会添加一种被激活物质，称为激光介质。
这种介质一般包含气体、液体或晶体等。
当激发能量加入到激光介质中时，它会导致其中的原子或分子处于一个高能级的激发态。
然后，通过外部的能量输入或其他手段，将激光介质中的一部分处于高能级激发态的粒子，诱导到基态，从而使能级倾向于产生一个能级倾斜。
接着，当外部能量输入到达一定阈值时，能级倾斜就会达到饱和状态，此时有足够多的处于高能级的粒子，处于饱和条件的粒子开始在激光腔中热平衡，同时跃迁到低能级。
随着粒子从高能级向低能级的跃迁，它们释放出一部分能量。
最后，当这些辐射的能量足够大时，通过光学反射镜在激光器腔中来回传播，激光放大器将辐射能量放大成激光。
最终，通过一个光学耦合装置，激光能够以一个几乎没有散射和几乎平行的光束发射出来。
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
25
26
充分条件：大于阈值电流； F-P 腔满足正反馈条件，相位应满足
2nL q c 2nL
2
2nL
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半导体激光器的特性 （1）波长
h E g hc 1.24 Eg Eg 1eV 1.6 10
19 34
J J S
28
h 6.628 10
1
一、 光辐射的量子理论基础
（1) 受激吸收
处于低能级态的电子在一定条件 下的辐射场作用下，吸收一个光 子， 跃迁到高能级态。
(2) 自发辐射
处于高能级态的原子自发跃迁到低 能级态，并同时向外辐射出一个光 子（自发辐射只与原子本身性质有 关） 。
(3) 受激辐射
处于高能级态的原子在一定条件 下的辐射场作用下，跃迁到低能 级态，并同时辐射出一个与入射 光子完全一样的光子。
11
8、谐振腔
谐振腔的作用是限制输出模式，同时还对激光频率、功率、光 束发散角及相干性都有影响。
光学谐振腔结构
12
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 )
13
9、起振条件－－阈值条件， 稳定振荡条件－－增益饱和效应
8
6、工作物质、亚稳态
前面分析了产生激光是受激辐射，而粒子数反转 是产生激光的一个必要条件，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。 在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光 的必要条件。显然亚稳态能级的存在对实现粒子数反 转是非常必须的。
9
激光物质是三能级或四能级结构
2
二、激光的产生 1、普通光源的发光——受激吸收和自发 辐射
激光形成的条件
激光形成的条件激光形成的条件是指产生激光所必需的一系列物理条件和技术要求。
下面将从能级结构、激发机制、光学谐振腔以及激光材料等方面给出相关参考内容。
1. 能级结构：激光形成的基础是物质内部能级结构的存在。
通常需要具备能级之间能量差适中，能够在光子吸收和辐射间进行跃迁的原子、离子或分子。
例如，在固体激光器中，钕（Nd）离子的能级结构满足激光形成的条件。
2. 激发机制：激光的形成需要通过外部能量激发或提供能量输入。
激发机制可以是光激发、电子束激发、化学反应激发、电离激发等。
例如，在激光二极管中，通过注入电流使半导体产生较高的非平衡载流子浓度，进而实现激光产生。
3. 光学谐振腔：光学谐振腔是激光形成的关键部件之一。
谐振腔通过反射镜构成一个封闭的光学腔体，能够放大相干光。
要实现激光形成，谐振腔需要满足一定的几何和光学条件。
例如，腔的长度应该是光波长的整数倍，以实现多次反射放大；反射镜需要具备高反射和低损耗等特性。
4. 激光材料：激光材料是实现激光形成的重要基础。
不同材料具有不同的激光特性，包括激光增益、吸收和发射截面等。
常见的激光材料包括气体（如CO2、氩气）、固体（如Nd:YAG、铷氙灯）以及半导体材料（如GaAs）等。
激光材料的选择要根据具体需求来确定。
在激光形成过程中，还有其他一些影响条件的因素，包括抽运过程、热效应以及非线性效应等。
抽运过程是指向激光材料提供能量的过程，例如激光器中的泵浦。
热效应是激光形成中一种常见的非理想现象，它可以导致激光材料温度升高，损耗增加和光学质量下降。
非线性效应是指激光形成过程中可能发生的非线性光学效应，如自聚焦效应和光学倍频效应。
综上所述，激光形成的条件不仅包括基础的能级结构和激发机制，还需要满足光学谐振腔和激光材料的要求。
此外，引入额外因素如抽运过程、热效应和非线性效应也对激光形成产生重要影响。
激光形成的三个必备条件
激光形成的三个必备条件激光作为一种重要的光学工具，在现代科技领域中发挥着重要的作用。
要产生激光，需要满足三个必备条件，即激发条件、放大条件和反馈条件。
本文将分别介绍这三个条件的原理和作用。
第一个必备条件是激发条件。
激发条件是指在激光器中需要有足够的能量来激发光子的产生。
一般情况下，激发条件可以通过光、电、热等方式来实现。
其中，最常见的激发方式是光激发，即使用一个强光源对激光介质进行照射，使其吸收能量并转化为激发态。
当激发介质中的原子或分子处于激发态时，它们会处于一个高能级，此时只要有适当的条件，就会发生受激辐射，从而产生激光。
第二个必备条件是放大条件。
放大条件是指激发态的原子或分子通过受激辐射放出的光子能够被进一步放大，形成一束强光。
为了实现放大，需要在激光器中设置一个放大介质，例如激光晶体或激光气体。
当激发态的原子或分子受到外界光子的刺激时，会发生受激辐射，并放出与刺激光子相同频率和相位的光子。
这些光子会继续激发周围的原子或分子，形成一个光子链式反应，最终使光子的数目和能量不断增加。
通过这种方式，激光得以放大，形成一束高亮度、高单色性的光束。
第三个必备条件是反馈条件。
反馈条件是指放大的光子在激光器中得到反馈，使其继续放大，而不是衰减或消失。
为了实现反馈，通常在激光器中设置一个光学谐振腔。
光学谐振腔由两个反射镜组成，其中一个是半透明镜，用于输出激光光束。
当激光光子在谐振腔中来回反射时，会与放大介质中的原子或分子发生相互作用，从而形成一个正反馈的光学回路。
这样一来，放大的光子就会在谐振腔中得到不断的反射和放大，最终形成一束稳定、连续的激光光束。
要产生激光，需要满足激发条件、放大条件和反馈条件。
激发条件通过提供足够的能量来激发光子的产生；放大条件通过放大受激辐射的光子，形成一束强光；反馈条件通过光学谐振腔使光子得到反馈，继续放大。
这三个必备条件相互作用，共同构成了激光器的基本原理。
激光器的发明和应用对于现代科技的发展起到了重要的推动作用，在医疗、通信、材料加工等领域都有广泛的应用。
激光形成的条件
激光形成的条件激光是一种高度集中的光束，具有单色性、相干性和高度聚焦性等特点。
激光的形成需要满足一定的条件，包括激发条件和放大条件。
激发条件是指通过外界能量向激活物传递能量，使其处于激发态的一组条件。
激发条件包括激活物能级的布居变化和能量泵浦。
激活物能级的布居变化是指使激活物处于激发态所需要的条件，一般分为热平衡分布和非平衡分布两种情况。
热平衡分布时，激光器处于热平衡状态，其能级布居满足玻尔兹曼分布定律；非平衡分布时，激光器中引入能级布居的异常，使得某些能级的布居数显著增加，从而实现激发。
能量泵浦是指通过外界能量输入，使得激活物由基态向激发态跃迁的过程。
能量泵浦可以通过电击放电、光辐射等方式实现。
常用的能量泵浦方式包括光泵浦、电子束泵浦、化学泵浦等。
放大条件是指在激发条件满足的基础上，通过光子的受激辐射过程，将激活物中的光子逐步放大，形成激光。
放大条件包括正反馈、增益介质和光谱选择。
正反馈是指使得受激辐射的光子在放大时尽可能多地参与受激辐射，从而形成正反馈环路，使得激光不断增强。
增益介质是指能够将入射光中的激活物转化为激发光的介质。
增益介质应具有宽的增益带宽，大的非线性折射率和高的光子产生效率等特点。
光谱选择是指通过光学腔内的光学元件，使得只有特定频率的光子得到放大，从而形成单色性较好的激光。
常用的光谱选择方式包括共振光学腔、波导光耦合等。
除了激发条件和放大条件外，激光形成还需要考虑光学腔条件和模式选择条件。
光学腔是指将光子反复来回反射的空间。
光学腔应具有高反射率和低吸收率，从而使得激光可以在腔内来回反射，积累能量，最终形成激光。
模式选择是指在光学腔中选择一个特定的模式，使得该模式得到较高的增益和较好的光场空间分布，从而形成激光。
常用的模式选择方式包括APC控制、准相干控制等。
综上所述，激光形成的条件包括激发条件、放大条件、光学腔条件和模式选择条件。
这些条件相互作用，共同影响着激光的产生和输出特性。
产生激光的三个必要条件
产生激光的三个必要条件激光（Laser）是一种具有高度聚束能力和单色性的光束，其广泛应用于科学研究、医疗、通信、制造等领域。
然而，要产生激光并非易事，需要满足一些必要条件。
本文将介绍产生激光的三个必要条件，分别是激发机制、能量反馈和光放大。
一、激发机制激光的产生首先需要一个激发机制，即提供能量使得原子或分子能够跃迁到高能级。
通常使用电子、光、声或化学反应等方式来激发。
其中，电子激发是最常见的方法之一。
通过向激发介质中施加电场或电流，使电子吸收能量，从基态跃迁到激发态。
在激发态上，电子处于不稳定状态，容易发生自发辐射跃迁回基态，释放出光子能量。
这种光子能量的释放即为激光的产生。
二、能量反馈激光的产生还需要能量的反馈机制，即使得辐射出的光子能够在激发介质中不断反复发生受激辐射，形成光子的“聚集”。
这种反馈机制通常通过光学共振腔来实现。
光学共振腔由两个高反射率的镜子构成，其中一个镜子是部分透射的。
激发介质置于其中，当激发介质中的光子经过部分透射镜射出时，一部分光子被另一端的高反射镜反射回来，再次经过激发介质时，会与激发介质中的未被吸收的光子发生受激辐射，增加光子的数量和能量。
这样，光子在激发介质和镜子之间反复传输，形成光子的积累和放大，最终产生激光。
三、光放大光放大是产生激光的最后一个必要条件。
在激发介质中，光子通过受激辐射逐渐增加，但同时受到吸收和自然辐射的影响，导致光子数量难以维持增长。
为了克服这个问题，需要引入增益介质。
增益介质通常是由具有较长寿命的高能级能够跃迁到低能级的原子或分子构成。
在增益介质中，激发态的粒子通过受激辐射跃迁到低能级，释放出光子能量。
而这些释放出的光子又会进一步激发增益介质中的粒子，形成光子的放大。
通过将激发介质和增益介质结合，光子在两者之间不断传播和放大，最终形成高强度、单色性的激光。
产生激光的三个必要条件是激发机制、能量反馈和光放大。
激发机制提供激发介质能量，使得原子或分子跃迁到高能级；能量反馈通过光学共振腔实现，使光子在激发介质中不断反复发生受激辐射；光放大依靠增益介质，使光子能量得到放大。
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1
式中
2 ln 2kT D 2 0 2 Mc
(7.1610 ) 0
7
T MN
原子量
4.多普勒加宽和 自然加宽的关系
D N
1.5 谱线加宽下的增益系数
由线型函数定义
I ( ) g ( ) I
这种加宽就是均匀加宽.
2. 种类
自然加宽、 碰撞加宽、 晶格振动加宽
H 2 g H ( ) 2 ( 0 ) 2 H 2
谱线宽度
3. 线型函数
4.自然加宽
由测不准关系确定的加宽就是自然加宽. 线型函数
N 2 g N ( ) 2 ( 0 ) 2 N 2
3.多普勒加宽
多普勒效应
0
cv cv
0
cv cv
多普勒加宽 线型函数
c M 2 Mc 2 2 g D ( ) exp[ ( ) ] 0 2 0 2kT 2kT 0 2 D 4 ln 2 ln 2 2 exp ( 0 ) 2 D
A L l da
2.达到Is后， Is仍在增长，但增长速度大为衰减。
设介质已实现足够大的粒子数反转
Nul Nu
l A L da
如图，在l区域内，单位时间由自发辐射产生的
d A 到达介质另端的能量与总能量之比为 4 4L2
总辐射能为
( A l ) Nu Aul h
到达介质另端的能量为 ( A l ) N A h A u ul 4L2 1 A I 0 ( A l ) N u Aul h A 4L2 1 A GL I s ( A l ) N u Aul h e 2 A 4L
饱和光强 Nu 减小至小信号值的1/2时的光强。 1 Bul I u c
c Is u Bul
8h 3 Aul Bul 3 c
c 8h 3 8 2 h h Is 2 3 u c Aul c Aul u u ul
式中 ul
c2 8
2
Aul
叫做受激辐射截面
h G N ul Bul N ul ul c
三、产生激光的充分条件
如果在增益介质的有效长度内，光强可以 从微小信号增长到饱和光强，那么对产生激 光来说就是充分的。
说明 1.Is有一定的任意性。
例：如图，请估算满足充分条件的工作物质长度 面积
1 2 A d a 4
4L 2 2 ( ) 400 da 0 .1
2
148 400
不能达到饱和
1.4 谱线加宽 一、 概述 1. 谱线宽度
h E Au 2
上能级宽度: Eu EuM Eum 下能级宽度: El ElM Elm 中心频: 上边频: 下边频:
Eu 0 El 0 0 h EuM Elm h Eum ElM h
h
EuM Eu0 Eum
ElM El0 Elm
E u
El
0
谱线宽度:
Eu El h 1 ( Aui Alj ) 2 i j
e
1000.08
4 0.08 m 5.9mm d da 0.0059 a
2
例题2 已知：Nd:YAG激光材料增益系数G=10m-1，材 料长度L=0.5m，da=0.1m 求 ：小信号单次通过该介质光强可否达到饱和？ 解 ： GL e e5 148
eGL
Is h u ul
I s 4L2 ( A l ) Nu Aul h 4L2 ANu Aul ul u l
令
1 l G
Nul Nu
G Nul ul
Aul 1
ห้องสมุดไป่ตู้
u
4L 2 ( ) 1 2 da d a Gl 4
4L2
即：
e
GL
4L 2 ( ) da
关于L的 超越方程
讨论 1.已知L和da时,就可求出满足充分条件的G. 2.通过对已知G 的比较,就可判断是否满足充分条件. 3.已知L和G 时,就可求出满足充分条件da的. 4.可判断已知的da是否满足充分条件. 5.已知G 和da时,则只有用作图法才能求解L或判断L.
例题1 已知：G=100m-1，L=0.08m 求 ： 满足充分条件的da 解 ： 4L 2 GL e ( ) da
2. 线型函数
定义: 设辐射光强I中频率处于ν ～ν +dν 的部分为
I
I(ν )dν ,则线型函数定义为 g ( ) I ( )
线型函数满足归一化条件
g ( )d 1
3. 种类
谱线加宽
均匀加宽 非均匀加宽 综合加宽
二、均匀加宽 1. 定义
引起加宽的物理因素对每个原子都是相同的,
一个通过泵浦实现了粒子数反转的二能级系统，
当光在此增益介质传播时，上能级粒子数变化率
dNu 1 Bul I Wu N u ( ) dt u c
达到稳态时
dN u 0 dt
Wu Nu 1 Bul I u c
小信号情况时， 随着I ,Nu
I 0, Nu Wu u
5.碰撞加宽
τ 1加宽、 τ 2加宽
6.总的均匀加宽
1 1 1 2 H ( Aui Alj u l ) 2 i 1 1 2 j
三、非均匀加宽 1. 定义
原子系统中不同原子或原子群对谱线的不同部分有
贡献,这类加宽就是非均匀加宽.
2. 种类
多普勒加宽、 非晶态加宽
1.3 激光产生的充分条件
一、饱和光强定义
I I 0eGz
所以,只要G>0,I就会 分析 ,那么是否就会产生激光呢?
一方面,介质长度有限; 另一方面,I 的代价是Δ Nul
因此，I增加到一定值时，就不再增长了，这时的光强 就为饱和光强Is。 饱和发生的介质长度就叫做饱和长度Ls 。
二、饱和光强Is的计算