激光产生的基本原理
激光是什么原理
激光是什么原理激光是一种特殊的光，它具有高度的单色性、方向性和相干性。
激光的产生原理主要是通过受激辐射过程实现的。
在激光器中，由于外界的作用，使得原子或分子处于激发态，当这些粒子回到基态时，就会放出光子，这些光子与入射光子具有相同的频率和相位，从而放大了光的强度，形成了激光。
激光的产生主要包括三个基本过程，吸收能量、光子发射和光子受激发射。
首先，激光器中的工作物质需要吸收能量，使得原子或分子处于激发态。
这种能量可以是光、电、化学或其他形式的能量。
其次，这些激发态的原子或分子会自发地向基态跃迁，释放出光子。
最后，当这些光子与其他激发态的原子或分子相互作用时，会引起受激辐射，产生与入射光子同频率和同相位的光子，从而放大光的强度，形成激光。
激光的产生原理可以通过光的特性来解释。
激光是一种特殊的光，它具有高度的单色性，即其频率非常纯净，光谱线非常窄。
这是因为激光是由同一频率和相位的光子组成的，而且这些光子是由受激辐射过程产生的，因此具有很高的单色性。
此外，激光还具有很高的方向性和相干性。
方向性表现为激光束非常集中，能够聚焦成很小的光斑；相干性表现为激光的光波具有固定的相位关系，能够产生干涉现象。
激光的产生原理还可以通过量子力学来解释。
在激光器中，工作物质的原子或分子处于激发态时，会形成一个激发态的原子团，这个原子团与入射光子相互作用，产生受激辐射，从而放大光的强度，形成激光。
这个过程可以通过量子力学中的受激辐射过程来描述，即入射光子与原子或分子相互作用，引起原子或分子的跃迁，产生与入射光子同频率和同相位的光子。
总的来说，激光是一种特殊的光，它具有高度的单色性、方向性和相干性。
激光的产生原理主要是通过受激辐射过程实现的，包括吸收能量、光子发射和光子受激发射三个基本过程。
激光的产生原理可以通过光的特性和量子力学来解释，这些解释都能很好地描述激光的产生过程和特性。
激光产生的基本原理
激光产生的基本原理
激光是一种高度聚焦、高能量密度、单色性好的光束，其产生的基本原理是通
过受激辐射过程。
激光的产生需要三个基本条件，增益介质、能量泵、共振腔。
在这三个条件的作用下，激光才能被成功产生。
首先，增益介质是激光产生的基础。
增益介质是指能够吸收外界能量并在受激
辐射作用下放出光子的物质。
常见的增益介质包括气体、固体、液体等。
当增益介质受到外界能量的激发时，其内部的原子或分子将处于激发态，这种激发态是不稳定的，会很快退激发到基态，放出光子。
这些光子会与周围的原子或分子发生受激辐射，从而形成光子的连锁反应，最终形成激光。
其次，能量泵是激光产生的关键。
能量泵是指能够向增益介质输入能量的装置，通常是激光器或者其他光源。
能量泵向增益介质输入能量，使得增益介质内部的原子或分子处于激发态，从而为激光的产生提供必要的能量。
最后，共振腔是激光产生的重要环节。
共振腔是指由两个高反射镜构成的腔体，其中一个镜子对光具有很高的反射率，另一个镜子对光具有一定的透射率。
共振腔的作用是使得增益介质中的光子在腔内来回多次反射，从而增强光的强度和单色性。
当光子在共振腔内得到足够的增强后，就可以从透射镜射出，形成激光。
综上所述，激光的产生基本原理是通过增益介质吸收外界能量并受激辐射放出
光子，需要能量泵向增益介质输入能量，并通过共振腔增强光的强度和单色性。
这三个条件共同作用下，才能成功产生激光。
激光因其高能量密度、单色性好等特点，被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
对激光产生的基本原理有深入的了解，有助于更好地应用和发展激光技术。
激光的产生原理
激光的产生原理激光，全称为“光电子激光”，是一种高度聚焦、高能量密度的光束，具有单色性、相干性和方向性等特点。
激光的产生原理是通过激发原子或分子的能级跃迁，使其在受激辐射作用下发射出一束高度一致的光线。
激光在现代科技和工业中有着广泛的应用，如激光切割、激光打印、激光医疗等领域。
本文将介绍激光的产生原理，以便更好地理解激光技术的应用。
激光的产生原理主要涉及三个基本过程，激发、受激辐射和光放大。
首先，当原子或分子处于基态时，通过外界能量输入（如光、电、热等），使其能级跃迁至激发态。
在激发态，原子或分子处于不稳定状态，会很快退回到基态，这时就会发射出一个光子，这个过程就是受激辐射。
接着，这个发射出的光子会刺激其他处于激发态的原子或分子，使其也发射出同样频率、相位和方向的光子，这就是光放大。
通过这样的过程，就可以产生一束高度一致的激光光束。
激光的产生原理还与能级结构有关。
在原子或分子的能级结构中，通常存在着一个基态和多个激发态。
当原子或分子处于基态时，通过外界能量输入，可以使其跃迁至激发态。
而在激发态，原子或分子处于不稳定状态，会很快退回到基态并发射出一个光子。
这个光子的频率和相位与激发态到基态的跃迁能级差有关，也就是说，它们是单色的。
通过受激辐射和光放大的过程，就可以产生一束高度一致的激光光束。
激光的产生原理还与共振腔有关。
共振腔是激光器的重要组成部分，它由两个高反射镜和一个半透镜构成。
在共振腔中，激光光子来回反射，与处于激发态的原子或分子发生受激辐射和光放大过程，最终形成一束高度一致的激光光束。
共振腔的长度决定了激光的波长，而高反射镜和半透镜的反射率和透射率则影响了激光的输出功率和光束质量。
总的来说，激光的产生原理是通过激发原子或分子的能级跃迁，使其在受激辐射作用下发射出一束高度一致的光线。
这种高度聚焦、高能量密度的光束在现代科技和工业中有着广泛的应用，如激光切割、激光打印、激光医疗等领域。
通过深入理解激光的产生原理，可以更好地推动激光技术的发展和应用。
激光形成原理
激光形成原理
激光是一种光的模式，它是通过原子受激辐射而产生的。
原子的内部结构非常复杂，目前已经发现的原子有20多种，在其中电子、原子核和分子是三大基本结构。
电子与原子核之间通过质子和中子相互联系。
原子中有很多电子，它们在原子核的保护下不会受到任何伤害，但一旦它们离开原子核后，就会受到很大的伤害。
当电子离开原子核时，就会发生两种情况：一种是它离开了原子核，而另一种则是它继续留在原子核外。
当电子离开原子核后，它会继续做热运动，并向外飞出。
这时，当有电子从一个原子飞到另一个原子时，就会受到其他原子的吸引。
这些原子有的向外飞出；有的则向内飞出。
当吸收的原子越多时，它们就越靠近。
最后，由于它们之间的距离越来越近，它们就会相互碰撞。
这就产生了电子碰撞的现象，这种现象叫碰撞吸收。
电子碰撞吸收现象是固体物质中原子形成过程中经常发生的现象。
如果电子被困在一个地方不动时，它们之间就不能发生碰撞了。
—— 1 —1 —。
激光产生的基本原理
激光产生的基本原理
激光，全称为“光电激射”，是一种特殊的光线，具有高度的单色性、方向性和相干性。
激光的产生基于激光的三个基本原理：受激发射、光学放大和光学共振。
让我们来了解一下受激发射。
在一个原子或分子中，电子围绕原子核运动，处于不同的能级。
当一个电子处于高能级时，如果它受到足够的能量激发，就会跃迁到更高的能级。
而当这个电子从高能级回到低能级时，会释放出能量，这种能量以光子的形式发射出来，这就是受激发射的过程。
接下来是光学放大。
在一定条件下，通过受激发射产生的光子可以被其他原子或分子吸收，使它们的电子跃迁到高能级。
这样就形成了一个光子的“雪崩效应”，光子的数量和能量逐渐增加，产生了光的放大效应。
最后是光学共振。
在激光器中，通常有两个镜子，一个是半透射镜，另一个是全反射镜。
当光子在两个镜子之间来回反射时，只有在特定的波长下，光子才会受到增强，其他波长的光子则会被滤除。
这种在谐振腔内的光子反复受到增强的过程就是光学共振。
通过受激发射、光学放大和光学共振这三个基本原理，激光得以产生。
在现代科技中，激光已经被广泛应用于各个领域，如激光医学、激光通信、激光切割等。
激光的特点使其在精密加工、精确测量、
信息传输等方面具有重要作用。
总的来说，激光的产生基于受激发射、光学放大和光学共振这三个基本原理，这些原理的相互作用使得激光成为一种独特而强大的光线。
随着科技的不断发展，相信激光技术将会在更多领域展现出其无限的潜力。
激光的原理与特点
激光的原理与特点
激光，是指具有高度一致的光波振荡特性的一种光束。
激光的原理是通过三级系统（包括基态、激发态和亚稳态）之间的电磁辐射相互作用而产生的。
具体来说，激光的原理包括光放大、光共振、正反馈等。
激光的特点主要有以下几个方面：
1. 高度的单色性：激光的频率非常纯净，只有极少的频率成分，因此它具有非常高的单色性。
这是由于激光光波是由一个频率极为准确的谐振振荡系统所产生的。
2. 高度的方向性：激光光束具有非常高的方向性，激光光束在传播过程中很少发生散射，能够以非常窄的角度进行定向传播。
这是由于激光的振荡介质是一个长而细的谐振腔。
3. 高度的相干性：激光光束具有非常高的相干性，所有的光波的振幅和相位都高度一致。
这是由于激光光波是由许多同样频率和相位的原子或分子发射的。
4. 高度的能量密度：激光光束具有非常高的能量密度，能够集中大量的能量在一个很小的空间范围内。
由于激光的强度非常大，因此它可以用来进行高精度的切割、焊接等工业加工。
总之，激光作为一种特殊的光线，具有高度的单色性、方向性、相干性和能量密度，这些特点使得激光被广泛应用于科学、医学、工业等多个领域。
激光发生的工作原理
激光发生的工作原理
激光的工作原理是通过受激辐射过程产生的一种高度聚焦、单色、相干光束。
其主要包含以下几个步骤：
1. 激发：将激光介质（如固体、液体或气体）中的原子或分子激发到一个较高的能级，使其电子处于激发态。
2. 反转粒子分布：通过注入能量，使激发态粒子的数目多于基态粒子，实现粒子数密度反转。
3. 反射：在激光介质两端分别安装一个反射镜，形成光学共振腔。
一端为半透镜，允许一部分光通过，另一端为完全反射镜。
4. 反馈：当一小部分激发态粒子发射光子，其中一部分可以由半透镜透射出来，一部分经完全反射镜反射回来，形成光的反馈。
5. 受激辐射：反馈的光子通过与其他激发态粒子碰撞交互作用，使更多的粒子从激发态跃迁到基态并发射出相同频率、相同相位的光子，引发受激辐射过程。
6. 放大：通过多次反射、受激辐射过程，激光光束逐渐被放大，形成幅度相干、相位相干的激光。
7. 输出：当激光光束达到一定能量后，部分光通过半透镜从腔外透出，形成激光输出。
整个工作过程可以持续进行，得到连续激光输出。
这就是激光发生的基本工作原理。
不同的激光器种类和结构有所差异，但以上步骤是激光工作的基本过程。
激光发生原理
激光发生原理
激光发生原理是指通过在某种物质中产生放射性共振，使能量从低能级跃迁到高能级，当能级转跃返回时释放出激光光子。
其具体原理如下：
1. 光增强：从低能级到高能级的能级转跃，需要外界输入一定的能量。
光增强是通过光泵浦的方式，将外界的能量输送到活性介质，使活性介质的电子跃迁到高能级。
2. 粒子聚集：由于激光的发射频率是确定的，活性介质中的电子会在高能级聚集形成亚波长级的粒子聚集，这种聚集状态使得粒子发出的光同步而相干。
3.受激辐射：当活性介质中的粒子聚集到达足够大的数目时，会出现受激辐射。
这种受激辐射是由于活性介质中的一个高能级电子跃迁到低能级时，能够刺激一个已经处于低能级的电子跃迁到更低的能级，并排放出与已经激发的电子同样频率和相位的粒子。
4.反射和反射：在活性介质两端设置反射镜，激光由于多次在反射镜之间反射并不断受到激发，逐渐形成激光增强效应。
当光线增强到一定程度时，即达到激光阈值，就会产生一束非常纯净、相干和高亮度的激光束。
《激光产生的原理》课件
激光物理
利用激光的特点和研究光与 物质相互作用规律的一门学 科，具有深入揭示特点进行化学反应的引 发和调控，具有高效、环保 、可控性强等特点。
激光生物学
利用激光的特点和研究生物 体系结构和功能的学科，具 有深入揭示生命现象和本质 的特点。
激光的色纯度受到光学元件的 限制，难以达到完美的单色性 。
激光的相干性会导致其光束发 散角较小，传输距离有限。
未来展望
随着科技的不断发展，未来有望通过新材料、新技术的研发，提高激光的输出功率 和单色性。
探索新型的激光产生机制，如超快激光、量子级联激光等，将为科技发展带来新的 突破。
结合其他技术领域，如人工智能、物联网等，实现激光技术的智能化和网络化，拓 展其在各行业的应用前景。
《激光产生的原理》 ppt课件
目录
CONTENTS
• 激光简介 • 激光产生的原理 • 激光的应用 • 激光的未来发展 • 总结
01
激光简介
激光的定义
01
激光定义：激光是由原子或分子 等物质在受到外部能量激发后， 自发辐射产生的相干光。
02
激光的产生需要满足三个基本条 件：工作物质、激励能源和光学 谐振腔。
高亮度
由于光的相干性，激光可以形 成高亮度的平行光束。
03
激光的应用
工业领域
激光切割
激光焊接
利用高能激光束对材料进行精确切割，具 有高效、精准、环保等优点。
通过激光束的高能量实现金属或非金属材 料的连接，具有焊接强度高、变形小、精 度高等特点。
激光打标
激光清洗
利用激光的高能量密度在各种材料表面进 行标记和刻蚀，具有标记清晰、耐久性好 、适用范围广等优点。
激光美容
激光的基本原理
激光的基本原理激光，即光的放大和聚焦，是一种特殊的光，它具有高亮度、高单色性和高相干性等特点。
激光的基本原理是通过受激辐射的过程产生的。
激光的产生主要包括三个基本过程，激发、受激辐射和自发辐射。
下面将分别对这三个过程进行详细介绍。
首先是激发过程。
激发是指通过外界能量作用于原子、分子或离子，使其处于激发态。
在激光器中，通常采用光、电、化学、热等方式对工作物质进行激发，使其处于高能级。
这种激发方式可以将原子、分子或离子从基态转移到激发态，从而为激光的产生提供能量。
其次是受激辐射过程。
受激辐射是指当一个处于激发态的原子、分子或离子受到外界辐射的激发作用时，会发生辐射跃迁，产生与外界辐射频率相同的辐射。
这种过程会导致原子、分子或离子从高能级跃迁到低能级，释放出一束与外界辐射频率相同的光子，从而形成激光。
最后是自发辐射过程。
自发辐射是指处于激发态的原子、分子或离子在没有外界辐射的作用下，自发地跃迁到低能级并释放出光子的过程。
这种过程是不可控的，产生的光子频率和相位是随机的，因此不能形成激光。
除了这三个基本过程外，激光的产生还需要具备光学共振腔、增益介质和泵浦源等条件。
光学共振腔是指能够反射激光的光学装置，它能够将激光反复地来回反射，从而增强激光的强度。
增益介质是指能够放大激光的介质，如气体、固体或半导体等。
泵浦源是指能够向增益介质提供能量的源，如激光器、电子束、化学反应等。
总的来说，激光的基本原理是通过激发、受激辐射和自发辐射等过程产生的。
在这个过程中，光学共振腔、增益介质和泵浦源等条件起着至关重要的作用。
只有具备了这些条件，才能够产生出高亮度、高单色性和高相干性的激光。
激光在科学研究、医学治疗、工业加工等领域都有着重要的应用价值，因此对激光的基本原理有深入的了解，对于推动激光技术的发展具有重要意义。
激光产生的基本原理
激光产生的基本原理
激光是一种特殊的电磁波，它具有在空间和时间上的非常高的相干性，其频宽和共振
振幅极高。
激光的电磁波量子尺寸，只有足够的能量，才能形成长度足够短、频率足够高
的激光光束。
激光产生的基本原理是利用量子跃迁原理，即由低能级态转移到高能级态，
释放出能量而产生的激光波。
具体来说，激光产生涉及元素态级跃迁原理，即低能量平衡态不稳定，低能量态和高
能量态之间互相转换，从低能量态向高能量态跃迁，释放出能量，从而产生足够高的光束，形成激光信号的一种特殊的电磁波。
可以这样理解：它在一定温度下，首先将元素态提升到激光发射的最高能量状态；而
这步提升需要外加的能量，通常来源于电流，也可以是半导体芯片。
然后强大的外加能量
会冲击元素态，从而引发量子跃迁，使倾斜的二极电子跃迁到更高能级别，从而释放出足
够多的能量，形成一束聚焦、稳定的激光光束。
在这个过程中，量子跃迁后电子态和原子态的能级是反向的，即电子向上跃迁，原子
跃迁到更低的能级。
而且由于激光发射的能量远大于量子跃迁的能量，量子跃迁过程几乎
不放出任何能量，因此激光发射得更高，光束也变得更加稳定。
激光在社会上发挥着重要作用，工业应用广泛，因此，深入了解激光产生的基本原理，对于深入理解激光核心工作机理，并且更好地应用激光，具有重要意义。
简述激光产生的原理
简述激光产生的原理
激光产生的原理是基于受激辐射的过程。
一般情况下，原子或分子的电子处于低能级，当有外界光或电子束等能量输入时，部分电子会由低能级跃迁到高能级。
然而，根据能量守恒定律，这些电子不能够永久地停留在高能级，它们会很快回到低能级。
回到低能级时，电子会释放出能量，通常以光子的形式。
而在激光产生的过程中，当一定数量的电子处于高能级时，它们会以非辐射的方式传递能量给其他的原子或分子。
这种过程称为非辐射衰减。
但是，如果有一个已经处于高能级的原子或分子的附近，那么它所受到的非辐射衰减就会增强，因为这个原子或分子已经有了足够多的高能级电子。
这时，附近的原子或分子中的电子将会被导致回到低能级，释放出更多的能量。
这种导致原子或分子中电子回到低能级的控制过程，被称为非弛豫过程。
在非弛豫过程中，导致电子返回低能级的外界光或电子束被称为泵浦光或泵浦电子束。
当泵浦光或泵浦电子束的能量足够大且足够持久时，就可以实现激光的产生。
当泵浦光或泵浦电子束的能量远远超过了激光介质中原子或分子的阈值能量时，原子或分子足够多地处于高能级，就会形成所谓的光放大区。
在这个区域内，非辐射衰减远远大于自发辐射，原子或分子的高能级电子数目远远多于低能级的电子。
而当光通过光放大区时，它将被放大并产生激光。
因为在光放
大区中，激发态的原子或分子释放出的光子会与其他的原子或分子发生受激辐射，使得释放出的光子与泵浦光或电子束的相位相同，从而形成高度一致的激光光束。
最后，通过在光放大区的两端设置光反射镜，使得光在光放大区内来回反射，从而实现激光的放大和产生。
这就是激光产生的基本原理。
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。
激光的产生原理
激光的产生原理
激光是一种具有高能量和低散射的电磁辐射，因其能够以相对较窄的
角度发散，精度高、抗干扰性强，所以在医学、通信、工业生产等诸
多领域得到了大量应用。
那么，激光是如何产生的呢？
一、原子能级激发
激光是以物理原理来描述的一种精准的电磁辐射，它主要是利用原子
能级激发的原理而生成的。
当原子中的电子将能量吸收，由低能级的
原子态提升到高能级的原子态时，它就会释放出能量，这就产生了激光。
二、激光管的工作原理
激光管是激光的重要组成部分，它是一种有放大能力的装置。
当它接
受到一定能量后，就会将激光辐射放大，从而使激光强度大大增强。
三、共振腔
激光管内放置共振腔，这种共振腔具有折射率、反射率和吸收率这三
个特性，它可以吸收电子释放出来的能量，并不断放大，最后形成一
束有效的激光光束。
四、激光产生
最终，由于原子中电子跃迁的能量的放大，使得释放出的激光强度大
大增强，于是激光就被产生出来了。
激光也可以产生多种不同的波长，它由整个发射系统所确定，并取决于共振腔、反射镜和激光器中掺入
物质的种类、浓度以及激光管的设计等。
以上就是激光的产生原理了，激光作为一种光源，在各个领域的应用正发挥着重要作用，必要的了解是对激光的有效利用的前提。
激光的原理是什么
激光的原理是什么
激光的原理是利用受激辐射作用产生一束定向且具有高度单色性的光。
具体来说，激光的原理由三个关键要素组成：激活介质、能量外加和光反馈。
首先，需要一个激活介质，它通常是由气体、液体或固体组成。
激活介质中的原子或分子处于基态，当外部能量通过吸收或电子碰撞等方式加入时，激活介质内部的部分原子或分子会跃迁到高能级。
接下来，能量外加是指给激活介质提供足够的能量来激发其内部原子或分子。
这可以通过光、电流、化学反应或其他方式实现。
能量外加会导致激活介质中的粒子处于激发态。
最后，光反馈是激光起作用的关键。
在激发态下，激活介质的原子或分子会自发地退激并释放出光子。
这些光子会在激活介质中传播并与其他激发态的粒子发生碰撞。
当光子与已经激发的粒子碰撞时，会导致其中的原子或分子跃迁回到基态，并释放出额外的光子。
这种碰撞过程形成了一个正反馈回路，使得更多的原子或分子从激发态跃迁到基态并放出光子，从而产生了一束连续放大和放出光的激光束。
通过控制激活介质的性质、外加能量和光反馈，可以实现激光光束的定向性、单色性和高度聚焦。
这使得激光可以在科学、医学、通信和工业等领域发挥重要作用。
激光的基本原理是
激光的基本原理是
激光的基本原理是通过受激辐射的过程产生一束高度聚焦、单色、相干性极高的光线。
激光器内部通过能量输入或外部激发物质，使其处于激发态。
当外部光子或能量激发物质时，激发态的原子或分子会在辐射入射光子的作用下跃迁到较低的能级，释放出与入射光子完全一致的光子，这种现象称为自发辐射。
自发辐射仅能获得出射光子与入射光子具有相同的频率，而且光子的相位与方向都是准乱的，不具备激光的特性。
为了实现激光输出，需要通过两个重要的过程：光放大和光反馈。
光放大是指将自发辐射光子经过受激辐射的反复过程进行增强，在激光器内部通过使用特定的放大介质（如气体或晶体）来实现。
该过程需要确保在放大介质中有足够的受激辐射发生，以维持每个原子或分子的激发态数目。
放大介质通常呈现双能级或三能级结构，以确保能量的快速传递。
光反馈是将一部分光线经过特殊的光学器件（如共振腔）反射回放大介质，使得受激辐射持续发生，并增加其相干性。
光线在能级系统中来回传播，与处于激发态的原子或分子相互作用，同时经过其他非激光产生的途径（如自发辐射、散射等）损失能量。
只有在光反馈强度超过损耗时，才能实现激光输出。
总结起来，激光的基本原理包括自发辐射、光放大和光反馈。
这些过程的相互作用使得激光器能够输出高度聚焦、单色、相干性极高的激光光束。
激光产生的基本原理
激光产生的基本原理
激光的产生基于量子力学的原理。
激光是由放射性电磁波构成的,这种波从一种粒子射向另一种粒子,当它们与第二种粒子接
触时被激发,释放出与入射粒子能量相等的光子。
这些光子继
续与第一种粒子相互作用,导致光子数量的迅速增加,直到达到
光子输入粒子的数倍。
这个过程称为光子放大。
激光放大的过程是通过通入能量来实现的,这种能量可以是光、电流或其他形式的能量。
能量源使激光介质中的粒子处于高能态,其中的粒子跃迁到低能态,因此放出光子。
这些发射的光子
与原激发的光子相干,大部分光子在光介质中多次反射,在达到
阈值之前增强。
当光子数达到一定阈值时,将出现光子之间的双向刺激发射现象。
这就是激光中光子同步发射的基础。
光子通过与原激发光子相互作用,形成相干的光波。
激光器的设备结构和光学配置
有助于促进这种同步发射,使得光波外观呈现高度方向性和单
色性。
总之,激光产生的基本原理是通过能量源激发激光介质中的粒子,使光子通过刺激发射放大,最终形成相干的激光光束。
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第二章 激光产生的基本原理
2.3 激光产生的条件
2.3.1 受激辐射光放大
受激辐射产生的光子与引起受激辐射的外来光子具有相同 的特征（频率、相位、振动方向及传播方向均相同）。
E2
h
h h
E1
光放大
相干光 （激光）
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
第二章 激光产生的基本原理
受激辐射与受激吸收的矛盾
受激辐射：光子数
第二章 激光产生的基本原理
2.2.2 受激吸收
E2
h
E1
吸收前
吸收后
h E2 E1
受激吸收跃迁几率：
W12
( dn12 dt
)st
1 n1
W12 B12
stimulated
与原子本身性质和辐射场能量密度有关
B12
：受激吸收跃迁爱因斯坦系数 激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦 只与原子本身性质有关
2
Ze2
8 0r
整个原子的总能量：
Ze2
1 mZ 2e4
E Ep Ek 80r n2 802h2
上式表明，原子的能量是量子化的，只能取一系列分立的值。
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第二章 激光产生的基本原理
2.1.3 原子发光的机理
量子跃迁是量子力学的最基本概念
跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。
玻尔兹曼统计分布：
n f e 2
2
( E2 E1 ) KT
n1 f1
f1、f2 ——能级 E1 和 E2的简并度，
或称统计权重
热平衡状态：
辐射率 吸收率 （辐射场总光子数保持不变）
n2 A21 n2B21 n1B12
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第二章 激光产生的基本原理
( ,T )
第二章 激光产生的基本原理
2.2.3 受激辐射
E2
h
h h
E1 发光前
发光后
h E2 E1
当外来光子的频率满足 h E2时，E1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。
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A21 / B21
B12
f1
h 1
e KT
B21 f2
与Planck公式比较
8 h 3
c3
1
h
e KT 1
A21 B21
8 h 3
c3
n h
B12 f1 B21 f2
f1 f2
B12 B21 W12 W21
A21
8 h
c3
3
B21
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第二章 激光产生的基本原理
结论：
B12 B21 W12 W21
A21
8 h
c3
3
B21
1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故 正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。
3. 自发辐射的出现随 3而增大，故波长越短，
自发辐射几率越大。
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第二章 激光产生的基本原理
受激辐射跃迁几率：
W21
(
dn21 dt
)st
1 n2
W21 B21
与原子本身性质和辐射场能量密度有关
B21 ：受激辐射跃迁爱因斯坦系数
只与原子本身性质有关
当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程
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第二章 激光产生的基本原理
2.2.4 爱因斯坦三系数A21、B21、B12 的相互关系 n1、n2 ——各能级上的原子数密度（集居数密度）
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第二章 激光产生的基本原理
2.3.2 集居数反转
克服受激辐射和受激吸收的矛盾
1. 集居数正常分布
N1 e E1 E2 kT N2
E2
n1 n2
E1
受激吸收占优势，发生其他两种过程的几率很小。
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第二章 激光产生的基本原理
2. 粒子数反转分布（集居数反转）
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第二章 激光产生的基本原理
2.2.1 自发辐射
E2
h h E2 E1
E1
发光前
发光后
A 自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：
21
A21
( dn21 dt
)sp
1 n2
1
A21 S
spontaneous
原子在能级 E2 的平均寿命
只与原子本激身光原性理质及应有用 陈关鹤，鸣 赵与新辐彦 射场无关
激光工作物质
基质：为激活粒子提供寄存场所的材料。
1. 二能级系统
二能级系统不 能实现粒子数 反转分布
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第二章 激光产生的基本原理
2.1 原子发光的机理
2.1.1 原子的结构
经典电动力学认为：原子是不稳定的， 电磁辐射谱线是连续
玻尔原子理论的三条假定： (1)定态假定：存在一系列原子定态，处在定态中 的电子虽做相应的轨道运动，但不发射电磁波；
丹麦物理学家 玻尔Bohr,Niels
(2)角动量量子化：做定态运动电子的角动量量子 化了，其值只能为h／2π的整数倍；
受激吸收：光子数
粒子数正常分布：
E2
n1 n2 E1
B21 n2
B12 n1
n2W21 n1W12 光强减弱
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第二章 激光产生的基本原理
受激辐射与自发辐射的矛盾
R W21 A21
B21
A21
：T=300K时，R 1035
吸收跃迁： 低
辐射跃迁： 高
（自发辐射）
吸收能量
高
辐射能量 低 h E2 E1
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第二章 激光产生的基本原理
2.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收
受激辐射概念的提出： 《辐射的量子理论》
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。
E2
n1 n2
E1
受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强，获得光放大。
激光产生的必要条件：粒子数反转 激活物质：处于集居数反转状态的物质。
泵浦（Pumping）：
（抽运、激励）
E1
外界向物质提供能量
E2
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第二章 激光产生的基本原理
2.3.3. 激活粒子的能级系统
激活粒子：能够形成粒子数反转的发光粒子。
(3)频率假定：仅当原子中的电子从一定态跃迁到 另一定态时，才能发射或吸收一个相应的光子。
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第二章 激光产生的基本原理
2.1.2 原子的能级
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
Ze2
静电势能：
Ep
4 0 r
电子动能：
Ek
1 m 2