激光理论
激光产生的原理
二、激光产生的三要素 从图上可以看出，凡非腔轴方向的自发辐射，尽管它也可以诱 发激发态上的粒子产生光放大，但因介质体积有限，腔侧面又 是敞开的，终将逸出腔外。所以，产生激光的作用不大。唯独 沿腔轴方向的自发辐射才起作用。每当它碰到镜面时，便被反 射沿原路折回，又重新通过介质不断诱发激发态上的粒子产生 受激辐射光放大。由于受激辐射光在腔镜间往返运行，介质被 反复利用，腔轴方向受激辐射光就越来越强。其中一部分从部 分反射镜端射出，这就是激光；
量级，而高功率钕[nǚ]玻璃激光则比太阳亮16个数量级。 2、方向性好
激光的方向性很好，它能传播很远距离而扩散面积很小， 接近于理想的平行光 3、单色性好
激光为单色光，它的发光光谱宽度，比氪灯的光谱宽度窄 几个数量级。
20
二、激光的特点 正是由于激光的上述三个特殊优点，人们把它用于焊接之
中，聚焦后在焦点上的功率密度可高达106～1012W/cm2，比寻 常的焊接 热源高几个数量级，成为一种十分理想的焊接热源。
2
一、激光产生的基本理论
跃迁。发出或吸收的光的频率满足普朗克公式（hv=E2-E1，h为 普朗克常数6.626×10-34J·s，v为光的频率，E2和E1分别为高 能级和低能级的能量）。
2、自发辐射、受激吸收和受激辐射 由于物质有趋于最低能量的本能，处于高能级E2上的
原子总是要自发跃迁到低能级E1上去，如果跃迁中发出光子， 这个过程称为自发辐射。处于低能级E1上的原子，吸收外来 能量后跃迁到E2上，则称之为受激吸收。
21
Байду номын сангаас
思考与练习
1、激光产生的三要素是什么？ 2、受激辐射过程中外来光子的频率应满足什么关系式？ 3、受激辐射和自发辐射有本质的区别？ 4、激光器的激励源——光泵作用是什么？ 5、是不是任何物质都可以作为激光的工作物质？只有具备什么
激光原理
激光原理LASER （light amplification by stimulated emission of radiation ）受激发射光放大，源于爱因斯坦在量子理论的基础上提出的一个概念：在物质与辐射场的相互作用中。
构成物质的原子或者是分子可以再光子的激励之下产生光子的受激发射或吸收。
根据这个理论，如果能使构成物质的粒子状态的状态离开波尔兹慢热平衡，实现所谓的粒子数反转；那么就可以利用这种状态的物质对光进行放大。
与此同时，物理学家同时证明：受激发射的光子和激励光子具有相同的性质——方向、频率、相位、偏振。
在此基础上，后来的科学家设想能够利用能够利用这样的性质产生单色性较好的光源。
在上个世纪50年代的时候，电子和微波技术的发展产生了将电磁波谱向光频拓展的需求。
这样，一批勇于探索和创新的科学家，提出了一系列的理论来实现这种极为纯的光源：美国的汤斯（Charles H. Towns ）前苏联的科学家巴索夫和普罗霍洛夫创造性的继承和发展爱因斯坦的理论，提出了利用原子分子的受激发射光放大来放大电磁波。
1958年汤斯和他的合作者肖洛产生了利用远超过光波长度的光学谐振腔来实现这种放大。
1960年7月美国的梅曼演示了第一台红宝石激光器。
这种光具有完全不同于普通光的性质：单色性、方向性、相干性。
激光的物理原理受激辐射：在普朗克与1900年用量子化假设成功解释了黑体辐射分布，以及波尔在1913年提出原子中电子的运动状态量化的假设基础上，爱因斯坦从两字的概念出发，重新的推到了普朗克公式，提出了两个极为重要的概念：受激辐射和自发辐射。
我们知道在物质的原子中存在着分离的能级，在一个热平衡态全同粒子系统中，处于各个能级的粒子数是按照一定规律分布的——波尔兹慢分布。
T k E E b e n n )21(12--=（N1、n2分别是处于E2E1能级上的粒子数)一般来说，处于高能级的粒子数要少于低能级。
在一个热平衡系统中，粒子并不是一种静态的平衡，而是在不断地运动着的。
激光的理论基础讲解
激光的理论基础直到二十世纪初，人们才在实验的基础上揭开了原子结构的奥秘。
原子结构像是一个小小的太阳系，中间是原子核，电子围绕原子核不停地旋转，同时也不停地自转。
原子核集中了原子的绝大部分质量，但却只占有很小的空间。
原子核带正电，电子带负电，一般原子核与电子所携带的正负电荷数量相等，因此对外呈中性。
电子绕核旋转具有一定的动能，同时负电荷的电子与正电荷的原子核之间存在着一定的位能。
所有电子的动能与位能之和就是整个原直到二十世纪初，人们才在实验的基础上揭开了原子结构的奥秘。
原子结构像是一个小小的太阳系，中间是原子核，电子围绕原子核不停地旋转，同时也不停地自转。
原子核集中了原子的绝大部分质量，但却只占有很小的空间。
原子核带正电，电子带负电，一般原子核与电子所携带的正负电荷数量相等，因此对外呈中性。
电子绕核旋转具有一定的动能，同时负电荷的电子与正电荷的原子核之间存在着一定的位能。
所有电子的动能与位能之和就是整个原子的能量，称为原子的内能。
这种原子模型是1911年由英国科学家卢瑟福提出的。
紧接着，1913年，丹麦物理学家玻尔提出了原子只能处于由不连续能级表征的一系列状态——定态上，这与宏观世界中的情况大不相同。
人造卫星绕地球旋转时，可以位于任意的轨道上，也就是说可具有任意的连续变化的能量。
而电子在绕核运动时，却只能处于某些特定的轨道上。
从而原子的内能不能连续的改变，而是一级一级分开的，这样的级就称为原子的能级。
不同的原子具有不同的能级结构。
一个原子中最低的能级称为基态，其余的称为高能态，或激发态。
原子从高能态E2过渡到低能态E1时，会向外发射某个频率为ν的辐射，满足普朗克公式：hv = E1 - E2式中h为普朗克常数。
反之，该原子吸收频率为ν的辐射时，就会从低能态E1过渡到高能态E2。
爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表《关于辐射的量子理论》。
文章提出了激光辐射理论，而这正是激光理论的核心基础。
因此爱因斯坦被认为是激光理论之父。
激光传输的基本理论
1． 稳态传输
稳态传输中包络不含时间， E(x, y, z, t ) = A(x, y, z)e i ( β 0 z −ω 0t ) ，同时方程(8)中的积 分可以简化：
i ∓ ≺ 4
其中 β 0 =
n 0ω 0 。 c
∂A ∂2 A + 2iβ 0 + ∇2 ⊥A = 0 2 ∂z ∂z
(10)
E(x, y, z, t ) = A(x, y, z, t )e i ( β 0 z −ω 0t ) 表示震荡的场， 但不是任何情况都能简单地用复
函数代替实函数。(i)实际的物理量，如 E 应该是实数。(ii)用复数量代表是实数 量时，复数量的实部等于实数量。(iii)存在非线性项时，一般不能这样做，而 是要用下列表达形式： E = Re Ae i ( β 0 z −ω 0t ) =
[
] [Ae
1 2
i ( β 0 z −ω 0t )
+ c.c. 。(iv)对极端的超
]
短脉冲问题，须使用 CAS 信号，其虚部的选取是唯一的。 概念：<准单色场>：对准单色情况，我们可以把场用复数函数表示
E(x, y, z, t ) = A(x, y, z, t )e i ( β 0 z −ω 0t ) ，这对简化方程和数学运算都带来很大方便。这
激光传输的基本理论
胡巍
本文将简要介绍激光传输的傍轴传输理论，分为线性介质传输、非线性传输 等二部分，包括了 Wave equation、Helmholtz Equation、Paraxial Equation 以及 Gauss 光束等的传输。
第一部分 线性介质中的激光传输 §1 Wave Equation
i
∓
激光美容基本理论
一个理想的激光波长要符合以下3个点： 1、与靶色基的吸收峰尽可能匹配 2、来自其他色基的竞争性吸收尽可能要少 3、有足够的穿透深度
治疗色素增生性皮肤病的调Q红宝石激光（波长694nm）比较好地符合了 上述几点。在这一波长下来自氧合血红蛋白的竞争性吸收就很少，而 该波长既能较好地成为成熟黑素小体吸收，又有一定的穿透深度。
前者是指 光子被吸收后激活了生物分子，被激活的生物分子与周围 其他分子不断碰撞并使其获得振动能和转动能； 后者是指 偶极分子（主要是水分子）吸收了红外光光子后，光能直接 转化为该分子的振动能和转动能。这两种方式均可导致皮肤组织温度 升高，热效应产生。
（2）热弥散： 热效应产生的同时，热弥散即已经开始。通过
A
58
• 黑色素：显微爆破 • 血管内皮：凝固坏死/变性 • 毛囊组织：凝固性坏死/变性 • 胶原组织与纤维母细胞：皮肤年轻化
A
59
长、短波长所携带相同的光能量时 • 短波长、高频率、高能量 • 长波长、低频率、低能量 • 短波穿透较浅、长波穿透较深（在一定范
围内） • 短波光子携带的能量高，治疗较强烈 • 长波光子携带的能量高，治疗较强烈
20世纪90年代进入——脉冲激光年代（美容激光）
A
9
光盘存储器原理—激光刻蚀与读出
A
10
激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）
A
11
激光控制核聚变
A
12
天文台（激光导航星）
来自纳层 的反射光 （高度约 100km)
最大高度 约35km
来自空气 分子的 Rayleigh光
A
13
激光测距与激光雷达
激光原理公式推导过程
激光原理公式推导过程
激光（Laser）是一种通过受激辐射过程产生的高度聚焦、高度单色、相干性很好的光束。
以下是激光原理公式推导的基本过程：
1.基于电磁辐射的波动理论，我们知道光是由电磁波构成
的。
光的电场和磁场分别可以表示为 E(x, t) 和 B(x,
t)。
其中，x 表示空间坐标，t 表示时间。
2.在激光器中，激发介质中的原子或分子受到外部能量激
发，从低能级跃迁到高能级。
当它们返回到低能级时，会发
射光子，产生光辐射。
3.在激光器中，激发介质被放置在一个光学谐振腔内。
谐
振腔由两个反射镜组成，一个是部分透射和部分反射的输出
镜，另一个是完全反射的输入镜。
4.光在谐振腔中来回反射，并与受激辐射的光增强相互作
用，形成光的累积放大。
5.根据电磁波的传播方程和光的谐振腔条件，可以推导出
激光增益公式，表示光的增益与激发介质的性质、激光器结
构以及光的频率等因素之间的关系。
6.具体的激光器类型（如气体激光器、固体激光器、半导
体激光器等）会涉及到不同的物理过程和公式推导。
需要注意的是，激光原理涉及到较为复杂的光学和电磁学理论。
不同类型的激光器具有不同的原理和公式推导过程。
具体的推导需要依赖于相关的物理方程和数学方法，并超出了本文档的范围。
如果你对特定类型的激光器原理有更具体的兴趣，请参考相关的物理学和光学学术文献。
激光的理论基础
激光的理论基础
激光是一种特殊的光，按其特征可以分为多个类别。
它具有相同频率和向量方向的电
磁辐射，可以把复杂的电场双极转换为光场双极，其振荡频率在可视光到红外光之间，占
据辐射场中的特定频率范围，而光束具有较高的能量强度和一致性。
激光技术，是根据半
导体激光器的发展，此技术可以主要应用于可视光投射、仪器仪表、打印机以及生物医学
等领域。
激光的理论基础是光学和量子电动力学。
归纳起来概括可有四个基本要素：一是光调
制系统，将复杂的电场双极转换为光场双极，例如准直镜的一种折射或反射；二是能量放
大系统，由多个放大管或激光晶体组成，以把中微量的能量大量地放大输出；三是光学系统，由反射镜、透镜等元件组成，调整激光束的方向；四是量子电动力学，研究电态到光
态的转换，形成基本的激光源。
因此，各种光学和量子电动力学的理论与实验及各种光学
器件的应用，是激光的理论基础。
同时，激光有多个理论模型，基本上可以分为非平衡模型、直接激发模型、激光器模型、激光共振腔模型及衍射激光模型五种。
其中，非平衡模型和激光器模型是最常用的理
论模型。
它们分别涉及物理系统非平衡状态和物理激光器两个大的研究问题。
激光的理论基础，即模型理论基础和实验理论基础。
模型理论基础是指上述激光的理
论模型，实验理论基础是指实验研究、探讨激光的特性及其现象的理论基础。
结合上述理
论和实验，可以剖析激光的特性和表现，从而更有效地发挥激光的性能，应用到实践中去。
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
- 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)。
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。