激光产生的物理基础
激光原理第七版答案
激光原理第七版答案
激光，全称为“光电子激发放射”，是一种特殊的光线，具有高度的单色性、方向性和相干性。
激光的产生是通过一系列的物理过程实现的，其中包括受激辐射、自发辐射和受激吸收等过程。
激光的产生原理主要包括受激辐射原理、光放大原理和谐振腔原理。
首先，受激辐射原理是激光产生的基础。
当原子或分子处于激发态时，它们会受到外界光子的刺激而发射出与激发光子同频率、同相位和同方向的光子，这种现象就是受激辐射。
在一个受激辐射过程中，一个光子刺激原子或分子从激发态跃迁到基态，同时激发出一个与刺激光子完全一样的光子。
这些光子在原子或分子中来回反射，形成了光的放大效应。
其次，光放大原理是激光产生的关键。
在激光器中，有一个放大介质，当受激辐射发生时，会引起放大介质中光子数目的急剧增加，从而形成激光。
这种放大效应是通过受激发射和自发辐射相互作用而实现的。
放大介质可以是气体、固体或液体，其选择取决于激光器的具体应用。
最后，谐振腔原理是激光产生的空间条件。
谐振腔是由两个或
多个反射镜构成的，其中至少有一个是半透镜。
这些反射镜的作用是使光在腔内来回反射，并在放大介质中形成光的放大效应。
谐振腔中的光子会在腔内来回传播，直到其中的光子数目增加到一定程度，形成激光。
综上所述，激光的产生原理主要包括受激辐射原理、光放大原理和谐振腔原理。
这些原理相互作用，共同促成了激光的产生。
激光在现代科技中有着广泛的应用，包括激光医学、激光通信、激光加工等领域。
因此，对激光产生原理的深入理解，对于推动激光技术的发展具有重要意义。
激光理论
激光理论激光的理论基础起源于大物理学家‘爱因斯坦’，1917年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论‘光与物质相互作用’。
这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。
这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
例子：1958年，美国科学家肖洛（Schawlow）和汤斯（Townes）发现了一种神奇的现象：当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。
根据这一现象，他们提出了"激光原理"，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光--激光。
他们为此发表了重要论文，并获得1964年的诺贝尔物理学奖。
1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.69 43微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。
1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器诞生，梅曼的方案是，利用一个高强闪光灯管，来激发红宝石。
由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉，所以当红宝石受到刺激时，就会发出一种红光。
在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。
前苏联科学家尼古拉·巴索夫于1960年发明了半导体激光器。
半导体激光器的结构通常由p层、n层和形成双异质结的有源层构成。
其特点是：尺寸小、p合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。
激光原理_第四章
x(t) = x0e
− t 2
γ
e
iw0t
作简谐振动的电子和带正电的原子核组成一个作 简谐振动的经典简谐振子模型，其偶极矩为： 简谐振动的经典简谐振子模型，其偶极矩为：
p(t) = −ex(t) = p0e
γ
− t iw t 0 2
γ
e
简谐偶极振子发出的电磁辐射的电场强度： 简谐偶极振子发出的电磁辐射的电场强度：
线型函数和线宽: 线型函数和线宽 为频率的函数。 自发辐射功率 I (ν ) 为频率的函数。设总的辐射功率为 I0 ,有：
I0 =
+∞
−∞
∫ I (v)dν
g(ν ,ν 0 ) = I (ν ) I0
引入谱线的线型函数g(ν,ν0)： 引入谱线的线型函数 ：
(给定了光谱线的轮廓或形状 给定了光谱线的轮廓或形状) 给定了光谱线的轮廓或形状
-χ"(ω) "(ω
0.5
-χ´(ω)
ne 其中： 其中： χ = mw0ε0∆wa
// 0
2
-3
-2
-1
0 1 2 3 )/△ (ω-ω0)/△ωa
时经典振子线性电极化系数的大小。 表示当 w = w0 时经典振子线性电极化系数的大小。
物质的相对介电系数 ε / 与电极化系数
χ 之间的关系： 之间的关系：
γ
1+
1 4(w − w0 )2
γ2
令 ∆wa = γ ，引入参数
∆y =
的相对偏差，得到： 与原子固有频率 w0 的相对偏差，得到：
∆y / // χ = −χ0 1+ (∆y)2 1 χ // = −χ // 0 1+ (∆y)2
激光物理学的基础知识
激光物理学的基础知识引言激光物理学是研究激光的发生、传输和相互作用过程的学科，是现代光学中的重要分支之一。
激光在现代科技和工业中有广泛的应用，如通信、医疗、制造等领域。
本文将介绍激光物理学的基础知识，包括激光的基本概念、激光的产生原理和特性等内容。
一、激光的基本概念1.1 激光的定义激光是指具有较高的单色性、方向性和相干性的电磁波。
它具有狭窄的频率谱宽度和小的发散角，能够进行远距离传输和聚焦。
1.2 激光的特点激光具有以下特点：•高亮度：激光的光强度高，激光束能够被聚焦成极小的点。
•单色性：激光的频率非常纯净，只有一个狭窄的频带。
•相干性：激光的波前相位具有高度的一致性，可以形成干涉和衍射效应。
•高直线度：激光束的传输路径非常直线，几乎没有散射和吸收损耗。
1.3 激光的分类根据激光的工作介质和工作原理，激光可以分为以下几类：•气体激光：利用气体分子的跃迁能级产生激光，如氦氖激光器、二氧化碳激光器等。
•固体激光：利用固体晶体或玻璃中的杂质离子或激活离子进行激光辐射，如氙灯激光、钕玻璃激光等。
•半导体激光：利用半导体材料的PN结或PN结与金属结合面，通过注入电流激发电子和空穴复合辐射光子，如激光二极管。
二、激光的产生原理2.1 需要的条件产生激光需要满足以下几个条件：•能级结构：激光工作介质中存在能级结构，可以通过能级跃迁来产生激光。
•反转粒子分布：工作介质中的粒子分布需要处于反转态，即高能级粒子数目大于低能级粒子数目。
•反馈机制：在工作介质中形成正反馈，使得光子在介质中多次来回传播，增强激光的放大效应。
2.2 激光的产生过程激光的产生过程包括以下几个步骤：1.激发产生：利用外部能量激发工作介质中的粒子，使其跃迁到高能级。
2.自发辐射：跃迁到高能级的粒子会自发辐射出光子。
3.反射反馈：反射光子返回工作介质中，使得自发辐射的光子受到激发而再次发射。
4.反复放大：光子在工作介质中来回传播，通过受激辐射逐渐增强，形成激光。
激光原理公式推导过程
激光原理公式推导过程激光原理是基于量子力学的原子、分子或其他集体振动的基本原理。
激光是由于其中一种物质的激发而产生的放射性平面波光束。
激光在许多应用领域具有重要作用，如通信系统、医疗设备和科学研究。
激光的物理原理可以通过以下几个步骤推导得到。
第一步：定义与描述背景首先，我们需要定义两个量：辐射跃迁的个数密度N和激发态的数目密度N1、N表示单位体积内跃迁的个数，N1表示单位体积内激发态的数目。
我们还需要定义两个速率：跃迁速率W21，表示从激发态1向基态2的跃迁速率；激发速率B21，表示从基态2向激发态1的速率。
第二步：建立速率方程其次，我们可以建立两个速率方程，用于描述N和N1的变化。
假设两个速率是常数，我们可以得到以下速率方程：dN/dt = -W21 * N + B21 * N1dN1/dt = W21 * N - B21 * N1这个方程组表示单位时间内N和N1的变化量。
第一项表示由激光跃迁引起的损失，第二项表示由外界对基态的激发引起的增益。
第三步：导出激光条件下一步，我们将研究激光状态的条件。
我们假设达到激光状态的条件是激发态的数目密度N1在时间变化中保持恒定。
这意味着dN1/dt = 0。
将这一条件代入到速率方程中，我们可以得到：W21*N-B21*N1=0这个方程表明，在激光状态下，单位体积内的跃迁速率和激发速率相等。
第四步：导出激光增益条件最后，我们研究激光增益的条件。
我们假设激发态的数目密度N1是单位体积内基于单位体积内辐射态数目密度的。
换句话说，N1与N之间存在一个比例关系。
N1=W21/B21*N将这个关系代入速率方程中，我们可以得到：W21*N-B21*(W21/B21*N)=0化简后得到：W21*N-W21*N=0这表明，在激光增益状态下，跃迁速率和激发速率也相等。
综上所述，激光的物理原理可以通过导出速率方程并分析激光条件和增益条件来推导得到。
这些方程和条件提供了激光产生和维持的基本原理，为我们深入理解激光的工作原理提供了参考和理论基础。
激光的物理基础
• 假定具有上述动量测不准的光子处于同一相 格之内，即处于一个光子态，则光子占有的 相格空间体积（即光子的坐标测不准量）为
h3 xyz Px Py Pz
c3 xyz 2 Vcs 2 ( )
只有在这种情况下光才能不断得到放大使输出光强逐渐增加称其为激光器起振条件或阈值条件称为光学谐振腔的平均损耗系数包括增益物质的本身损耗和通过两个反射镜的传输损耗其中包括了有用光的输出在光放大过程中高能级向低能级的受激辐射使上下能级的原子数之差减小因而受激辐射作用减弱这引起增益系数g小直至g激光器维持一个稳定的振荡并输出稳定的光功率
( )
• 如果要求传播方向限于张角之内并具有频 带宽度的光波相干，则光源应局限在空间 体积Vcs之内。
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• 从量子观点分析杨氏双缝干涉： • 由面积为(x)2的光源发出动量为P 的限于立体 角内的光子，因光子具有动量测不准量 在很小时
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• • • •
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
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1.1 相干性的光子描述
一、光子的性质 • 具有能量 h
• • • 具有两种可能的独立偏振状态 • 光子具有自旋，且自旋量子数为整数，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
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四、光子简并度
• 相干光强：具有相干性的光波场的强度，是 描述光的相干性的参量之一 • 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 • 处于同一光子态的光子数称为光子简并度n 。 具有以下几种相同的含义：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。
激光原理与技术：第四章
χ′
和虚部
χ ′′
。
在物质中沿z方向传播的单色平面波， 方向偏振的 在物质中沿 方向传播的单色平面波，其x方向偏振的 方向传播的单色平面波 电场强度为：
E ( z , t ) = E ( z ) e iwt
2
将上式代入方程中： 方程的形式特解：
d x dx e 2 +γ + w0 x = − E ( z, t ) 2 dt dt m
• 1. 电介质的极化： 电介质的极化： • 激光器的工作物质大多为电解质。电解质由原子组成，而原子 由原子核和核外电子组成。没有光电场时，原子内的正负电荷 中心重合，不表现偶极性。当原子处在光电场中时，原子内正 负电荷在电场的作用下，其分布发生变化，正负电荷中心不再 重合，表现出电偶极性，就是原子在电场作用下的感应电极化。 • 考虑单电子原子系统： 电偶极矩： p
一个原子的感应电偶极矩：
e2 E( z) m p( z, t ) = eiwt 2w0 ( w0 − w) + iγw0
忽略原子间的相互作用，整个介质的宏观感应 电极化强度为：
ne E( z ) iwt m P( z, t ) = Np( z, t ) = e 2w0 (w0 − w) + iγ w0
第四章
电磁场与物质的共振相互作用
绪
论
光频电磁场与激光工作物质的相互作用是形成激光的物理基础. 光频电磁场与激光工作物质的相互作用是形成激光的物理基础. 经典理论、半经典理论、 经典理论、半经典理论、全量子理论和速率方程理论 本章的中心是讨论场与物质原子间的共振相互作用。 本章的中心是讨论场与物质原子间的共振相互作用。 共振相互作用 由于光场与物质相互作用的特点与介质自发辐射谱线加宽及其 性质密切有关，因此将讨论光谱线的加宽问题。 性质密切有关，因此将讨论光谱线的加宽问题。
毕业论文：激光技术论文
激光原理与应用技术简介摘要：本文简要的介绍了一下激光的产生和发展史，简述了产生激光的基本原理和激光器的组成，并在此基础上从工业、医疗、信息、军事等几个主要领域简单介绍了激光技术的重要应用及其发展前景。
关键词：激光；辐射；光学谐振腔；激光技术引言：激光是上世纪最大的、也是最实用的发明，是与热核技术、半导体、电子计算机和航天技术相媲美的一个举世瞩目的重大科技成就。
经过50多年的发展，激光的应用已经遍及科技、经济、军事和社会发展的许多领域，远远超出了人们原有的预想：激光针灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光测距仪、激光陀螺仪、激光铅直仪、激光手术刀、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮……，在不久的将来，激光肯定会有更广泛的应用。
一、激光特性简介激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词，意思是“受激辐射的光放大”，受激辐射是基于爱因斯坦的理论：在组成物质的原子中，有不同数量的电子分布在不同的能级上，在高能级上的电子受到某种光子的激发，会从高能级跃迁到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。
这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
激光主要有四大特性：激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。
[1]亮度高——激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它比拟。
但是，激光的总能量并不一定很大，由于激光能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。
激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。
方向性好——普通光源向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几毫弧度立体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。
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E
E
E2
光子 E1
a）受激吸收
E
E
E2
感生光子
E1
b）受激辐射
感生光子 受激辐射光子
粒子数反转分布
在通常情况下，处于高能级的粒子数总是远少于处于 低 能级上的粒子数，这种状态称为粒子数的正常分布。
由于低能级上的电子数较多，所以总是光的受激吸收占 优势，也就是光总要受到衰减。要获得光的放大，必须设 法 使光的受激辐射占优势。也就是要使电子在能级上的分 布一 反常态，使处于高能级上的电子数目远多于低能级的 电子数 目，这可以给予额外的能量，把处于低能级的电子 激发到高 能级上去。这种处于高能级的电子数量多于低能 级电子数量 的分布叫做粒子数反转分布。
第三章 光源和光发送机
光发送机的作用是将由数字复用设备来的电信号转换 成 相应的光信号，并将光信号耦合进光纤后进行传输。光 发送 机的核心部件是光源。目前，光纤通信系统均采用半 导体激 光二极管（LD）和发光二极管（LED）作为光源。 这类光源 的特点是体积小，与光纤之间的耦合效率高，响 应速度快， 可以在较高速率条件下进行直接强度调制。
粒子数反转分布形成示意图
E hf31
E3
E2
hf21
E1
激光的形成
有了粒子数反转分布的条件，就有可能实现光的放大 。 那么，如何使光的放大转为光的振荡，成为激光光源呢？
把激光物质放置在由两个反射镜组成的光谐振腔之间， 利用两个面对面的反射镜来实现光的反馈放大，使其产生 振 荡。光谐振腔的轴线与激光物质的轴线相合。其中一个 反射 镜(M1)要求有100%的反射率，另一个(M2)要有95％左 右的反 射率，即允许有部分的光透射。
本章着重介绍包括半导体激光二极管和发光二极管的 光 源工作原理和特性，以及光发送机的工作原理。
➢激光产生的物理基础 ➢半导体激光器工作原理 ➢发光二极管工作原理 ➢光源器件性能参数 ➢光源调制典原子论
原子结构模型
原子的质量几乎全部集中在直 径很小的原子核，电子在原子 核外绕核作轨道运动。原子核 带正电，电子带负电。
3
德谟克利特 （公元前460-公元前370）
能级
围绕原子核作轨道运动的电子的运动轨道不是连续可变 的，电子只能沿着某些可能的轨道绕核运转，而不能具有 任意的轨道。但可以在外界作用下，从一个轨道跳到另一 个轨道，这种过程称为跃迁。
由于电子轨道与轨道之间是不连续的，并且每一轨道具 有确定的能量。它的能量也是不连续的，离核较近的轨道 对应的能量较小，离核较远的轨道所对应的能量较大，原 子的这一内部能量值称为原子的一个能级。通常我们用若 干水平线来表示电子所处的状态，这就是所谓的能级图。
E E2（激发态）
能级图
E1（基态）
跃迁
如果原子中的两个能级满足一定的条件，则可能出现下述 情况：
一个处于高能级E2的电子，发射一个能量为E＝hf＝E2-E1 的光子，结果这个电子回到低能级E1。
一个处于低能级E1的电子，从外界吸收一个能量为E＝ hf=E2-E1的光子，结果这个电子被激发到高能级E2。
激光的形成
全反射镜 M1
部分反射镜 M2
hf31
激光物质
激光产生的三个必要条件
激光LASER是受激辐射的光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的缩写。用来产生激光 的装置，就叫做激光器。
由此可见，任何一种激光器，都必须包括下列三个最基 本的部分： 工作物质——激光器的组成核心，也就是发光物质。 光学共振腔——形成激光振荡，输出激光。 激励系统——将各种形式的外界能量转换成激光光能，通 常是激光器的电源。