随堂作业激光原理
激光原理与应用
激光原理与应用激光（Laser），全称为"Light Amplification by Stimulated Emissionof Radiation"，即通过受激辐射放大的光，是一种具有高功率、高一致性和高直径干涉性的光束。
自从激光技术的发现以来，它在科学研究、医疗、工业、通信等众多领域内得到了广泛应用。
本文将探讨激光的原理以及其在不同领域的应用。
一、激光的原理激光的产生是基于一种与常规光产生机制截然不同的过程，即受激辐射。
激光器由放大介质、抽运源和光腔三部分组成。
放大介质可以是晶体、气体、液体等，当受到抽运源的电能或光能激发时，放大介质中的原子或分子被激发到高能级，随后通过受激辐射过程，被激发的原子返回低能级时放出辐射光子。
这些光子经过光腔的多次反射和增益介质的增益作用，最终形成一束高度聚焦的激光光束。
二、激光的应用2.1 科学研究激光在科学研究中起到了举足轻重的作用。
激光具有窄波长、高能量和高空间一致性的特点，可以用于原子与分子的光谱学研究、动力学研究以及表面等离子体等的生成与控制。
此外，激光在高能物理、量子光学等领域的应用研究也有重要意义。
2.2 医疗领域激光在医疗领域中有着广泛的应用。
例如，激光可以用于激光手术，包括近视矫正手术、白内障手术等常见眼科手术。
激光还可以用于皮肤病治疗，如激光美容、纹身去除等。
此外，激光在牙科治疗、癌症治疗等方面也得到了广泛应用。
2.3 工业制造激光在工业制造过程中有着重要的应用。
利用激光的高能量、高方向性和高一致性特点，可以进行材料切割、刻蚀和焊接等工艺。
比如在汽车制造中，激光焊接可以提高焊接质量和生产效率。
在电子产业中，激光刻蚀可以实现高精度的电路板制造。
2.4 通信领域激光在光纤通信中扮演着重要的角色。
激光器通过光纤传输信息信号，可以实现光纤传输信号的高速、大容量和低损耗。
长距离光纤通信网络和高速光纤宽带的实现离不开激光器的应用。
2.5 其他领域除了以上几个领域，激光在测距、光学雷达、光存储、激光打印等领域都有广泛应用。
激光原理绪论PPT课件
1963年建立了激光的半经典理论。 对激光的频率特性和功率特性进行了比较完 善的探讨。
1964年研制成了 氩离子（A+r）离子气体激光器 二氧化碳气体激光器 化学激光器（HF氟化氢） 掺钕的钇铝石榴石固体激光器
1965年实现了铌酸锂光学参量振荡器，借助 半经典理论预言了锁模效应的存在。
27
1966年研制成了固体锁模激光器,获得了超短脉冲 1970年研制成了准分子激光器 1977年研制成了红外波段的自由电子激光器 1984年研制出光孤子激光器
如今形形色色的激光器据统计，已有数百种之多
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该领域的有关诺贝尔奖
1964: Townes, Basov, Prokhorov, 微波激射器和激光器的发明
1981:哈佛大学的布隆姆贝根和斯坦福大学的肖洛 , 激光光谱学 1997: 朱隶文等三人, 激光冷却和陷俘原子
说明: 朱隶文系美籍华人, 1948年生于密苏里州,其父台湾中央研究
很久以前，有人幻想一种“死光武器”的出现。在 古希腊，阿基米德利用巨大的反光聚焦镜摧毁了入 侵者的兵舰，但那时的船还是由木头做的。
现代的激光让人们有可能实现古代的梦想，制造出 可以摧毁一切的激光武器。
美国现在全力研制的“星球大战”防卫体系，所依 赖的重要一环就是用激光束来击毁入侵的导弹。可 以设想，一枚载着核弹头的导弹在强激光的照射下 会迅速化为一阵烟雾消散在空中，这该是多么神奇 的事！
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在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法 和新技术（如腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、自 由电子振荡辐射等）纷纷提出并获得实施，其中不少 具有独创性。
1964年，我国第一所，也是当时世界上第一所激光技 术的专业研究所——中国科学院上海光学精密机械 研究所（简称“上海光机所”）成立
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。
深入了解激光原理与应用
深入了解激光原理与应用激光技术在当今社会中已经被广泛应用，包括激光打印机、激光治疗仪、激光切割机等等。
那么什么是激光呢？激光是一种以光束的形式向外发射的光线，主要由光电子装置引起。
与其他形式光线相比，激光具有高亮度、高清晰度、高一致性等特点。
在此基础上，本文将探讨激光的原理和应用。
一、激光的原理激光的产生是利用物质在能级上的吸收、自发辐射以及受外界能量激发等基本过程。
激光的产生遵循爱因斯坦布拉格公式，即ΔE = hν（其中，ΔE代表能量差，h为普朗克常数，ν为频率）。
当物质处于高能态时，通过吸收其它光子的能量，可以实现“人工引发”电子跃迁，并且随着电子跃迁的过程，能够释放出更多光子。
这一过程的最终结果就是能够产生一个大量准单色、准相干的高亮度激光束。
具体而言，激光的产生主要包括以下三个过程：1. 激励：通过吸收有源体外的能量来激发物质。
2. 放大：激励过后，物质内部发生电子跃迁，产生光的辐射并加以放大。
3. 输出：通过输出反射镜管控制多晶片，并汇聚为一束光线输出至控制器。
总而言之，激光产生的原理是物质在受能量刺激后发生电子跃迁并产生电磁辐射，最终实现光源的出射。
二、激光的应用随着技术的发展和进步，激光在各个领域迅速发展。
具体而言，激光的应用主要包括以下几个方面。
1. 激光打印：激光打印主要是通过激光将信息投射到电荷鼓上，然后通过转印技术完成印刷。
激光打印机具有速度快、易于操作、清晰度高等优点，广泛应用于文件打印、报纸出版、财务报表以及股票证劵交易等领域。
2. 医学应用：激光在医学领域的应用非常广泛，主要包括治疗、检测、生产等方面。
例如，激光治疗可以用于疤痕修复、眼科手术、皮肤美容等方面；激光检测可以用于血液、水质等方面；激光生产主要用于消毒、细胞修复等方面。
3. 材料加工：激光技术在材料加工方面的应用越来越广泛，可以加工不同类型的材料，如钢、铜、铝等。
例如，激光切割机可以对金属、塑料等材料进行无损加工；激光焊接机可以对电子产品进行精密焊接；激光雕刻机则可以对木质、水晶、玻璃等材料进行刻印加工。
光电子技术课件二：激光原理和技术
1
(1) E h
h ； 2
(2)m
E c
14
自发辐射的功率为：
I ( ) E ( )
2
2 E0 2 2
2 4 ( 0 ) 2
总功率为：
I
I ( )d
2 E0
d
4 2 ( ) 2 0
2
2
2 E0
所以：
g n ( )
4 2 ( 0 ) 2
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（2）均匀展宽的分析 自然展宽 由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致 它在受激能级上的寿命有限形成的。
E (t ) E0e e j 2 0t
t E(t ) E0e 2 e j 2 0t
t
2 其中
由傅立叶变换得其频谱分布为：
[ j 2 ( 0 )]t E (v) E (t )e j 2 t dt E0 e 2 dt 0 0
其中( c ) u , ( c ) l 分别为上下激 发能级Eu , El的 碰撞时间。
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自然展宽与碰撞展宽共同作用产生的线型函数 合称为均匀展宽的线型函数，表示为：
g H ( ) H 2 [( 0 ) 2 ( H 2 )2 ]
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（1）受激辐射下光谱线展宽的类型
激光原理第2章
初态： 初态：激发态原子
终态： 终态：基态原子
E2
外来光子 hν = E2 – E1
发射光子 hν = E2 – E1
E1 特点： 才能引起受激辐射； 特点：只有外来光子能量为 hv =E2-E1才能引起受激辐射； 受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同， 受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同，即具有相同的 频率、偏振方向、传播方向以及相同的位相；是相干光。 频率、偏振方向、传播方向以及相同的位相；是相干光。 受激辐射是激光器的物理基础
爱因斯坦A 5、 爱因斯坦A、B系数关系
在光和原子相互作用达到动平衡的条件下， (1) 在光和原子相互作用达到动平衡的条件下，
自发辐射、 自发辐射、受激辐射和受激吸收间关系
A21n2dt + B21ρ ν n2dt = B12 ρ ν n1dt
自发辐射光子数 受激辐射光子数 受激吸收光子数
n2 B12 ρ v = n1 A21 + B21ρ v
的光波， 的连续功率， 2、某激光器，输出波长500nm的光波，输出 某激光器，输出波长 的光波 输出1W的连续功率， 的连续功率 问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？ 问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？
2.3
光的受激辐射
1900年 1900年，普朗克利用辐射量子化假 设成功解释黑体辐射分布规律 1913年 1913年，波尔提出原子中电子运动状 态量子化假设
（2）自发辐射跃迁几率 设t 时刻 ，体系处于E2 的总粒子数密度为 n2(t)，从t ～t + dt 体系处于 正比于n ： 时间间隔内自发辐射粒子数密度 dn21 正比于 2(t)：
− dn2 = A21n2 (t )dt
激光原理及应用
激光原理及应用
激光技术是20世纪50年代流行起来的新兴技术，它涉及到光学、电子、物理、化学等多学科，用途也越来越广泛。
激光是一种高能量密度的光，质量质量好并且能量能量稳定，具有高显像度、高密度、高精度的优点，在工业生产，新兴科技，航空航天，军用等各个领域得到越来越多的应用。
激光的原理是在特定的物质环境中，一次具有特定频率，持续出现的大功率光激发，以达到平衡放射和吸收状态。
具体来说，首先产生一种不具有定向特性的长波长、大功率的光，然后这种光经过几回反射、折射、衍射等操作后，在放射与吸收的循环中磁化、产生强度从而实现一连串的脉冲光。
激光应用在很多领域。
工业上应用的范围很广，比如精确切削、焊接、热压等过程都需要用到激光技术。
航空航天科技中，激光技术用于星体测量及地形测量，以及导引对空导飞的多导引系统。
在医学领域，激光技术用于消炎消痛，治疗各种病症和手术。
激光技术正在成为一个主要技术，在工业生产、新兴科技、航空航天、军事等领域应用得越来越广泛。
它不仅节约了能源，而且可以提高工作效率，并且拥有非凡的精度。
由于激光技术另人眼前一亮，激发了人们对前沿科技的兴趣，给科学工作者和工程师带来了极大的帮助。
激光原理第一章1.5
四、激光的时间相干性和单色性
1、时间相干性描述复习 相干时间 c 相干长度 Lc 线宽 (单色性)
1 Lc c c c 来自2、关系：单色性越好，则时间相干性越好。 3、单色性、时间相干性与激光模式的关系 (1)对单横模TEM00工作的激光器，激光的单色性和 时间相干性取决于纵模结构和模式的频带宽度。 纵模数越少，单模线宽越窄，则单色性和时间相 干性越好。
太原理工大学物理与光电工程学院
TEM 00
基横模
三、激光的空间相干性和方向性
1、关系：方向性越好，则光束的空间相干性越好 。
方向性描述：用光束发散角。发散角越小，光束 方向性越好。 ①对普通光：只有当光束发散角小于某一限宽即：
x
时，光束才具有明显的空间相干性。
②对理想的平面波： 0 ，故具有完全的空间 相干性。 2、影响激光空间相干性和方向性的因素
B
2h
2
n
光源的单色亮度正比于光子简并度，而激光 具有极高的光子简并度。
太原理工大学物理与光电工程学院
太原理工大学物理与光电工程学院
太原理工大学物理与光电工程学院
⑴横模的影响 ①基横模TEM00的发散角小，方向性好。高次横模 的发散角大，方向性差。 ②工作在单横模，则方向性好，同时，同一模式内 的光波场是空间相干的；工作在多横模，则方向性 差，同时，不同模式内的光波场是空间非相干的。 ⑵工作物质的均匀程度、光腔类型、腔长、激励方 式、激光器的工作状态的影响 ⑶光衍射效应的影响 激光所能达到的最小光束发 散角不能小于激光通过输出 孔径时的衍射极限角。
1.22 m 2a 2a
2a：光腔输出孔径
太原理工大学物理与光电工程学院
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1. 世界上第一台激光器是由美国休斯公司实验室一位从事红宝石荧光研究的年轻人_________在_________年研发的。
2. 自发辐射爱因斯坦系数与激发态E 2平均寿命τ的关系为（ ）
3.原子受激辐射的光与外来引起受激辐射的光具有相同的（ ） ①频率、②发散角、③量子状态、④偏振、⑤传播方向 A .①②③④B .①③④⑤C .①②③ D .③④⑤ 4爱因斯坦三系数之间的关系？
5. 激光具有四大特性，即_________、_________、_________、_________。
6.在体积为V 的空腔内，处在频率为附近频带d 内的模式数：_________。
7.普通光源发光的机制？
8.试写出相干长度、相干面积、相干体积的数学表达式，及物理意义。
9.黑体辐射的普朗克公式？ 10.课后题23页第6题。
一：填空：
1.为了使高斯光束获得良好聚焦，常采用的方法有_________、_________、_________。
2.光腔的损耗大致包含如下几个方面_________、_________、_________、_________。
3.任何一个共焦腔与_________等价，而任何一个满足稳定条件的球面腔_________地等价于一个共焦腔。
4.利用薄透镜对高斯光束实现自再现变换的条件_________。
5.一两块球面镜组成的直腔，腔长为L ，球面镜的曲率半径分别为R1和R2，写出其往返矩阵的表达式。
二：选择
1对称共焦腔在稳定图上的坐标为 ( )
A.（-1，-1）B .（0，0）C .（1，1） D .（0，1） 2.在方型对称情形，TEM 11对应的花样（ ）
A .
B .
C .
D .
E .
3.谐振腔的纵模共振频率为（） A .L
c q
q
ην2=B .c L q
q
ην2= C .c
L
q ην2=D .0
4.对称共焦腔基模的远场发散角为（）
A ．2L λθ
π≈
B ．42L πθλ≈
C ．2θ≈
D ．2θ≈
5. 腔长为0.5米,μ=1.5,纵模间隔为（） A.HZ 8
10
5.1⨯ B.HZ 8102⨯ C. HZ 8103⨯ D.HZ 8104⨯
6. 一平凹腔,其凹面镜的半径R 小于腔长L,它是( ) A.稳定腔B.临界腔 C. 非稳腔D.不能确定 三：计算题
1）考虑一用于氩离子激光器的稳定球面腔，波长λ＝0.5145μm ，腔长L ＝1m ，腔镜曲率半径R 1=1.5m ，R 2=4m 。
试计算光腰尺寸和位置及焦参数。
2）某高斯光束的腰斑半径光波长。
求与腰斑相距z=30cm 处的光斑及等相
位面曲率半径。
一：选择题
1.自然增宽谱线为（ ）
A.高斯线型
B.抛物线型
C.洛仑兹线型
D.双曲线型 2.多普勒增宽谱线为（ ）
A.高斯线型
B. 抛物线型
C. 洛仑兹线型
D. 双曲线型 3.自然加宽是由于（ ）引起
A. 激发态有一定的寿命
B.粒子的碰撞
C.多普勒效应
D.粒子的振动 4.属于均匀加宽的是（ ）
A.自然加宽
B. 多普勒加宽
C. 碰撞加宽
D. 晶格振动加宽 5．碰撞增宽谱线为（ C ）
A . 高斯线型
B .抛物线型
C . 洛仑兹线型
D .双曲线型
6．CO 2谱线的多普勒增宽为53MHz ，中心频率所对应的谱线函数极大值为（ ）
7．多普勒加宽发生在 （ ）介质中
A 固体
B 液体
C 气体
D 等离子体
8. 多普勒加宽宽度可表示为( )
A B
C D
9.某种谱线加宽的特点是：每个发光原子都以整个线型发射，不能将线性函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来。
或者说，每一个发光原子对光谱线内任意频率都有贡献。
则该种加宽是（）
A.均匀加宽
B. 非均匀多普勒加宽
C.多普勒加宽
D. 晶格缺陷加宽
二：简述题：
1.激光谱线加宽分为均匀加宽和非均匀加宽，简述这两种加宽的产生机理、谱线的基本线型。
三：计算题
2.氦氖激光器中Ne20能级2S2-2P4的谱线为1.1523μm。
这条谱线的自发辐射几率A为6.54×106s-1秒, 放电管气压P≈260帕，碰撞系数α≈700KHz/帕，激光温度T = 400K， M =112。
试求:（1）均匀线宽ΔνH；（2）多普勒线宽ΔνD；（3）分析在气体激光器中, 哪种线宽占优势。
答：如果引起加宽的物理因数对每一个原子都是等同的，则这种加宽称为均匀加宽。
自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽均属均匀加宽类型。
非均匀加宽是原子体系中每一个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献。
多普勒加宽和固
表示在时间内由于自发跃迁引起的由向跃迁的原子数。
12
<< m L'。