激光原理及应用第一章
激光原理与应用
激光原理与应用目录第一章、激光技术发展史 (5)1.1 激光技术发展的几个重要事件与时间点 (5)1.2 中国激光技术的起步与世界同步 (6)1.3 激光技术的发展 (7)第二章、激光原理 (8)2.1 什么是激光 (8)2.2 激光的特点 (8)2.3 产生激光的基本条件 (10)2.3.1 合适的工作物质 (10)2.3.1.1 具有亚稳态能级的工作物质 (10)2.3.1.2 形成粒子数反转 (11)2.3.2 外界泵浦 (12)2.3.3 激光谐振腔 (12)2.3.3.1 激光谐振腔定义 (13)2.3.3.2 激光谐振腔作用 (13)2.3.3.3 光腔的构成和分类 (14)第三章、激光器的种类 (15)3.1 第一种方法是从激光工作物质的状态来分类 (15)3.2 第二种方法是按激光工作物质的粒子结构来分 (15)3.3 第三种方法是按激光波长分 (15)3.3.1光的波长 (16)3.3.2 这种分类中的激光器 (17)第四章、轴快流CO2激光器 (18)4.1 轴快流CO2激光器名称来源 (18)4.2 轴快流CO2激光器中的主要工作物质 (18)4.3 轴快流CO2激光器的工作原理 (19)4.4 轴快流CO2激光器的激发过程 (19)4.5 轴快流CO2激光器的结构 (20)4.5.1激光器谐振腔 (21)4.5.2 激光风机与气流方式以及工作气压 (21)4.5.3 高压电源 (22)4.5.4 水冷系统 (23)4.5.5 真空（抽气）系统 (23)4.5.6 控制系统 (23)第五章、激光加工技术及其应用简介 (24)5.1 激光切割 (24)5.2 激光焊接 (25)5.3 激光热处理和表面处理 (26)5.3.1 激光相变硬化 (26)5.3.2 激光表面熔覆与合金化技术 (26)5.3.3 激光毛化 (27)5.3.4 激光冲击硬化 (29)5.3.5 激光强化电镀 (29)5.3.6 激光上釉 (29)5.4 激光快速成形技术 (30)5.5 激光打孔 (31)5.6 激光打标技术、激光雕刻（蚀刻）技术 (31)5.6.1 与传统加工方法的对比的优势 (32)5.6.2 基本原理 (32)5.6.3 激光内雕机（立体打标） (34)5.7 激光电阻微调技术 (36)5.8 激光存储技术 (36)5.9 激光划线技术 (36)5.10 激光清洗技术 (37)5.11 激光推进 (38)第六章、激光切割原理 (39)6.1激光切割原理 (39)6.2 激光切割工艺的分类 (40)6.2.1. 汽化切割 (40)6.2.3. 氧化熔化切割 (41)6.2.4. 控制断裂切割 (41)6.3 激光切割的工艺参数及其影响 (42)6.3.1 激光功率 (42)6.3.2 切割速度 (42)6.3.3 辅助气体的种类与压力 (43)6.3.3.1 辅助气体的种类 (43)6.3.3.2 辅助气体的压力的影响 (44)6.3.4 激光的入射角 (44)6.3.5透镜的焦距 (45)6.3.6 激光的焦点在工件中的位置 (45)6.3.6.1确定焦点位置的方法 (45)6.3.6.2 焦点的大小与焦深 (45)6.3.7 激光光束质量 (46)6.3.7.1 光束模式 (46)6.3.7.2 光的偏振态及对切割的影响 (48)6.3.7.2.1 光的偏振 (48)6.3.7.2.2 光的偏振对切割质量的影响 (48)6.3.7.3 光束的发散角 (50)6.3.7.3.1 激光发散角对切割的影响 (50)6.4 激光切割工艺参数表 (53)6.5 特种激光厚板切割 (55)6.6 激光切割技术与传统切割加工工艺对比 (56)第七章、激光焊接原理 (58)7.1 激光焊接原理 (58)7.2 激光焊接工艺的分类： (59)7.2.1 激光传热焊 (60)7.2.2 高功率激光深穿透焊接 (60)7.3 激光焊接中的几种效应 (61)7.3.1 等离子体屏蔽效应： (61)7.3.1.1 等离子体及激光焊中等离子体的形成 (61)7.3.1.2 等离子体屏蔽效应： (62)7.3.2 壁聚焦效应 (62)7.3.3 净化效应 (62)7.4 激光焊接的工艺参数及其影响 (63)7.4.1 激光功率及功率密度 (63)7.4.3 保护气体 (63)7.4.3.1 作用一：保护熔池 (64)7.4.3.2 作用二：保护光学镜片 (64)7.4.3.3 作用三：驱散、控制光致等离子体 (64)7.4.4焦距和离焦量。
激光科学与技术：激光原理和激光技术的应用
牙齿矫正
激光矫正技术可 以改善牙齿排列
问题
● 04
第四章 激光在工业领域的应 用
激光切割技术
激光切割技术是一种 高精度、高速度且无 污染的加工方法，广 泛应用于金属和非金 属材料的加工中。通 过激光束的聚焦和高 能量密度，能够实现 精确切割各种形状的 工件。
激光切割技术应用
零件编码 安全标记
激光在3D打印中的应用
激光在3D打印领域具有重要意义，其高精度和 快速制造能力使其成为3D打印技术的主流。激 光烧结和激光光固化技术不断推动3D打印技术 的发展。
● 05
第五章 激光在科研领域的应 用
激光光谱技术
01 原子吸收光谱分析
激光技术在原子吸收光谱中的应用
02 拉曼光谱分析
光纤激光器
光纤激光器利用光纤 作为增益介质传输激 光，具有传输距离远、 抗干扰能力强的特点。 在通信、激光打标等 领域有着广泛的应用。 光纤激光器的发展也 推动了光纤通信技术 的进步，为信息传输 提供了更快速、更可 靠的方式。
激光在医疗领域的应用
激光治疗
用于皮肤疾病、 眼科手术等
激光造影
用于诊断和治疗
01 治疗青光眼
激光可以有效治疗青光眼，为患者带来希望
02 激光角膜矫正术
一种常见的激光眼科手术，可以改善视力问 题
03
激光在皮肤美容中的应用
祛斑
激光祛斑效果显 著
祛皱
激光祛皱是一种 常见的美容方式
祛痣
激光祛痣安全、 快捷
激光在肿瘤治疗中的应用
精准杀灭
激光可以精准杀灭肿瘤细 胞
激光消融
激光消融技术在肿瘤治疗 中应用广泛
激光科学与技术：激光原理 和激光技术的应用
激光原理及应用-1
•
多普勒的线型函数与气体介质中工作原子诸能级 上的原子集居数密度按热运动速率的几率分布函 数直接有关。 二、晶格缺陷加宽 • 在晶体的生长和制作过程中难免存在无规则分布 的晶格缺陷(位错、空位等)。 • 晶格缺陷加宽与多普勒加宽类似。 • 晶格缺陷加宽通常比较小，仅当离子高浓度掺杂 使缺陷较严重，且在低温情况下声子加宽变得很 小时才显示出其重要性。 1.4.4 激光介质中的实际加宽
• • • •
•
当运动原子与其运动方向一致的光波相互作用时， 原子的中心频率发生蓝移。 当运动原子与其运动方向相反的光波相互作用时， 原子的中心频率发生红移。 运动速度越大，原子光谱线相对于其中心频率的 偏离越远。 在固体和液体中，原子受束缚较紧，运动速度受 到限制，多普勒频移不明显。 在气体中，原子、分子能够自由飞翔，运动速度 较大，多普勒频移表现得突出一些。
1.2 电磁波吸收和发射的唯象理论
1.2.1 自发辐射 • 二能级系统为模型。 • 能级寿命
21
1 A21
• 基态、激发态是什么？ • 自发辐射产生非相干、非偏振光。
二、受激吸收 1.2.3 受激辐射 • 受激辐射产生相干、偏振光——激光。 1.2.4 3个系数的关系 • 在热平衡状态下，能级上的粒子数按照玻尔兹曼 分布。高能级上的粒子数比低能级上的粒子数少， 只有打破热平衡——由外界向黑体提供能量(泵 浦、抽运)，使高能级上的粒子数比低能级上的 粒子数多，即粒子数反转(集居数反转)——激光 产生的先决条件。
•
• • • •
光波段的受激辐射的困难：腔长为波长数 量级可保证单一波长；“塞曼效应”在光 波段调谐范围小；自发辐射跃迁几率正比 于辐射频率的立方，在光波段产生的噪声 远高于微波段。 光的中心频率是多少？ 1958年肖洛和汤斯提出F-P标准具。 泵浦是什么？ 粒子数反转是什么？
介质在小信号时的粒子数反转分布值 激光原理及应用 [电子教案]电子
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介质在小信号时的粒子数反转分布值——激光原理及应用第一章：激光概述1.1 激光的发现1.2 激光的特点1.3 激光的应用领域第二章：激光原理2.1 介质中的粒子数反转2.2 受激辐射与受激吸收2.3 激光产生条件第三章：介质在小信号时的粒子数反转分布值3.1 粒子数反转的基本概念3.2 小信号下的粒子数反转分布3.3 粒子数反转分布与激光输出的关系第四章：激光器的工作原理4.1 气体激光器4.2 固体激光器4.3 半导体激光器第五章：激光应用技术5.1 激光通信5.2 激光雷达5.3 激光加工本教案主要介绍了激光的基本概念、原理以及应用。
通过学习，使学生了解激光的发展历程，掌握激光的产生原理，了解介质在小信号时的粒子数反转分布值，熟悉各种类型的激光器及其应用领域。
在教学过程中，应注意理论与实践相结合，引导学生关注激光技术在现代科技领域的应用，提高学生的科技创新能力和实践能力。
注重培养学生的团队合作精神和动手能力，为我国激光产业的发展培养高素质的人才。
第六章：激光的物理性质与应用6.1 激光的单色性6.2 激光的方向性6.3 激光的高亮度6.4 激光的应用实例第七章：激光设备与系统7.1 激光发生器7.2 激光束整形与传输设备7.3 激光检测与控制系统7.4 激光安全与防护第八章：激光在材料加工中的应用8.1 激光切割8.2 激光焊接8.3 激光打标8.4 激光雕刻第九章：激光在生物医学中的应用9.1 激光手术9.2 激光治疗9.3 激光诊断9.4 激光生物传感第十章：激光技术的发展趋势与展望10.1 光纤激光技术10.2 量子激光技术10.3 激光芯片与半导体激光技术10.4 激光技术的未来发展趋势本教案通过前五章的学习，使学生对激光的基本原理和应用有了初步的了解。
第六章至第十章进一步深入探讨了激光的物理性质、应用设备、材料加工、生物医学应用以及激光技术的发展趋势。
通过这些章节的学习，学生可以全面掌握激光技术的基本知识和应用能力。
激光原理及应用1-2
图1.1.5 正常色散现象
• 二、介质色散
图1.1.6 碘蒸气三棱镜的反常色散现象
图1.1.7 碘蒸气三棱镜实验曲线
图1.1.8 介质折射率随频率变化趋势
图1.1.9 介质折射率变化曲线
• 三、受激吸收
图1.1.10 吸收光谱实验示意图
• 1.2 电磁场吸收和发射 的唯象理论 • 1.2.1 自发辐射
绪 论
• • • • • • • • • 一、激光的发展简史 二、激光的特点 1.单色性与时间相干性 2.方向性与空间相干性 3.高亮度 三、本课程的学习方法 1.抓住基础和重点 2.理解物理概念 3.理论联系实际
第1章 光和物质的近共振 相互作用
• 1.1 电磁波的吸收和发射 • 1.1.1 电介质极化 • 一、电介质对电场的影响 • 二、电介质的极化
• • • • • • • • • •
2.7 超辐射激光器 思考和练习题 第3章 连续激光器的工作特性 3.1 均匀加宽介质激光器速率方程 3.2 激光振荡阈值 3.3 均匀加宽介质激光器中的模竞争 3.4 非均匀加宽介质激光器的多纵模振荡 3.5 激光器输出特性 思考和练习题 第4章 光学谐振腔理论
图1.3.2 受激样品分子跃迁能级和对应谱线
图1.3.3 太阳光谱中夫琅和费分立吸收线
图1.3.4 原子(a)和分子(b)产生两种吸收光谱示意图
• 1.3.2 谱线加宽和线形函数 • 一、谱线加宽
• 二、线型函数
• 三、线宽
图1.3.5 洛仑兹线型函数示意图
• 1.3.3 谱线加宽对跃迁几率的影响
目 录
• • • • • • • • 绪 论 一、激光的发展简史 二、激光的特点 三、本课程的学习方法 第1章 光和物质的近共振相互作用 1.1 电磁波的吸收和发射 1.2 电磁场吸收和发射的唯象理论 1.3 光谱线加宽
激光原理与应用电子课件1.5
则光穿过dz介质后净增加的光子数密度为:
dt为光经过dz dz所需要的时间,存在如下关系: dt = dz
υ
=
c
dz,并且有:
dN = dN1 + dN 2 = (n2 B21 n1B12 ) ρ ( z ) f (ν )dt = (n2
则光穿过dz介质后光能密度的增加值为: g dρ g dρ = hν dN = (n2 2 n1 ) B21ρ ( z ) f (ν) hν dz = (n2 2 n1 ) B21 f (ν) hν dz ρ g1 c g1 c 解此微分方程得: g ρ ( z ) = ρ (0) exp[(n2 2 n1 ) B21 f (ν)hν z ] g1 c g I ( z ) = I (0) exp[(n2 2 n1 ) B21 f (ν)hν z ] g1 c 上式即为光波穿过介质时光强随路程z的变化规律.
第 一 章 辐 射 理 论 概 要 与 激 光 产 生 的 条 件
§1.5 激光形成的条件 1.5.1 介质中光的受激辐射放大
1. 要能形成激光,首先必须使介质中的受激辐射大于受激吸收.
图1-19 光在介质中传播的物理图像
2. 光束在介质中的传播规律 如图(1-20) ,频率为 ν 的准单色光射向 介质,在介质中z处取厚度为dz,截面为单 位截面的一薄层,在 dt时间内由于介质吸收 而减少的光子数密度为: dN1 = n1B12 ρ ( z ) f (ν)dt dt时间内由于受激辐射增加的光子数密度为:
B 2.要使受激辐射几率远大于自发辐射几率即: 21ρf (ν) >> A21 而要满足上式只有靠增大增益介质中传播的光能密度 ρ 来实现,又: g ρ ( z ) = ρ (0) exp[(n2 2 n1 ) B21 f (ν)hν z ]
激光原理及应用_陈家璧_第一章
方程分别为:
E E 0 c o s t E 0 c o s 2 t
B B 0 c o s t B 0 c o s 2 t
两式统一写为：
U U 0c o s t U 0c o s2 t
其中，U为场矢量大小，代表 E或B的大小，U0为场矢量的振幅。
回目录
4
1.1.1 光波
(2)单色平面波：具有单一频率的平面波
➢自发辐射的平均寿命：原子数密度由起始值降至
它的1/e的时间
1 A21
➢设高能级En跃迁到Em的跃迁几率为Anm，则激发态 En的自发辐射平均寿命为：
1 Anm
m
➢已知A21，可求得单位体积内发出的光功率。若一个光子的能量为 hν ，某时 刻激发态的原子数密度为n2(t)，则该时刻自发辐射的光功率密度（W/m3）为：
由此可算得热平衡空腔的单色辐射能量密度 ν 为：
ν
A21 B21
1
B12g1
hν
ekT
1
B21g2
8ch3ν3
1
hν
e kT1
回目录
19
将上式与第三节中由普朗克理论所得的黑体单色辐射能量密度公式比
较可得：
A 21 B 21
8 h ν 3 c3
③
g 1 B12 g 2 B 21
④
③式和④式就是爱因斯坦系数间的基本关系，虽然是借助空腔热平衡这一
(4)球面波及其复数表示法
➢球面简谐波方程：
U
U0 r
cost
cr
➢球面波的复数表示法：U U0 eitkr r
回目录
6
1.1.2 光子
➢在真空中一个光子的能量为 ，动量为 P，则它们与光波频率，波 长之间的关系为：
光的受激辐射 激光原理及应用 [电子教案]电子
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光的受激辐射——激光原理及应用第一章：激光概述1.1 激光的定义1.2 激光的特点1.3 激光的发展历程第二章：光的受激辐射2.1 受激辐射的概念2.2 激光的产生原理2.3 激光的放大原理第三章：激光器的工作原理3.1 激光器的类型3.2 气体激光器3.3 固体激光器3.4 半导体激光器第四章：激光的应用领域4.1 激光在工业中的应用4.2 激光在医疗领域的应用4.3 激光在科研领域的应用4.4 激光在信息技术领域的应用第五章：激光技术的发展趋势5.1 激光技术的创新点5.2 我国激光技术的发展现状5.3 激光技术的发展前景第六章：激光在通信技术中的应用6.1 激光通信的基本原理6.2 激光通信的优势与挑战6.3 光纤通信技术的发展6.4 卫星激光通信的应用前景第七章：激光在材料加工中的应用7.1 激光切割与焊接7.2 激光打标与雕刻7.3 激光烧蚀与表面处理7.4 激光加工技术的创新与发展第八章：激光在生物医学领域的应用8.1 激光手术与治疗8.2 激光诊断与成像8.3 激光生物传感器与检测技术8.4 激光在基因工程与药物研发中的应用第九章：激光在科研与探索中的应用9.1 激光光谱分析与计量9.2 激光加速与粒子物理研究9.3 激光在天文观测中的应用9.4 激光在地球与环境科学研究中的作用第十章：未来激光技术的发展趋势与挑战10.1 激光技术在新能源领域的应用前景10.2 激光技术在智能制造中的应用与挑战10.3 激光技术在国防科技中的应用与发展10.4 激光技术在太空探索与星际通信中的潜在价值重点和难点解析1. 激光的定义与特点：理解激光的特定波长、相干性、平行性、亮度等特点，以及激光与普通光线的区别。
2. 激光的产生原理：掌握激光产生的基本过程，包括受激辐射、增益介质、光学谐振腔的作用。
3. 激光器的工作原理：了解不同类型激光器（气体、固体、半导体）的结构和工作机制，特别是半导体激光器的广泛应用。
2023大学_激光原理及应用(陈家璧著)课后习题答案下载
2023激光原理及应用（陈家璧著）课后习题答案下载激光原理及应用（陈家璧著）课后答案下载绪论一、激光的发展简史二、激光的特点三、本课程的学习方法第1章光和物质的近共振相互作用1.1 电磁波的吸收和发射1.2 电磁场吸收和发射的唯象理论1.3 光谱线加宽1.4 激光器中常见的谱线加宽1.5 光和物质相互作用的近代理论简介思考和练习题第2章速率方程理论2.1 典型激光器的工作能级2.2 三能级系统单模速率方程组2.3 四能级系统单模速率方程组2.4 小信号光的介质增益2.5 均匀加宽介质的增益饱和2.6 非均匀加宽介质的增益饱和2.7 超辐射激光器思考和练习题第3章连续激光器的工作特性3.1 均匀加宽介质激光器速率方程3.2 激光振荡阈值3.3 均匀加宽介质激光器中的'模竞争3.4 非均匀加宽介质激光器的多纵模振荡 3.5 激光器输出特性思考和练习题第4章光学谐振腔理论4.1 光学谐振腔的研究方法4.2 光学谐振腔的基本知识4.3 光学谐振腔的矩阵光学理论4.4 光学谐振腔的衍射积分理论4.5 平行平面腔的自再现模4.6 对称共焦腔的自再现模思考和练习题第5章高斯光束5.1 高斯光束的基本特点5.2 高斯光束的传输5.3 高斯光束的特性改善思考和练习题第6章典型激光器6.1 概述6.2 气体激光器6.3 固体激光器6.4 染料激光器6.5 半导体激光器6.6 其他激光器思考和练习题第7章激光的应用7.1 激光在基础科学研究中的应用 7.2 激光在通信及信息处理中的应用 7.3 激光在军事技术中的应用7.4 激光在生物及医学中的应用7.5 激光在材料加工中的应用7.6 激光在测量技术(计量学)中的应用7.7 激光在能源、环境中的应用7.8 激光在土木、建筑中的应用思考和练习题附录A.常用物理常数表B.常见激光器的典型技术参数C.常用电光晶体的典型技术参数D.常用光学非线性晶体的典型技术参数E.常用激光晶体的典型技术参数F.常见光功率计型号和厂家G.典型激光波长使用的光学零件及其材料性能参数H.常见光路和光学元件的传播矩阵参考文献激光原理及应用（陈家璧著）：内容简介点击此处下载激光原理及应用（陈家璧著）课后答案激光原理及应用（陈家璧著）：目录主要介绍了激光发展简史及激光的特性，激光产生的基本原理，光学谐振腔与激光模式，高斯光束，激光工作物质的增益特性，激光器的工作特性，激光特性的控制与改善，典型激光器，半导体激光器，光通信系统中的激光器和放大器，激光全息技术，激光与物质的相互作用，以及激光在其他领域的应用等内容。
激光热加工原理 激光原理及应用 [电子教案]电子
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激光热加工原理激光原理及应用第一章：激光概述1.1 激光的概念激光的定义激光的特点1.2 激光的产生原理激光的工作原理激光的产生过程1.3 激光的性质激光的单色性激光的方向性激光的相干性第二章：激光热加工原理2.1 激光加热原理激光加热的过程激光加热的机制2.2 激光热加工的特点高能量密度局部加热快速加工2.3 激光热加工的应用范围材料加工生物医学能源领域第三章：激光切割与焊接3.1 激光切割原理及设备激光切割的原理激光切割设备的组成3.2 激光切割的应用金属材料切割非金属材料切割3.3 激光焊接原理及设备激光焊接的原理激光焊接设备的组成3.4 激光焊接的应用金属材料焊接微电子器件焊接第四章：激光表面处理4.1 激光熔覆原理及工艺激光熔覆的原理激光熔覆的工艺参数4.2 激光熔覆的应用改善材料性能修复磨损零件4.3 激光打标原理及工艺激光打标的原理激光打标的工艺参数4.4 激光打标的应用产品标识防伪技术第五章：激光加工技术的未来发展5.1 激光加工技术的发展趋势激光器技术的进步激光加工技术的创新应用5.2 激光加工技术在制造业的应用自动化生产智能制造5.3 激光加工技术在科研领域的应用生物医学研究新材料研究第六章：激光热加工技术在材料加工领域的应用6.1 金属材料加工激光切割、焊接、打标、雕刻在金属加工中的应用激光熔覆技术在改善金属表面性能中的应用6.2 非金属材料加工激光切割、打标在塑料、玻璃、陶瓷等非金属材料中的应用激光雕刻在木材、皮革等材料加工中的应用6.3 复合材料加工激光加工技术在复合材料切割、焊接、打标等中的应用激光加工技术在复合材料结构件制造中的应用第七章：激光热加工技术在生物医学领域的应用7.1 激光切割、焊接在生物医学中的应用激光加工技术在生物医学器械制造中的应用激光加工技术在组织切割、焊接中的应用7.2 激光打标、雕刻在生物医学中的应用激光打标技术在生物医学器械标识中的应用激光雕刻技术在生物医学模型制造中的应用7.3 激光热加工技术在生物组织工程中的应用激光熔覆技术在生物支架制造中的应用激光加工技术在生物医用材料表面改性中的应用第八章：激光热加工技术在能源领域的应用8.1 激光切割、焊接在能源领域的应用激光加工技术在太阳能电池板制造中的应用激光加工技术在燃料电池制造中的应用8.2 激光打标、雕刻在能源领域的应用激光打标技术在能源设备标识中的应用激光雕刻技术在能源器件制造中的应用8.3 激光热加工技术在新型能源材料加工中的应用激光熔覆技术在制备新型能源材料中的应用激光加工技术在能源材料表面改性中的应用第九章：激光热加工技术的环境保护与安全9.1 激光加工技术对环境的影响激光加工技术的环境友好性激光加工技术的环保措施9.2 激光加工技术的安全问题激光加工过程中的安全防护激光加工设备的安全操作9.3 激光加工技术的环保与安全监管激光加工技术的环保法规与标准激光加工技术的安全管理制度第十章：激光热加工技术的创新与发展趋势10.1 激光加工技术的创新新型激光器的研究与应用激光加工技术的集成与自动化10.2 激光加工技术的发展趋势激光加工技术在更多领域的应用激光加工技术与其他制造技术的融合发展10.3 激光加工技术的产业化与商业化激光加工技术的产业化进程激光加工技术的商业化前景重点和难点解析重点环节1：激光的产生原理及过程激光的产生原理涉及到光学、物理学等多个领域的知识，对于理解激光热加工原理至关重要。
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。
激光原理及应用第一章..
O
px
三维测不准关系xyzpxpy pz h
六维相空间中光子的体积xyzpx py pz
3
h
3
激光原理及应用
上述相空间体积元称为相格。 相格是相空间中用任何实验所能分辨的最 小尺度。
光子的某一运动状态只能定域在一个相格中， 但不能确定它在相格内部的对应位置。
3
V
m,n,q为正整数，对应腔内一种模式(包含 两个偏振)。
激光原理及应用
在k空间内，波矢绝对值处于区间
Kz
k ～k d k
O
K Ky
1 2 体积为 4 k d k 8
Kx
波矢空间
1 V 2 该体积内的模式数为 4 k d k 3 8
激光原理及应用
空腔立方体内的模式数目
V xyz
驻波条件x m , y n , z q 2 2 2
m n q kx ,ky , kz x y z
2
激光原理及应用
k x k y k z
k
x y z
2
2 v 2 dv k ，d k c c
有两种不同的偏振，上述模式数应乘 2
2
8 v v ~ v dv之间的模式数为 3 dvV c
2
激光原理及应用
测不准关系：微观粒子的坐 标和动量不能同时准确测定， 位置测得越准确，动量就越测 不准。
X
(X,p)
一维测不准关系xpx h
相干体积：如果在空间体积 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。
Vc Ac Lc Ac c c
激光原理及应用
普通光源发光，是大量独立振子 ( 例如发光 原子)的自发辐射。每个振子发出的光波是由持 续一段时间t或在空间占有长度ct的波列所组 成．如图所示。
激光原理及应用复习资料(1)
尖峰：激光器开启时所发生的不连续的、尖锐的、大振幅脉冲。 （激光尖峰与弛豫振荡具体内容见书） 24.兰姆下陷：当激光器振荡模的频率被调谐至介质跃迁中心频率 0 时，输出功 率呈现出某种程度的降低。下陷宽度（介质中均匀加宽的线宽）。 25.均匀加宽激光器的模竞争：当数个模同时起振时必然存在诸模竞争反转原子
（3.添加）激光器的分类（记两三个例子）：
①按工作物质的物态分类：气体激光器：氦氖激光器，co2 激光器，氩离子激
光器等。
②固体激光器：红宝石激光器，钇铝石榴石激光器，硅酸盐等。
③半导体激光器：砷化镓，硫化镉。
④液体激光器：。。化学激光器：。。自由电子激光器：。。X 射线激光器。。光纤激
光器。
第二章：激光的物理学基础
q q 1 -q C （详见书）。 2nL
29.横模图形及线偏振腔模结构见书 30.解释①横模：腔内电磁场在垂直于其传播方向的横向 X-Y 面内也存在稳定的 场分布，称为横模。 解释②横模：在腔镜面上经过一次往返传播后能“自再现”的稳定光场分布称 为自再现模或横模。 ③横模特点：光能集中在光斑中心部分，而边缘部分光强甚小。
则处于低能级 E1 上的院子由于吸收这个能量为 h 21 的光子而受到激发跃迁到高
能级 E2 上去，此物理过程称为光的受激吸收。
激光原理及应用名词解释大题知识点总结考试专用
第一章1、自发辐射：在没有外界影响时，它们会自发的从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为hu的光子，这种与外界影响无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。
2、受激辐射：如果原子系统的两个能级E2和E1满足辐射跃迁选择定则，当受到外来能量hu=E2-E1的光照射时，处在E2能级的原子有可能受到外来光的激励作用而跃迁到较低的能级E1上去，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。
3、自发辐射和受激辐射的区别：①自发辐射是非相干光，受激辐射是相干光。
②自发辐射跃迁几率就是自发辐射本身，而受激辐射的跃迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色辐射能量密度的乘积。
③当受激辐射系数B21一定时，外来光的单色辐射能量密度越大，受激辐射几率越高。
4、受激吸收：处于低能级E1的原子受到一个外来光子的激励作用，完全吸收该光子的能量而跃迁到高能级E2的过程，叫作受激吸收。
5、自发辐射、受激辐射、受激吸收之间的关系：在光和大量原子系统的相互作用中，三者之间三种过程是同时发生的。
A21n2dt+B21n2ρvdt=B12n1ρvdt（自发辐射光子数+受激辐射光子数=受激吸收光子数）6、自然增宽:在不受外界影响时，处于激发态的粒子会自发的向低能态跃迁。
也就是说，在自发辐射发光过程中，能量不断衰减，电偶极子的正负中心不再做简谐振动，从而导致光谱线有一定的宽度，叫做自然增宽。
(洛伦兹线型函数)7、均匀增宽介质和非均匀增宽介质的区别:均匀增宽：(1)自然加宽（普遍存在，但在固体工作物质中可忽略）—源于不确定性原理(2)碰撞加宽（存在于气体工作物质中）—源于气体分子碰撞导致的上能级粒子寿命变化(3)晶格振动加宽（存在于固体工作物质中）—源于固体中激光工作粒子在晶格附近的热振动。
非均匀增宽：(1)多普勒加宽（存在于气体工作物质中）——源于工作物质不断地运动而产生的多普勒频移(2)晶格缺陷加宽（存在于固体工作物质中）——源于固体加工时内部产生的晶格缺陷导致工作粒子所处状态不完全相同8、光谱线宽度:通常定义Δv=v2-v1,即相对光强为最大值的1/2处的频率间隔叫做光谱线的半(值)宽度，简称光谱线宽度。
激光原理与应用课件
1 ．3 激光工作物质的能级结构
一、三能级系统
激发态的平均寿命只有10-8(s)。然而在原子的能 级中，有一种特殊的能级，其寿命可达10-3(s)甚
至更长。我们称这种状态为原子的亚稳态。
在He、Ne、CO2 、N2等物质中都有这种能级结 构
10
物质三能级系统的示意图
抽运
快 E3
E2 (亚稳态)
n 受激辐射出的光子，与入射光子具有相
同的频率，相同的初相，相同的传播方
向，相同的偏振态等。
E2
hv
E1
hv
E2
hhvv
输入 hv
hv hv
hv hv 输出
E1
hv
受激辐射示意图
受激辐射光放大示意图
6
1 ．2 粒子数反转
n 处在温度为T的平衡态下，各能级上分布的分 子数，服从玻尔兹曼分布，
n 高能态En'上分布的分子数与低能态En上分布的 分子数之比为：
34
3．4 激光在几何参数测量方面的应用
一、激光测距技术
1、激光脉冲计数方法
2、相位测距法
B
X A
He-Ne激 光
45°
二、利用激光技术和几M何学d原理可以对板N参材考平面
的厚度进行测量
激光测厚原理示意图
35
3.5 激光条码检测技术
n 条码技术是通过一定形状和间隔的条纹 组合来表达计算机“0” 、“1”语言的一种方 法。
慢
E1 (基态)
n 应该注意：三能级系统，是指激光器在运转过 程中，所涉及到的三级能级。并不是指该系统 仅有这三条能级。
11
二、四能级系统
抽运
快 E4
E3 (亚稳态)
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Vc Ac Lc Ac cc
激光原理及应用
普通光源发光，是大量独立振子(例如发光原 子)的自发辐射。每个振子发出的光波是由持续
一段时间t或在空间占有长度ct的波列所组
成．如图所示。
单原子发光的光波列和频谱
v
1 t
，Lc
ct
c v
激光原理及应用
光源单色性越好，相干时间越长
光源的相干体积
Vcs
V xyz
激光原理及应用
驻波条件x m ,y n ,z q
2
2
2
2 m
n
q
k ,k ,k
x x y y z z
激光原理及应用
3
k k k
x y z x y z V
k
2
m,n,q为正整数，对应腔内一种模式(包含两 个偏振)。
在k空间内，波矢绝对值处于区间
激光原理及应用
2．腔内物质原子数按能级分布应服从 热平衡状态下的玻尔兹曼分布
n2
g2
E2 E1
e KT
n1 g1
dn21 dt
sp
dn21 dt
st
dn12 dt
st
A21n2 B21n2v B12n1v
B12 g1
B21g2 ,
A21 B21
8 v3
c3
nvhv
激光原理及应用
当g1 g2 B12 B21 W12 W21
单色能量密度 ：在单位体积内，频率处 于 附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量。
量纲为[焦耳·米－3·秒]
激光原理及应用
普朗克量子化假设及黑体辐射普朗克公式：
▪ 腔内单位体积内，频率
处于 附近的单位频率间
隔中的光波模式数：
nv
8 v2
c3
每个模式的平均能 量为：
E
hv
hv
e kT 1
v
8 hv3
c3
激光原理及应用
受激辐射 (stimulated radiation)
E2 n2
h
E1 n1
全同光子
设 （、Ｔ）……温度为Ｔ时, 频率为 = (E2 - E1) / h附近，单位频率间隔的
外来光的能量密度。
激光原理及应用
单位体积中单位时间内，从E２ E１
受激辐射的原子数：
dn21 dt
受激
(、T
大量原子在同一辐射场激发下产生的 受激辐射处于同一光波模或同一光子态， 因而是相干的。
激光原理及应用
§1－3 光的受激辐射放大 一、光放大概念 1. 普通光源在红外和可见光波段是非相干光源
例：黑体辐射源的 光子简并度
T＝300K:
E1
n hv
hv
ekT 1
对= 30cm（微波），n103 黑体基本上是
h
E1 n1 设 n1 、n2 — 单位体积中处于E1 、E2 能级的原子数。
单位体积中单位时间 内， 从E2 E1自发 辐射 的原子数：
dn21 dt
自发
n2
激光原理及应用
写成等式
dn21 dt
自发
A21n2
Ａ21 自发辐射系数，单个原子在单位
时间内发生自发辐射过程的概率。
各原子自发辐射的光是独立的、 无关的 非 相干光 。
激光原理及应用
光的受激辐射放大:若轴向模式不是被
原子吸收(受激吸收)，而是由于原子的受激 辐射而得到放大，即获得极高的光子简并度。
二、实现光放大的条件——聚居数反 转
在物质处于热平衡状态时，各能 级上的原子数(或称集T
n1
E2 E1, n2 n1
Kz
k ～k d k
体积为1 4 k 2 d k
8
K
O
Ky
Kx
波矢空间
该体积内的模式数为1 4 k 2 d k V
8
3
激光原理及应用
k 2 2 v ，d k 2 dv
c
c
有两种不同的偏振，上述模式数应乘 2 v ~ v dv之间的模式数为8c3v2 dvV
激光原理及应用
测不准关系：微观粒子的坐 标和动量不能同时准确测定， X 位置测得越准确，动量就越测 不准。
激光原理及应用
激光器是一种把光强和相干性两者统一起 来的强相干光源。相干光强决定于具有相 干性的光子的数目或同态光子的数目。
光子简并度：处于同一光子态的光子数。
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
激光原理及应用
§1-2 光的受激辐射基本概念
❖ 受激辐射概念是爱因斯坦首先提出的(1917年)
n
1
hv
v 8 hv3
e kT 1
c3
受激辐射产生相干光子，而自发辐射产生非 相干光子。能使腔内某一特定模式(或少数几
个模式)的 大大增加，而其它所有模式的
很小，就获得一个或少数几个模式高的光子 简并度。
激光原理及应用
光谐振腔: 将一个充满物质原子的长方体空腔
(黑体)去掉侧壁，留两个端面壁。如果端面腔 壁对光有很高的反射系数，则沿垂直端面的腔 轴方向传播的光(相当于少数几个模式)在腔内 多次反射而不逸出腔外，而所有其它方向的光 则很容易逸出腔外。可实现光波模式的选择。
激光原理及应用
第一章 激光的基本原理
§1-1 相干性的光子描述 §1-2 光的受激辐射基本概念 §1-3 光的受激辐射放大 §1-4 光的自激振荡 §1-5 激光的特性
§1-1 相干性的光子描述
一．光子的基本性质
h ,h 6.626 1034 J S
2.m
h
c2
, m0
0
r 3.P
r mcn0
1
hv
e kT 1
二、受激辐射和自发辐射概念
激光原理及应用
辐射场是构成黑体的物质原子相互作用
的结果，为简化问题，我们只考虑原子的 两个能级E1和E2，并有
E2 E1 hv
单位体积内处于两能级的 原子数分别用n2和n1表示
激光原理及应用
自发辐射(spontaneous radiation)
E2 n2
相格的空间体积和相干体积相等：光子属于 同一光子态，则它们应该包含在相干体积之内。 属于同一光子态的光子是相干的。
结论：
激光原理及应用
1．相格空间体积以及一个光波模或光子 态占有的空间体积都等于相干体积。
2．属于同一状态的光子或同一模式的光 波是相干的。不同状态的光子或不同模式 的光波是不相干的。
(X,p)
一维测不准关系xpx h O
px
三维测不准关系xyzpxpypz h3
六维相空间中光子的体积xyzpxpypz h3
激光原理及应用
上述相空间体积元称为相格。
相格是相空间中用任何实验所能分辨的最小 尺度。
光子的某一运动状态只能定域在一个相格中， 但不能确定它在相格内部的对应位置。
激光原理及应用
A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。
爱因斯坦在 1917年从理论上得出
激光原理及应用
B21 = B12
A21
8 h
C3
3
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。
激光原理及应用
自发跃迁的爱因斯坦系数A21 的意义:
dn2 dt
dn21 dt
sp
A21n2
❖在普朗克于1900年用辐射量子化假设成功地解
释了黑体辐射分布规律，以及波尔在1913年提出
原子中电子运动状态量子化假设的基础上
❖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．并在推导中提出了两个极为重 要的概念：受激辐射和自发辐射。40年后，受激 辐射概念在激光技术中得到了应用。
一、黑体辐射的普朗克公式
)n2
写成等式
dn21 dt
受激
B 21
、T
n2
B21受激辐射系数
激光原理及应用
令
W21 = B21·（、T）
则
dn 21 dt
受激
W21
n2
W21 单个原子在单位时间内发生 受激辐射过程的概率。
受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、 相位及传播方向均相同 ------有光的放大作用。
t
n2 t n20eA21t n20e s
A21
1
s
A21 : 原子在能级 E2上的平均寿命S 的倒数
激光原理及应用
➢设高能级En跃迁到Em的跃迁几率为Anm， 则激发态En的自发辐射平均寿命为：
1 Anm
m
hν
四、受激辐射的相干性
激光原理及应用
自发辐射是原子在不受外界辐射场控制情况 下的自发过程。大量原子的自发辐射场的相 位是无规则分布的．因而是不相干的。此外， 自发幅射场的传播方向和偏振方向也是无规 则分布的，自发辐射平均地分配到腔内所有 模式上。
h
c
r n0
h
2
2
r n0
r hk
激光原理及应用
激光原理及应用
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。
相干光源
激光原理及应用
对= 60m （远红外辐射）， n1
而对= 0.6m （可见光）， n10-35，即在
一个光波模内的光子数是10-35个，(完全非相 干光源)。
即使提高黑体温度，也不可能对其相干性