激光原理技术基本知识介绍
激光原理 知识点
激光原理知识点
激光原理的知识点包括:
1.黑体和黑体辐射:黑体是一种理想化的辐射体，黑体辐射是描述黑体发出的辐射规律的理论。
2.自发辐射、受激辐射和受激吸收:这是激光产生的基本过程。
即自发辐射产生光子，受激辐射放大光子，受激吸收则吸收光子。
3.光腔理论:涉及到光腔的稳定性条件、共轴球面腔的稳定性条件、开腔模式的物理概念和行射理论分析方法、高斯光東的基本性质及特征参数等。
4.电磁场和物质的共振相互作用:描述了光和物质相互作用的经典理论。
以及谱线加宽和线型函数等概念。
5.激光振落特性:涉及到激光的特性，如相干性好、方向性好、单色性好、亮度高，这些特性可以归结为激光具有很高的光子简并度。
6.光子简并度:是描述激光光子相干性的物理量。
7.光的多普勒效应:描述了光波在运动中由于光源和观察者的相对运动而产性频率变化的现象。
8.均匀增宽与非均匀增宽:描述了光谱线增宽的两种类型，均匀增宽通常是由于原子或分子的自然热运动引起的，而非均匀增宽则通常是由于原子或分子之间的碰撞弓|起的。
9.自然增宽和多普勒堵宽:自然增宽是由于原子或分子自旋的统计分布引起的，多普勒增宽是由于原子或分子的热运动引起的。
以上只是简单的列举，实际上激光原理所涵盖的知识点还有很多，需
要系统学习和实践。
制表：审核：批准：。
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。
激光基本原理
激光基本原理激光，全称为“光学激发的辐射”，是一种特殊的光，具有高度的单色性、方向性和相干性。
激光的产生是通过激发原子、分子或固体物质，使其处于激发态，然后通过受激辐射的过程来放大光。
激光在现代科学技术中有着广泛的应用，例如在通信、医疗、加工制造等领域都有重要的作用。
激光的基本原理是光的放大过程，下面将从激光的产生、放大和输出三个方面来介绍激光的基本原理。
首先，激光的产生是通过激发原子、分子或固体物质，使其处于激发态。
这一过程通常需要一个外部的能量源来提供激发能，例如光、电、化学能等。
当原子、分子或固体物质受到激发能的作用后，其内部的电子会跃迁到一个较高的能级，形成激发态。
在激发态的原子、分子或固体物质中，存在着富余的能量，这些能量会在受到外部作用或自发辐射的作用下释放出来，形成光子。
这些光子具有相同的频率、相位和方向，从而形成了激光。
其次，激光的放大是指通过受激辐射的过程来放大光。
在激光器中，激发态的原子、分子或固体物质会受到外部光或电的作用，从而导致受激辐射的发生。
这些受激辐射的光子会与激发态的原子、分子或固体物质发生相互作用，使其释放出更多的光子。
这样一来，原本只有少量光子的激光就会被放大成为强大的光束。
激光的放大过程通常需要一个光学共振腔来实现，通过在共振腔中来回反射，使得光子不断地受到激发和放大，最终形成一束强大的激光。
最后，激光的输出是指将放大后的激光从激光器中输出出来。
在激光器中，通常会设置一个输出镜和一个半透镜。
激光在共振腔内不断地反射和放大，当达到一定的能量密度时，部分激光会透过半透镜输出出来，形成激光束。
而另一部分激光则会被输出镜反射回共振腔内，继续放大。
通过调节半透镜和输出镜的位置和角度，可以控制激光的输出功率和方向，从而满足不同的应用需求。
总的来说，激光的基本原理是通过激发原子、分子或固体物质，使其处于激发态，然后通过受激辐射的过程来放大光，最终形成一束强大的激光。
激光的产生、放大和输出是一个连续的过程，需要精密的光学装置和精密的控制系统来实现。
激光工作原理
激光工作原理激光（Laser）是指一种具有高单色性、高亮度的光，其产生的过程是通过激发原子、分子或固体晶体中的电子能级跃迁而实现的。
激光在现代科技应用中具有广泛的用途，例如激光切割、激光雕刻、激光治疗等。
本文将为您详细介绍激光工作的基本原理。
一、激光的产生过程激光的产生过程主要包括三个步骤：激发、增强和产生。
1. 激发阶段：在激光器中，通过能量输入（如电能、光能等）使得介质处于激发态。
能量的输入可以通过电磁场激发，或者通过光束与物质相互作用实现。
激发态能级的能量高于基态，电子处于非稳定状态。
2. 增强阶段：在激发态的电子中，由于受到外部的刺激，电子会跃迁到更高的激发态。
这些电子在激发态之间的跃迁中释放出更多的能量，从而形成了一种能量逐渐积累的过程。
这个阶段又被称为能量积累阶段。
3. 产生阶段：当能量积累达到一定程度时，激发态的电子跃迁到基态会产生一束特定波长的光子。
这个光子与入射的光子频率或介质中的其他光子频率相同，达到了相干和放大的效果，从而形成了激光。
二、激光的基本原理激光的产生基于基本的量子物理原理，主要包括受激辐射、光学谐振腔和增益介质。
1. 受激辐射：受激辐射是激光产生的基本物理现象。
当一个激发态的原子或分子遇到一个与自身激发态频率相同的光子时，会从高能级跃迁到低能级，并产生与原始光子具有相同频率和相位的新光子。
2. 光学谐振腔：光学谐振腔是激光器中的重要组成部分，用于放大和反射光。
光学谐振腔包括两个镜片，一个是激光输出镜，另一个是高反射镜。
激光光线在两个镜片之间多次反射并逐渐增强。
当增强光线达到一定强度时，激光输出镜会允许一部分光线通过，形成激光束的输出。
3. 增益介质：增益介质是能够提供激光放大过程所需能量的物质。
常见的增益介质包括激光二极管、气体（如二氧化碳）、固体（如Nd:YAG晶体）和液体等。
在这些介质中，通过激发能级跃迁和相应的补偿机制，能量得以积累并产生激光。
三、激光的特性激光具有一些独特的特性，使其在科学研究和工程应用中得到广泛应用。
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。
激光原理与技术
激光原理与技术
激光，全称为“光电子激射”，是一种具有高度相干性、高能量密度和直线传播特性的光。
激光技术作为一种重要的现代科技应用，已经在医疗、通信、制造、军事等领域得到广泛应用。
本文将从激光的原理和技术两个方面来进行介绍。
激光的原理主要基于激光器的工作原理，激光器是产生激光的装置。
常见的激光器有气体激光器、固体激光器、半导体激光器等。
激光器的工作原理是利用受激辐射将外界能量转化为光能，然后通过光放大器放大，最终形成激光。
其中，受激辐射是指原子或分子受到外界光的作用，从基态跃迁到激发态，然后在受到外界光的作用下，从激发态跃迁回基态并释放出光子。
这一过程是激光产生的基础。
激光技术主要包括激光加工、激光医学、激光通信等多个方面。
激光加工是指利用激光对材料进行切割、焊接、打孔等加工过程。
激光医学则是利用激光技术进行医疗治疗，如激光手术、激光美容等。
激光通信则是利用激光进行通信传输，具有传输速度快、信息容量大等优点。
除此之外，激光雷达、激光测距、激光制导等技术也在军事领域得到了广泛应用。
总的来说，激光技术作为一种重要的现代科技，已经在各个领域得到了广泛应用。
随着科技的不断进步，相信激光技术在未来会有更加广阔的发展空间，为人类社会带来更多的便利和进步。
14激光的基本知识
因此可见，形成粒子数反转是产生激光或激光放大的 必要条件，为了形成粒子数反转，须要对发光物质输入能 量，我们称之一过程为激励、抽运或者泵浦。
二、激光器构造
➢激光工作物质 ➢泵浦源 ➢光学谐振腔
（一）激光工作物质 激活粒子：为了形成稳定的激光，首先必须要有能够形成 粒子数反转的发光粒子。激活粒子可以是分子、原子或离 子 基质：这些激活粒子有些可以独立存在，有些则必须依附 于某些材料中。为了激活粒子提供寄存场所的材料成为基 质，它们可以是固体或液体。
受激辐射产生的光子是相干的。常温条件或对发光物 质无激发的情况下，发光粒子处于下能级E1的粒子数密度 n1大于处于上能级E2的粒子数密度n2。此时当有频率等于 ν=（E2-E1）/h的一束光通过发光物质时，受激吸收将大 于受激辐射，故光强减弱。
粒子数反转：如果采取诸如用光照、放电等方法从外界不 断地向发光物质输入能量，把出入下能级的发光粒子激发 到上能级上去，便可以使上能级E2的粒子数密度超过下能 级E1的粒子数密度，我们称这种状态为粒子数反转。 激光放大器的基本原理：只要使发光物质处在粒子数反转 的状态，受激辐射就会大于受激吸收。当频率为ν的光束 通过发光物质，光强就会得到放大。这便是激光放大器的 基本原理。 激光振荡器或简称激光器的基本原理：即便没有入射光， 只要发光物质中有一个频率合适的光存在，便可象连锁反 应一样，迅速产生大量相同的光子，形成激光。这就是激 光振荡器或简称激光器的基本原理。
到达E3能级，就很容易实现粒子数反转，经受激辐射后到 达E2的粒子可迅速通过非受激辐射跃迁回到基态E1。例如 气体激光器中的氩离子激光器的激活粒子——氩离子就属
于此类能级系统。
（二）四能级系统 下图画出两种四能级系统的示意图。
（a）图：E1是基态；E4能级寿命很短，抽运的激活粒子 立即通过非பைடு நூலகம்射跃迁的方式到达E3能级；E3能级的寿命 比E4长为亚稳态，作激光的上能级；E2能级寿命很短，热 平衡是基本上是空的，作为激光下能级用，E2能级上的 粒子主要也是通过非辐射跃迁回到基态。
激光原理知识点总结
激光原理知识点总结激光的产生原理激光是一种与常规光具有本质不同的光。
它是通过一种叫做“受激辐射”的过程产生的，这是量子力学的一种结果。
激光的产生原理主要涉及三个主要过程：光的激发、光的放大和光的辐射。
首先是光的激发。
激光的产生需要通过能量输入来激发原子或分子的能级。
当外界能量激发物质的能级时，原子或分子的电子会从低能级跃迁到高能级，形成“受激辐射”所需的激发态。
然后是光的放大。
在受激辐射的过程中，当一个光子与处于激发态的原子或分子碰撞时，它会与其相互作用，导致后者释放出另一个同频率、同相位和同偏振的光子，并回到低能级。
这个新的光子与已有的光子具有相同的频率、相位和偏振，因此它们会在相互作用的同时相互放大，形成一支激光光束。
最后是光的辐射。
当受激辐射的过程一直不断地发生时，光子会在光学共振腔中来回反射，产生一支具有高度相干性、高亮度和高直线度的激光光束。
这种光具有很强的聚焦能力和穿透能力，因此在很多领域有着广泛的应用价值。
激光的特点激光具有以下几个主要特点：1.高度相干性。
激光光束的波长一致、频率一致、相位一致，因此具有很高的相干性。
这使得激光在干涉、衍射和频谱分析等方面具有很大的优势。
2.高亮度。
激光的辐射强度非常集中，因此具有很高的亮度。
这使得激光可用于制备高清晰度的成像系统和高精度的测量装置。
3.高直线度。
激光的传播路径非常直线，几乎不具有散射，因此具有很高的直线度。
这使得激光在通信、激光雷达和光刻等领域有着广泛的应用。
激光器件的工作原理和应用激光器件是产生激光光束的重要设备，其工作原理一般基于受激辐射过程。
目前常用的激光器件主要包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器和光纤激光器。
气体激光器是将气体放电或者由光泵浦的气体装置转变成激光的光源。
其中最著名的就是氦氖激光器。
使用稳态直流电源或者交变电源将氦气充入放电管，并保持一定的氦气气压。
然后用电子束或者泵浦光源来使得氦原子激发至高能级，然后在碰撞的作用下通过受激辐射作用形成激光光束。
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光盘存储器原理—激光刻蚀与读出
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偏振光显微镜
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激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）
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激光控制核聚变
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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
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激光测距与激光雷达
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激光切割
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长度测量
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光子的动量
h m 2 2 h mc2 c c
h h 2p h h P mcn0 n0 n0 n0 k c l 2p l 2p
光的能量就是所有光子能量的总和。当光与物质(原子、分 子)交换能量时，光子只能整个地被原子吸收或发射。
基本知识介绍
普通光源是光的自发辐射。
特点：多波长、任意方向、 不相干。
普通光源向四面八方辐射, 光线分散到4p球面度的立体 角内.
1
激光
激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （Laser）。 激光是光的受激辐射。
激光的特点：单色性好,方 向性好；相干性好；亮度高.
T
c l0 在真空中 各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同 l c υ υ l (l 0 )
27
单色平面波
(1) 平面波
波阵面或等相位面：光波相位相同的空间各点所连成的面
平面波：波阵面是平面 实际生活中无穷远处传来的光，透镜前焦点上光源通过透 镜形成的光束可以看成平面波 (2) 单色平面波：具有单一频率的平面波 准单色波：实际上不存在完全单色的光波，总有一定的 频率宽度，如 称为准单色波。
31
梅曼在7月7日正式演示了世 界第一台红宝石固态激光器；
他在Nature(8月16日)发表了 一个简短的通知。
Maiman
9
激光技术发展简史之一
Maiman的第一台激光器
10
中国第一术发展简史之二
各种激光器的开发:
工作物质：固体，气体，染料，化学，离子，原 子，半导体，X射线 输出功率：大功率，低功率
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单色平面波
理想的单色平面波
单色平面波的表示---行波方程
z 2p t 2p z U U 0 cos t U 0 cos l c T
单色平面波的复数表示
U U 0 exp i t kz U exp(it )
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光的波粒二象性
光波是横波，有偏振方向，激光本质上讲是偏振光---偏振 方向有时随时间变化
y Ey E (1)线偏振光 Ex x (2)自然光 传播方向 z
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光速、频率和波长三者的关系
(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。
(2)光速 c 2.998 108 m / s 3108 m / s (3)频率：光矢量每秒钟振动的次数 1 (4)三者的关系
生物和医学应用
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激光技术涉及的学科
物理（光学） 精密加工（光学谐振腔的制作） 光学加工（光学镀膜、光学装调） 电子技术（激光电源、控制电路） 应用技术基础（数学方法、误差理论）
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光学基本概念
波动性：传播过程 具有频率、波长、偏振 粒子性：光与物质相互作用 具有能量、动量、运动质量
光波是电磁波 振动的电场； 振动的磁场 l 光与大多数探测器作用时，主要是电矢量起作用，故把电 矢量称作光矢量
工作方式：短脉冲，脉冲，超短脉冲，连续 输出稳定性：稳频率，稳功率，稳方向
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我国激光器研究情况
激光器的第一台 红宝石激光器（我国第一台) He-Ne激光器 掺钕玻璃激光器 GaAs同质结半导体激光器 CO2分子激光器 研制成功时间 1961年11月 1963年7月 1963年6月 1963年12月 1965年9月 研 制 人 邓锡铭、 王之江 邓锡铭等 干福熹 王守武 王润文等
13
激光技术发展简史之三
激光应用技术
信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算， 光隔离器 检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维 形状 激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型 医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼 科手术，激光血照仪，视光学测量 科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激光光 谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过 程等等
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球面波
波阵面为一系列同心圆的波是球面波
球面简谐波方程：
U0 r U cos t r c
球面波的复数表示法：
U 0 i t kr U e r
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光子
在真空中一个光子的能量
h
式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J•s。
光子的具有运动质量
Prokhorov
Townes
7
激光技术发展简史之一
1958年Townes和 Schawlow抛弃了尺度必 须和波长可比拟的封闭 式谐振腔的老思路，提 出利用尺度远大于波长 的开放式光谐振腔实现 Laser的新想。 Schawlow
8
激光技术发展简史之一
美国休斯公司实验室一位从事 红宝石荧光研究的年轻人梅曼 在1960.5.16利用红宝石棒首 次观察到激光；
Einstein
5
激光技术发展简史之一
理论基础： R.C.Tolman指出： 具有粒子数反转的介 质具有光学增益（产 生激光的基本条件之 一）（1924）。
Tolman
6
激光技术发展简史之一
实验基础：
Prokhorov和 H.Townes分别 独立报导了第一 个微波受激辐射 放大器(Maser) （1953）
~ 复振幅 U : 代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在 ~ 空间的分布 U U 0 exp ikz
光强：单位时间内通过垂直于光传播方向单位面积的 光波能量。光强与光矢量大小的平方成正比，即 I U 2
2 U0 1 2 2 1 T 2 I T U dt 1 U 0 cos2 (t kz)dt T 2 T T 2 T 1
基本沿某一条直线传播,通 常发散角限制在10-6球面度 量级的立体角内.
2
激光
辐射跃迁： 受激吸收； 自发辐射； 受激辐射
3
激光
粒子数反转
激光原理就是要研究光 的受激辐射是如何在激 光器内产生并占主导地 位而抑制自发辐射！
4
激光技术发展简史之一
理论基础： 爱因斯坦的光子学说 (1905)； 波粒二象性(1909) 辐射理论(1917)：提出 了受激辐射的概念，预 测到光可以产生受激辐 射放大。