激光原理概念
激光原理考试基本概念
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~30口叫其相应频率为10^15^10^1305、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度△ v<Xv 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、跃迂必须改变奇偶态；b、AJ=0, ±1 （J二0TJ二0除外）；对于采用LS耦合的原子还必须满足下列选择定则：c、AL=O, ±1 （L二OTL二0 除外）；d、AS=O,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。
1K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）。
激光的产生原理及其特性(精)
受激辐射:处在激发态能级上的原子，若有一个外来光子趋 近它，这原子就可能受了外来光子的“刺激”(或者称 “感应”)，从高能级En向基态Em跃迁而辐射出光子，这 个过程称做受激辐射，受激辐射产生的光子和外来光子有 完全相同的特征，就是它们的频率、位相、振动方向和传 播方向都相同,是特征完全相同的相干光.
激光的亮度高和方向性极好的特点，研究啦激光测距仪， 激光雷达和激光准直仪。 下面这个图就是用激光雷达来测量风速的装置
激光加工．在现代工业中，一些强 度大且熔点商的材料的使用相当普 遍。如果进行打孔或切割，用机械 方 法是很困难的。例如．加工手表中 的钻石轴承．是在比芝麻还要小的 钻石上打孔．要求误差不能超过头 发的l／20，目前使用激光来打孔， 比机械打孔的效率提高100倍。 在加工工业中，高功率的c 激光器可 用于打孔．切割与焊接等．通过微 机控制可以作复杂形状的切割． 而低功率的COz激光器可用于切割 塑料、陶瓷和纺织品等．切后边缘 比较平整，不需进一步处理。
激光通信．又叫做光纤通信．它是刺用比头发还细的玻璃纤 维来传播光信号的．光纤通信的优点是t频带 宽，通信容量大，传输速度快．一根光鲆可同时传送l0”路电 话和l0’套彩电节目．而一根普通导线只能同时通 2—3路电话．目前．应用光奸敖据传输速度为3．4Gblt／s， 而实验室试验光纤的速度已达16Gblt／s．整套大英百 科全书的内窖可在不到一秒的时J可内传送完毕．
澈光武器．叉名死光武器．它的子 弹是光子．速度是3xloIm／s．一旦 瞄准目标，几乎不用多少时间就可 把目标摧毁．激光武器的破坏作用 有两十方面．一是高能激光束的机 械破坏作用．使飞机或卫星的重要 部件穿 孔而损坏，二是激光的光学破坏作 用．凳胃陆军正在发展PL 一s激光 武器，可装到M —l6步枪上．它能 使敲 ^双目失明而丧失战斗力，还能探测 和破坏敲^的光学传感器．据 算， 飞机驾驶员被激光致盲lO-3Os，就 可 导承飞机坠毁．
激光原理第七版
激光原理第七版
激光，全称为“光电子激射”，是一种特殊的光线，具有高度的单色性、方向性和相干性。
激光的应用领域非常广泛，涉及医疗、通讯、制造业等多个领域。
要深入了解激光，首先需要了解激光的原理。
激光的原理主要涉及激发、放大和反射三个过程。
首先，激光器中的激发物质受到能量激发，使得原子或分子处于激发态。
接着，这些激发态的原子或分子会受到外界刺激，从而发射出一束特定波长的光子。
这些光子会在激光腔内来回反射，同时受到增益介质的放大作用，最终形成一束高度聚焦的激光。
激光的原理可以通过光学、光谱学和量子力学等多个学科来解释。
在光学中，激光被视为一种高度聚焦的光线，其波长非常短，能够实现高分辨率的成像。
在光谱学中，激光被视为一种特定波长的光线，能够被应用于光谱分析和激光光谱学。
在量子力学中，激光被视为一种由光子组成的粒子束，其特性可以通过量子力学的理论来解释。
除了以上基本原理外，激光还具有一些特殊的性质，如单色性、方向性和相干性。
激光的单色性意味着其波长非常单一，能够实现高分辨率的成像和精确的光谱分析。
激光的方向性意味着其光束非常集中，不会发生散射，能够实现远距离的传输和精确的加工。
激光的相干性意味着其光波具有固定的相位关系，能够实现干涉和衍射现象。
总的来说，激光的原理是一种基于量子力学的光学现象，涉及激发、放大和反射三个过程。
通过光学、光谱学和量子力学等多个学科的解释，可以更深入地理解激光的原理和特性。
激光的应用领域非常广泛，对于我们的生活和工作都具有重要意义。
因此，深入了解激光的原理对于提高我们的科学素养和技术水平具有重要意义。
激光原理
激光原理LASER （light amplification by stimulated emission of radiation ）受激发射光放大，源于爱因斯坦在量子理论的基础上提出的一个概念：在物质与辐射场的相互作用中。
构成物质的原子或者是分子可以再光子的激励之下产生光子的受激发射或吸收。
根据这个理论，如果能使构成物质的粒子状态的状态离开波尔兹慢热平衡，实现所谓的粒子数反转；那么就可以利用这种状态的物质对光进行放大。
与此同时，物理学家同时证明：受激发射的光子和激励光子具有相同的性质——方向、频率、相位、偏振。
在此基础上，后来的科学家设想能够利用能够利用这样的性质产生单色性较好的光源。
在上个世纪50年代的时候，电子和微波技术的发展产生了将电磁波谱向光频拓展的需求。
这样，一批勇于探索和创新的科学家，提出了一系列的理论来实现这种极为纯的光源：美国的汤斯（Charles H. Towns ）前苏联的科学家巴索夫和普罗霍洛夫创造性的继承和发展爱因斯坦的理论，提出了利用原子分子的受激发射光放大来放大电磁波。
1958年汤斯和他的合作者肖洛产生了利用远超过光波长度的光学谐振腔来实现这种放大。
1960年7月美国的梅曼演示了第一台红宝石激光器。
这种光具有完全不同于普通光的性质：单色性、方向性、相干性。
激光的物理原理受激辐射：在普朗克与1900年用量子化假设成功解释了黑体辐射分布，以及波尔在1913年提出原子中电子的运动状态量化的假设基础上，爱因斯坦从两字的概念出发，重新的推到了普朗克公式，提出了两个极为重要的概念：受激辐射和自发辐射。
我们知道在物质的原子中存在着分离的能级，在一个热平衡态全同粒子系统中，处于各个能级的粒子数是按照一定规律分布的——波尔兹慢分布。
T k E E b e n n )21(12--=（N1、n2分别是处于E2E1能级上的粒子数)一般来说，处于高能级的粒子数要少于低能级。
在一个热平衡系统中，粒子并不是一种静态的平衡，而是在不断地运动着的。
激光原理及应用PPT课件
激光治疗
通过激光照射病变组织，达到治 疗目的，如激光治疗近视、祛斑
等。
激光手术
利用激光进行微创手术，具有出 血少、恢复快、精度高等优点， 如激光心脏手术、激光眼科手术
等。
激光诊断
利用激光光谱技术对人体组织进 行检测和分析，为疾病诊断提供
依据。
军事国防领域应用
激光雷达
利用激光雷达进行目标探测、识别和跟踪，具有高分辨率、抗干 扰能力强等特点。
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。
新型激光技术
研究新型激光技术，如光纤激光器、化学激光器等，拓展激光器的 应用领域。
高功率、高效率、高稳定性挑战
高功率激光器
提高激光器的输出功率，满足高能激光武器、激光聚变等领域的 需求。
高效率激光器
优化激光器的能量转换效率，降低能耗，提高激光器的实用性。
02
03
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。
特点
结构紧凑、效率高、光束 质量好。
应用领域
工业加工、医疗、科研等。
气体激光器
工作原理
利用气体放电激励气体分子或原子， 使其产生能级跃迁并辐射出激光。
特点
应用领域
激光切割、焊接、打孔等工业应用。
输出功率大、光束质量好、效率高。
激光原理及应用PPT课 件
contents
目录
• 激光原理基本概念 • 激光技术发展历程及现状 • 激光器类型及其特点分析 • 激光在各领域应用案例分析 • 激光安全问题及防护措施探讨 • 未来发展趋势预测与挑战分析
激光原理基本概念
激光原理概述课件
高强度激光产生的噪声可能对听力造 成损害。
激光安全标准与等级
国际标准
激光产品的安全等级按照
IEC 60825系列标准进行
划分，分为Class
1、
Class 2、Class 3等不同等
级。
国内标准
我国参照国际标准制定了 相应的激光产品安全标准 ，如GB 7247系列标准。
行业标准
不同行业根据自身特点制 定相应的激光安全标准， 如医疗行业、工业加工行 业等。
手段。
激光技术应用
医疗领域
激光在医疗领域的应用包括手术、美 容、眼科治疗等，具有创伤小、恢复 快的优点。
科研领域
激光在光谱分析、量子通信、光学陷 阱等领域发挥着重要作用，推动了科 学研究的进步。
工业领域
激光在加工、焊接、打标等领域的应 用提高了生产效率和产品质量。
军事领域
激光在武器制导、通信加密、防御系 统等方面具有重要的应用价值。
放大
当有大量原子处于激发态时，它们释放出的光子会相互作用并产生更多的光子， 形成光的放大效应。
激光器的基本组成
01
02
03
激活介质
激光器中的工作物质，通 常是气体、液体或固体， 它能实现光的受激辐射放 大。
泵浦源
为激活介质提供能量，使 其中的原子或分子被激发 到高能级。
谐振腔
由反射镜构成，用于选频 、共振和放大，使特定波 长的光在两个反射镜之间 来回反射并不断放大。
激光原理概述课件
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
• 激光原理简介 • 激光产生原理 • 激光特性与技术 • 激光安全与防护 • 未来激光技术展望
激光原理及应用ppt课件
激光调制前
激光调制后
4.机械运动系统
• 基片送入后，高精度伺服电机在微机的控制下转动振镜的角度；
• 激光束通过扫描镜的反射，由f-θ场镜聚焦到基片的边缘位置上；
• 在微机上通过专用的控制软件输入总的清边面积、激光束的行走速度 和需要重复的次数；
E2
E2
E1
E1
自发辐射跃迁
自发辐射光子
c. 受激辐射（激光）: 当频率为=ν（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅 速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都 相同的光子。
E2
E2
入射光子
E1
E1
受激辐射光子 入射光子
受激辐射跃迁 3-2 粒子数反转
(Top flat)
高斯
多元高斯
• 减少脉冲时间，高的峰值能量，更多的能量密度
Less pulse time, high peak power more energy density
能量密度=功率/频率/光斑面积
pulse
1.1uW/um=220W/20KHz/900um2
Hz
4.重叠率计算——Overlap
全反光镜
反光镜： （越75%
）
Shutter
激光器外形 接光纤
Q-Switch
晶体腔
功率计
激光器内部分解图（P4）
Q-Switch 半反镜
晶体腔 光纤耦合器
镜头聚焦原理——凸透镜
激光刻划原理——以P1为例
光斑
1.Beam Shaping （激光束形状）
• 一般的激光都为高斯分布的波形，即高斯光束，为实现特殊的制程需求，需要转变 成为扁平式波形的平顶光束，即Top Hat，通过透镜组改变光束质量和形状产生。
激光原理_第1章_激光的基本理论
3.简并态—— 同一能级的各状态称简并态 例：计算1s和2p态的简并度
原子状态 n l
ml ms 简并度
1s
1
00
f1=2
1
2p
21
0
f2=6
-1
18
第一章 激光的基本原理
二、玻耳兹曼分布及粒子数反转
1. 玻耳兹曼分布(热平衡分布)
(19.77eV) 10-6 S
23
四、黑体辐射及其公式 1、描述黑体辐射的典型物理量
①单色能量密度 ,T：单位体积内，频率处于 附近
单位频率间隔内的电磁辐射能量，它是频率和温度的函 数。
注：寻求 的,T 函数形式进而确定单色辐出度的形式是当
时黑体辐射研究者们的一大目标！
②单光位波频模率密间度隔内n的：光腔波内模单式位数体。积中频率处于 附 近
n f e 2
2 (E2 E1 ) / kbT
讨论(设f i= f j) :
n1 f1
(1)如果E2 - E1很小,且满足 △E = E2 - E1＜＜kbT,则
n2 e (E2 E1 ) / kbT 1
n1
19
第一章 激光的基本原理
n f e 2
2 ( E2 E1 ) / kbT
第一章 激光的基本原理
前言
光具有波粒二象性，在描述光的性质是，可 以从其粒子性和光的波动性两个方面来描述光的 性质，进而引入了光波模式和光子模式来描述；
在激光产生的过程中，受激辐射和自发辐射 是其产生的基本原理，同时分析要实现光的受激 辐射放大需要满足集居数反转（粒子数反转）。
1
第一章 激光的基本原理
1.4激光原理
受激辐射过程：原子体系单位时间内从始态到终态跃迁的粒子数，除了与始
态上的粒子数布居有关外，还与能量等于两能级差的入射光 子数密度u(n)（辐射能谱密度）成正比，即
A21、B12、B21：爱因斯坦系数
3 激光原理
3.3 爱因斯坦公式
按照爱因斯坦的观点，在热平衡状态下，原子体系在单位时间内受激 吸收的光子数应等于自发辐射和受激辐射的光子数总和。即
①相干时间： 描述时间相干性的等 效物理量：
c
1 Lc c c c
②相干长度： Lc ③谱线宽度：
（2）空间相干性：波场中不同点在同一时刻光波场特性的 相关性。此相干性来源于光源中不同原子发光的独立性。
二、相干性的粗略描述——相干体积 ①相干体积Vc：若在空间体积Vc内各点的光波场都具有明显 的相干性，则Vc称为相干体积。
3 激光原理
3.5 能级寿命 能级寿命t ：粒子能够在某个能级上停留的平均时间。
由于自发辐射，能级E2上的粒子数N2将随时间减少，在dt内的改变量：
意义： E2 上粒子数 N2 的减少量与自发辐射几率系数 A21 的大小有关，经过 t=1/A21时间后，将减少到初始值的1/e。所谓能级寿命实际上就是指在 该能级上的粒子数减少到初始值的1/e所经历的时间。
二、光的粒子性和波动性的统一：利用量子电动力学的理 论，将电磁场量子化。
1、电磁场的本征模式：具有基元能量 h l和基元动量hkl 的物
质单元即属于同一本征模式的光子。
2、具有相同动量和相同能量的光子彼此不可区分，应属于 同一模式（或状态）。
3、处于同一模式或同一壮态的腔内的光子数目是没有限制的。
热平衡状态下：N2<N1，dN21<dN12。 意义：光波在处于热平衡态的介质中传播时，受激吸收的光子数大于受激辐 射的光子数，宏观效果表现为光被介质吸收，能量减小。
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
入式、电子束激发、光激发、雪崩式击穿等。
它体积小重量轻，寿命长，结构简单而坚固，特别 适于飞机、车辆、宇宙飞船之用。现在的光驱、VCD、 DVD的激光头都是一个小型半导体激光发射器。 4. 液体激光器 常用有机染料作工作物质，大多数情况是把有机染 料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽状工作的。液体 激光器的工作原理比较复杂，但输出的波长连续可调， 且覆盖面宽。
坦福大学朱棣文等人，首次采用激光束将原子束冷却 到极低温度，使其速度比通常作热运动时降低，达到 “捕获”操纵的目的。
具体作法是，用六路两两成对的正交激光束，沿 三个相互垂直的方向射向同一点，光束始终将原子推 向这点，于是约106个原子形成的小区，其温度在 240μK以下。这样使原子的速度减至10m/s量级。后来 又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在约1s内从控制区 坠落后被捕获。 1997年朱文棣、科恩、飞利浦三人因此而获诺贝 尔物理学奖。此项技术在光谱学、原子钟、研究量子 效应方面有着广阔的应用前景。
射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光
信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大
的光，就是激光。 二．粒子数反转 受激辐射的概念爱因斯坦 1917提出，激光器却在 1960年问世，相隔43年，为什么？主要原因是普通光
源中的粒子，产生受激辐射的概率极小。
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，因受激辐射使光子数增加， 受激吸收使光子数减小。物质处于热平衡态时，处在
政”辐射光子。
激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激 光产生的机理与普通光源的发光不同，这就使激光具 有不同于普通光的一系列性质。 1. 方向性好 激光不像普通光源向四面八方传播，几乎在一条 直线上传播，我们称激光的准直性好。因为激光要在 谐振腔内来回反射，若光线偏离轴线，则多次反射后
激光原理 名词解释
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）。
激光原理概论基本概念
n2 (t ) n20e A21 t
q(t ) h
dn2 h A21n2 (t ) h A21n20 e A21 t q0 e A21 t dt
q0= h v A21n20 粒子数和功率都是随时间指数衰减
A21 自发辐射系数， 激发态平均寿命τ的倒数， 只和粒子本身有关。 受激吸收 定义原子处于低能级的 E1 的粒子， 受到恰为 hv=E2-E1 的光子的照 射而吸收该光子的能量，跃迁到 E2。 dn2=B12ρ vn1dt 其中 B12 称为受激吸收系数 由不同原子跃迁。
2. 要 使 受 激 辐 射 光 强 超 过 受 激 吸 收 ， 必 须 实 现 粒 子 数 反 转
n2 n1 g2 0 （粒子数反转） g1
方法：利用外界激励能源，把大量粒子激励到高能级上 3. 要使受激发射光强超过自发发射， 必须提高光子的简并度 （自 激震荡） 方法：利用光腔造成强辐射场，提高腔内光场的相干性 激光器的三个主要组成 1. 工作介质：粒子有适当的能级结构，可实现粒子反转 2. 激励能源：抽运 把大量粒子激励到高能级上 3. 光学谐振腔：选模 提高相干性 实现光学正反馈
发光而缩短寿命 3. 由于碰撞使波列发生无规则的相位突变所引起的波列缩短， 等效于寿命缩短 多普勒增宽 尽管发光粒子体系中各粒子的固有中心频率是一样是，但是 由于原子运动速度个不相同，不同速度的原子所发出的光波 接受时的频率也各不相同，即表观中心频率不同，所以各粒 子光谱线叠加而成的整个光源光谱线便加宽了。线性函数就 是气体原子按表观中心频率的分布函数具有高斯函数形式 小信号粒子数反转是物理条件 1. 激光上能级 E2 的寿命要长，使该能级上的粒子不能轻易的 通过非受激辐射而离开 2. 激光下能级 E1 的寿命要短，使该能级上的粒子很快的衰减 3. 选择合适激励能源，使它对介质的 E2 能抽运速度 R2 越大越 好，而 E1 的抽运速度越小越好。 Τ2 > ������1 介质的增益系数 G 代表介质对光波的放大能力 代表光波在介质中经 R2>R1
激光原理(第1章)
tc ＝ Dt ＝ 1/Dv
上式说明，光源单色性越好，则相干时间越长。
物理光学中曾经证明：在图1.1.4中，由线度为Dx的光源A照明的
S1和S2两点的光波场具有明显空间相干性的条件为 DxLx/R ≤ (1.1.18) (1.1.19) (1.1.20)
式中 为光源波长。距离光源R处的相干面积 Ac 可表示为
上 述 基 本 关 系 式 (1.1.1) 和 (1.1.3) 后 来 为 康 普 顿 (Arthur Compton)散射实验所证实(1923年)，并在现代量子电动力学中 得到理论解释。量子电动力学从理论上把光的电磁(波动)理论 和光子(微粒)理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来， 从而在理论上阐明了光的波粒二象性。在这种描述中，任意电 磁场可看作是一系列单色平面电磁波(它们以波矢k为标志)的线 性叠加，或一系列电磁波的本征模式(或本征状态)的叠加。但 每个本征模式所具有的能量是量子化的，即可表为基元能量hv 的整数倍。本征模式的动量也可表为基元动量 hkl 的整数倍。 这种具有基元能量hvl和基元动量hkl的物质单元就称为属于第 l 个本征模式(或状态)的光子。具有相同能量和动量的光子彼此 间不可区分，因而处于同一模式(或状态)。每个模式内的光子 数目是没有限制的。
空间称为相空间，相空间内的一点表示质点的一个运动状态。
当宏观质点沿某一方向(例如：x轴)运动时，它的状态变化对应 于二维相空间(x, Px)的一条连续曲线，如图1.1.2 所示。但是，
光子的运动状态和经典宏观质点有着本质的区别，它受量子力
学测不准关系的制约。
测不准关系表明：微观粒子的坐标和动量不能同时准确测定，
hv
式中 h＝6.626×10-34Js，称为普朗克常数。
激光产生基本原理
激光基本原理一、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＝－，第一激发态能量为E2=，在20℃时，kT≈，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。
激光原理期末复习基本概念
激光原理期末复习前言1、（1960）年美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器—红宝石激光器。
2、激光是利用（光能）、热能、电能、化学能或核能等外部能量来激励物质，使其发生受激辐射而产生的一种特殊的光。
3、根据激光器工作物质分类有：固体激光器；（气体激光器）；液体激光器；染料激光器；半导体激光器等。
4、按激光器运转方式分类有：连续激光器；单次脉冲激光器；（重复脉冲激光器）；调Q 激光器；锁模激光器；单模和稳频激光器；可调谐激光器等。
5、按激光激励方式分类有：光泵式激光器；（电激励式激光器）；化学激励激光器（又称化学激光器）；核泵激光器。
6、按激光器输出激光的波段范围分类有：远红外激光器；（中红外激光器）；近红外激光器；可见激光器；近紫外激光器；真空紫外激光器；X射线激光器等。
7、激光最突出的特性是：能量集中，（高方向性）；高亮度；单色性好；相干性强。
8、激光的方向性表示可以用平面角和（立体角）表示。
9、具有单一频率的光波称为单色光。
单色性：用（/λ或）表示。
10、激光的辐射范围在1×10-3rad（0.06º）左右。
氦-氖激光器输出的红色激光谱线宽度只有（10-8 ) nm 。
11、激光的单色性越好，相干长度越(长)；激光的相干长度可达105千米。
第1章辐射理论概要1、电磁辐射同物质相互作用产生吸收和发射现象时，电磁辐射以（光子或光量子）不连续的形式交换能量。
2、光量子能量E与波长成反比：E ∝1/λ；波长越长；光量子能量E越小；(频率越低) ；波长越短；光量子能量E越大；(频率越高)。
3、原子处于最低的能级状态称为（基态）。
能量高于基态的其它能级状态称为激发态。
4、能级有两个或两个以上的不同运动状态称为简并能级。
同一能级所对应的不同电子运动状态的数目称为（简并度）。
5、在热平衡条件下，原子数按能级分布服从（波尔兹曼定律）。
6、原子能级间跃迁发射或吸收光子的现象称为辐射跃迁。
激光原理考点总结
激光原理考点总结激光是一种特殊的光，具有高度的单色性、方向性和相干性。
其原理涉及光的发射、吸收和放大过程，同时也与原子、分子的能级结构有关。
以下是激光原理的一些重要考点总结。
1.激光的产生机制激光的产生是通过受激辐射过程实现的。
首先需要有一个激发源，如电流激励、光激励或化学激发。
该激发源提供能量，使散乱的原子或分子处于高能级。
然后，这些激发态粒子会通过受激辐射的过程，跃迁到低能级。
在跃迁的过程中，它们会辐射出与激发源同频率、相位一致的光子，从而形成激光。
2.激光的放大过程激光放大需要使用一个激光介质，其中包含大量的激发态粒子。
当激发源激发介质时，激发态粒子在介质中传播并与其他原子或分子发生碰撞。
在这些碰撞过程中，激发态粒子会通过受激辐射的过程辐射出同相、同频的光子，从而使光波的能量得以增加。
在辐射出的光子中，一部分会被吸收，而另一部分会继续在介质中传播，进一步增强光的能量。
通过这一连续的过程，激光的能量得以放大。
3.激光的构成激光由三个基本部分组成：激发源、激光介质和光学共振腔。
激发源提供能量，使介质中的原子或分子激发到激发态。
介质通过受激辐射的过程，将激发态粒子的能量转化为光子。
光学共振腔则用于放大和反射光子，从而形成激光束。
共振腔通常由两个反射镜构成，其中一个为半透镜，允许一部分光子透过。
4.激光的性质激光具有几个重要的性质。
首先是高单色性，即激光只有一种频率。
这是由于激发态粒子跃迁到低能级时，辐射出的光子具有唯一的能量差。
其次是方向性，激光束呈现出非常狭窄的发散度，可用于远距离通信和激光切割等应用。
最后是相干性，激光光波的振动方式高度一致，相位间的关系是稳定的。
5.激光的应用激光在许多领域中得到了广泛应用。
在医学中，激光可用于激光手术、皮肤治疗和眼科手术等。
在科学研究中，激光常用于光谱分析和原子物理实验。
激光也被用于通信技术，例如光纤通信和光盘。
此外，激光还可用于制造业，如激光切割、激光焊接和激光打印等。
激光原理第一章
目录
• 激光原理简介 • 激光产生原理 • 激光的应用 • 激光的未来发展
01
激光原理简介
激光的定义
激光
受激发射放大简称激光，从最简单的 原子模型出发，阐述激光产生的机理。 光与物质相互作用是激光以特定方式吸收和发射光 子时，产生雪崩式的跃迁，形成强烈 的激光束。
皮肤科治疗
激光可以用于治疗各种皮 肤问题，如色素沉着、血 管病变和皮肤肿瘤。
牙科治疗
激光在牙科中用于牙齿美 白、牙周病治疗等。
军事领域
目标指示与侦察
激光雷达和激光制导系统可用于精确侦察和目标 指示。
武器致盲
高功率激光可以暂时或永久致盲敌方人员或设备。
通信与加密
激光在军事通信中用于高速、加密的数据传输。
等。
光子晶体激光器
总结词
光子晶体激光器是未来激光发展的重要方向之一，它利用光子晶体结构来控制光 的传播，具有独特的光学特性和应用前景。
详细描述
光子晶体是一种具有周期性折射率变化的介质，能够控制光的传播。光子晶体激 光器利用光子晶体结构来产生激光，具有低阈值、高单色性、高相干性等优点。 未来，光子晶体激光器将在通信、传感、光学计算等领域发挥重要作用。
超快激光技术
总结词
超快激光技术是未来激光发展的重要方向之 一，它能够提供极短脉冲的激光输出，具有 极高的时间分辨率和空间分辨率。
详细描述
超快激光技术是指利用脉冲宽度在飞秒（ 10^-15秒）甚至更短的激光技术。由于其 极短的脉冲宽度，超快激光能够实现极高的 时间分辨率和空间分辨率，因此在科学研究 、工业制造、医疗诊断等领域具有广泛的应 用前景。例如，超快激光可以用于观察化学 反应过程、制造微纳结构、进行高精度测量
原子光谱与激光原理
原子光谱与激光原理激光（Laser）是一种高度聚集、高纯度、高单色性的光源，具有独特的相干性、方向性和强度。
而激光的产生是基于原子光谱和准连续谱的原理。
首先来介绍一下原子光谱。
原子光谱是指原子在吸收、发射、透射光线时所表现出来的特别的光谱现象。
原子具有一些能级，当原子受到能量激发后，电子会跃迁到更高的能级，此时电子处于不稳定状态。
而当电子返回到较低能级时，会释放出光子能量，从而产生特定的光谱线。
几乎每个化学元素都具有独特的光谱特征，这使得原子光谱成为分析元素组成的重要工具。
而激光的产生是基于原子光谱和激光功率的原理。
激光原理的核心是光子通过受激辐射而得到放大。
激光过程中最关键的部分是激光器的工作物质。
激光器中的工作物质可以是气体、液体、固体等，其内部包含原子或分子。
当该物质受到能量激发时，原子或分子会跃迁到一个较高的能级，这种能级被称为激发态。
在激发态中，原子或分子处于不稳定状态，而当它们返回到基态时，会释放出具有特定频率和相位的光子。
这些释放的光子会与已存在的光子发生受激辐射相互作用，从而引起辐射波的放大。
这种放大效应被称为光放大的受激辐射。
放大后的光子会在激光谐振腔中来回反射，而且只在特定频率和方向上与谐振腔匹配的光子才能得到放大，达到高度的单色性和方向性。
最终，可以获得一束高纯度、相干性和方向性极高的激光光束。
总结起来，原子光谱是原子在吸收、发射、透射光线时所表现出来的特殊光谱现象，而激光则是基于原子光谱和激光功率的原理，利用原子或分子在受激辐射下产生放大的效应，最终发射出一束高度聚集、高纯度、高单色性的光。
通过研究原子光谱和激光原理，可以更好地理解并利用激光技术在各个领域的应用，例如激光切割、激光刻录、激光医学等。
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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)
9什是纵模？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？
He-Ne激光器：工作物质：He与Ne的混合气体输出波长一般为3.39um（最强） 1.15um， 632.8nm
CO2激光器：工作物质：CO2 He N2 输出波长一般为10.6um
27半导体激光器有何特点？为什么目前使用的半导体激光器大都采用异质结结构？
特色：体积小，效率高寿命长，调制方便 光束质量不高
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
选横模原理：不同的横模具有不同的衍射损耗，1尽量增大高阶横模与基横模的衍射损耗差异2.使衍射损耗在总的损耗中占较大比例
22.常用的稳频方法有哪几种？兰姆凹陷稳频和饱和吸收稳频的原理是什么？
稳频方法：1兰姆凹陷稳频 2.塞曼稳频 3饱和吸收稳频 4无源腔稳频
兰姆凹陷稳频原理：对于非均匀单频激光器，可利用兰姆凹陷作为稳频参考，使激光工作在处于v0附近
采用异质结结构的原因：异质结结构能有效地把载流子（电子和空穴）约束在有源区去，为有效地进行受激辐射放大提供了有利条件，且其阈值电流小，单模运转。
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
原因：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。
19.为什么低气压气体振荡器容易出现多纵模振荡？
低气压气体为多普勒加宽即非均匀加宽
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。
非均匀加宽：在非均匀加宽工作物质中频率为v的强光只在v附近宽度的烧孔宽度范围内引起反转集居数的饱和，对表现中心频率处在烧孔范围外的集居数没有影响，若有频率为v的弱光同时入射，如果频率v处在烧孔范围内，则弱光增益系数小于小信号增益系数，如果频率v处于烧孔范围之外，则弱光增益系数不受光影响仍等于小信号增益系数，因此在增益曲线上在频率v处产生一凹陷。
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
常用调Q方法：1脉冲反射式调Q ：转镜调Q 电光调Q 声光调Q 饱和吸收调Q （常用方法）
2脉冲透射调Q:电光调Q
24激光器调锁模技术的原理是什么？常用的锁模方向有哪几种？
锁模原理：采用适当的方法对激光束进行特殊的调制，使各振荡纵模之间具有确定的相位关系（即相位锁定）从而使各纵模相干叠加产生超短脉冲。
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？
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？
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Im
6、激光器一般包括哪几个基本组成部分？
饱和吸收稳频:当入射光强足够大，吸收体的吸收系数将随光强增大而减小
23激光器调Q技术原理是什么？常用的调Q方法有哪几种？
调Q原理：采用某种方法使谐振腔内的损耗按照规定的程序变化：1在泵浦初阶段，使光腔具有高损耗，高阈值，使激光不能起振，于是激光上能级积累大量的粒子，2.在适当的时刻（即上能级积累的粒子数足够多），突然降低光腔损耗，阈值减小，在极短的时间内，激光上能级储存的大量粒子能量转化为激光能量，输出一个具有很高峰值功率的巨脉冲
常用锁模方法：1主动锁模： 1振幅调制锁模（电光，声光）2相位调制锁模（电光）
2.被动锁模：饱和吸收锁模
25Nd:YAG 激光器，He-Ne激光器以及CO2激光器的工作物质是什么？输出激光波长一般多大？
Nd：YAG激光器：工作物质：掺杂稀土Nd粒子或过渡金属粒子的晶体或玻璃输出波长一般为1064nm
当外界激发增强时，小信号增益系数增加，满足振荡条件的纵模个数增多，激光器的振荡模式数目增加，即出现多纵模振荡
21常用的选纵模（横模）的方法有哪些？
选纵模的方法：1短腔法 2.行波腔法 3选择性损耗法
选横模的方法：1小孔光阑 2.非稳腔法 3 腔参数法 4 微调腔法
纵模选择原理：1不同纵模具有不同的频率，因此具有不同的小信号增益。2引入频率选择性光学元件（如棱镜，光栅，f-p干涉仪等）增大不同纵模的损耗差异
17.纵模起振，形成稳定振荡的条件分别是什么？如何确定起振纵模的数目？
纵模起振条件：g》a 形成稳定振荡的条件g=a
确定起振纵模数目的方法：N=[Vosc/Vq]取整+1 （最多数目）
18.什么是自选模？什么是空间烧孔效应？为何均匀加宽激光器会出现多纵模振荡？
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，这一现象称为自选模。