激光原理(1)
激光的工作原理
激光的工作原理激光技术是一种强大而广泛应用的技术，在医疗、通信、材料加工等领域发挥着重要作用。
要了解激光的工作原理，我们首先需要了解什么是激光以及激光的产生过程。
一、激光的定义激光是一种特殊波长和相干性的光束，它具有高度的单色性、方向性和纳秒至皮秒级的尖锐脉冲。
相比于其他光源，激光的光束更加集中和聚焦，能够实现对物质的高精度切割、组织的准确切除以及信息的高速传输。
二、激光的产生过程激光的产生过程主要包括激发、放大和波长选择三个基本步骤。
1. 激发（Excitation）在激光器中，通常需要一种能量来源来激发光的产生。
常用的激发方式包括电离、低温等离子体、光激发和注能激光。
通过这些激发方式，物质中的电子被激发到高能级，形成激发态。
2. 放大（Amplification）激光的放大是通过在放大介质中不断反复传播的光子来实现的，放大介质一般是具有特定光学性能的物质，如固体、气体或液体。
当光子在放大介质中传播时，与激发态的原子或分子发生相互作用，从而引起放大效应。
通过这种过程，光子逐渐增加，光束逐渐变强。
3. 波长选择（Wavelength Selection）波长选择是为了确保激光的单色性，即激光光束中仅包含特定波长的光子。
通常情况下，通过借助波长选择装置，如光栅、衍射镜或各种共振腔来实现对波长的选择，使得只有满足特定条件的光可在腔中平行地传播，其他波长的光则被过滤掉。
三、激光的工作原理了解了激光的产生过程，我们可以进一步了解激光的工作原理。
1. 稳定反转态（Population Inversion）在激光器中，放大介质中的原子或分子被激发到高能级，形成激发态。
当这些激发态的粒子数超过低能级的粒子数时，就形成了稳定反转态。
稳定反转态是激光工作的前提条件，只有具备稳定反转态，才能产生激光光束。
2. 光放大（Optical Amplification）在激光器中，当外界提供足够的能量，与激发态的原子或分子相互作用时，会引发光子的放大效应。
激光的原理及应用论文摘要
激光的原理及应用论文摘要引言激光（Laser）是一种具有高度聚焦性、单色性、相干性和高亮度的光束，在现代科学技术和各个领域都有广泛的应用。
本文将介绍激光的原理和一些常见的应用领域。
激光的原理激光发射的光束具有与自然光不同的特性。
激光的原理主要基于光的放大、光的反射和光的受激辐射。
1.光的放大：–原子或分子通过能量转移吸收外部能量；–外部能量传递给原子或分子的电子；–导致原子或分子中的电子从基态跃迁到激发态；–激发态的电子通过自发辐射跃迁返回基态，释放出辐射能量，即光；–大量原子或分子被激发产生的光共同放大，形成激光束。
2.光的反射：–光进入激光器中的反射腔；–反射腔内部设有两个镜子，其中一个镜子是半透明的；–光在两个镜子之间多次反射，形成多次通过激发原子或分子产生的光的放大。
3.光的受激辐射：–激发态的原子或分子与外来光发生碰撞；–外来光的能量激发原子或分子中的电子；–激发态的电子通过受激辐射跃迁返回基态，释放出辐射能量，与自发辐射相似；–受激辐射的光与其他原子或分子碰撞，继续产生更多的受激辐射，形成激光的扩散。
激光的应用领域医疗领域激光在医疗领域发挥了重要作用。
以下是一些医疗领域中激光的应用： - 激光手术：激光可用于切割、焊接和蒸发组织，用于各种手术，例如眼科手术、皮肤手术和神经手术等。
- 激光疗法：激光可用于治疗肿瘤、青春痘和红血丝等疾病。
-激光检测：激光可用于医学诊断，例如通过检测血液中的激光背散射来诊断糖尿病。
通信领域激光在通信领域中起到了连接世界的关键作用。
以下是一些通信领域中激光的应用： - 光纤通信：激光通过光纤进行传输，提供了高速的数据传输和稳定的信号传输。
- 激光雷达：激光雷达利用激光束传播和接收的时间差计算出距离和速度。
- 光空间通信：激光被用于地球之间的星际通信，通过激光束传输大量数据。
制造业激光在制造业中广泛应用，提高了生产效率和制造质量。
以下是一些制造业中激光的应用： - 激光切割：激光可用于切割金属、塑料和木材等材料，实现高精度和高速切割。
激光的原理和应用论文
激光的原理和应用论文概述激光（Laser）是一种特殊的光源，具有高单色性、高亮度、高方向性等特点，广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
本文将介绍激光的原理和应用。
一、激光的原理激光的原理基于激光介质中的受激辐射和增强反射。
以下是激光的原理的详细解释：1.受激辐射激光的产生依赖于受激辐射过程。
当激发能量施加到激光介质上时，介质中的一个激发原子释放出能量，引起其他原子被激发。
这个连锁反应会形成光子，产生一束相干光。
2.增强反射当光子在激光介质中来回传播时，它们会受到介质两端的衰减和失能。
为了保持光子的能量和相干性，需要在介质两端放置反射镜。
这种增强反射形成了光的反馈回路。
3.非线性光学效应除了受激辐射和增强反射，激光的原理还涉及到非线性光学效应。
这些效应包括倍频、自聚焦和自相位调制等，可以进一步改变激光的频率、强度和相位。
二、激光的应用由于其独特的特性，激光在多个领域有广泛的应用。
下面将列举一些主要的应用领域和案例：1.科学研究–激光在原子物理、核物理和粒子物理等研究中扮演着重要角色。
通过调控激光的频率和强度，科学家可以研究和操纵物质的微观结构。
–激光也广泛应用于光谱学研究中，例如拉曼光谱和荧光光谱等。
这些研究对于分析物质的成分和性质非常重要。
2.医疗–激光在医疗领域有多种应用，例如激光手术和激光疗法。
激光手术可以用于切割组织、凝固血管和焊接皮肤等。
激光疗法可以用于治疗癌症和其他疾病。
3.通信–激光在光纤通信中起着至关重要的作用。
激光束可以通过光纤传输大量数据，实现高速和远程的通信。
激光还可以用于光纤传感技术，监测和测量环境中的参数。
4.制造业–激光在制造业中被广泛应用于切割、焊接和打标等工艺。
激光切割能够实现高精度和高速度的切割过程。
激光焊接可以用于精细和复杂的零部件连接。
5.娱乐–激光在娱乐行业中有多种应用，例如激光演出和激光展示。
激光灯光效果可以创造出炫目的光影效果，给观众带来视觉盛宴。
以上只是激光应用的一部分例子，随着科技的不断进步和应用的扩大，激光将在更多领域发挥重要作用。
激光原理第一章
其中 m, n, q = 0, 1, 2, · · · 分别代表沿三边所含的半波数目。这时波矢 ⃗ k 所满足应满足 kx = m π , ∆x ky = n π , ∆y kz = q π ∆z
每一组 m, n, q 对应腔内的一种模式（包含两个偏振） 。 在由 kx , ky , kz 所张开的波矢空间中，每个模式对应一个点，所有模式点呈周期性排列。每一模式沿 kx , ky , kz 三个方向与相邻模式的间隔分别为 ∆kx = π , ∆x ∆ky = π , ∆y ∆kz = π ∆z
证明： k 区间的模式数。 k ∼ ⃗ k +d⃗ • 首先考虑，波矢大小处于 ⃗ 在波矢空间中，波矢大小处于 ⃗ k ∼ ⃗ k +d⃗ k 区间的体积为 4π ⃗ k d⃗ k 对于驻波模来说所有模式点只位于 kx ky kz 直角坐标系的第一个 1/8 相限，再考虑到一个空间模 式包含 2 个偏振模。因此，波矢大小位于 ⃗ k ∼ ⃗ k +d⃗ k 区间的模式数为 ⃗ ⃗ 1 4π k d k 2× π3 8 V • 然后再考虑，频率位于 ν ∼ ν + dν 区间内的模式数。 2π 2π 2π 2π 由于 ⃗ ν ，因此频率范围 ν ∼ ν + dν 对应波矢大小位于区间 ν∼ ν+ dν ，该区 k = c c c c 间在波矢空间所对应的体积为 4π 2 2π 4π 2 ν 2 dν c c 因此，其中的模式数为 2× 1 4π 8 4π 2 2 2π ν dν 8πν 2 c2 c = V dν π3 c3 V
于是工作物质的增益系数为 g = α + ln (2.72)/l = 0.2 cm−1 。
第一章
第 5 页 (共 5 页)
激光 原理
激光原理激光原理激光是一种具有高度单色性、高亮度和直线传播特性的电磁波。
它的产生是通过激发原子或分子中的电子，使其跃迁到高能级，然后从高能级回到低能级时放出光子。
这些光子具有相同的频率、相同的相位和相同的方向，形成了一束高度集中、方向性强的光束。
1. 激发原理激发原理是指将物质中的电子从低能级激发到高能级，使其处于激发态。
当电子从高能级回到低能级时，会放出一个光子。
这个过程称为自发辐射。
2. 反转粒子数密度反转粒子数密度是指在一个物质中，处于激发态的粒子数比处于基态的粒子数多。
只有在反转粒子数密度大于临界值时才能产生激光。
3. 共振腔共振腔是指由两个反射镜组成的空间，在其中放置了具有反转粒子数密度大于临界值的物质。
当一个光学泵浦器向物质注入能量时，会激发物质中的电子，使其处于激发态。
当这些电子从高能级回到低能级时，会放出光子，这些光子被反射镜反射回共振腔内部。
4. 激光输出当光子在共振腔内来回多次反射时，它们会与处于激发态的粒子相互作用，促使更多的粒子从高能级回到低能级。
这个过程称为受激辐射。
随着时间的推移，越来越多的粒子从高能级回到低能级，放出越来越多的光子。
最终，在一个反射镜上形成了一束高度集中、方向性强的光束。
5. 激光特性激光具有单色性、方向性和相干性等特性。
单色性是指激光只有一种频率；方向性是指激光具有非常好的直线传播特性；相干性是指激光具有非常好的波前相干性和时间相干性。
6. 应用领域激光广泛应用于科学研究、医疗、通信、制造业等领域。
例如，激光可以用于制造高精度的零件、切割材料、焊接金属等。
同时，激光还可以用于医疗领域，例如激光手术、激光治疗癌症等。
此外，激光还被广泛应用于通信领域，例如激光通信和光纤通信等。
总结通过对激发原理、反转粒子数密度、共振腔和激光输出等方面的介绍，可以了解到激光的产生和特性。
同时，我们也能够了解到激光在科学研究、医疗、通信和制造业等领域中的广泛应用。
激光原理_第1章_激光的基本理论
3.简并态—— 同一能级的各状态称简并态 例：计算1s和2p态的简并度
原子状态 n l
ml ms 简并度
1s
1
00
f1=2
1
2p
21
0
f2=6
-1
18
第一章 激光的基本原理
二、玻耳兹曼分布及粒子数反转
1. 玻耳兹曼分布(热平衡分布)
(19.77eV) 10-6 S
23
四、黑体辐射及其公式 1、描述黑体辐射的典型物理量
①单色能量密度 ,T：单位体积内，频率处于 附近
单位频率间隔内的电磁辐射能量，它是频率和温度的函 数。
注：寻求 的,T 函数形式进而确定单色辐出度的形式是当
时黑体辐射研究者们的一大目标！
②单光位波频模率密间度隔内n的：光腔波内模单式位数体。积中频率处于 附 近
n f e 2
2 (E2 E1 ) / kbT
讨论(设f i= f j) :
n1 f1
(1)如果E2 - E1很小,且满足 △E = E2 - E1＜＜kbT,则
n2 e (E2 E1 ) / kbT 1
n1
19
第一章 激光的基本原理
n f e 2
2 ( E2 E1 ) / kbT
第一章 激光的基本原理
前言
光具有波粒二象性，在描述光的性质是，可 以从其粒子性和光的波动性两个方面来描述光的 性质，进而引入了光波模式和光子模式来描述；
在激光产生的过程中，受激辐射和自发辐射 是其产生的基本原理，同时分析要实现光的受激 辐射放大需要满足集居数反转（粒子数反转）。
1
第一章 激光的基本原理
激光的工作原理及应用
激光的工作原理及应用1. 激光的工作原理激光（laser）是一种特殊的光源，具有高亮度、自聚焦、单色性和相干性等特点，广泛应用于科学研究、医学、通信、制造业等领域。
激光的产生基于激发粒子之间的能级跃迁，通过受激辐射放大产生高度单色和相干的光束。
以下是激光的工作原理的详细说明：1.1 光激发：激光的产生需要一个能给光子提供能量的光激发源，包括电子束激发、光束激发和化学激发等。
其中，电子束激发是目前应用最广泛的激发方式。
1.2 能级跃迁：光激发后，光子与外层电子发生碰撞，使电子跃迁到能级较高的状态。
此时，只有两个能级之间的跃迁才能产生激光。
1.3 受激辐射：当一个已激发的电子回到较低的能级时，会释放出一个与入射光子相同频率和相位的光子，这就是受激辐射。
受激辐射产生的光子与入射光子具有相同频率、相同方向和相干性。
同时，较低能级的粒子会受到激发自发辐射的影响，维持产生的光子数目。
1.4 驻波放大：光子经过反射镜的反射，形成来回传播的光束，与受激辐射的光子相叠加后得到放大。
这种来回传播且同时放大的光束就是激光。
2. 激光的应用激光由于其高度单色性、高亮度和自聚焦等特点，在许多领域有着广泛的应用。
以下是激光的主要应用领域：2.1 科学研究•光谱学研究：激光可用于分析物质的成分，用于化学、物理、生物学等领域的研究。
•材料科学：激光可以用于材料加工、表面改性和光学薄膜制备等方面的研究。
•原子与分子物理：激光可用于原子和分子的精细操控和精确测量。
2.2 医学应用•激光手术：激光刀可以实现非接触性的手术操作，减少创伤和出血。
•激光治疗：激光可以用于皮肤治疗、眼部治疗和牙科治疗等。
•医学影像：激光可以用于医学成像，如激光超声成像和激光扫描成像等。
2.3 通信与信息技术•光纤通信：激光作为光源广泛应用于光纤通信中，实现高速和远距离的信息传输。
•激光打印：激光技术广泛应用于打印行业，提供高分辨率和高速度的打印效果。
•光盘存储：激光可以读取和写入光盘上的信息，广泛应用于光盘存储技术。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
Laser Application——Laser manufacture
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹 机器人激光焊接技术
21
Laser Application——Laser radar
反射回来的不同光谱成分预测污 染物分布情况 激光测试大气污染
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
Nicolay G. Basov, Aleksandr M. Prokhorov 南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
30
Laser History 【激光器的发明】 1960年：梅曼制成世界上第一台红宝石激光器
增益介质：红宝石晶体 泵浦源：脉冲激光
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
31
Laser History 【中国第一台激光器】 1961年8月，中国科学院长春光学精密机械研究所， 王之江院士（中国激光之父）、邓锡铭、汤星里
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
激光治疗 外科手术
材料加工
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
28
Laser History
第一台激光器 Laser 微波振荡器（ ） Theodore Maiman 受激辐射理论 Hard Maser Townes Albert Einstein Charles 光导纤维理论，成就光纤通信 纯石英光纤：没有杂质的玻璃 1000dB/km------20dB/km 美国康宁公司
激光用于：石质材料、文物的清洗、修复
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
7
Laser Application——Hologram Holograms 激光全息：利用激光的干涉和衍射原理记 录并再现物体真实的三维图像。 全息防伪：加密技术
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
8
Laser Application——3D laser hologram
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
25
Laser Application——Optical communication
激光光源决定了光传输系统的信噪比与传输距离
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
26
Laser Application——Optical communication 光纤通信 光纤中传送的是一系列经过编码的激光脉冲。 光纤的优越性： • • • • 宽带 不受电磁干扰，保密性好，不易截获 重量轻，尺寸细小 低损耗
中国军方100kW 脉冲舰载激光武器 激光武器只要能维持供电，便等于拥有无限子弹
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
11
Laser Application
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
12
Laser Application——Laser weapon
激光制导
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
13
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
45
第一章 概述
1.1 激光发展简史
1.2 激光的特性
1.3 激光的应用
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
46
Laser Properties 1. 高方向性
发散 角
由于谐振腔对光振荡方向的限制，激光只有沿腔轴方向受 激辐射才能振荡放大，所以激光束具有很高的方向性。
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹 Charles K. Kao
29
Laser History 【爱因斯坦的理论贡献】 1917年：爱因斯坦在《关于辐射的量子力学»一文预言了 原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性; 【激光器理论】 1954年：发明微波振荡器（Maser） Maser：Microwave amplification by stimulated emission of radiation 1958年：汤斯和肖洛的光激射器理论，提出激光器方案；
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
44
参考书目
1.《激光原理》，周炳琨， 国防工业出版社 2.《激光原理》，陈钰清 ， 浙江大学出版社 3.《激光原理及应用》，陈家璧， 电子工业出版社 4.《激光原理技术及应用》， 李相银， 哈尔滨工业大学出版社 5.《激光原理与技术》， 阎吉祥， 高等教育出版社 6.《Principles of Lasers (Fouth Edition)》, Orazio Svelto, Plenum Press, New York
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
47
Laser Properties 2. 单色性好
激光由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄
∆λ
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
λ
或
∆ν
ν
48
Laser Properties 3. 相干性好 相干条件：?
激光：相干光
普通光源：、相位差恒定
39
Laser Category
产品照片
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
40
Laser Category
产品照片
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
41
Laser Category
半导体激光器实物图
发光二极管
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
42
课程要求
对激光技术中的物理问题有较系统全面的认识； 建立正确的基本概念； 掌握一定的有关激光器技术与应用方面的知识。 考核：平时+期末考试
Laser Application——Laser DC/DVD
CD/VCD
激光刻录：刻录机发出高功率的 激光，聚焦在CD盘片某个特定 部位上，使这个部位的有机染料 层产生化学反应，形成凹凸表面， 实现信息记录
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
24
Laser Application——Optical communication 空间激光通信（激光雷达）：脉冲激光，通过激光传回的时间 获得距离信息
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
32
Laser History——Nobel Prize related
激光；二十世纪出现的改 变人类生活的重要发明， 诞生了许多Nobel物理学 奖
33
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
Laser History
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
34
Laser History
4
Laser Application——Laser medicine
Eye surgery
外科手术：眼科手术&光子美肤
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
5
Laser Application——Laser medicine
光子美肤
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
6
Laser Application——Artworks conservation
22
Laser Application——Laser cooling
Bose-Einstein Condensation 利用光子冷却原子 激光冷却俘获钠原子的过程
当原子与反向前进的光子相遇时,会吸收光子并使原子的速度发生改变, 23 然后再释放光子并继续前进 .这一现象会使原子的速度降低 ,而降低原子的振荡会使其冷却 南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
Laser Application——Laser weapon
“外科手术刀(Scalpel)” 超小型制导航空炸弹效果 图 取代导弹，搭载到坦克、 战舰和战机上使用。
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
14
Laser Application——Laser weapon
反卫星激光武器
15
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
Laser Category
根据工作物质 固体激光器 ：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃 气体激光器 ：He—Ne，CO2，离子激光器 液体激光器 ：染料激光器 半导体激光器 根据工作方式： 连续 脉冲
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
38
Laser Category
实物照片
A helium-neon laser demonstration. The glowing ray in the middle is an electric discharge producing light in much the same way as a neon light. It is the gain medium through which the laser passes, not the laser beam itself, which is visible there. The laser beam crosses the air and marks a red point on the screen to the right. 南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
Laser Application——Laser manufacture
激光器工业领域的应用
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
16
Laser Application——Laser manufacture
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
17
Laser Application——Laser manufacture
南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹
35
Laser History 增益介质类型
光纤通信重要光源
20年间时间，出现基于各种增益介质的激光器，包括气体激光体，掺铷元素激光器，砷化镓半 36 导体激光器，二氧化碳激光器，掺铷镱铝石榴石激光器，氩离子激光器，化学激光器（波长达 南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹 3um），染料激光器，准分子激光器，钛宝石激光器
激光原理
教师：万洪丹
单位：南京邮电大学光电工程学院 办公室：教4－312对面 邮箱： hdwan@ 南京邮电大学 光电工程学院 万洪丹