激光基础知识
激光入门知识讲解
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hυ=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。
激光器的基本参数和基础知识
激光器的基本参数和基础知识激光器是一种产生和放大一束高度聚焦的光束的装置，它利用特殊的光学放大器将输入的光线转化为一束具有高度相干性和高度单色性的激光光束。
以下是激光器的一些基本参数和基础知识：1. 激光器的波长（Wavelength）：激光器产生的激光光束的波长是决定其光学特性的重要参数。
不同波长的激光器在光的传播、吸收和散射方面有着不同的特性。
2. 输出功率（Output Power）：激光器的输出功率是指激光器在单位时间内向外辐射的光能量。
输出功率的大小可以影响到激光器在实际应用中的效果和使用范围。
3. 光束质量（Beam Quality）：光束质量是激光器输出光束的空间属性的度量，它决定了光束的聚焦能力和光学深度。
光束质量越高，光束越接近理想光束，具有更好的聚焦和穿透能力。
4. 脉冲宽度（Pulse Width）：对于脉冲激光器而言，脉冲宽度是指激光脉冲的持续时间。
脉冲宽度的长短对于一些应用领域，如精密切割、医疗器械等，有着重要的影响。
5. 光学阻尼器（Optical Attenuator）：光学阻尼器是用于调节和控制激光光束强度的光学装置，通过调整光损耗或反射来控制光强。
6. 光束扩散角（Divergence Angle）：光束扩散角是指光束的发散性，即光束离开激光器时的束腰大小和形状。
光束扩散角可以描述激光器在空间中的传播特性。
7. 频率稳定性（Frequency Stability）：激光器的频率稳定性是指激光器的输出频率在一定时间范围内的稳定性。
频率稳定性越高，激光器的输出频率在长时间应用中的波动越小。
8. 工作温度范围（Operating Temperature Range）：激光器的工作温度范围是指激光器可以正常工作的温度范围。
对于一些特殊环境下的应用，工作温度范围的宽窄对激光器的使用有着重要的影响。
1.激光的产生原理：激光器内部通过激发材料（例如气体、固体或半导体）来产生激光。
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：一般规律认为，光源在单位面积上向某一方向的单位立体角内发射的功率，就称为光源在该方向上的亮度。
激光在亮度上的提高主要是靠光线在发射方向上的高度集中。
激光的发射角极小（一般用毫弧度表示），它几乎是高度平等准直的光束，能实现定向集中发射。
因此，激光有高亮度性。
固体激光器的亮度更可高达1011W/cn2Sr 。
不仅如此，一束激光经过聚焦后，由于其高亮度性的特点，能产生强烈的热效应，其焦点范围内的温度可达数千度或数万度，能熔化甚至于气化对激光有吸收能力的生物组织或非生物材料。
如工业上精密器件的焊接、灯孔、切割；医学上切割组织（光刀）、气化表浅肿瘤以及显微光谱分析等这些新技术都是利用激光的高亮度性所产生的高温效应。
激光功率密度的单位为mw/cm2或W/cm2，能量密度为焦尔/厘米2。
（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，激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。
1962年人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，这两点都是激光加工的重要条件。
（3）激光的高单色性：光的颜色由光的波长（或频率）决定。
一定的波长对应一定的颜色。
太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。
激光学基础知识、X线摄影基础【考点总结+精选习题】
激光学基础知识、X线摄影基础【考点总结+精选习题】一、激光的产生1、1916年爱因斯坦提出的“自发和受激辐射〃理论是现代激光理论的物理学基础。
（一）受激吸收和光辐射1、受激吸收（激发或电离）：原子吸收一个光子而从低能级跃迁到高能级的过程。
2、受激吸收的特点：（1）不是自发产生的，必须有外来光子的"激发"；（2）外来光子的能量应等于原子激发前后两个能级间的能量差；（3）受激吸收对激发光子的振动方向、传播方向和位相没有任何限制。
3、自发辐射：在没有任何外界影响的情况下，高能态EH的原子会自发地跃迁到基态或者较低激发态E L,因为这种跃迁是不受外界影响而自发进行的，称为自发跃迁，如果跃迁时释放的能量是以光辐射的形式放出的，则这个过程叫做自发辐射。
4、受激辐射：处于高能级EH的原子在自发辐射之前，受到一个能量为hv=E H-EL的光子的“诱发〃后可释放出一个与诱发光子特征完全相同的光子而跃迁到低能级E L,这个过程称为受激辐射。
持续的受激辐射形成的光束就叫做激光。
5、受激辐射的特点：①它不是自发产生的，必须有外来光子的"刺激"才能发生，外来光子的能量或频率必须满足hv=E H-E L；②辐射出的光子与诱发光子特征完全相同；③与受激吸收不同，受激辐射中的被激原子并不吸收诱发光子的能量。
6、受激辐射光放大不是自然的，自然界没有哪种物质能够自然地发出激光来，只有人为地创造条件，才能得到激光。
（二）激光的产生1、激光器的构成：工作物质、激发装置、光学谐振腔2、工作物质：激光器中能产生激光的物质称为工作物质。
3、激发装置:作用是把处于低能级上的原子激发到高能级上去，使工作物质实现粒子反转。
4、光学谐振腔：作用是①产生和维持光放大；②选择输出光的方向；③选择输出光的波长。
5、谐振腔能起选频作用，使激光的单色性更好。
（三）激光器的分类1.应用于医学领域的激光器一般可按工作物质形态（固体、液体、气体、半导体等）、发光粒子（原子、分子、离子、准分子等）、输出方式（连续、脉冲）等进行分类。
激光专业知识
工作物质 全反射镜
激光输出
激光 部分反射镜
L
光学谐振腔
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第二章 激光的认识
第一节 激光器的结构图——内部结构图详解
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第二章 激光的认识
第二节 激光器的结构功能——工作物质
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。
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第一章 激光的概述
第五节 激光技术的应用——核聚变
激光控制核聚变
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第一章 激光的概述
第五节 激光技术的应用——激光导航星
天文台（激光导航星）
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第一章 激光的概述
第五节 激光技术的应用——测距与激光雷达
激光测距与激光雷达
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第二章 激光的认识
第一节 激光器的结构图——内部结构图
基态和激发态：当原子内所有电子处于可能的最低能级时，整个原子的能量最低，我 们称原子处于基态；当一个或多个原子电子处于较高的能级时，我们 称原子处于激发态。
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第二章 激光的认识
第四节 激光产生的原理——受激吸收/自发辐射
受激吸收：原子吸收入射光子（h=Eh-El），从低能态（El）跃迁到高能态（Eh）。
一般而言，激光的产生需要3个条件：
工作物质：激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。 关键是能在这种介质中实现粒子数反转，就被称为激活介质(active medium) 或工作物质。
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第二章 激光的认识
第二节 激光器的结构功能——激励源
激励源：为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处 于上能级的粒子数增加。如：电激励、光激励、热激励、化学激励等各种激励 方式被形象化地称为泵浦或抽运；只有不断泵浦才能维持上能级粒子数多于下 能级，不断获得激光输出。
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。
激光基础知识
激光基础知识问红光与绿光的区别？答：A, 波长不同：红光波长635-980nm,绿光波长532nm;B, 出光⽅式不同：红激光：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）低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，⽽且当处于⾼能级上的粒⼦数⼤于低能级上的粒⼦数时，就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。
也就是红光不⽤外加任何装置，本⾝就会产⽣激光；绿激光: 是由808nmLD泵浦晶体产⽣激光问蓝紫光的光点为什么很弱？没有绿光那么亮？答：根据激光的原理，同功率的情况下，波长越短的激光就越亮，但由于⼈的视⾓对532nm波长的光容易吸收和敏感，错误的感觉就认为是绿光亮！问同功率的红光和绿光为什么红光不可以看到光束，⽽绿光可以？但红光反⽽⽐绿光传播得远？答：由于光波越短在⼤⽓中损耗越⼤，所以容易看到绿光的光柱⽽不容易看到红光的光柱；⼜因绿光光波容易被空⽓中的灰尘吸收，吸收的越多，反射就越多，我们看到的光柱也就越明显，同时，吸收的越多损耗也越⼤，所以同样功率红光⽐绿光传播的远。
也是为什么交通⽤的红绿灯，⽤红灯表⽰停⽌通⾏，⽽⽤绿灯表⽰放⾏。
问绿光最长可以持续多久点亮，持续点亮的稳定时间是多久？答: 绿激光根据不同功率点亮的时间会有所差别，便携式激光器室温（25°）下正常⼯作时间为⼩于10秒(指在该时间内功率不会低于要求值，⽽功率将随时间的增加⽽衰减，直⾄不亮；⼯作时间越长对LD和晶体的损坏就越严重，甚⾄烧坏LD）；⼯业⽤激光模组在室温和正确散热情况下可以长时间点亮（正确散热：⼯作时，必须把激光头部分固定在和激光头同体积或更⼤体积的⾦属体上）。
问便携激光器的LD和晶体⼀般在什么情况下会烧掉导致不出激光。
答：长时间⼯作。
由于长时间⼯作，激光器温度会随⼯作时间的增加⽽升⾼，从⽽导致损坏LD和晶体。
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• 按激光的工作方式分类：
－连续激光器 (连续输出) －脉冲激光器 (连续输出时间＜0.25s)
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激光的模式
Continuous Wave
UltraPulse
LongPulse
Power Time
Power
Power
TiQ Switched
什么是Ｑ开关?
x-rays cosmic rays
UV 400 nm
Visible Light
700 nm
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Infrared Light
Microwaves TV and radio waves
什么是激光？
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L A S E R--
激光…
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
激光的发明及发展
• 1916年, 爱因斯坦的感应受激辐射理论 • 1950年, 光泵浦 • 1951年, 核自旋能级反转 • 1954年, MASER(微波受激辐射放大器)的发明,
使科学家将概念引到光学领域. • 1958年, H.汤斯(美)和N.G.巴索夫(俄)引入激光
(LASER)的概念 • 1960年, 第一台激光器(红宝石--掺铬氧化铝晶
• 1 nanometer (nm) = 1/1,000,000,000 meter • 1000 nm = 1 micrometer (µm) = 1
“micron”
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重要名词： – 波长、能量、时间、功率 – 连续激光、脉冲激光 – Q开关、锁膜技术
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• 在自由运转的激光器中, 各种模式的振荡之间 没有固定的振幅和相位, 输出是许多杂乱无章 的尖峰叠加而成, 功率是按时间统计的平均值.
• 锁模激光是迫使各种振荡模式保持固定的相位 关系, 改善激光输出的相干程度，使振荡时间 关系确定, 输出超短脉冲.
• 脉宽<100ps，数十微微秒以下而峰值功率极高 的极窄脉冲
体)问世(美国休斯公司,T.H.Maiman博士研制 成功)
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• 1962年,He-Ne激光器（632.8nm) • 1964年,CO2激光器(10.6μm) • 1970年准分子激光器(Xe176nm)
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激光的物理特性
• 单色性 好
– 谱线宽度<几个nm
• 方向性 强
– <几个毫弧度立体角
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激光的单位
• 1 joule = 0.24 calorie • watt = joule ／second • Power = energy ／ second
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波长的单位
The metric system—meter is the basic unit
• milli = one thousandth (10-3) • micro = one millionth (10-6) • nano = one billionth (10-9)
亮度- 单位面积单位立体角内传出去的功率
• 发光在输出端面,发光面积小 • 方向性好,即发散角小 • 发光时间短,Q-开关技术为ns级,锁模技术为ps和fs级
强度-被照射表面激光的强弱
• 可以用透镜来增大
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激光的相干性
• 激光是同相位的光,光的相位间有一定的 规律性
• 相干的程度叫做相干性
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激光器的基本结构
• Ｑ－代表激光器共振腔的品质因子. Ｑ值越高,表示共振腔的损耗越小.
• Q开关是插入共振腔的一个开关器件.当 工作物质正被泵浦时,Q开关处于关断状 态,亚稳态聚积的粒子越来越多,直到聚积 到很高时,将Q开关打开,所有粒子一齐跃 迁到终态,产生一个巨大的光脉冲.
• 脉宽 “1—100ns”
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什么是锁模？
激光基础知识
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主要内容
• 什么是激光? • 激光的发明和产生 • 激光的物理特性 • 激光器的基本结构和分类 • 激光的生物学特性
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光谱图
Excimer
KTP
Holmium
Nd:YAG Er:YAG
190 - 390 488 - 514
532 577-630
694 755 1064 2100 2940 10600
泵浦源
• • • 全反射镜
•
激光工作物质
谐振腔
半反射镜
激光
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激光器的结构
谐振腔
激光介质
激光
全反镜
泵浦源
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半反镜
激光的分类
按激光介质分类：
– 固体激光(Ho:YAG, Nd:YAG, Er:YAG, Alexandrite) – 半导体泵浦固体激光(泵浦源为LD)
– 气体激光(Ar+,Kr+,CO2,ExcimerLaser,He-Ne) – 液体激光(染料激光) – 半导体激光(LD，Laser Diode)
• 亮度 极高
– 高出太阳7-14个量 级
• 相干性 好
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激光的单色性
激光的发光机制和 谐振腔结构
1. 粒子数反转 2. 只有特定波长满足干涉
加强条件,形成有效振荡
气体最好,固体次之, 半导体激光器最差
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激光的方向性
• 激光与激发它的光波方向相同 • 谐振腔只准沿轴向传播的光振荡
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激光的高亮度和强度