激光物理汇总
激光物理汇总
1. 不考虑原子在态上的衰减时，二能级系统态的运动方程为()()()()()()()()a b i a t a t E b t V t i b t b t E a t V t =+⎧⎪⎨=+⎪⎩ 式中()()exp[]a a t A t i t ω=-；()()exp[]b b t B t i t ω=-；/a a E ω=，/b b E ω=；0()cos V t DE t ω=-。
假设光场与二能级原子共振（共20分） （1） 推导旋波近似条件下的()A t 和()B t 所满足的方程（2） 假设初始条件为(0)1A =和(0)0B =，试利用迭代法求解旋波近似条件下()A t 和()B t 的一级近似解(1)()A t 和(1)()B t 以及三级近似解(3)()A t 和(3)()B t解：（1）将()A t 和()B t 的表达式代入两能级运动方程，约化得到00()exp[()]()exp[]()exp[()]()exp[]b a b a i A BV t i t BV t i t i B AV t i t AV t i t ωωωωωω⎧=--=-⎪⎨=--=⎪⎩ （1.1） 式中0b a ωωω=-。
由共振条件0ωω=，上式可简化为00000000(cos )exp[](1exp[2])2(cos )exp[](1exp[2])2DE i A B DE t i t B i t DE i B A DE t i t A i t ωωωωωω⎧=--=-+-⎪⎪⎨⎪=-=-+⎪⎩ （1.2） 旋波近似即忽略上式中的快变量，0exp[2]i t ω-和0exp[2]i t ω，即得到旋波近似条件下的()A t 和()B t 所满足的方程0022DE i A B gB DE i B A gA⎧=-=⎪⎪⎨⎪=-=⎪⎩ 其中02DE g =- （1.3）（2）假定级数解形式如下b0()0/b a ωεε=-(0)(1)(2)(3)(0)(1)(2)(3)A A A A A B B B B B ⎧=++++⎪⎨=++++⎪⎩ （1.4）由题可得，(0)(0)1;0A B ==。
大学物理激光课件讲义
受激辐射
发光前 发光后
。
受激辐射的光放 大示意图
表明 ，处于低能级的电子数大于高能级的电子数， 这种分布叫做粒子数的正常分布.
1 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布
二 激光原理
已知
叫做粒子数布居反转 , 简称粒子数反转或称布居反转.
1 自发辐射
原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级 自动跃迁到低能级 ，这种跃迁称为自发跃迁. 由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.
一 自发辐射 受激辐射
。
发光后
自发辐射
自发辐射
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2 光吸收
原子吸收外来光子能量 , 并从低能级 跃迁到高能级 , 且 , 这个过程称为光吸收.
2 单色性好
激光的单色性比普通光高 倍.
能量集中
END
相干性好 普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光 , 激光的发光过程是受激辐射, 它发出的光是相干光.
吸收后
。
吸收前
.
受激吸收
3 受激辐射
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
原子中处于高能级 的电子, 会在外来光子 (其频率恰好满足 ) 的诱发下向低能级 跃迁, 并发出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射.
红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石
。
。
全反射镜
半透射镜
红宝石棒
。
脉冲灯
红宝石激光示意图
。
01
02
03
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
04
激光器发展的主要方面
扩展了激光的波长范围.
激光的功率大大提高.
激光器能实现小型化.
激光原理知识点汇总201905
激光原理知识点汇总第一章电磁场和物质的共振相互作用1.相干光的光子描述，光的受激辐射基本概念1)1960年7月Maiman报道第一台红宝石固体激光器，波长694.3nm。
2)光的基本性质：能量ε=hνh: Planck常数，ν :光波频率运动质量m=ε/c2=hv/c2静止质量0动量knhnchnmcp=•===22λππν3)光子的相干性：在不同的空间点、不同时刻的光波场某些特性的相关性相干体积相干面积，相干长度，相干时间光源单色性越好，相干时间越长：相格空间体积以及一个光波摸或光子态占有的空间体积度等于相干体积属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的4)黑体辐射的planck公式在温度T的热平衡下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量1-=kThehEνν腔内单位体积、单位频率间隔内的光波摸式数338chnνπν=Planck公式：11833-==kThechνννπρ单色能量密度，k：Boltzmann常数Bohr定则：νhEE=-125)光的受激放大a.普通光源在红外和可见光波段是非相干光，黑体是相干光黑体辐射的简并度KTnmnmKTnmKTncmKTkThhEn50000,1,110,6.0,3001,60,30010,30,3001)exp(1353=≈=≈==≈==≈==→-==-μλμλμλλννb.让特定、少数模式震荡，获得高的光子简并度21212121338AWABchn===ννρνπρ6)光的自激振荡a.自激振荡概念分数单位距离光强衰减的百自损耗系数)(1)(zIdzzdI-=αdzzIIgzdI)(])([)(..α-=考虑增益和损耗])ex p[()(0zgIzIα-=αααsmsmIgIIIgIg)(1)(0-=→=+=光腔作用: (1)模式选择; (2）提供轴向光波摸的反馈；b.震荡条件等于号是阈值振荡ααα≥→≥-=000)(gIgI sm是工作物质长度llgL...........0δδα≥→=lg0单程小信号增益因子7)激光的特性：单色性、相干性、方向性、高亮性。
激光基本功——激光物理学
激光基本功——激光物理学激光作为现代科技中的重要一环，在医疗、制造、通信等多个领域都有广泛应用。
激光的发明和发展一直以来都离不开对其物理原理的深入研究。
本文将介绍激光的基本物理原理、激光的特性以及激光在现代科技中的应用。
一、激光的物理原理激光的物理原理是基于被激辐射的原理产生的，即原子（或分子）受到电磁波的激励后，会发生一个电子跃迁的过程，从而放出一束能量与入射光同相且具有高度相干性的光束。
相比于其他光源，激光可以产生高达数兆（10^6 千瓦）以上的功率，其光束也有非常强的指向性和集中性。
这些特性使得激光在科技、制造、医疗等领域中得到了广泛应用。
二、激光的特性1. 相干性相干性是指激光的光子之间存在定向关系，具有单色性和方向性。
由于只存在某一波长的光子，这使得激光光束的色散极小，能够高效地传输。
2. 指向性激光光束的指向性非常强，即将几乎所有的光能量都聚集在光束中心。
这是因为激光光束的裸眼可见性很低，但可以通过特殊的仪器来观察和控制。
3. 谐振腔激光的发射需要通过谐振腔。
谐振腔是由两个镜子组成的，分别为反射镜和输出镜，通过使光在两个镜子之间反复反射，形成谐振振荡，从而产生激光束。
4. 发射频率激光的频率非常高，一般在数百万到数千亿赫茨之间，因此激光能够产生极高的分辨率。
三、激光在科技中的应用1. 制造业激光在制造工业中得到广泛应用。
激光能够在非常精细和狭窄的地方进行切割、焊接和打孔等高度精密的加工操作。
比如，激光切割在金属加工、皮革和木材加工等应用领域具有广泛的应用。
2. 医疗激光技术在医疗领域中也得到了广泛的应用，如激光治疗癌症、激光近视手术等等。
由于激光光束的集中性和高精度，激光手术技术已经成为了一种安全而有效的方法。
3. 通信激光作为一种高度集中、高密度和高速度的信息传输介质，被广泛应用于通讯领域。
激光通信技术在未来有望替代传统的有线和无线通信方式，成为更快、更安全的传输方式。
总的来说，激光作为一种现代科技中的重要组成部分，对人类社会的发展做出了巨大贡献。
激光知识点归纳总结
激光知识点归纳总结一、激光的基本概念1. 激光的定义：激光是指一种纯准直性极好的光线，其光子是高度同步的单色光子。
2. 激光的产生：激光是由受激发射产生的，利用三能级或四能级的原子，分子或离子系统，通过外加能量使体系转移到激发态，再利用其辐射产生激光光子。
3. 激光的特性：激光具有单色性、准直性、明暗对比度高、相干性强等特点。
4. 激光的种类：激光可以分为气体激光器、固体激光器、液体激光器和半导体激光器等。
二、激光的基本原理1. 激光的受激辐射：当原子、分子或离子处于激发态时，通过外界刺激的辐射能引起它们从激发态向稳态跃迁，再发出与外界激发辐射相同特性的电磁波，即受激辐射。
2. 激光的稳态条件：产生激光需要满足稳态条件，即发射和吸收的粒子数要平衡，从而实现能量的持续放大和稳定输出。
3. 激光的放大作用：在激光器内，通过激发态原子、分子或离子吸收外界光子能量，使它们跃迁到更高激发态，从而放大光子，产生激光。
4. 激光的光学谐振腔：激光器内部常常设置光学谐振腔，用来反射和增强激光，从而实现激光的输出。
三、激光的应用领域1. 激光测距与测速：激光雷达通过测量反射光的飞行时间来实现测距，同时通过多普勒效应测速。
2. 激光材料加工：激光可用于金属切割、焊接、打孔等材料加工过程。
3. 激光医学应用：激光可用于眼科手术、皮肤治疗、激光治疗仪等医疗设备。
4. 激光通讯：激光可以传输更大带宽、更高速率的信息，用于通讯领域。
5. 激光导航：激光雷达可用于无人飞行器、自动驾驶汽车等导航系统。
6. 激光防御：激光武器可用于导弹防御、激光束武器等领域。
四、激光器的分类1. 气体激光器：以气体为工作物质的激光器，常见的包括二氧化碳激光器、氦氖激光器等。
2. 固体激光器：以固体为工作物质的激光器，常见的包括Nd:YAG激光器、激光二极管等。
3. 半导体激光器：以半导体为工作物质的激光器，可用于激光打印机、光纤通信等领域。
4. 液体激光器：以液体为工作物质的激光器，常见的包括染料激光器等。
激光的基础物理知识
激光的基础物理知识激光的基础物理知识激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。
下面是小编为大家整理的激光的基础物理知识，仅供参考，欢迎阅读。
1、介绍为了理解本书中其他内容，首先你必须要理解光的一些基础性质。
你如果能更全面理解激光仪发射出的神奇激光的特点，你就越能够制定出更好的治疗方案并获得更好的治疗效果。
接下来的内容包括演示激光加强细胞功能的体外实验，以及更多来自真实世界的数据和各种临床用途。
基于这些大量证据，人们制定出有关治疗剂量、功率设置、脉冲频率特点和治疗周期的基础建议。
这些建议必须很广泛，包含各种动物和疾病，但也是因为一些个案报道和高质量对照试验使用的参数不一致。
本章我的目标是进行一场非正式的讨论（而不是一场百科全书似的详述），指出哪些可以调整，解释其重要性，帮助你洞察它的临床应用。
2、为什么使用光？简单点说，我们使用光，因为它可以穿透身体，而一旦进入身体中，它会引起生理学改变。
一名8年级的学生可能不同意，因为他看不到手里面在发生什么，而当一束光照到他的胳膊上，他也不会开始长出另一只手。
然而，你不像小学生一样天真，你曾看到过X光如何帮你看到身体内部的结构。
还有你能看到这些字，因此你会同意（其实下意识的）你眼睛中的视锥细胞会吸收光线，引起化学反应产生电信号，影响你的感官，甚至你的情绪、行为和健康。
Yes，当你看到棒球朝你头飞来时，你肯定要躲避，这就是光改变了你的行为，带来有益效应。
然而，可见光并不能很好的穿透进我们的身体中，你的眼睛也看不到X射线。
那么，这些光和你在这本书里要阅读到光有什么区别？3、光的特点尽管光与机体有很多的相互作用，还有很多的应用，任何两种光本质上只有一个区别：波长。
为了理解这点，我们首先要知道光是什么——一种沿直线以恒定速度（光速）传播的波动的电场和磁场。
这就是为什么它的术语叫“电磁辐射”。
光全部特性更加复杂，本章中我们会详细讲解其中某些，但光本质上就是电磁辐射。
激光的物理原理及应用
激光的物理原理及应用一、激光的物理原理激光是一种特殊的光，具有高度的单色性、高度的定向性和高度的相干性。
它与普通光相比具有明显的差别，这些差别源于激光的物理原理。
1. 激发过程激光的产生是通过能传递电磁辐射的粒子或电磁波作用于物质的原子或分子上。
激光的产生主要是通过激发过程完成的，即外界能量的输入使原子或分子跃迁到一个能量较高的能级，然后返回到基态时产生辐射。
2. 反射和共振激光能产生高度的定向性和相干性，主要得益于激光的反射和共振效应。
在激光器中，光线被分别反射和放大，使得光线仅在特定方向上被放大，并且具有相同的频率和相位。
二、激光的应用激光作为一种特殊的光，具有各种各样的应用。
以下是一些常见的激光应用：1. 切割与焊接激光切割和焊接广泛应用于金属材料的加工领域。
激光切割通过高能量激光束将材料焦化和蒸发，从而实现高精度的材料切割。
激光焊接则利用高能量激光束将两个或多个材料的接触面加热到融化点，从而实现材料的连结。
2. 医疗美容激光在医疗美容领域有着广泛的应用。
激光可以用于皮肤去除、刺青去除、毛发去除等。
激光在医疗美容中的应用由于其高度的定向性和高度的单色性，可以精确地作用于皮肤组织，从而实现更精细的治疗效果。
3. 印刷与制图激光打印技术已经成为现代印刷行业的重要组成部分。
激光打印通过激光束照射感光鼓，使得鼓表面的电荷分布发生变化，从而实现对纸张的印刷。
激光打印具有高速、高精度和高分辨率的特点，在印刷行业中得到了广泛的应用。
4. 雷射测距激光测距是一种常见的测距技术，广泛应用于测绘、建筑和工程等领域。
激光测距利用激光束的光程差原理，通过发射激光束到目标并接收回波的时间差来计算目标距离。
5. 光纤通信激光在光纤通信中也起到了关键作用。
通过将光信号转换为脉冲激光信号，可以在光纤中传输远距离的信号。
激光的高度的定向性和相干性使得光信号能够在光纤中保持较小的损耗和失真。
结论激光的物理原理和应用非常广泛，不仅在科学研究中有重要地位，也在各个领域得到了广泛的应用。
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。
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在方程两边同乘以{sin(knz)}并对区间(0，L)积分，最后利用正交关系式，并将m改为n，同时定义：(Pn(t)为Pn(z，t)的空间傅立叶分量)
可得：
(1-1)
假设方程解为
(1-2)
式中，En(t)和φn(t)为时间t的慢变函数。
由于宏观电极化强度P是由电场E诱导产生的，在响应上会有滞后，不会是瞬时的。考虑到这一滞后效应，Pn(t)应写成如下的形式
4.激光半经典理论框架下使用了哪些近似？并分别加以论述
答：主要使用了下述近似，1）两能级近似；2）原子间没有相互作用；3）电偶极近似；4）旋波近似；5）缓变振幅近似；6）绝热近似。各个近似论述如下：
1）两能级近似。实际原子，分子等拥有许多的能级，在激光器理论中，只有与激光直接相关的上下能级才与光发生只要作用。泵浦作于与衰减作用，只要是提供初始条件，用光与两能级原子作用作为基本模型，即简捷又能反映问题的本质。
(1-3)
式中第一项分量与An(t)同位相，第二项与An(t)差π/2相位，Cn(t)仍与Sn(t)也是时间的慢变化函数。因此有
(1-4)
将唯象参量σ。用谐振腔第n个模的品质因数Qn来代替，令
(1-5)
将式(1-2)、(1-3)、(1-4)代入式(1-1)中，忽略等小量．并比较方程两端正弦项和余弦项的系数，可得
2）原子间没有相互作用。由于激活原子的密度比较低，忽略原子之间的直接作用，如偶极偶极相互作用，是较合理的近似。原子之间的碰撞作用归于原子的弛豫或衰减。当各个原子同时与同意光场耦合，原子间通过光场发生间接相互作用，一定条件下可发生原子的集体效应，但这并非原子间的直接作用。
3）电偶极近似。光与原子作用的电偶极近似，其实质是原子的大小远小于光波的波长，在原子的大小范围内，光场可近似为常数。考虑到原子坐标原子的光场 与矢量势 ，在计算光场与原子作用时，可提到积分号外，例如 。在研究光的吸收、自发辐射和受激辐射等问题时，电偶极近似是很好的近似，但处理多光子过程时可能出现问题，需用失势直接计算相互作用。
一级近似解为：
（1.8）
三级近似解为：
（1.9）
2. 设原子系统哈密顿量为： （其中 ），能级图如图所示。电磁场 ，原子偶极矩 为实数，Rabi频率为 。推导旋波近似条件下ห้องสมุดไป่ตู้Bloch方程，并阐述各方程物理意义。
解：系统的哈密顿量为
密度矩阵方程服从刘维方程
两能级密度矩阵方程为
其中 。唯相加入衰减之后，密度矩阵方程为
1.不考虑原子在态上的衰减时，二能级系统态的运动方程为
式中 ； ； ， ； 。假设光场与二能级原子共振（共20分）
（1）推导旋波近似条件下的 和 所满足的方程
（2）假设初始条件为 和 ，试利用迭代法求解旋波近似条件下 和 的一级近似解 和 以及三级近似解 和
解：（1）将 和 的表达式代入两能级运动方程，约化得到
令 ，上式可写为
旋波近似，忽略快速震荡项，则可简化为：（ ）
令下列一组矢量 ，同时 ， ，可得到
其中 对于介质极化强度的实部和虚部，分别表示单原子的色散，吸收。 表示反转粒子数大小。
3.推导Lamb方程，并阐述各方程所表示的物理意义。
解：先考虑腔长为L无源腔方程：
的解。用分离变效法可得其解。由于谐振腔的存在，只有沿z轴且同时满足驻波条件的光波才能在腔内形成稳定模式。λn是第n个纵模模式为
（1.1）
式中 。由共振条件 ，上式可简化为
（1.2）
旋波近似即忽略上式中的快变量， 和 ，即得到旋波近似条件下的 和 所满足的方程
其中 （1.3）
（2）假定级数解形式如下
（1.4）
由题可得， 。将微扰形式解代入式（1.3），可得
（1.5） （1.6） （1.7）
由方程（1.5）—（1.7）可得
； ；
4）旋波近似。在处理与二能级原子作用是，只考虑近共振项 ，而忽略远离共振的项 ，这里 分别表示光频率与原子的共振频率。旋波相当于只考虑光场与原子的矢量在相平面同向旋转的情况。
5）缓变振幅近似。假定光场与极化强度等可以分解为快变与慢变部分，其慢变量在一个光学周期内的变化可以忽略不计。通常用于约化Maxwell方程。
， ，
腔内电场应是所有模式场的叠加：
{sin (knz)}是区间(0，L)(即激光腔)内的正交函数集，它满足
对于腔长一定的激光器来说，本征函数集{sin(knz)}可作为已知量对待，因而求解电场E(z，t)主要是求解场随时间变化部分An(t)。An(t)满足一定的运动方程。将式(1-1)代入单向含极化介质的Maxwell方程
光脉冲面积定义
对于脉冲持续时间小于能级寿命和退相干时间时，光脉冲面积所遵守的运动方程
其中 ， 为圆频率多普勒线型函数。该式即为面积定理。
分析如下：1)对于原子初始处于下能级，并在弱信号条件下，，光脉冲在介质中传播光强满足规律为 ，这就是正常吸收的比尔定理， 即为介质的吸收系数。2)强脉冲而言，对于共振吸收介质，脉冲面积为 的整数倍时，脉冲在介质传输中为稳定脉冲；对于吸收介质，脉冲面积为 的奇数倍时，脉冲在介质中传输为稳定脉冲。3)数值计算表明，对于共振吸收介质，强脉冲将分裂为m个分离的稳定的面积为 的脉冲。
在上面两方程中，忽略较小项，同时，ω’n≈ωn，所以有
于是上面两方程变为
(1.6)
(1-7)
式(1-6)和式(1-7)就是激光振荡半经典理论中描述激光场的基本方程，称为激光电磁场方程，也称兰姆方程。其中第一个方程表示极化强度的同相位分量(即Cn(t))在使场的频率(有源腔频率)偏离非激活腔场的频率(无源腔振荡频率)中所起的作用，从而描述了频率牵引和排斥。第二个方程描写阻尼和激活介质对模的振幅的影响：如果极化强度的正交分量为零(即Sn(t)＝0)，则就像非激活介质损耗腔那样，振幅按指数规律衰减。所以含有极化强度的正交分量Sn(t)代表激活介质所起的增益，它克服腔的损耗，使振荡得以发生。
6）绝热近似。假定光场的弛豫时间较长，而原子的变量，如偶极矩，的弛豫时间短。这样，光场的慢变部分变化时，原子可以很快地及时地跟随光场的变化；反之，在原子的弛豫时间内，光场的慢变振幅可看成与时间无关的常数。
5.什么是光脉冲面积定理？并加以简要分析。同时阐述光脉冲面积定理与光脉冲能量有何区别？
答：光脉冲面积定理，它可描述入射光场强相对于时间的积分（光脉冲面积）在空间的演化情况。借助该定理，可以方便的讨论脉冲在吸收和放大介质中出现的某些现象，而无需知道布洛赫方程的详细解。