激光的基础知识
激光材料基础知识
中文名：1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受
激发射”改称“激光”
“最快的刀”
“最准的尺”
“最亮的光” 《奇异的激光》——小学五年级语文课文
世界上第一台激光器的诞生，使激光技术成为一 门新兴科学发展起来，在光学发展史上翻开了崭 新的一页。激光的出现极大地促进了光学材料的 发展，目前已有数百种新型激光工作物质。
电方式，直接注入电子方式， 化学反应方式还有
热激励、冲击波、电子束、核能等方式。
5 如何从技术上实现粒子数反转？
二 激光的产生
1.激光器的构成
激光器通常由三部分构 成： (1).工作物质 (2).激励源 (3).谐振腔
工作物质
谐振腔 激励源
激光器结构示意图
激励能源
红宝石激光器
工作物质
激光
M1
谐振腔
处于低能级态的原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；
宏观表现：光被吸收
(c)：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。
宏观表现：光被放大
自发辐射与受激辐射的区别：
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。 受激辐射时, 原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率 （能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全 一样。
激光的调Q与锁模
03 锁模技术
锁模技术的原理
锁模技术是一种控制激光脉冲宽度和重复频率的方法，通过在激光振荡 过程中引入周期性的相位调制，使得激光脉冲在时间上被压缩和固定。
锁模技术利用了激光的相干性，通过在激光腔内引入一个或多个调制器， 对激光的相位进行调制，使得激光脉冲在时间上呈现出周期性的变化。
锁模技术
通过在激光器中引入光学反馈，使激光器的多个纵模同时振荡并保持相位锁定状 态。通过控制反馈强度和频率，可以调节脉冲宽度和重复频率，从而实现超短脉 冲激光输出。
技术特点的比较
调Q技术
调Q激光器结构简单，脉冲能量较高 ，但脉冲宽度较大，通常在毫秒量级 。调Q技术适用于需要高功率脉冲激 光的场合，如材料加工、医疗美容等 。
激光的调q与锁模
目录
• 激光基础知识 • 调Q技术 • 锁模技术 • 调Q与锁模技术的比较 • 调Q与锁模技术的发展趋势
01 激光基础知识
激光原理简介
激光原理
激光是受激发射放大原理产生的相干光。在激光器中，通过外部激励源激发原 子或分子从低能态跃迁到高能态，再通过受激辐射放大实现光的放大。
激光产生过程
随着超快激光技术的进步，锁模技术能够实现更短脉冲宽度和更高重复频率的激光输出， 为科学研究、工业应用等领域提供更多可能性。
锁模技术的集成化与小型化
为了满足不同应用场景的需求，锁模技术将进一步实现集成化和小型化，便于携带和使 用。
锁模技术在光通信、光谱分析等领域的应用拓展
锁模技术能够产生超短脉冲激光，具有极高的时间分辨率和光谱分辨率，因此在光通信、 光谱分析等领域具有广泛的应用前景。
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。
激光器的基本参数和基础知识
激光器的基本参数和基础知识激光器是一种产生和放大一束高度聚焦的光束的装置，它利用特殊的光学放大器将输入的光线转化为一束具有高度相干性和高度单色性的激光光束。
以下是激光器的一些基本参数和基础知识：1. 激光器的波长（Wavelength）：激光器产生的激光光束的波长是决定其光学特性的重要参数。
不同波长的激光器在光的传播、吸收和散射方面有着不同的特性。
2. 输出功率（Output Power）：激光器的输出功率是指激光器在单位时间内向外辐射的光能量。
输出功率的大小可以影响到激光器在实际应用中的效果和使用范围。
3. 光束质量（Beam Quality）：光束质量是激光器输出光束的空间属性的度量，它决定了光束的聚焦能力和光学深度。
光束质量越高，光束越接近理想光束，具有更好的聚焦和穿透能力。
4. 脉冲宽度（Pulse Width）：对于脉冲激光器而言，脉冲宽度是指激光脉冲的持续时间。
脉冲宽度的长短对于一些应用领域，如精密切割、医疗器械等，有着重要的影响。
5. 光学阻尼器（Optical Attenuator）：光学阻尼器是用于调节和控制激光光束强度的光学装置，通过调整光损耗或反射来控制光强。
6. 光束扩散角（Divergence Angle）：光束扩散角是指光束的发散性，即光束离开激光器时的束腰大小和形状。
光束扩散角可以描述激光器在空间中的传播特性。
7. 频率稳定性（Frequency Stability）：激光器的频率稳定性是指激光器的输出频率在一定时间范围内的稳定性。
频率稳定性越高，激光器的输出频率在长时间应用中的波动越小。
8. 工作温度范围（Operating Temperature Range）：激光器的工作温度范围是指激光器可以正常工作的温度范围。
对于一些特殊环境下的应用，工作温度范围的宽窄对激光器的使用有着重要的影响。
1.激光的产生原理：激光器内部通过激发材料（例如气体、固体或半导体）来产生激光。
物理实验技术中的激光操作方法与技巧
物理实验技术中的激光操作方法与技巧激光是一种应用广泛的技术，它在物理实验中发挥着重要的作用。
本文将介绍一些物理实验技术中的激光操作方法与技巧。
一、激光基础知识激光是一种特殊的光源，它具有单色性、高相干性和高直接性的特点。
在物理实验中，激光经常被用来作为光源、干涉仪、光谱仪等，因此对激光的基础知识有一定的了解是必要的。
二、激光的安全操作激光操作需要注意安全问题。
首先，激光操作时应佩戴合适的防护眼镜，避免激光直接照射到眼睛。
其次，在操作过程中应注意激光束的传输路径，确保激光束不会直接冲击到人体。
此外，操作人员应了解激光的功率和波长，避免对敏感物质或者直接眼睛造成损害。
三、激光调谐与模式转换激光器的输出波长和模式可以通过调谐和模式转换来实现。
调谐是指通过改变激光介质的参数来改变激光的波长，常见的调谐方法有波长调谐器和温度调谐器。
模式转换是指将激光的模式从基模转换到高阶模式，常见的方法有光纤耦合和光束整形。
四、激光干涉法测量物理量激光干涉法是一种常用的物理实验测量方法。
它利用激光的特性，通过干涉现象来测量物理量。
例如，光学干涉仪可以用来测量物体的形状、表面粗糙度等。
另外，激光干涉法还可以应用于光频计、光谱仪等实验装置。
五、激光光谱分析技术激光光谱分析技术用于分析物质的结构、组成和性质。
常见的激光光谱分析技术包括拉曼光谱、红外光谱和荧光光谱。
激光光谱仪能够提供高分辨率和高灵敏度的光谱分析结果，对于化学和材料科学的研究非常重要。
六、激光在精密测量中的应用激光在精密测量中有着广泛的应用。
例如，激光干涉仪可以用来测量距离、位移和形变等物理量。
另外，激光雷达可以用来进行精密的距离测量和三维成像。
这些激光测量技术在工业制造、地理测量和生物医学等领域发挥着重要作用。
七、激光在光学制造中的应用激光在光学制造中有着广泛的应用。
例如，通过调制激光器的输出能量和时间来实现光纤连接的精度控制。
使用激光切割和刻蚀技术可以制造高精度的光学元件和微纳结构。
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
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。
激光基础知识
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什么是颜色？当射到物体上的光有一部分波长无法被物体吸收而被反射回来，并被人眼（视网膜）接收到时，这种波长就被我们感知为物体的“颜色”。
根据波长不同，光的折射率也会有所变化，因此光呈发散状态。
其结果就是，我们能够感知到各种各样不同的“颜色”。
例如红色的苹果（当人眼接收到包含红色特定波长光线的白昼光时）仅反射红色波长的光（600 至 700 nm），其他波长的光均被其吸收。
※黑色物体可以吸收所有的光，因此看上去呈黑色。
什么是可见光？电磁波中人类肉眼可感知的波长范围被称为“可见光”。
可见光的短波长约为360 至 400 nm，长波长约为 760 至 830 nm，如果波长超出“可见光”的波长范围（更短或更长），就超出了人眼所能够感知的范围。
什么是激光？普通光（灯光等）与激光存在如下区别。
激光发出具有高方向性的光束，即组成的光波在一条直线上传播，不会扩散。
普通的光源发出的光波会朝各个方向扩散。
激光束内的光波都是相同颜色的（此性质叫单色性）。
普通的光（比如荧光灯管发出的光）一般来说是几种颜色的光混合后表现为白色。
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。
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• 3. 受激辐射、激光 • 1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于 高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指 出当频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以 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，这个过程称为受激辐射。 • 可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个 频率 =（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的原子产 生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子 再激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，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。
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• 2.光化效应 • 激光直接作用于生物组织引起化学反应的 现象称为光化作用。 • 包括原发和继发两种。
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• 3.压强效应 • 一种是激光本身的辐射压力所形成的压强。 • 另一种是激光作用于生物组织以后形成的 气流反冲击、热膨胀等。
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• 4.电磁场效应 • 在一般强度的激光作用下电磁场效应不明 显，只有强度极大时，才较为明显。 • 可产生机械波。
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• 当激光 激光满足这3个条件后，便可获得对数以 激光 万计的显微靶目标的绝妙的选择性损伤， 而无需激光 激光对每个细小目标进行逐一的照 激光 射。这一作用就相当于传说中的“神奇子 弹”能寻找到目标靶位。
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• 在选择性光热作用中，靶目标的大小也是 很重要的，因为这决定了我们选择了合适 的脉冲宽度(或照射时间)，这样能使靶目标 较为合适地吸收激光 激光的能量。在鲜红斑痣 激光 中较大的血管是激光 激光治疗的靶目标，因此 激光 治疗的激光 激光脉冲宽度不应超过这些血管的 激光 ( 5ms) 激光照射 热驰豫时间(例如，大约5ms)。当激光 激光 时间超过靶目标的热驰豫时间，则对靶目 标的加热将会变得无效。因此，要选择性 治疗较大的血管，可能要选择超过毛细血 管的热驰豫时间而短于鲜红斑痣中靶血管 的热驰豫时间。在脉冲宽度为几百微秒时 ，毛细血管相对来说是不会受到损害的，
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：固体激光器的亮度更可高达 1011W/cn2Sr 。
不仅如此，具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。
（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，这两点都是激光加工的重要条件。
（3）激光的高单色性：由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。
（4）激光的高相干性：相干性主要描述光波各个部分的相位关系。
正是激光具有如上所述的奇异特性因此在生活、工业加工、军事、科研等领域中得到了广泛地应用。
激光产生原理激光的发展有很长的历史，它的原理早在 1917 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。
激光英文名是 Laser ，即 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 的缩写。
激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。
但在阐释这个过程之前，我们必先了解物质的结构，与及光的辐射和吸收的原理。
物质由原子组成。
图一是一个碳原子的示意图。
原子的中心是原子核，由质子和中子组成。
质子带有正电荷，中子则不带电。
原子的外围布满着带负电的电子，绕着原子核运动。
有趣的是，电子在原子中的能量并不是任意的。
描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的「能级」，不同的能级对应于不同的电子能量。
为了简单起见，我们可以如图一所示，把这些能级想象成一些绕着原子核的轨道，距离原子核越远的轨道能量越高。
此外，不同轨道最多可容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道 (也是最近原子核的轨道) 最多只可容纳 2 个电子，较高的轨道则可容纳 8 个电子等等。
事实上，这个过份简化了的模型并不是完全正确的 [1]，但它足以帮助我们说明激光的基本原理。
图一 碳原子示意图。
电子可以透过吸收或释放能量从一个能级跃迁至另一个能级。
例如当电子吸收了一个光子 [2] 时，它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级 (图二 a)。
同样地，一个位于高能级的电子也会透过发射一个光子而跃迁至较低的能级 (图二 b)。
在这些过程中，电子吸收或释放的光子能量总是与这两能级的能量差相等。
由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。
当原子内所有电子处于可能的最低能阶时，整个原子的能量最低，我们称原子处于基态。
图一显示了碳原子处于基态时电子的排列状况。
当一个或多个电子处于较高的能阶时，我们称原子处于受激态。
前面说过，电子可透过吸收或释放在能阶之间跃迁。
跃迁又可分为三种形式﹕(1)自发吸收 - 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶 (图二 a)。
(2)自发辐射 - 电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶 (图二 b)。
(3)受激辐射 - 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。
入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。
一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子 (图二 c)。
激光基本上就是由第三种跃迁机制所产生的。
产生激光还有一个巧妙之处，就是要实现所谓粒子数反转的状态。
以红宝石激光为例 (图三)，原子首先吸收能量，跃迁至受激态。
原子处于受激态的时间非常短，大约 10-7秒后，它便会落到一个称为亚稳态的中间状态。
原子停留在亚稳态的时间很长，大约是10-3秒或更长的时间。
电子长时间留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此现象称为粒子数反转。
粒子数反转是产生激光的关键，因为它使透过受激辐射由亚稳态回到基态的原子，比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光。
激光器的结构激光器一般包括三个部分。
1、激光工作介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。
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，对实现粒图二 原子内电子的跃迁过图三 粒子数反转的状子数反转世非常有利的。
现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。
2、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。
一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。
各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。
为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。
3、谐振腔有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。
于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。
所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。
一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。
被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。
因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。
下面以红宝石激光器为例来说明激光的形成。
工作物质是一根红宝石棒。
红宝石是掺入少许3价铬离子的三氧化二铝晶体。
实际是掺入质量比约为0.05%的氧化铬。
由于铬离子吸收白光中的绿光和蓝光，所以宝石呈粉红色。
1960年梅曼发明的激光器所产用的红宝石是一根直径0.8cm 、长约8cm 的圆棒。
两端面是一对平行平面镜，一端镀上全反射膜，一端有10%的透射率，可让激光透出。
红宝石激光器中，用高压氙灯作“泵浦”，利用氙灯所发出的强光激发铬离子到达激发态E 3，被抽运到E 3上的电子很快（～10-8s ）通过无辐射跃迁到E 2。
E 2是亚稳态能级，E 2到E 1的自发辐射几率很小，寿命长达10-3s ，即允许粒子停留较长时间。
于是，粒子就在E 2上积聚起来，实现E 2和E 1两能级上的粒子数反转。
从E 2到E 1受激发射的波长是694.3nm 的红色激光。
由脉冲氙灯得到的是脉冲激光，每一个光脉冲的持续时间不到1ms ，每个光脉冲能量在10J 以上；也就是说，每个脉冲激光的功率可超过10kW 的数量级。
注意到上述铬离子从激发到发出激光的过程中涉及到三条能级，故称为三能级系统。
由于在三能级系统中，下能级E 1是基态，通常情况下积聚大量原子，所以要达到粒子数反转，要有相当强的激励才行。
从上面的叙述中我们注意到，激光器要工作必须具备三个基本条件，即激光物质、光谐振器和泵浦源，其基本结构如图四所示。
通过泵浦源将能量输入激光物质，使其实现粒子数反转，由自发辐射产生的微弱的光在激光物质中得以放大，由于激光物质两端放置了反射镜，有一部分符合条件的光就能够反馈回来再 参加激励，这时被激励的光就产生振荡，经过多次激励，从右端反射镜中投射出来的光就是单色性、方向性、相干性都很好的高亮度的激光。
不同类型的激光器在发光物质、反射镜以及泵浦源等方面所用材料有所区别，下文提到的各种激光器也正是基于这些不同进行分类的。
激光器的种类对激光器有不同的分类方法，一般按工作介质的不同来分类，在可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。
图四 激光器结构图1、固体激光器一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。
这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，除了前面介绍用红宝石和玻璃外，常用的还有钇铝石榴石（Y AG）晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射1060nm 的近红外激光。
固体激光器一般连续功率可达100W以上，脉冲峰值功率可达109W。
2、气体激光器气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及能长时间较稳定地连续工作的有点。
这也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场达60％左右。
其中，氦－氖激光器是最常用的一种。
3、半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。
目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。
另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。
激励方式有光泵浦、电激励等。
这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。
在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。
4、液体激光器常用的是染料激光器，采用有机染料为工作介质。
大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。
利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。
染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。
液体激光器工作原理比较复杂。
输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的优点，使它也得到广泛应用。
激光简史和我国的激光技术自爱因斯坦1917年提出受激辐射概念后，足足经过了40年，直到1958年，美国两位微波领域的科学家汤斯（C.H.Townes）和肖洛（A.I.Schawlaw）才打破了沉寂的局面，发表了著名论文《红外与光学激射器》，指出了受激辐射为主的发光的可能性，以及必要条件事实现“粒子数反转”。
他们的论文史在光学领域工作的科学家马上兴奋起来，纷纷提出各种实现粒子数反转的实验方案，从此开辟了崭新的激光研究领域。
同年苏联科学家巴索夫和普罗霍罗夫发表了《实现三能级粒子数反转和半导体激光器建议》论文，1959年9月汤斯又提出了制造红宝石激光器的建议……1960年5月15日加州休斯实验室的梅曼（T.H.Maiman）制成了世界上第一台红宝石激光器，获得了波长为694.3nm 的激光。
梅曼是利用红宝石进体做发光材料，用发光密度很高的脉冲氙灯做激发光源（如图所示），实际他的研究早在1957年就开始了，多年的努力终于活动了历史上第一束激光。
1964年，汤斯、巴索夫和普罗霍夫由于对激光研究的贡献分享了诺贝尔物理学奖。
中国第一台红宝石激光器于1961年8月在中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。
这台激光器在结构上比梅曼所设计的有了新的改进，尤其是在当时我国工业水平比美国低得多，研制条件十分困难，全靠研究人员自己设计、动手制造。