第八篇第一讲激光原理
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(3) 泵：为工作物质提供能量，使其实现并维持粒子数反转的装置
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。
2、激光的应用
激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛 应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光 器和半导体泵浦激光器。
激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲 轴、活塞环、齿轮等零部件的热处理，同时在航空 航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。
激光化学：激光携带着高度集中而均匀的能量，可 精确地打在分子的键上，比如利用不同波长的紫外 激光，打在硫化氢等分子上，改变两激光束的相位 差，则控制了该分子的断裂过程。也可利用改变激 光脉冲波形的方法，十分精确和有效地把能量打在 分子身上， 触发某种预期的反应。
W21=W12
必须 N2 > N1（ 粒子数反转）。
2、实现粒子数反转的条件
(1) 能实现粒子数反转的介质（激活介质）
➢ 亚稳态能级：大多数物质原子的激发态都是不稳定 的，原子能够在激发态停留的时间很短，称之为能 级寿命τ很短（τ~10-8s）。而亚稳态能级的寿命可 达ms甚至s数量级。当粒子被激发后，能够在亚稳 态能级停留较长时间，以便创造粒子数反转分布的 条件。
2、激光的应用
激光医疗：激光在医学上的应用分为两大类：激光 诊断与激光治疗，前者是以激光作为信息载体，后 者则以激光作为能量载体。
N2
E2 E1
e kT
1
e 0.086
105
1
N1
1、粒子数反转
从E2 → E1 自发辐射的光，可能引起受激辐射过程， 也可能引起吸收过程。
dN21 dt
受激
W21N2
dN12 dt
吸收
W12 N1
产生激光必须
dN 21 dt
受激
dN 12 dt
吸收
根据爱因斯坦辐射公式可得
激光原理
➢ 激光器是1960年诞生的一种新型光源。激光具有能量 集中、方向性强、单色性好和相干性好的一系列优点， 因而在科技领域有广泛的应用。可以说，激光的产生 与应用为光学的发展开创了一个新的纪元。
➢ 激光是受激辐射的光放大的简称，其英文全名为： “light amplification by stimulated emission of radiation” 激光是第一个字母的缩写“Laser” 。即激光是基于受激 发射放大原理而产生的一种相干光辐射。
dN dt
21
受激
W21
N2
二、激光的形成
处于热平衡下的粒子,满足玻耳兹曼分布 En N n e kT
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数之比:
N2
E2 E1
e kT
1
N1
即能级越高,粒子数越少.
数量级估计：
T ～103 K； E 2-E 1～1eV;
kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
dN 21 dt
自发
N2
E1
N1
写成等式
dN 21 dt
自发
A21 N 2
3、受激辐射
处于高能级E2的粒子在外来辐射的作用下,跃迁回低能
级E1,同时发射一个与外来辐射相同频率的光子.
外来光频率满足:
E2 E1
h
E2 N2
h
单位体积中单位时间内， E1 N1
全同光子
从E２ E１受激辐射的原子数：
(2) 能源输入系统(称为泵或抽运)
能不断的将能量输送给激活介质，将原子有低能级激 发到合适的高能级，从而实现粒子数反转
3、能实现粒子数反转的能级系统
➢ 三能级系统
E3
E3与E1构成一个宽吸收 带,E3上的原子无辐射跃
激 励
迁到E2 , E2与E1构成粒子
数反转,三能级体系效率
不高. ➢ 四能级系统
➢ 目前，常用的激光器按照增益介质的种类可分为气体 激光器、固体激光器、半导体激光器、液体激光器四 类。而按激光器的工作方式不同又可分为连续激光器 与脉冲激光器。
一、受激吸收、自发辐射和受激辐射
在物质发光和光吸收过程中,主要涉及三种过程:
受激吸收,自发辐射和受激辐射
1、受激吸收
外来光有可能被吸收，使原子从E1E2 .
E3
E3 E1寿命短, E2 是亚稳态, 激 因此能容易实现E2与E1能 励
级的粒子数反转,四能级
体系效率高
抽
E2
运 A21
W12
W21
E1
抽
E2
运 A21 W12 W21
E1
E0
3．激光器的结构
(1).工作物质：能实现粒子数反转并产生光放大
(2).光学共振腔
激励能源
激Fra Baidu bibliotek
全反射镜
部分反射镜
作用：①产生和维持光振荡。 ②控制光振荡，使激光以特定的频率输出。
➢ 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。
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。
单位体积中单位时间内因吸收外 来光而从E1E2 的原子数：
E2
N2
h
dN
12
dt 吸收
W12
N1
E1 N1
2、自发辐射
处于高能级E2的原子自发地向低能级E1跃迁而放出光子
设 N1 、N2 — 单位体积中 处于E1 、E2 能级的原子数
E2 N2
单位体积单位时间内，从
h
E2
E1自发辐射的原子数：
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。
2、激光的应用
激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛 应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光 器和半导体泵浦激光器。
激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲 轴、活塞环、齿轮等零部件的热处理，同时在航空 航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。
激光化学：激光携带着高度集中而均匀的能量，可 精确地打在分子的键上，比如利用不同波长的紫外 激光，打在硫化氢等分子上，改变两激光束的相位 差，则控制了该分子的断裂过程。也可利用改变激 光脉冲波形的方法，十分精确和有效地把能量打在 分子身上， 触发某种预期的反应。
W21=W12
必须 N2 > N1（ 粒子数反转）。
2、实现粒子数反转的条件
(1) 能实现粒子数反转的介质（激活介质）
➢ 亚稳态能级：大多数物质原子的激发态都是不稳定 的，原子能够在激发态停留的时间很短，称之为能 级寿命τ很短（τ~10-8s）。而亚稳态能级的寿命可 达ms甚至s数量级。当粒子被激发后，能够在亚稳 态能级停留较长时间，以便创造粒子数反转分布的 条件。
2、激光的应用
激光医疗：激光在医学上的应用分为两大类：激光 诊断与激光治疗，前者是以激光作为信息载体，后 者则以激光作为能量载体。
N2
E2 E1
e kT
1
e 0.086
105
1
N1
1、粒子数反转
从E2 → E1 自发辐射的光，可能引起受激辐射过程， 也可能引起吸收过程。
dN21 dt
受激
W21N2
dN12 dt
吸收
W12 N1
产生激光必须
dN 21 dt
受激
dN 12 dt
吸收
根据爱因斯坦辐射公式可得
激光原理
➢ 激光器是1960年诞生的一种新型光源。激光具有能量 集中、方向性强、单色性好和相干性好的一系列优点， 因而在科技领域有广泛的应用。可以说，激光的产生 与应用为光学的发展开创了一个新的纪元。
➢ 激光是受激辐射的光放大的简称，其英文全名为： “light amplification by stimulated emission of radiation” 激光是第一个字母的缩写“Laser” 。即激光是基于受激 发射放大原理而产生的一种相干光辐射。
dN dt
21
受激
W21
N2
二、激光的形成
处于热平衡下的粒子,满足玻耳兹曼分布 En N n e kT
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数之比:
N2
E2 E1
e kT
1
N1
即能级越高,粒子数越少.
数量级估计：
T ～103 K； E 2-E 1～1eV;
kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
dN 21 dt
自发
N2
E1
N1
写成等式
dN 21 dt
自发
A21 N 2
3、受激辐射
处于高能级E2的粒子在外来辐射的作用下,跃迁回低能
级E1,同时发射一个与外来辐射相同频率的光子.
外来光频率满足:
E2 E1
h
E2 N2
h
单位体积中单位时间内， E1 N1
全同光子
从E２ E１受激辐射的原子数：
(2) 能源输入系统(称为泵或抽运)
能不断的将能量输送给激活介质，将原子有低能级激 发到合适的高能级，从而实现粒子数反转
3、能实现粒子数反转的能级系统
➢ 三能级系统
E3
E3与E1构成一个宽吸收 带,E3上的原子无辐射跃
激 励
迁到E2 , E2与E1构成粒子
数反转,三能级体系效率
不高. ➢ 四能级系统
➢ 目前，常用的激光器按照增益介质的种类可分为气体 激光器、固体激光器、半导体激光器、液体激光器四 类。而按激光器的工作方式不同又可分为连续激光器 与脉冲激光器。
一、受激吸收、自发辐射和受激辐射
在物质发光和光吸收过程中,主要涉及三种过程:
受激吸收,自发辐射和受激辐射
1、受激吸收
外来光有可能被吸收，使原子从E1E2 .
E3
E3 E1寿命短, E2 是亚稳态, 激 因此能容易实现E2与E1能 励
级的粒子数反转,四能级
体系效率高
抽
E2
运 A21
W12
W21
E1
抽
E2
运 A21 W12 W21
E1
E0
3．激光器的结构
(1).工作物质：能实现粒子数反转并产生光放大
(2).光学共振腔
激励能源
激Fra Baidu bibliotek
全反射镜
部分反射镜
作用：①产生和维持光振荡。 ②控制光振荡，使激光以特定的频率输出。
➢ 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。
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。
单位体积中单位时间内因吸收外 来光而从E1E2 的原子数：
E2
N2
h
dN
12
dt 吸收
W12
N1
E1 N1
2、自发辐射
处于高能级E2的原子自发地向低能级E1跃迁而放出光子
设 N1 、N2 — 单位体积中 处于E1 、E2 能级的原子数
E2 N2
单位体积单位时间内，从
h
E2
E1自发辐射的原子数：