2章光源与激光器
第2章-激光基本原理
考虑光子只可能存在两种不同的偏振状态，在体积V内， ν 到ν +Δν频率间隔内， 因能量、动量及偏振状态的不同，并根据（2-3）式和（2-14）， 所有可能的光子状态数为
与（2-10）式的结果相一致。
这表明从波动的观点得到光的模式数，与从光子的观点得到光子的量子状 态数是相同的。
2.1.2 光子的相干性和光子简光度
故在体积V内，在 ν 到ν +Δν 频率间隔内，光的模式数为
光子的动量与坐标之间存在海森堡测不准关系
光子坐标x测量值越准确，则动量px的测量值就越不准确 只能在相空间划出面积元Δpx Δx=h，ΔpyΔy=h，Δpz Δz=h 来确定光子的一种状态
在六维相空间（x，y，z，Px，Py，Pz）内，光子的一种状态 所对应的相空间体积元为
2.1 相干性的光子描述
2.1.1 光子的基本性质
光子的基本性质: 1. 光子的能量与光波频率对应，即 式中h为普朗克常数。 2. 光子具有运动质量m，可表示为 光子的静止质量为零。 3. 光子的动量 与单色平面光波的波矢 对应：
式中 ； 单位矢量。
为光子运动方向（平面波的传播方向）上的
上述相空间体积元称为相格。 相格是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。
光子以动量Px，Py，Pz组成的动量空间内，它的一种运动状态占 据动量空间的体积元 由（2-13）得 上式中的V= ΔxΔyΔz是光子运动的体积。
讨论在 ν 到ν +Δν 频率间隔内，因光子的动量不同，所可能存在的状态数。 相当于求出光子在动量空间中一个半径为 ，厚度为 的球壳 内，可能有的光子状态数为 ，如图2.3所示。
光的相干性可以定义为： 不同空间点、不同时刻的光波场的某种特性(如相位)的相关性。
浅谈普通光源与激光
浅谈普通光源与激光摘要：本文主要概括了普通光源与激光的产生差别，激光的原理和发展历程。
以及性质的不同而在运用中的不同，从而更深刻的让我们对这两个东西产生认识的兴趣以及加深对它们的了解。
关键词：本质性质发展运用总的来说“光”就是一种频率极高的电磁波，具备一定的能量和动量；但是，它具备通常电波所不具备的特殊性，比如它的产生和检测，以及与其他物质相互作用等过程中显露出粒子性的特征，①.接下来我们就来说一说道‘普通光源与激光’一、什么是光源，普通光源的分类。
闪烁物体叫作光源，光源与普通光源与激光光源之分后。
激光光源由特定的闪烁物质及特定的结构部件所共同组成，而普通光源则随处可见。
根据光源中基本发光单元激发方式的不同，普通光源大体可以分为以下几类：1)化学发光。
闪烁过程中辐射体内部出现化学变化，靠消耗自身化学能量而闪烁。
例如燃烧、放烟火等。
2)热致发光。
温度低的物体可以收到红外线。
例如白炽灯、太阳光等。
3)电致发光。
依靠电场能量的激发而发光。
如闪电、电弧灯、火花放电、辉光放电等。
4)光致发光。
用外来光激发所引起的发光现象。
如日光灯、夜光表急某些交通指示牌上的磷光物质的闪烁都属光致发光。
上面的各种闪烁方式的相同，但总的来说普通光源的原理就是自发性地原子和光子的光子。
上述各种闪烁过程，其差别就是唤起的方式相同，而闪烁的微观机制确就是共同的。
即为在外界条件的鞭策下，光源中的原子、分子稀释能量而处在一种不稳定的激发态。
在没任何外界促进作用的情况下，它能够自发性地光子回低激发态或基态，并升空出来一定频率的电磁波。
②二、激光是怎么发现的，以及在激光发现后历程。
总的来说激光就是一种人工的光，它的大多数去至于人工制作，并且只要是因为激光器的产生大大的大力推进了激光事业的发展，堪称就是一个划时代的措施。
迄今为止，光学已经有两千余年的历史，但在激光产生之前，人们使用的光源主要是炽热物体的热辐射和气体放电管，机理是自发发射，这是一个随机过程，相干性不好，两个光源甚至同一个光源的两点发出的光也不能形成干涉条纹。
激光的原理特性和应用
第二章激光与半导体光源激光的原理、特性和应用发光二极管与半导体激光器§2-1 激光的工作原理一、光的发射与光的吸收当原子从高能级向低能级跃迁时，将两能级之差部分以光子形式发射出去，称光的发射；当原子从低能级向高能级跃迁时，将吸收两能级之差部分的光子能量，称光的吸收。
光的发射和吸收过程满足相同的规律：两能级之差决定发射和吸收光子的频率光发射的三种跃迁过程1自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图；2 受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图；两种辐射过程特点的比较：自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光；受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向均与外来的光波相同，辐射的光波是相干光。
3 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受激辐射和受激吸收过程同时存在。
当吸收过程占优势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。
二、粒子数反转与光放大当一束频率为的光通过具有能级E1和E2（假定E2>E1)的介质时，将同时发生受激辐射和受激吸收过程，在dt时间内，单位体积内受激吸收的光子数为dN12，受激辐射的光子数为dN21 ，设两能级上的原子数为N1、N2（正常情况下N2> N1），有dN21/ dN12 =B N2/ N1，比例系数B与能级有关。
1、N2/ N1<1时，高能级E2上原子数少于低能级E1上原子数（称正常分布），有dN21 < dN12，表明光经介质传播的过程中受激辐射的光子数少于受激吸收的光子数，宏观效果表现为光被吸收。
激光器的原理
三、工作过程1.激光器的工作原理和结构我们通常把发光的物体叫做光源，如太阳、电灯、燃烧的蜡烛等。
光具有能量，它可以使物体变热，使照相底片感光，这就是能的转换现象。
光能含在光束中，光束射入人的眼睛，才引起人的视觉，所以我们能够看到光源发射的光。
那么我们为什么还能看到不发光的物体呢？是因为光源发射的光照射到它们，不发光的物体受光后，向四面八方漫反射的光射入了我们的眼睛，所以我们也能看到不发光的物体。
产生激光的光源，和普通的光源明显不同。
如普通白炽灯光源是通过电流加热钨丝的原子到激发态，处于激发态的原子不断地自发辐射而发光。
这种普通的光源具有很大的散射性和漫射性，不能控制形成集中的光束，也就不能应用于激光打印机。
激光打印机所需要的激光光束必须具有以下特性：①高方向性。
发出的光束在一定的距离内没有散射和漫射。
②高单色性。
纯白光由七色光组成。
③高亮度，有利于光束的集中并带有很高的物理能量。
④高相干性，容易叠加和分离。
激光器是激光扫描系统的光源，具有方向性好、单色性强、相干性高及能量集中、便于调制和偏转的特点。
早期生产的激光打印机多采用氦-氖（He-Ne）气体激光器，其波长为632．8μm，其特点是输出功率较高、体积大、是寿命长（一般大于1万小时）性能可靠，噪音低，输出功率大。
但是因为体积太大，现在基本已淘汰。
现代激光打印机都采用半导体激光器，常见的是镓砷-镓铝砷（CaAs-CaAlAs）系列，所发射出的激光束波长一般为近红外光（λ＝780μm），可与感光硒鼓的波长灵敏度特性相匹配。
半导体激光器体积小、成本低，可直接进行内部调制，是轻便型台式激光打印机的光源。
在对感光鼓表面充电时，随着电荷在感光鼓表面的积累，电位也不断升高，最后达到"饱和"电位，就是最高电位。
表面电位会随着时间的推移而下降，一般工作时的电位都低于这个电位，这个电位随时间自然降低的过程，称之为"暗衰"过程。
光纤通信复习（各章复习要点）
光纤通信复习（各章复习要点）光纤通信复习（各章复习要点）第⼀章光纤的基本理论1、光纤的结构以及各部分所⽤材料成分2、光纤的种类3、光纤的数值孔径与相对折射率差4、光纤的⾊散5、渐变光纤6、单模光纤的带宽计算7、光纤的损耗谱8、多模光纤归⼀化频率，模的数量第⼆章光源和光发射机1、光纤通信中的光源2、LD的P-I曲线，测量Ith做法3、半导体激光器的有源区4、激光器的输出功率与温度关系5、激光器的发射中⼼波长与温度的关系6、发光⼆极管⼀般采⽤的结构7、光源的调制8、从阶跃响应的瞬态分析⼊⼿，对LD数字调制过程出现的电光延迟和张弛振荡的瞬态性质分析（p76）9、曼彻斯特码10、DFB激光器第三章光接收机1、光接收机的主要性能指标2、光接收机主要包括光电变换、放⼤、均衡和再⽣等部分3、光电检测器的两种类型4、光电⼆极管利⽤PN结的什么效应第四章光纤通信系统1、光纤通信系统及其⽹管OAM2、SDH系统3、再⽣段距离的设计分两种情况4、EDFA第五章⽆源光器件和WDM1、⼏个常⽤性能参数2、波分复⽤器的复⽤信道的参考频率和最⼩间隔3、啁啾光纤光栅4、光环形器的各组成部分的功能及⼯作原理其他1、光孤⼦2、中英⽂全称：DWDM 、EDFA 、OADM 、SDH 、SOA第⼀章习题⼀、单选题1、阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在纤芯和包层的界⾯上（B）⽽是能量集中在芯⼦之中传输。
A、半反射B、全反射C、全折射D、半折射2、多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是（A）的。
A、连续变化B、恒定不变C、间断变换D、基本不变3、⽬前，光纤在（B）nm处的损耗可以做到0.2dB/nm左右，接近光纤损耗的理论极限值。
A、1050B、1550C、2050D、25504、普通⽯英光纤在波长（A）nm附近波导⾊散与材料⾊散可以相互抵消，使⼆者总的⾊散为零。
A、1310B、2310C、3310D、43105、⾮零⾊散位移单模光纤也称为（D）光纤，是为适应波分复⽤传输系统设计和制造的新型光纤。
激光器工作原理范文
激光器工作原理范文激光器是一种能够产生相干、单色、高亮度光束的装置。
激光光束具有高度的定向性和能量密度，并且可以通过调节激发源和谐振腔的结构来获得不同波长和功率的激光光束。
激光器的工作原理主要涉及能级、光子激发、增益介质和谐振腔等几个关键要素。
首先，激光器的工作原理涉及能级。
原子、分子或晶体等物质的能级结构决定了激光器能量转移的规则。
在基态下，物质的电子处于最低的能量状态。
当一定的能量加在物质上时，物质的电子会跃迁至更高的能级。
处于高能级上的电子不稳定，会尽可能快地返回基态。
这个过程中，电子会放出光子，光子的能量等于电子从高能级到低能级的差值。
能级结构的存在使得物质能够存储和释放能量。
其次，激光器的工作原理涉及光子激发。
为了将物质的电子带到高能级，需要提供能量。
这通常通过光、电、化学或其他方法来完成。
其中，光子激发是一种重要的方式。
当一束光进入激光器的增益介质时，光子与物质的电子相互作用，将能量传递给电子，使电子达到激发态。
这个能量传递过程中，光子被吸收并且在介质中轨迹微弱地改变。
然后，激光器的工作原理涉及增益介质。
在激发后，物质中的电子处于激发态。
在一段时间后，激发态的电子会通过受激辐射的方式退回到低能级。
在这个过程中，物质会放出与光子激发中吸收的光子具有相同频率和相位的光子，这就是激光器的激光。
不同的增益介质具有不同的光子产生机理，例如，固态激光器使用Nd:YAG结构作为增益介质，气体激光器使用二氧化碳等气体作为增益介质。
最后，激光器的工作原理涉及谐振腔。
谐振腔由两个反射镜组成，其中一个是部分透明的输出镜。
激光通过入射镜进入谐振腔，反射在两个反射镜之间来回穿梭。
在每次来回穿梭过程中，激光受到增益介质的刺激，逐渐放大。
在谐振的情况下，增强的激光波将逃逸透过输出镜，形成激光束。
逃逸的激光波量与谐振频率相同，并具有相干性和单色性。
总结一下，激光器的工作原理涉及能级跃迁、光子激发、增益介质和谐振腔等几个关键要素。
激光器的工作原理讲解
激光器的工作原理讲解激光器是一种能够产生激光的装置，其工作原理基于能级跃迁和受激辐射的过程。
下面将详细介绍激光器的工作原理。
激光器的主要组成部分包括：光源、增益介质和光腔。
首先，激光器的光源即外界提供的能量，它能够激发光子从基态跃迁到激发态，产生激光的能级跃迁所需的能量。
其次，激光器的增益介质是激光放大器的核心部件，它负责产生和放大激光。
在激光器中常用的增益介质有：气体（如氦氖激光器、二氧化碳激光器）、晶体（如钕:钋酸钆激光器）、半导体材料（如半导体激光器）等。
这些增益介质在受到外界能量刺激后，产生能级跃迁和受激辐射的过程，从而产生激光。
具体来说，激光器中的增益介质处于一个激发态能级，它有一个高能级和一个低能级。
当外界能量激发增益介质时，光子能够从低能级跃迁到高能级的激发态，形成一个激发态聚集。
而由于激光器中的增益介质受到激发态聚集的初始扰动，这些激发态聚集会随着时间的推移发生非平衡运动，从而形成光子之间的能量传输。
在这个过程中，当一个处于激发态的光子与一个低能级的光子相互作用时，受激辐射的过程会发生。
也就是说，处于激发态的光子可以激发一个低能级的光子跃迁到同样的激发态，并且两者的能量和相位几乎完全相同。
这个过程会引起光子的指数增长，从而形成激光光束。
最后，激光器的光腔是光子在增益介质中来回传播的空间。
光腔一般有两个反射镜组成，一个是部分穿透镜（输出镜），它允许一部分激光通过；另一个是全反射镜（反射镜），它将大部分激光反射回来。
由于全反射镜的存在，光子在光腔中来回多次反射，增强了激光的功率。
当激光增益与光腔损耗达到平衡时，激光器就能稳定地输出激光。
总结起来，激光器的工作原理是通过外界能量的激发、增益介质的能级跃迁和受激辐射的过程，形成光子之间的能量传输，并利用光腔的多次反射来增强激光功率。
这种高聚集、高能量的光子群就是我们所说的激光。
激光器及其原理简介
♦ Ne原子可以产生多条激光谱线, 图中标明了最强的三条:
0．6328μｍ 1．15 μm 3．39 μｍ
它们都是从亚稳态到非亚稳态、 非基态 之间发生的，因此较易实现粒子数反转。
§4 增益系数
激光器内受激辐射光 来回传播时，并存着
增益 损耗
增益——光的放大；
损耗——光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。
§6 激光的特性及其应用
★方向性极好的强光束 --------准直、测距、切削、武器等。
★相干性极好的光束 --------精密测厚、测角，全息摄影等。
例１．激光光纤通讯
由于光波的频率 比电波的频率高 好几个数量级，
一根极细的光纤 能承载的信息量， 相当于图片中这 麽粗的电缆所能 承载的信息量。
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
N2
− E2 − E1
= e kT
<1
N1
数量级估计：
T ～103 K；
kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
E 2-E 1～1eV;
N2
− E2 − E1
= e kT
−1
= e 0.086
≈ 10−5
<< 1
N1
但要产生激光必须使原子激发;且 N2 > N1, 称粒子数反转(population粒子数反转 一. 为何要粒子数反转 (population inversion)
从E2 E1 自发辐射的光，可能引起 受激辐射过程，也可能引起吸收过程。
⎜⎛ ⎝
dN 21 dt
⎟⎞ ⎠受激
=
B21ρ (ν
,T
)N 2
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激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了 这一特性。
地球上任何一种已知材料，无论其熔点多高，在强 激光照射下1秒钟之内即可开始气化；任何一种金 属或钻石，不管其硬度多大，激光均可轻而易举地 对它打孔。
光与现 代科技
光与现代科技 讲座
第二章 光源与激光器
光与现
代科技
光与现代科技讲座
第一章 绪论
2
第二章 光源与激光器
2
第三章 光纤与光学传感技术
4
第四章 激光在现代医学中的应用 4
第五章 激光在军事技术中的应用 4
第六章 激光在现代工业和加工中的应用 4
第七章 光与信息技术
自然光源：是自然界中存在的，如太阳、恒星等
人造光源：是人为地将各种形式的能量，如热能、 电能、化学能转换为光辐射能的器件，其中利用 电能产生光辐射的器件称为电光源，如激光器等
相干光源：频率相同、振动方向相同，相位差恒 定的光源
非相干光源
光与现
代科技1960年一种神奇的光诞生了，它就是激光。 什么是激光？ 激光是受激辐射的光放大，是利用物质受激辐射原 理和光放大过程产生出来的一种特殊光。 激光的英文名称是 Laser，它是英语短语“受激发 射光（light amplification by stimulated emission of radiation）放大”中每个实词第一个字母组成的缩 略词，它包含了激光产生的由来。 它一出现就创造了许多奇迹，真可谓“一鸣惊人”。 二十世纪四大发明：半导体；原子能；计算机；激 光 激光器的问世使整个自然科学及相关技术发生了天 翻地覆的变化，它正在做着人们昨天无法想象的事 情，明天定将做出更多人们今天无法想象的事情！ 让我们关注身边的科技，不断的学习和探索。
§2.3 激光器的类型
1 .气体激光器
2. 固体激光器
3 .染料激光器
4 .半导体激光器
5 .光纤激光器
光与现
§ 2.1 光源及其特性
代科技 1、光源类别
发光是由于自发辐射或受激辐射导致的。凡是能 辐射光波的物体均为光源
按照光源的性质，光源可分为自然光源和人造光 源、相干光源和非相干光源等。
光与现 代科技
4.相干性好、偏振性好。激光即便从各点发
出的光，也如同从一个点发出的光一样，
具有相同的频率、相位和振动方向。
干涉是波动现象的一种属性。由于激 光具有高单色性和高定向性，决定了激光 具有极好的时间相干性和空间相干性。激 光的这一特性使全息照相成为现实。
特制的氦 氖激光器输出的光束， 相干长度达2107km。氪灯只有38.5cm。
而某种激光的波长，只集中在十分窄的光谱波 段或频率范围内。如氦氖激光的波长为632.8 纳米，其波长变化范围不到万分之一纳米。
由于激光的单色性好，为精密度仪器测量和激 励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的 手段。
光与现 3.高强度和高亮度。激光是当代最亮的光源，
代科只技有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。太阳 光亮度大约是103瓦／（厘米2.球面度），而一台大功 率激光器的输出光亮度经太阳光高出7～14个数量级， 即激光的亮度比太阳表面的亮度高几百亿倍，
单色性越好
I0 2
谱线宽度：通常用强度下降到 I0
2
的两点之间的波长范围 ：
2
2
谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量
光与现 代科技
激光的颜色极纯——单色性强
激光问世前，最好的单色光是氪灯
发出的光，而激光比氪灯光的单色性高出
几十万倍。
光波的单色性可表示为
谱线宽度 中心波长
激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使用 开关
的激光器，可输出脉宽10-9s左右的光脉冲，使用锁 模技术，可产生10-14s的光脉冲。由于能量被集中在 极短的时间内发射出来，因此光功率极高。
一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮 度高8个数量级(几千万倍）
光与现 代科技
强激光甚至可产生上亿度的高温。
光与现
代 科所技谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法以 及探索应用激光的这些特性为人类造福的技术的总称
光与现 代科技
激光的高方向性
光束发散角=2 α
r α
s
探照灯：35毫弧度≈1度 激 光：10-2毫弧度
光与现 代科技
2.单色性好。
单色光： 具有单一频率的光波称为单色光。
任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长 范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对对应的波长范围越窄，光的
4
第八章 光通信技术与网络
6
第九章 光学成像、全息与显示技术 2
第十章 光电集成与纳米技术
2
光与现 代科技
第二章 光源与激光器
§2.1 光源及其特性
1.光源的类别
2.光源的基本特性参数
3.激光的基本特性；
§2.2 激光辐射原理
1 .跃迁和辐射 2 .激光器的基本构成 3. 激活粒子的能级系统 4. 激光输出模式
光与现 代科技
3. 激光的特性
激光是一种特殊光，与普通光相比，有以下四个主 要特点：
高方向性
颜色极纯-单色性强 高强度，高亮度； 相干性强，
光与现 代科技
1.方向性好
它发射出去的光，基本上是一条直的平行光束。
普通光源（太阳、白炽灯或荧光灯）向四面八方发 光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立 体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。 激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性 激光束发散角小，接近衍射极限，约为10-3rad量 级，对应的主体角在10-6sr量级。普通光源发出的光 辐射沿4立体角分布，比激光束大106倍。激光束是 高度平行的光束。
=
Δλ λ
Δ
氦氖激光的单色性比单色性最好的普 通光源，如氪灯好 105 倍。
光与现 代科技
光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。
普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各 种颜色光的混合。太阳光包含红、登、黄、绿、 青、蓝、紫七种颜色的可见光及红外光、紫外 光等不可见光。