激光基础详解
激光基础知识
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激光简介
• 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人 类的又一重发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、 “最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的 100亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱 因斯坦发现，但要直到 1960 年激光才被首次成功制造。 激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而 生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的 发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且 导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用 前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果， 从而促进了生产力的发展。该项目在华中科技大学武汉光 电国家实验室和武汉东湖中国光谷得到充分体现，也在军 事上起到重大作用。
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激光产生条件：粒子数反转
• 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，受激辐射使光子数增 加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡 态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒 子的统计分布律。按统计分布规律，处在较低能 级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。 这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会 加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能 级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种 分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子 数反转分布，简称粒子数反转。如何从技术上实 现粒子数反转是产生激光的必要条件。
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• • • •
通常激光器包括三个基本部分： 激光工作物质 外界激励源 光学谐振腔
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• 激光工作物质 • 是激光器中用于发射激光的物质。作为激光的工 作介质，必须是激活介质，即在外界能源激励下， 能在介质中形成粒子数反转（若介质在外界能源 激励下破坏了热平衡，使高能级上的粒子数大于 的能级上的粒子数，这种状态称为粒子数反转态。 在这种状态下光通过介质后得到放大，这种情况 称为有光增益，此时的介质为光增益介质。）红 宝石激光器的工作物质为含铬离子的红宝石，氦 氖激光器的工作物质是气体氖（氦为辅助工作物 质），常见的氩离子激光器的工作物质是气体氩。
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。
激光知识点归纳总结
激光知识点归纳总结一、激光的基本概念1. 激光的定义：激光是指一种纯准直性极好的光线，其光子是高度同步的单色光子。
2. 激光的产生：激光是由受激发射产生的，利用三能级或四能级的原子，分子或离子系统，通过外加能量使体系转移到激发态，再利用其辐射产生激光光子。
3. 激光的特性：激光具有单色性、准直性、明暗对比度高、相干性强等特点。
4. 激光的种类：激光可以分为气体激光器、固体激光器、液体激光器和半导体激光器等。
二、激光的基本原理1. 激光的受激辐射：当原子、分子或离子处于激发态时，通过外界刺激的辐射能引起它们从激发态向稳态跃迁，再发出与外界激发辐射相同特性的电磁波，即受激辐射。
2. 激光的稳态条件：产生激光需要满足稳态条件，即发射和吸收的粒子数要平衡，从而实现能量的持续放大和稳定输出。
3. 激光的放大作用：在激光器内，通过激发态原子、分子或离子吸收外界光子能量，使它们跃迁到更高激发态，从而放大光子，产生激光。
4. 激光的光学谐振腔：激光器内部常常设置光学谐振腔，用来反射和增强激光，从而实现激光的输出。
三、激光的应用领域1. 激光测距与测速：激光雷达通过测量反射光的飞行时间来实现测距，同时通过多普勒效应测速。
2. 激光材料加工：激光可用于金属切割、焊接、打孔等材料加工过程。
3. 激光医学应用：激光可用于眼科手术、皮肤治疗、激光治疗仪等医疗设备。
4. 激光通讯：激光可以传输更大带宽、更高速率的信息，用于通讯领域。
5. 激光导航：激光雷达可用于无人飞行器、自动驾驶汽车等导航系统。
6. 激光防御：激光武器可用于导弹防御、激光束武器等领域。
四、激光器的分类1. 气体激光器：以气体为工作物质的激光器，常见的包括二氧化碳激光器、氦氖激光器等。
2. 固体激光器：以固体为工作物质的激光器，常见的包括Nd:YAG激光器、激光二极管等。
3. 半导体激光器：以半导体为工作物质的激光器，可用于激光打印机、光纤通信等领域。
4. 液体激光器：以液体为工作物质的激光器，常见的包括染料激光器等。
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h υ=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：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。
第1章_激光基础概述
E2
n2 n1 g 2 g1
满足上式得粒子数分布， 称为粒子数反转分布。
E1
粒子数反转分布（g2 g1 ）
3. 激光器的组成
一、基本结构
全反射镜 输出镜 激光工作物质 激光 输出
激 光 器 基 本 结 构
激光工作物质
泵浦源（激励源）
泵浦源
激光器示意图 光学谐振腔
谐振腔
作用：光学正反馈形成激光持续振荡；对振 荡光束的方向、频率形成限制，保证单色性 与方向性 类型：
iner
1 1 ln 2 L r1r2
反射镜不完全所致损耗
iner 为腔内其它损耗
光子在谐振腔给所获得的 增益只有大于或等于腔内总 损耗系数时，激光才能形成 振荡。以平行平面腔为例， 其阀值条件为
G iner
1 1 ln 2 L r1r2
谐振腔品质因子
人们常用品质因子来描述谐振腔的性能，并定义
0
t(
We 0
R
)e
t
R
dt R
如果腔内激光介质的增益为G，则振荡1次后腔内光子密度变化为
We We0 e2( G) L
如果腔内激光介质的增益为G，则振荡m次后腔内光子密度变化为
We We0 e2( G) mL
G
意味着光子数增加
激光振荡阈值条件
腔内总损耗（单程）：
相干
D相干
2 相干
D
2
相干
定义为相干截面
s相干 ，即
s相干 D
单色性和时间相干性
以激光辐射的谱线宽度表征辐射的单色性和激光的 相干时间。单色性和相干时间 之间存在简单关系， 相干 即
激光的理论基础
激光的理论基础
激光是一种特殊的光，按其特征可以分为多个类别。
它具有相同频率和向量方向的电
磁辐射，可以把复杂的电场双极转换为光场双极，其振荡频率在可视光到红外光之间，占
据辐射场中的特定频率范围，而光束具有较高的能量强度和一致性。
激光技术，是根据半
导体激光器的发展，此技术可以主要应用于可视光投射、仪器仪表、打印机以及生物医学
等领域。
激光的理论基础是光学和量子电动力学。
归纳起来概括可有四个基本要素：一是光调
制系统，将复杂的电场双极转换为光场双极，例如准直镜的一种折射或反射；二是能量放
大系统，由多个放大管或激光晶体组成，以把中微量的能量大量地放大输出；三是光学系统，由反射镜、透镜等元件组成，调整激光束的方向；四是量子电动力学，研究电态到光
态的转换，形成基本的激光源。
因此，各种光学和量子电动力学的理论与实验及各种光学
器件的应用，是激光的理论基础。
同时，激光有多个理论模型，基本上可以分为非平衡模型、直接激发模型、激光器模型、激光共振腔模型及衍射激光模型五种。
其中，非平衡模型和激光器模型是最常用的理
论模型。
它们分别涉及物理系统非平衡状态和物理激光器两个大的研究问题。
激光的理论基础，即模型理论基础和实验理论基础。
模型理论基础是指上述激光的理
论模型，实验理论基础是指实验研究、探讨激光的特性及其现象的理论基础。
结合上述理
论和实验，可以剖析激光的特性和表现，从而更有效地发挥激光的性能，应用到实践中去。
激光基本概述
产生高压引起核聚变
人工控制聚变反应
1.受激吸收
E2
h
E1
吸收前
吸收后
2.自发辐射
E2
h
E1
发光前
光子的频率为
发光后
2 − 1
=
ℎ
3.受激辐射
E2
h
h
h
E1
发光前
发光后
当外来光子的频率满足
h E2 E1
时，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。
特点：
受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的特征：
1.单色性好
光波的单色性可表示为
谱线宽度
or
中心波长
I0
I0
2
2
2
单色性最好的氪灯
Kr86
Δ=4.7×10-3 nm
稳频He—Ne激光器
109 nm
2.亮度极高
普通光源所发出的光射向四面八方，能量非常分散，
亮度不高。
激光器发出的激光方向性好，能量在空间高度集中。
缩写为Laser“镭射”
激光的发展史
➢ 1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器
的经典论文，奠定了激光发展的基础。
➢ 1960年，美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研
究员梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器。
一. 光与物质的相互作用
光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子
吸收或辐射光子，同时改变自身运动状态的表现。
空间相干性好，有的激光波面上各个点都是相干的。
4.方向性好
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普通光
激光
平行性
激光光束在传播过程中很少发生弥散，即使在传 播很长距离后光束仍保持平行而不发生弥散。
能量高度集中
在谐振腔的选择作用下，激光光束的发散角很小，光 束能量高度集中，因而方向性极强，激光光源表面亮度很 高，被照射面上光强度很大。据研究，太阳的发光亮度约 为2x103 W/cm2.sr,而激光的亮度为104－1017w/cm2.sr
激光基础
前言
➢ 激光素有神奇光之称。如今，你只要稍加留意，就会发现 激光就在我们身边：激光唱机的动听乐曲不断回荡在楼宇 之间；激光影碟机悄然走进了千家万户；商场里商品贴的 是激光防伪标志；激光照排则包揽了所有的报刊杂志。我 们远隔千里就可以同亲人朋友通话，也是激光的功劳，因 为光纤传送的正是激光。而近年来兴起的激光美容更给越 来越多的爱美人士带来了更多便捷的美容手段。
热效应
一般而言，激光的热效应与组织达到的温度和照射时 间均有密切的联系，组织在数毫秒内温度骤升200－ 1000℃，当皮肤温度达到43－45 ℃时，皮肤会出现潮红； 45 ℃时皮肤出现痛觉； 47－48 ℃时可能出现水泡； 55－65 ℃出现凝固性坏死； 100 ℃出现组织气化； 300－400 ℃组织发生炭化，进而燃烧、气化。
的光－－激光
激励能源
全反射镜
工作物质
激光输出 部分反射镜
L
光学谐振腔
激光的特性
作为受激辐射而产生的光，激光具有许多自然光无法 比拟的特性，使其在科研、医疗、信息、军事等各个领域 有着广泛的应用，概括起来激光的特性主要有一下几点：
单色性
激光是受激辐射的产物，光子的跃迁往往发生在 固定的两个能级之间，其频率发布非常窄，因而具有 非常好的单色性，即色度很纯，这是自然光无法达到 的。
吸收
➢激光的能量进入皮肤组织并转化为其他形式的能量，如 热能、化学能等； ➢只有当激光被吸收时才能产生生物学效应； ➢激光主要被皮肤中的色素基团所吸收； ➢皮肤中主要的色基是黑素、血红蛋白和水；
激光对皮肤组织的生物学效应
热效应
➢是指激光被吸收后转化为热能，使皮肤组织温度升高， 这是激光对皮肤最重要的生物学效应，很多激光都是 透过热效应来达到临床疗效的。 ➢热产生的方式：主要是通过碰撞生热和吸收生热两种 方式来实现的。这两种方式均可导致皮肤组织温度升 高，热效应产生。
激光产生的基本原理
激光作为光学家族的一员，具有波粒二相性，一方面激光是由无数光
子组成,具有光的粒子性，另一方面，其本身也是一种电磁波。一般而言 ，
激光的产生需要3个条件 ：
1. 工作物质
2. 激励源
3. 谐振腔
工作物质在激励源的作用下发生粒子数反转，通过谐振腔内的振荡和放大，
产生正反馈式的连锁反应，从而发射出频率、方向、偏振状态、相位一致
光的理论基础； ➢ 1960年，第一台红宝石ruby激光诞生（美国科学家梅曼）； ➢ 1961年，红宝石激光被用于对剥离的视网膜进行焊接，开创
了医学激光的先河； ➢ 1964年，氩离子激光、Nd：YAG激光、CO2激光先后问世； ➢ 1968年，激光技术真正应用在临床； ➢ 20世纪80年代初，小巧但能量强大的 激光器被广泛 应用与
➢生物刺激作用： 低功率激光照射；等离子体。
选择性光热作用原理
是1984年提出的，是激光发 展史上的一个重要里程碑！
短脉冲激光及之后的强脉冲 光（IPL）都是建立在该作用理论 基础之上，正是这些激光的应用， 使色素性疾病和血管性疾病及皮 肤无创治疗得以实现。
选择性光热作用原理
当入射激光的波长与靶色基 自身固有的吸收峰匹配，且照射 时间短于靶色基的热弛豫时间时， 就可以选择性地破坏靶色基，而 不损失周围正常组织或仅造成轻 度损伤，从而到达无创治疗的目 的。
临床 治疗 ,一门 新的学科 –激光 医学从此诞生 .
第一台激光
1960年5月15日，年轻的美国物理学家梅曼正在进行一 项重要的实验。他的实验装置里有一根人造红宝石棒。突 然，一束深红色的亮光从装置中射出，它的亮度是太阳表 面的4倍！这是一种完全新型的光，科学家渴望多年而自然 界中并不存在的光，它被命名为Laser.
反射
激光照射到皮肤一部分光被皮肤反射，反射的光 不进入皮肤，不会产生生物学效应。研究表明，皮肤对 激光的反射与波长有关，在400－700nm的可见光范围 内，波长越长，反射越多。
散射
激光进入皮肤组织后，由于皮肤结构的不均匀性， 导致光的方向发生改变，散射可以发生在各个方向。
透射
激光透过皮肤组织进入另一种媒介，这部分光也不 对皮肤组织产生生物学效应。
➢ 激光无处不在。
什么是激光 ?
• 激光：LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation缩写 为Laser，它表示“辐射的受激发射的光放大”。
•激光是20世的发展也经历了孕育、诞 生、发展、成熟等各个阶段 ➢ 1916年，爱因斯坦首先提出“受激辐射”的概念。奠定了激
其他效应
➢光机械作用： 调Q 激光对黑素小体及黑素细胞的破 坏作用主要依靠光机械作用 （当高能量密度的激光束 照射于皮肤表面后，迅速产生大量热能，温度骤然升 高，导致产生达到数十到数百个大气压的冲击波这种 冲击波可以起到破坏黑素小体所在的黑素细胞的作 用） ；
➢光化学效应：光动力学疗法；
➢电磁场效应
Rox Anderson 博士
选择性光热作用包括以下要素
合适的波长 一个理想的激光波长要符合以下要求：：① 与靶色基的吸收峰尽可能匹配；②来自其他色基的竞争性 吸收尽可能少；③有足够的穿透深度。
相干性
激光是一种相干光，具有极强的空间相干性及时间 相干性，空间相干性是指从激光光源不同空间位点发出 的光位相差不变，方向与波长也一致；时间相干性是指 激光光源同一空间位点不同时间发射出的光也有固定的 位相差。与激光相对应强脉冲光则是一种非相干光。
激光在人体皮肤组织上的效应
激光与皮肤组织相互作用，可以产生一系列生物学 效应，从而发挥治疗作用，这是一个比较复杂的生物学 过程，与激光的波长、能量以及皮肤组织本身的特性都 有密切关系。