第1章- 激光原理与技术-1.
激光原理与激光技术
激光原理与激光技术嘿，朋友们！今天咱就来聊聊激光原理与激光技术，这可真是个超级有趣又超级厉害的玩意儿啊！你说激光像啥？就好比一把超级精准的利剑，能在各种材料上雕刻出精美的图案，还能在医疗领域帮咱治病呢！想想看，医生拿着激光这把“利剑”，精准地切除肿瘤啥的，多牛啊！激光的原理呢，其实也不复杂。
简单来说，就是通过一些特殊的方法，让一群原子啊啥的一起放光，而且这些光还都朝着一个方向跑，这就形成了激光啦！就好像一群小伙伴，本来都乱哄哄的，突然有个指挥让他们都排好队朝一个方向走，那力量可就大了去了。
激光技术的应用那可真是广泛得很呐！在工业上，能用来切割、焊接，那效率，可比传统方法高多了。
你想想，要是还用老办法切割那些厚厚的钢板，得多费劲啊，还不一定切得好。
但有了激光，“唰”的一下就切好了，多厉害！在通信领域，激光通信那可是速度超快，信息传递得那叫一个迅速，就像千里马一样，嗖的一下就跑老远了。
还有啊，在科研上，激光也是大显身手。
科学家们用激光来研究各种微小的东西，探索那些我们肉眼看不到的奥秘。
这就好像给科学家们配上了一副超级放大镜，让他们能看清那些神秘的微观世界。
咱再说说激光表演，那可真是太酷炫啦！在演唱会上，那一道道激光在黑暗中穿梭，配合着音乐和灯光，简直让人陶醉其中。
这不是魔法是什么？哎呀，说了这么多，你是不是对激光原理与激光技术有了更深的了解呢？这玩意儿真的是给我们的生活带来了太多的改变和惊喜啊！它就像一个隐藏在现代科技中的小精灵，总是能在关键时刻跳出来，给我们带来意想不到的效果。
所以啊，大家可别小瞧了激光哦！它虽然看起来很神秘，但其实就在我们身边，默默地发挥着它的作用呢！让我们一起期待激光技术能给我们带来更多更棒的惊喜吧！原创不易，请尊重原创，谢谢!。
激光测量技术总结
激光测量技术第一章 激光原理与技术1、简并度：同一能级对应的不同的电子运动状态的数目；简并能级：电子可以有两个或两个以上的不同运动状态具有相同的能级，这样的能级叫 简并能级2、泵浦方式：光泵浦，电泵浦，化学泵浦，热泵浦3、激光产生三要素：泵浦，增益介质，谐振腔阀值条件:光在谐振腔来回往返一次所获得光增益必须大于或者等于所遭受的各种 损耗之和.4、He-Ne 激光器的三种结构：【主要结构：激光管（放电管，电极，光学谐振腔）+电源+光学元件】 1）内腔式；2）外腔式；3）半内腔式5、激光器分类：1）工作波段：远红外、红外激光器；可见光激光器；紫外、真空紫外激光器；X 光激光器2）运转方式：连续激光器；脉冲激光器；超短脉冲激光器6、激光的基本物理性质：1）激光的方向性。
不同类型激光器的方向性差别很大，与增益介质的方向性及均匀性、谐振腔的类型及腔长和激光器的工作状态有关。
气体激光器的增益介质有良好的均匀性，且腔长大，方向性 ，最好！例1：对于直径3mm 腔镜的632.8nmHe-Ne 激光器输出光束，近衍射极限光束发散角为2）激光的高亮度。
3）单色性。
激光的频率受以下条件影响：能级分裂；腔长变化←泵浦、温度、振动4）相干性：时间相干性(同地异时)：同一光源的光经过不同的路径到达同一位置，尚能发生干涉，其经过的时间差τc 称为相干时间。
相干长度： 例 : He-Ne laser 的线宽和波长比值为10-7求Michelson 干涉仪的最大测量长度是多少？ 解： ，最大测量长度为Lmax=Lc/2=3.164m 。
空间相干性（同时异地）：同一时间，由空间不同的点发出的光波的相干性。
7、相邻两个纵模频率的间隔为谐振腔的作用：（1）提供正反馈；（2）选择激光的方向性；（3）提高激光的单色性。
例 设He-Ne 激光器腔长L 分别为0.30m 、1.0m,气体折射率n~1,试求纵模频率间隔各为多少?8、激光的横模：光场在横向不同的稳定分布，激光模式一般用TEMmnq 表示原因：激活介质的不均匀性，或谐振腔内插入元件（如布儒斯特窗）破坏了腔的旋转对称性。
激光原理与激光技术
激光原理与激光技术激光（Laser，即Light Amplification by Stimulated Emissionof Radiation）原理是指利用原子、分子或离子等粒子通过受激辐射发射光子，从而引起其他粒子产生受激辐射的过程，从而使辐射出的光具有相干性、单色性和直线性等特点。
激光技术是基于激光原理的一种应用技术，广泛应用于科学研究、通信、医疗、材料加工、军事等领域。
它具有高度单色性、方向性和相干性等特点，能够产生高亮度、高纯度的单色激光束，并可以进行定向传输、聚焦和控制。
激光原理主要通过三个步骤来实现：激发、放大和光学反馈。
首先是激发过程。
将能量输入到激光介质中，使其处于一个激发态。
这可以通过电子束、光束或电流等方式来实现。
然后是放大过程。
在激发态下，原子、分子或离子等受激发射出来的光子会与其他处于低能级的粒子相互作用，导致这些粒子也被激发至高能级。
这个过程将光子从激光介质中放大，使其能量不断增加。
最后是光学反馈。
在放大过程中，要控制光的传播方向和放大程度，需要将部分放大的光子反馈回激光介质中，形成一个正反馈的光学腔。
这个腔可以是一个反射镜和光学波导等结构，它能够使激光束在垂直方向上相互干涉，进而形成一束单色、单一模式的激光。
激光技术可以广泛应用于科学研究。
激光器的单色性和方向性使得其在光谱学、光学干涉、光学光谱分析等领域有着重要应用。
例如，在拉曼光谱仪中，激光光源通过与样品相互作用，可以提供样品的分子振动信息。
激光技术在通信领域也有着重要的应用。
光纤通信使用激光器作为光源，激光器发出的激光信号可以在光纤中传输，并在接收端被转换为电信号。
激光技术的高方向性和低衰减特性使得光纤通信成为现代通信领域的重要技术。
医疗领域也广泛应用了激光技术。
激光可以用于激光手术、激光治疗以及激光检测等方面。
激光手术是通过高能量的激光束来以非接触、非侵入的方式切割、燃蚀或疏通病变组织。
激光治疗则是利用激光的光热效应和生物刺激效应来达到治疗目的。
激光原理与技术
第二部分 激光技术部分
第五章 激光调制技术 第六章 激光模式选择技术 第七章 激光稳频技术 第八章 调Q技术与锁模技术
第三部分 激光应用部分
第九章 激光在精密测量中的应用 第十章 激光加工技术 第十一章 激光在信息技术中的应用 第十二章 激光在医学中的应用 第十三章 激光在科技前沿中的应用
教材
《激光原理与技术》 高等教育出版社 阎吉祥 2019.7 ￥25.7参考书ຫໍສະໝຸດ 《激光原理》 国防工业出版社
周炳琨等
2019.6
￥28.00
《激光原理及应用》
《激光技术》
电子工业出版社
科学出版社
陈家璧
蓝信钜
2019.8
2019.10
￥22.00
￥29.00
第一部分 激光原理部分
绪论 第一章 激光的基本原理及特性 第二章 光学谐振腔理论 第三章 典型激光器介绍 第四章 半导体激光器
激光原理与技术
答疑
时间：周二10:00~12:00、 1:30~3:30 周四8:30~12:00、3:00~5:00 周五8:30~10:00、3:30~5:00
地点：理学院B323、A108 TEL：83956234
13502172652 QQ：504132791 E-mail: gaoui126
激光原理与技术习题答案
激光原理与技术习题答案激光是一种特殊的光，它具有高度的单色性、相干性、方向性和亮度。
激光技术是现代物理学的一个分支，广泛应用于通信、医疗、工业加工等多个领域。
为了更好地理解激光原理与技术，我们通常会通过习题来加深理解。
以下是一些激光原理与技术的习题答案，供参考。
习题1：解释激光的产生机制。
激光的产生基于受激辐射原理。
当原子或分子被外部能量激发到高能级后，它们会自发地返回到较低的能级，并在此过程中释放出光子。
如果这些光子能够被其他处于激发态的原子或分子吸收，就会引发更多的受激辐射，形成正反馈机制，最终产生相干的光束，即激光。
习题2：描述激光的三个主要特性。
激光的三个主要特性是：1. 单色性：激光的波长非常窄，频率非常一致，这使得激光具有非常纯净的光谱特性。
2. 相干性：激光束中的光波在空间和时间上具有高度的一致性，使得激光束能够保持稳定的光强和方向。
3. 方向性：激光束的发散角非常小，几乎可以看作是平行光束，这使得激光能够聚焦到非常小的点上。
习题3：解释激光在通信中的应用。
激光在通信中的应用主要体现在光纤通信。
光纤通信利用激光的高亮度和方向性，通过光纤传输信息。
光纤是一种透明的玻璃或塑料制成的细长管，激光在其中传播时损耗非常小，可以实现长距离、大容量的信息传输。
激光通信具有抗干扰性强、传输速度快等优点。
习题4：讨论激光在医疗领域的应用。
激光在医疗领域的应用非常广泛，包括激光手术、激光治疗和激光诊断等。
激光手术可以用于精确切除病变组织，减少手术创伤；激光治疗可以用于治疗皮肤病、疼痛管理等；激光诊断则可以用于无创检测和成像，提高诊断的准确性。
习题5：解释激光冷却的原理。
激光冷却是利用激光与原子或分子相互作用，将它们冷却到接近绝对零度的过程。
当激光的频率略低于原子或分子的自然频率时，原子或分子吸收光子后会向激光传播的反方向运动，从而损失动能。
这个过程被称为多普勒冷却。
通过这种方法，可以实现对原子或分子的精确控制和测量。
激光原理(第1章)
位置测得越准确，动量就越测不准。对于一维运动情况．测不 准关系表示为
Dx· DPx ≈ h (1.1.9)
上式意味着处于二维相空间面积元Dx· DPx ≈ h 之内的粒子运动 状态在物理上是不可区分的，因而它们应属于同一种状态。
在三维运动情况下，测不准关系为 DxDyDzDPxDPyDPz ≈h3 故在六维相空间中，一个光子态对应 (或占有 ) 的相空间体积元
于是，式(1.1.7)在相空间中可改写为 DPxDPyDPz DxDyDz≈h3
(1.1.12)
(1.1.13)
可见，一个光波模在相空间也占有一个相格。因此，一个光波模等
效于一个光子态。一个光波模或一个光子态在坐标空间都占有由式 (1.1.11)表示的空间体积。
三、光子的相干性 为了把光子态和光子的相干性联系起来，下面对光源的相干性进行讨 论。
在一般情况下，光的相干性理解为：在不同的空间点上、在不同的时 刻的光波场的某些特性（例如光波场的相位）的相关性。在相干性的经典 理论中引入光场的相干函数作为相干性的度量。但是，作为相干性的一种 粗略描述，常常使用相干体积的概念。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 又可表示为垂直于光传播方 向的截面上的相干面积 Ac 和沿传播方向的相干长度Lc的乘积
式中
(1.1.3)
光电子各章复习要点
各章复习要点第1章 激光原理概论1.光的波粒二相性，光子学说光是由一群以光速 c 运动的光量子（简称光子）所组成 2三种跃迁过程（自发辐射、受激辐射 和受激吸收）• 3.自发辐射和受激辐射的本质区别？• 4.在热平衡状态下，物质的粒子数密度按能级分布规律（正常分布）• 5.激光产生的必要条件:实现粒子数反转分布 • 6.激光产生的阈值条件：增益大于等于损耗 •7.激光的特点？•(1)极好的方向性（θ≈10-3rad)•(2)优越的单色性(Δν=3.8*108Hz,是单色 性最好的普通光源的线宽的105倍.•(3)极好的相干性(频率相同,传播方向同,相位差恒定)•(4)极高的亮度•光亮度:单位面积的光源,在其法向单位立体角内传送的光功率.•8激光器构成及每部分的功能νh E =λνc h c h c E m ///22===1激光工作物质提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因2.）泵浦源提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因3.）光学谐振腔①提供光学正反馈作用②控制腔内振荡光束的特性•9激光产生的基本原理(以红宝石激光器为例)•⑴Cr3+的受激吸收过程．•⑵无辐射跃迁•⑶粒子数反转状态的形成•⑷个别的自发辐射 •⑸受激发射 •⑹激光的形成 •10.模式的概念及分类11.纵模的谐振条件的推导及纵模间隔的计算。
第2章 激光谐振腔技术、选模及稳频技术 • 1.掌握三个评价谐振腔的重要指标•最简单的光学谐振腔是在激活介质两端适当的位置放置两个具有高反射率的反射镜来构成的，与微波相比，采用开腔。
1）平均单程功率损耗率πλπφ222⋅=⋅=∆q nL qnL q 2=λnLcqv q 2=反射损耗：衍射损耗：（圆形平行平面腔）2）谐振腔寿命3）谐振腔Q 值• 2.了解横模选择的两种方法(1)只改变谐振腔的结构和参数,使高阶模具有大的衍射损耗(2)腔内插入附加的选模器件 3两种常用的抑制高阶横模的方法 1.调节反射镜 ✓ 优点:方法简单易行 ✓ 缺点:输出功率显著降低 2.腔内加光阑高阶横模的光束截面比基横模大，减小增益介质的有效孔径，可大大增加高阶横模的衍射损耗• 4.理解三种单纵模输出的方法 •1）短腔法10ln21I I =δ4.12)(207.0aLd λδ=)1(R c Lt c -=dr L L R c L cQ δδλπλδπλπ+==-=1.22)1(.221210010ln 21ln 21ln21r r r r I I I I -===δ•2）法布里-珀罗标准距法•3）复合腔选纵模第5章 光电子显示技术• 1.黑白CRT 的构成及每部分的功能？ • 电子枪、偏转系统和荧光屏三部分构成• 2.黑白CRT 的基本工作原理？ndc m 2=∆ν•电子枪发射出电子束，电子枪受阴极或栅极所加的视频信号电压的调制，电子束经过加束极的加速，聚焦极的聚焦，偏转磁场的偏转扫描到屏幕前面的荧光涂层上，产生复合发光，最终形成满足人眼视觉特性要求的光学图像。
第一章 激光基本原理--Part1
• 在物质与辐射场的相互作用中，构成物质的原子 或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射 或吸收。 • 粒子数反转：能利用受激发射实现光放大 • 受激辐射光子与激励光子具有相同的频率、方向、 相位、偏振态，是相干光。
Einstein
1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受 激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢 原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖； "for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum" 1950年，Kastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实 现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而 获得诺贝尔奖。 "for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms"
1966年研制成了固体锁模激光器获得了超短脉冲。 1970年研制成了准分子激光器。 1977年研制成了红外波段的自由电子激光器 （FEL） 1984年研制出光孤子激光器（SL） 美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员于1992年研 制出当时世界上最小的固体激光器，它在扫描电子显微 镜下看起来就像一个个微型图钉，其直径只有 2 至 10 微 米。在一个大头针的针头上，可以装下1万个这样的新型 半导体激光器。
DARPA built the megawatt-class Alpha HF chemical laser during the 1980s
An electron-beam pumped ArF laser experiment at Sandia National Laboratories (1975, Courtesy Sandia National Labs)
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激光调制技术
半导体激光器
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激光产生的原理与条件
粒子数反转分布及泵浦过程
（1）粒子数反转
当光通过介质时，若入射光的频率与原子系统的两个能级共振，必 然同时存在受激辐射和受激吸收两个过程。要使介质对光产生放大 作用，必然使受激辐射超过受激吸收，而两者发生的几率分别与高 能粒子数N2和低能粒子数N1 成正比。
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辐射理论概要
原子能级、简并度及波尔兹曼分布。
（1）原子能级
i.
波尔理论的基本假设：
原子内的电子并非沿着任意的轨道运动，而是沿着具有一定半径r 或一定能级E的轨道运动，原子内的电子有许多的定态，其中能量 最低的叫基态，其他的叫激发态。 原子内的电子可以由某一定态跃迁到另一定态，这一过程要吸收 和释放辐射能，频率由hv=E2-E1决定。原理与技术
1 辐射理论概要 2 激光产生的原理及条件 3 激光的基本物理性质 4 高斯光束 5 稳频技术
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激光调制技术
半导体激光器
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辐射理论概要
1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念，为40年之后激光的 产生奠定了理论基础。 光量子学说及光的波粒二象性。
每种金属都有一个确定的截止频率V0，当入射光的频率低于V0时， 无论光多么强，时间多么长，都不能从金属中释放电子。 对频率高于V0的入射光，从金属中释放电子的最大动能与入射光的 强度无关，只与频率有关，频率越高，动能越大； 对于频率高于V0的入射光，即使非常弱，一旦照射也能释放出电子 ，滞后时间不超过10-8s。
处于高能级E2的原子，在它发生辐射之前，若受能量为hv的外来光子 刺激作用而跃迁到低能级E1, 将发射一个与外来光子的频率、相位、 偏振方向和传播方向都相同的光子。
（3）受激吸收：低能级的原子吸收光子跃迁到高能级。
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第1章 激光原理与技术
1 辐射理论概要 2 激光产生的原理及条件 3 激光的基本物理性质 4 高斯光束 5 稳频技术
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辐射理论概要
光和物质的相互作用
光和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。包含大量原子的系统中，三个过程总是同时存在的。在普 通光源中，自发辐射是主要的，在激光器工作过程中，受激辐射起主 要作用。
（1）自发辐射：无外界作用，自发跃迁到低能级，发射光子 （2）受激辐射
根据波尔兹曼分布规律，热平衡状态下，N2〈N1。 因而 ，必须使粒子数分布达到反转状态，才能使受激辐射超过受 激吸收——介质对光产生放大作用的条件及产生激光的前提。
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激光产生的原理与条件
粒子数反转分布及泵浦过程
（1）泵浦
在室温下绝大多数粒子处于基态，把粒子从基态激发到高能级，使 在某两个能级之间实现粒子反转的过程称为泵浦。
实现泵浦的方法有很多，通常采用以下几种：（1）光泵浦；（2） 电泵浦；（3）化学泵浦。 （1）光泵浦（左图） 过程：光吸收，跃迁，
高能级E2寿命很短（平均10-8 s）, 很
快以无辐射跃迁的方式转移到亚稳 态E1，其平均寿命很长。
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激光产生的原理与条件
粒子数反转分布及泵浦过程
（1）泵浦
在室温下绝大多数粒子处于基态，把粒子从基态激发到高能级，使 在某两个能级之间实现粒子反转的过程称为泵浦。
ii.
（2）简并度
电子可以有两个或两个以上的不同运动状态具有相同的能级，同一 能级所对应的不同电子运动状态的数目，称为简并度。
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辐射理论概要
原子能级、简并度及波尔兹曼分布。
（3）波尔兹曼分布
由大量粒子所组成的系统由于热运动和相互碰撞，在热平衡状态下 粒子数按能级的分布服从波尔兹曼定律：
gi为Ei能级的简并度。 热平衡状态下的一般规律如左图所 示，即处于高能级的粒子数总要小 于处于低能级的粒子数。
实现泵浦的方法有很多，通常采用以下几种：（1）光泵浦；（2） 电泵浦；（3）化学泵浦。 （1）光泵浦（左图） 过程：只要源源不断提供激励能量
E1上的粒子数就会超过E0的粒子数
结果在E1和E0之间实现粒子数反转 固体激光器常光泵浦法，如红宝石
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激光产生的原理与条件
粒子数反转分布及泵浦过程
（1）泵浦
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激光产生的原理与条件
光的受激放大
（1）增益介质
介质通过泵浦过程造成粒子数反转分布，光在此介质中受激辐射超 过受激吸收及自发辐射，介质对光具有放大作用，这样的介质称为 增益介质。
（2）受激放大
光通过增益介质是以指数规律增强的，表达式为：
I（z）=I0eGZ 式中，G为介质的增益系数，G>0; Z为增益介质的长度 。一般情况下，G和Z大小是有限的，所以，光能量虽有放大但仍不能 形成激光。
回顾
上一节课： 课程内容简介
课程理论部分内容：激光原理及技术、激光干涉测量技术、激 光衍射测量技术、激光准直及多自由度测量技术、激光视觉三 维测量技术、激光其他测量技术等。 几个实例系统介绍：路基下沉位移测量、航道水深实时监测、 超微弱发光检测系统、荧光淬灭检测、船舶压载水颗粒分析等
今天主讲内容：
在室温下绝大多数粒子处于基态，把粒子从基态激发到高能级，使 在某两个能级之间实现粒子反转的过程称为泵浦。
实现泵浦的方法有很多，通常采用以下几种：（1）光泵浦；（2） 电泵浦；（3）化学泵浦。 （2）电泵浦
利用气体放电实现泵浦过程（气体激光器），如He-Ne激光器。
（3）化学泵浦
利用化学反应释放能量实现泵浦过程（化学激光器）
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（1）金属中的光电效应：
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辐射理论概要
光量子学说及光的波粒二象性。
（2）光量子学说：
普朗克假说：物体吸收或释放能量时，能量的变化是非连续的， 只是某一最小能量ε的整数倍（ε=hv），这个最小能量单位成为 量子，h是普朗克常量（h=6.63x10-34 J·s）
1905年爱因斯坦提出了光量子学说：光的能量不连续，由一粒粒 运动着的光子组成，每个光子都有确定的能量，E=hν。 光入射到金属后被自由电子捕获，一部分转化为光电子的动能， 另一部分消耗在电子离开金属表面所需的逸出功W0 (W0=hv0), 离 开金属表面的最大动能Emax=h(v-v0)―爱因斯坦光电效应方程。 近代物理学基础―光的波粒二象性，即光既具有粒子的动能和动 量―粒子性，又具有电磁波的波长和频率―波动性。