激光原理
高福斌
gaofubin@https://www.doczj.com/doc/8518701214.html,
gaofubin@163com
2013.10.20
1高福斌/34
2.2 速率方程组与粒子数反转
(!可实现粒子数反转的几种量子系统)回顾——实现粒子数反转的两个必要条件:
①工作物质粒子有适当的能级结构②有合适的激励能源
前瞻——分析方法:
速率方程方法以及速率方程的求解步骤速率方程方法: 分析粒子系统能否实现反转的一种
方法
速率方程:描述各能级粒子数(密度)变化速率
高福斌
/34
2的方程组
态E 上的粒子抽运到E 、E 能级上的速率；0122.速率方程: 3个能级应有2
2
n 个独立方程(1) E 2能级在单位时间内增1
n ρ
加的粒子数密度为：
dn 图(2-5)简化的四能级图
n 2
R n A n W n W =??+
R n A n B νn B νd =??+(2-5a)2221221112()()f f dt
ρρ()
2
n ρ
1
n 2120
A A 图(2-5)）简化的四能级图
n
2
n ρ
1
n 图(2-5)）简化的四能级图
n dn
激光原理及应用[陈家璧主编] 一、填空题（20分，每空1分） 1、爱因斯坦提出的辐射场与物质原子相互作用主要有三个过程，分别是（自发辐射）、（受激吸收）、（受激辐射）。 2、光腔的损耗主要有（几何偏折损耗）、（衍射损耗）、（腔镜反射不完全引起的损耗）和材料中的非激活吸收、散射、插入物损耗。 3、激光中谐振腔的作用是（模式选择）和（提供轴向光波模的反馈）。 4、激光腔的衍射作用是形成自再现模的重要原因，衍射损耗与菲涅耳数有关，菲涅耳数的近似表达式为（错误！未找到引用源。），其值越大，则衍射损耗（愈小）。 5、光束衍射倍率因子文字表达式为（错误！未找到引用源。）。 6、谱线加宽中的非均匀加宽包括（多普勒加宽），（晶格缺陷加宽）两种加宽。 7、CO2激光器中，含有氮气和氦气，氮气的作用是（提高激光上能级的激励效率），氦气的作用是（有助于激光下能级的抽空）。 8、有源腔中，由于增益介质的色散，使纵横频率比无源腔频率纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫做（频率牵引）。 9、激光的线宽极限是由于（自发辐射）的存在而产生的，因而无法消除。 10、锁模技术是为了得到更窄的脉冲，脉冲宽度可达（错误！未找到引用源。）S，通常有（主动锁模）、（被动锁模）两种锁模方式。 二、简答题（四题共20分，每题5分） 1、什么是自再现？什么是自再现模？ 开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自在现摸 2、高斯光束的聚焦和准直，是实际应用中经常使用的技术手段，在聚焦透镜焦距F一定的条件下，画出像方束腰半径随物距变化图，并根据图示简单说明。 3、烧孔是激光原理中的一个重要概念，请说明什么是空间烧孔？什么是反转粒子束烧孔？ 4、固体激光器种类繁多，请简单介绍2种常见的激光器（激励方式、工作物质、能级特点、可输出光波波长、实际输出光波长）。 三、推导、证明题（四题共40分，每题10分）
飞秒激光的发展和应用 （.） 摘要：随着激光技术的研究、开发和应用十分活跃。本文简要介绍了飞秒激光发展、特点及技术研究进展和发展趋势。 关键词：飞秒，激光技术，激光手术，激光武器，飞秒脉冲，飞秒激光 作者简介： 0 引言 20世纪以光科学与工程技术研究为基础所积累的丰硕成果，已在世界范围内对人类现代物质和精神文明做出了巨大的贡献。21世纪将是光子技术进一步大发展的时代，激光技术将成为世界各国竞争的焦点之一，以激光技术为核心的相关产业将成为知识经济时代和信息时代的重要驱动力量。 飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。飞秒脉冲是如此的短，目前已经达到了4 fs以内（可见光-近红外波段），1飞秒（fs，即10-15 s），仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10 fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1 min而已。飞秒脉冲又是如此之强，采用多级啁啾脉冲放大（CPA）技术获得的最大脉冲峰值功率可达到100太瓦（TW，即1012 W）甚至皮瓦（PW，即1015 W）量级，其可聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高[1]。飞秒激光完全是人类创造的奇迹。 1 飞秒激光的原理 众所周知，组成物质的分子和原子，每时每刻都在快速地运动，这是微观物质重要的基本属性。飞秒激光产生后，人类能够在原子和电子的层面上观察到它们超快运动的过程并加以利用。在高强度飞秒激光的作用下，气态、液态、固态物质会在瞬息间变成等离子体。高功率飞秒激光与电子束碰撞，能够产生X 射线飞秒激光、射线激光以及正负电子对。此外，利用飞秒激光能够有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩。高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火[2]。 通过对飞秒的研究，除了揭示自然科学的奥妙之外，还促进了新型“飞秒激光”技术的应用和发展。飞秒激光是一种周期可以用飞秒计算的超强超短脉冲激光。它的出现为人类提供了前所未有的全新实验手段与物理条件，有着十分广阔的应用前景。 2 飞秒激光的特点 根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。 飞秒激光的特点：（1）持续时间极短，只有几个飞秒，是人类目前在实验条件下所能获得的最短的脉冲，所以飞秒激光是无穿透性的，对眼内组织无损伤。（2）具有极高瞬时功率，可达到百万亿瓦。近红外激光脉冲，在经过角膜组织表面时不被吸收，通过调节聚焦透镜和角膜表面相对位置。将脉冲聚焦在预定深度的一个小点上，当每次脉冲达到聚焦点时，触发一次称为激光诱导光衰变作用，多脉冲定位在同一个焦点深度，通过形成一层小直径的气泡来实现切割手术。（3）能聚焦到比头发丝直径还要小的空间区域。每个脉冲的连接的紧密性，决定了切割平面的光滑性。
激光原理复习题 1. 麦克斯韦方程中 0000./.0t t μμερε????=-???????=+????=???=?B E E B J E B 麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的在矛盾和运动；不仅电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的电场和磁场也可以相互激发。在方程组中是如何表示这一结果？ 答：（1）麦克斯韦方程组中头两个分别表示电场和磁场的旋度，后两个分别表 示电场和磁场的散度； (2) 由方程组中的1式可知,这是由于具有旋度的随时间变化的电场(涡旋 电场),它不是由电荷激发的,而是由随时间变化的磁场激发的; (3)由方程组中的2式可知，在真空中，,J =0，则有 t E ??=? 00B *εμ ；这表明了随时间变化的电场会导致一个随时间变化的磁场；相反一个空间变化的磁场会导致一个随时间变化的电场。这 种交替的不断变换会导致电磁波的产生。 2, 产生电磁波的典型实验是哪个？基于的基本原理是什么？ 答：产生电磁波的典型实验是赫兹实验。基于的基本原理：原子可视为一个偶 极子，它由一个正电荷和一个负电荷中心组成，偶极矩在平衡位置以高频做周期振荡就会向周围辐射电磁波。简单地说就是利用了振荡电偶极子产生电磁波。 3 光波是高频电磁波部分，高频电磁波的产生方法和机理与低频电磁波不同。对于可见光围的电磁波，它的产生是基于原子辐射方式。那么由此原理产生的光的特点是什么？ 答：大量原子辐射产生的光具有方向不同，偏振方向不同，相位随机的光，它们是非相干光。 4激光的产生是基于爱因斯坦关于辐射的一般描述而提出的。请问爱因斯坦提出了几种辐射，其中那个辐射与激光的产生有关，为什么？ 答：有三种：自发辐射，受激辐射，受激吸收。其中受激辐射与激光的产生有 关，因为受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率，相同的发射 方向，相同的偏振态和相同的相位，是相干光。
系、班 姓 名 座 号 ………………密……………封……………线……………密……………封……………线………………… 华中科技大学2012年《激光原理》期末试题(A) 题 号 一 二 三 四 总分 复核人 得 分 评卷人 一. 填空: （每孔1分，共17分） 1. 通常三能级激光器的泵浦阈值比四能级激光器泵浦阈值 高 。 2. Nd:Y AG 激光器可发射以下三条激光谱线 946 nm 、 1319 nm 、 1064 nm 。其 中哪两条谱线属于四能级结构 1319 nm 、 1064 nm 。 3. 红宝石激光器属于 3 几能级激光器。He-Ne 激光器属于 4 能级激光器。 4. 激光具有四大特性，即单色性好、亮度高、方向性好和 相干性好 5. 激光器的基本组成部分 激活物质、 激光谐振腔 、 泵浦源 。 6. 激光器稳态运转时，腔内增益系数为 阈值 增益系数,此时腔内损耗激光光子的速率和生成激光的光子速率 相等. 7. 调Q 技术产生激光脉冲主要有 锁模 、 调Q 两种方法。 二、解释概念：（共15分，每小题5分）(选作3题) 题 号 一 二 三 合计 得 分 1. 基模高斯光束光斑半径： 激光光强下降为中心光强21 e 点所对应的光斑半径. 2. 光束衍射倍率因子 光束衍射倍率因子= 角 基膜高斯光束远场发散基膜高斯光束束腰半径实际光束远场发散角 实际光束束腰半径?? 3. 一般稳定球面腔与共焦腔的等价关系： 一般稳定球面腔与共焦腔的等价性：任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价； 任何一个稳定球面腔唯一地等价于一个共焦腔。 三、问答题：（共32分，每小题8分） 题 号 一 二 三 四 合计 得 分 1. 画出四能级系统的能级简图并写出其速率方程组 ()()()() Rl l l l l N N n f f n dt dN n n n n n A n W n s n dt dn S n S A n N n f f n dt dn A S n W n dt dn τυννσυννσ-???? ??-==++++-=++-???? ??--=+-=02111220321303001010 3232121202111 222313230303 ,, W 03 A 03 S 03 S 32 S 21 A 21 W 21 W 12 E 3 E 2 E 1 E 0
思考练习题1 1． 试计算连续功率均为1W 的两光源，分别发射λ＝0.5000μm ，ν=3000MHz 的光，每秒 从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？ 答：粒子数分别为：18 8 34634110 5138.21031063.6105.01063.61?=????=? ?= =---λ ν c h q n 23 9 342100277.510 31063.61?=???==-νh q n 2．热平衡时，原子能级E 2的数密度为n 2，下能级E 1的数密度为n 1，设21g g =，求：(1)当原子跃迁时相应频率为ν＝3000MHz ，T ＝300K 时n 2/n 1为若干。(2)若原子跃迁时发光波长λ＝1μ，n 2/n 1＝0.1时，则温度T 为多高？ 答：（1）(//m n E E m m kT n n n g e n g --=）则有：1]300 1038.110 31063.6exp[2393412≈?????-==---kT h e n n ν （2）K T T e n n kT h 36238 34121026.61.0]1011038.11031063.6exp[?=?=???????-==----ν 3．已知氢原子第一激发态(E 2)与基态(E 1)之间能量差为1.64×l0－ 18J ，设火焰(T ＝2700K)中含有1020个氢原子。设原子按玻尔兹曼分布，且4g 1＝g 2。求：(1)能级E 2上的原子数n 2为多少？(2)设火焰中每秒发射的光子数为l08 n 2，求光的功率为多少瓦？ 答：（1）1923 181221121011.3]2700 1038.11064.1exp[4----?=???-?=?=??n n e g n g n kT h ν 且20 2110=+n n 可求出312≈n （2）功率＝W 918 8 10084.51064.13110--?=??? 4．(1)普通光源发射λ＝0.6000μm 波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比 q q 激自 1 = 2000 ，求此时单色能量密度νρ为若干？(2)在He —Ne 激光器中若34/100.5m s J ??=-νρ，λ为0.6328μm ，设μ＝1，求 q q 激自 为若干？ 答：（1）
1、光与物质相互作用的三个基本过程：自发辐射、受激辐射、受激吸收。 2、激光器的损耗指的是在激光谐振腔内的光损耗，这种损耗可以分为两类：内部损耗、镜面损耗。 3、形成激光的条件：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。 4、激光的四个基本特性：高亮度、方向性、单色性和相干性。 5、激光调制方法：内调制是指在激光生成的振荡过程中加载调制信号，通过改变激光的输 出特性而实现的调制。 外调制则是在激光形成以后，再用调制信号对激光进行调制，它并不改 变激光器的参数，而是改变已经输出的激光束的参数。 就调制方法来讲，也有振幅调制、强度调制、频率调制、相位调制以及脉冲调制等形式。 6、三种谱线增宽形式：自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽。 7、单纵模激光器的选频方法：短腔法、法布里—珀罗标准具法、三反射镜法。 8、激光器的基本结构：激光工作物质：能够实现粒子数反转，产生受激光放大。激励能源：能将低能级的粒子不断抽运到高能级，补充受激辐射减少高能级上的粒子数。光学谐振腔：提高光能密度，保证受激辐射大于受激吸收。 9、高斯光束的基膜腰斑半径（腰粗）公式：W 0= 2 1 W s = 2 1 π λL 简答题： 1、用速率方程组证明二能级系统不可能实现粒子数反转分布。
2、简述光频电磁场与物质的三种相互作用过程，并指出其影响因素。（画图说明） 答:光与物质相互作用的本质是光与物质中的电子发生相互作用，使得电子在不同的能级之间跃迁。包括三种基本过程：自发发射、受激辐射以及受激吸收。 .自发发射——在无外电磁场作用时,粒子自发地从E2跃迁到E1,发射光子hv。(a)特点:各粒子自发、独立地发射的光子。各光子的方向、偏振、初相等状态是无规的, 独立的，粒子体系为非相干光源。受激辐射:——原处于高能级E2的粒子, 受到能量恰为hv=E2-E1的光子的激励, 发射出与入射光子相同的一个光子而跃迁到低能级E1 。特点:①受激发射只能在频率满足hv=E2-E1的光子的激励下发生;②不同粒子发射的光子与入射光子的频率、位相、偏振等状态相同; 这样,光场中相同光子数目增加,光强增大,即入射光被放大——光放大过程。受激吸收:——原处于低能级E1的粒子,受到能量恰为hv=E2-E1的光子照射而吸收该光子的能量,跃迁到高能级E2。 3、 3、简述激光器的基本结构以及产生激光的基本条件：①有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构。②有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转③有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提
2006-2007学年 第1学期 《激光原理与技术》B 卷 试题答案 1． 填空题(每题4分)[20] 激光的相干时间τc 和表征单色性的频谱宽度Δν之间的关系为___1c υτ?= 一台激光器的单色性为5x10-10，其无源谐振腔的Q 值是_2x109 如果某工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105 S -1，该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10等于_____6x1010 m 3s -2J -1 设圆形镜共焦腔腔长L=1m ，若振荡阈值以上的增益线宽为80 MHz ，判断可能存在_两_个振荡频率。 对称共焦腔的 =+)(2 1 D A _-1_，就稳定性而言，对称共焦腔是___稳定_____腔。 2. 问答题(选做4小题，每小题5分)[20] 何谓有源腔和无源腔如何理解激光线宽极限和频率牵引效应 有源腔：腔内有激活工作物质的谐振腔。无源腔：腔内没有激活工作物质的谐振腔。 激光线宽极限：无源腔的线宽极限与腔内光子寿命和损耗有关：122' c R c L δ υπτπ?= = ；有源腔由于受到自发辐射影响，净损耗不等于零，自发辐射的随机相位造成输出激光的线宽极限 220 2()t c s t out n h n P πυυυ?= ?。 频率牵引效应：激光器工作物质的折射率随频率变化造成色散效应，使得振荡模的谐振频率总是偏离无源腔相应的模的频率，并且较后者更靠近激活介质原子跃迁的中心频率。这种现象称为频率牵引效应。 写出三能级和四能级系统的激光上能级阈值粒子数密度，假设总粒子数密度为n ，阈值反转粒子数密度为 n t. 三能级系统的上能级阈值粒子数密度22 t t n n n += ；四能级系统的上能级阈值粒子数密度2t t n n ≈。 产生多普勒加宽的物理机制是什么 多普勒加宽的物理机制是热运动的原子（分子）对所发出（或吸收）的辐射的多普勒频移。 均匀加宽介质和非均匀加宽介质中的增益饱和有什么不同分别对形成的激光振荡模式有何影响 均匀加宽介质：随光强的增加增益曲线会展宽。每个粒子对不同频率处的增益都有贡献，入射的强光不仅使自身的增益系数下降，也使其他频率的弱光增益系数下降。满足阀值条件的纵模
激光行业简介 (一)激光的定义 激光是原子受激辐射的产物，当原子收到泵浦源能量的激励时，可跃迁至高能量状态，此时当遇到一个外来的特定频率的光子时，会释放一个完全相同的光子，这两个光子又会使更多的原子发生跃迁产生相同的光子，这个过程成为受激辐射，所产生的光便称为“激光”。 激光器是用来产生激光的部件，是激光设备中最为核心的部件。激光器通常由三部分组成，即激光工作介质、泵浦源、光学谐振腔。激光工作介质是实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有能实现能级跃迁的物质才能作为激光器的激光介质。激励光源（光泵）作用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。光学共振腔是激光器的重要部件，其作用一是使工作物质的受激辐射连续进行，二是不断给光子加速，三是限制激光输出的方向。 (二)激光器的分类
按照激光工作介质的不同，激光器可以分为光纤激光器、固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器等；按照工作方式可分为连续激光器和脉冲激光器；按照脉冲宽度可分为毫秒、微妙、纳秒、皮秒、飞秒激光器等；按照功率又可分为高功率、中功率、低功率激光器等。 其中光纤激光器光纤激光器是目前激光器的主流技术路线，占到全球激光器规模的近50%。原因是光纤激光器结构简单、且后期无需维护，整体成本较低。 (三)激光工作应用方式
激光工作应用场景广泛，具体有材料加工、电子信息、航天航空、通讯、美容、军事武器等方面。其工作方式除了郭博士提到的激光切割、激光修复、激光剥离、激光切边外还有激光焊接、激光显示、激光穿孔等，本篇简要论述前四种。 1.激光切割 激光切割是激光工作领域的主要方式。原理是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。与传统切割方法相比，激光切割具有切割尺寸精度高、切缝不变形、切口无毛刺、切割无锥度、切割速度快、切割良率高且能实现任意图形切割的优点。目前国内在激光切割领域，大族激光是第一龙头，市占比在10%上下。 2.激光修复 激光修复主要应用于美容领域，指的是通过激光手术实现祛疤、淡痕的效果，其工作原理就是利用不同波长的彩光能有效地进行治疗，分别作用于不同目标组织使皮肤不受损伤，光射入皮下，将颗粒变成粉末，使它们之间跳高加大，然后被巨噬细胞吸收和清除，如果疤痕组织颜色较深，可重复多次治疗，不断变换光的波长。激光祛疤一般可用于表皮或真皮浅层疤痕，还有增生性疤痕或疤痕疙瘩也同样适用。目前技术还不成熟，原因是第一消费者的体验恐惧还存在，第二术后需要1到2周的时间休养，休养不慎则易产生副作用。
飞秒激光原理 很多近视的人们都想要摘掉眼镜，因为近视眼会对人们的日常生活产生严重的影响，而手术治疗近视眼是现在比较流行的一种手术，那么，手术治疗近视眼有什么好处呢?下面就为大家具体介绍一下。 近二十年以来，随着科学技术的不断发展，眼科领域相继发明了一系列近视矫正手术，使手术后的近视患者不用配戴眼镜也同样能达到戴眼镜时的视力效果，对于治疗近视眼尤其是最近几年开展的准分子激光近视矫正手术，进一步提高了手术的准确性和安全性，目前全世界范围内已至少为数十万名近视患者摘掉了眼镜。 对于治疗近视眼还要求全身健康状况基本良好，没有其它严重的眼病如圆锥角膜、青光眼、白内障以及眼底病变等。还需要注意，年龄在18至50岁，近视度数已基本稳定(每年变化不超过50度)，而且本人的工作环境不适合戴眼镜或者是因种种原因(如美观要求、戴框架眼镜不舒适、戴隐形眼镜太麻烦或容易“发炎”等)有摘掉眼镜的强烈愿望。 尽管近视激光矫正术效果良好，安全性高，也并不意味着每个近视患者都适合接受激光手术治疗近视眼，一定要仔细遵循医生的建议。 飞秒激光近视手术是全激光近视手术，具有非常高的瞬时功率，不会损伤角膜上神经和血管，不破坏泪液循环，完全避免了交叉感染的可能。飞秒精确性达微米级，角膜瓣的厚薄和直径都可以设定，可控性非常好，切割更加准确。飞秒通过美国FDA认证，是美国太空总署和军方唯一批准可用于航天员和飞行员的手术方式。飞秒激光是目前近视治疗最安全、无开刀、恢复快、治疗效果最佳的一项技术。飞秒不受角膜曲率的影响，其对角膜偏.飞秒是全激光近视手术，具有非常高的瞬时功率，不会损伤角膜上神经和血管，不破坏泪液循环，完全避免了交叉感染的可能。飞秒精确性达微米级，角膜瓣的厚薄和直径都可以设定，可控性非常好，切割更加准确。飞秒通过美国FDA认证，是美国太空总署和军方唯一批准可用于航天员和飞行员的手术方式。 飞秒激光治疗近视更安全 关于眼科手术来说，安全永久是第一位的飞秒激光近视手术，可以精确地打开眼部组织分子链，制造出更均匀更完美的角膜瓣，以利近视患者接受激光医治，获得更清晰、更完美的视觉质量。飞秒激光” 比机械角膜刀精确 100 倍，这种精确性其实也是安全性的另外一种体现，越精确效果就越好，手术并发症也越少，当然就能给患者更多的安全保证。 飞秒激光使角膜切削更精确 飞秒激光近视手术的精度逾越激进机械角膜板层刀 100 多倍，从理论上消除了威胁视力程度的严酷并发症和感染的极有可能性。治疗进程更安全。针对集团角膜状况中止细部改正，切割表面十分平滑，使用低能量密度，减低冲击波并
关于激光的简介 前言： 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，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 年已被著名的美国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。 一．什么是激光： 激光——人类创造的神奇之光 激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是“受激辐射的光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，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 1958 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。 激光的产生原理：受激辐射基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出的一套全新的理论。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”，一段激活物质就是一个激光放大器。 二．激光的特点： （1）定向发光 普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。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，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。 （2）亮度极高
飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。飞秒脉冲时域宽度是如此的短，目前已经达到了4fs以内。1飞秒（fs）,即10-15s ,仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1min而已；飞秒脉冲又是如此之强，采用多级啁啾脉冲放大（CPA）技术获得的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦（TW，即1012W）甚至拍瓦（PW，即1015W）量级，其聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高。飞秒激光完全是人类创造的奇迹。 近二十年来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器，以及后来的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，虽然说脉冲宽度和能量的记录在不断刷新，但最大进展莫过于获得超飞秒脉冲变得轻而易举了。桑迪亚国家实验室的R.Trebino说:“过去1 0年中,（超快）技术已有显著改善, 钛蓝宝石激光器和现在的光纤激光器正在使这种(飞秒) 激光器的运转变得简洁和稳定。这种激光器现在人们已可买到, 而10年前, 你却必须自己建立。”比如，著名的飞秒激光系统生产商美国Clark-MXR公司将产生高功率飞秒脉冲的所有部件全部集成到一个箱子里，采用掺铒光纤飞秒激光器作为种子源，加上无需调整（NO Tweak）的特殊设计，形成了世界上独一无二，超稳定、超紧凑的CPA2000系列钛宝石啁啾脉冲放大系统。这种商品化的系统不需要飞秒专家来操作，完全可以广泛应用于科研和工业上的许多领域里。 根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合, 使人们可以研究半导体的纳米结构(量子线、量子
《激光原理》习题解答 第二章习题解答 1 试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限次，而且两次往返即自行闭合. 证明如下：（共焦腔的定义——两个反射镜的焦点重合的共轴球面腔为共焦腔。共焦腔分为实共焦腔和虚共焦腔。公共焦点在腔的共焦腔是实共焦腔，反之是虚共焦腔。两个反射镜曲率相等的共焦腔称为对称共焦腔，可以证明，对称共焦腔是实双凹腔。） 根据以上一系列定义，我们取具对称共焦腔为例来证明。 设两个凹镜的曲率半径分别是1R 和2R ，腔长为L ，根据对称共焦腔特点可知： L R R R ===21 因此，一次往返转换矩阵为 ?????? ?????????????????? ??-???? ??---?????????? ??-+-???? ??--=??????=211121222121221221221R L R L R L R L R R R L L R L D C B A T 把条件L R R R ===21带入到转换矩阵T ，得到： ? ? ? ???--=??????=1001D C B A T 共轴球面腔的稳定判别式子()12 1 1<+<-D A 如果 ()121 -=+D A 或者()12 1=+D A ，则谐振腔是临界腔，是否是稳定腔要根据情况来定。本题中 ，因此可以断定是介稳腔（临界腔），下面证明对称共焦腔在近轴光线条件下属于稳定腔。 经过两个往返的转换矩阵式2 T ，?? ? ? ??=10012T 坐标转换公式为：?? ????=??????? ?????=??????=???? ??1111112221001θθθθr r r T r 其中等式左边的坐标和角度为经过两次往返后的坐标，通过上边的式子可以看出，光线经过 两次往返后回到光线的出发点，即形成了封闭，因此得到近轴光线经过两次往返形成闭合，对称共焦腔是稳定腔。 2 试求平凹、双凹、凹凸共轴球面腔的稳定条件。 解答如下：共轴球面腔的()2 12 21222121R R L R L R L D A + --≡+，如果满足()1211<+<-D A ，
眼科激光手术的原理 随着生活水平的不断提高，家里出现了各种各样的电子产品，电脑，电视，平板，手机等等，如果长期的对着这些电子产品很容易会患上近视，如果患上近视，则对我们的生活造成了很大的影响，为了能够清楚的看见事物，就必须要戴眼镜，也有的人会选择做眼科激光手术。 激光近视矫治手术自诞生之日起，便成为时尚人物的宠儿。此项技术经历了准分子激光角膜表面切削术(PRK)、IK、EK、TK 四个发展阶段，经过二十年的发展达到了一定的水平。对于近视眼手术，很多人都害怕术后恢复缓慢，会耽误工作，因此很多近视眼患者都想知道近视眼手术恢复的快慢，那么激光近视眼手术恢复得快吗？激光近视眼手术视力恢复的快慢，取决于年龄、眼睛屈光调节能力以及术前的近视程度。 总的来说，年青人、手术前近视度数低者，恢复较快；另外，看远处较看近处的视力（如阅读、看精细物体等）更早恢复。一般术后休息一两日，即可正常生活及工作。但在术后视力恢复过程中，应注意用眼卫生，以免引起眼睛疲劳而造成不适感觉。
飞秒激光是一种波长1053nm的神奇之光，它的种种优势已 经成功应用于各个领域，眼科手术也不例外。但是，飞秒激光到底是通过什么原理来矫正近视的呢? 飞秒激光手术的原理有两个，一个是光传输原理，一个是光爆破原理。 光传输原理 手术前医生将患者的基本信息资料和手术数据输入电脑(包 括激光聚焦的深度，也就是锥镜镜片底部到激光聚焦点的距离; 角膜瓣的直径、蒂的大小和宽度;激光切削的能量等)。手术中医生操作飞秒激光机，用锥镜将角膜固定，从而保持激光头到角膜组织中激光聚焦点的精确距离。 激光聚焦的深度，也就是锥镜镜片底部到激光聚焦点的距离，飞秒激光机按照医生设定的模式传输激光脉冲，在角膜上进行各种靶向切削。简要地说，飞秒激光的光传输原理给我们印象最深的是光传输的精确定向性和精确定位性。 光爆破原理
07级光信息《激光原理》复习提纲 简答题 1、 简述自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的联系与区别。 （1）受激辐射过程是一种被迫的、受到外界光辐射控制的过程。 没有外来光子的照射，就不可能发生受激辐射。 (2) 受激辐射所产生的光子与外来激励光子属于同一光子状态， 具有相同的位相、传播方向和偏振状态。 (3) 激光来自受激辐射，普通光来自自发辐射。两种光在本质 上相同：既是电磁波，又是粒子流，具有波粒二象性；而 不同之处：自发辐射光没有固定的相位关系，为非相干光， 而激光有完全相同的位相关系，为相干光。 (4) 自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃 迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色能量密度的乘积。 （5）受激吸收是与受激辐射相反的过程，它的几率与受激辐射几率一样取决于吸收系数和外来光单色辐射能量密度的乘积。 2、二能级系统有无可能通过光泵浦实现稳态粒子数反转？（不能，PPT 上有） 在光和原子相互作用达到稳定条件下 得到 不满足粒子数反转，所以不能实现。 3、简述均匀增宽和非均匀增宽的区别。（类型，贡献不同ppt 上有） 4、简述光谱线增宽类型，它们之间的联系与区别 均匀增宽的共同特点 引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的 都是光辐射偏离简谐波引起的谱线加宽 非均匀增宽的共同特点 原子体系中每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，因而可以区分谱线上某一频率范围是由哪一部分原子发射的。 E 1 E 2 B 12 B 21 A 21 W W W B B ===2112 2112 即当t n B t n B t n A ννd d d 1122212 21ρρ=+W A W n n +=2112
飞秒激光与其他激光加工到底有什么不同从原理来分析吧 飞秒激光与其他激光加工有什么不同？从原理上进行分析和阐述 在这里，我们指的飞秒激光是指脉宽为1-1000 fs（1 fs=10-15s）的激光，其他激光是指脉宽大于1000 fs（1 ps）的脉冲激光或连续激光。 激光加工过程中需要考虑激光的波长、能量（或功率）、脉宽、频谱、脉冲频率、偏振、相位等因素，同时还要考虑聚焦系统以及扫描速度和方向，被加工对象物质的组成、结构和形态，甚至是物质所处的环境条件如温度和气氛。 脉宽是其中一个非常重要的具有普遍影响的激光参数。飞秒激光也主要是指现在用得最多的钛宝石以及Yb3+掺杂晶体和光纤激光器为主，波长在1 μm附近的近红外的飞秒激光。飞秒激光系统昂贵 飞秒激光现在已开始用于切割、钻孔、焊接、打标、剥离、修复等加工领域。但目前实际应用较少，原因是飞秒激光的价格比长脉冲激光和连续激光要贵很多。 飞秒激光贵的原因主要有： 1）根据傅里叶变化关系，要产生超短飞秒脉冲必须具有宽光谱的增益介质，增益介质的带宽决定了最终能实现的脉宽。 2）飞秒激光脉冲一般需要通过锁膜技术来实现，激光系统比较复杂。 飞秒激光特性很好 飞秒加工有不少优势，首先体现在精度高。 飞秒激光由于其脉宽很短，较低的脉冲能量就可以获得极高的峰值功率（脉冲能量/脉宽），当用物镜等进一步聚焦到材料时，由于焦点附近能量密度很高，能引起各种强烈的非线性效应。 激光加工可以认为是一种激光诱导反应，原理上分为诱导分子振动和电子激发。前者是热反应，后者与构成物质的原子外壳层电子关联的化学键相作用。近红外飞秒激光加工通过多光子过程，实现有空间选择性的微观结构操控，而不影响表面结构，这是飞秒激光加工的另外一个优势。
激光原理复习题（含参考答案） 1. 自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命τ的关系为（B） 2. 爱因斯坦系数A21和B21之间的关系为（ C） 3. 自然增宽谱线为（C） （A）高斯线型（B）抛物线型（C）洛仑兹线型（D）双曲线型 4. 对称共焦腔在稳定图上的坐标为（ B ） （A）（-1，-1）（B）（0，0）（C）（1，1）（D）（0，1） 5. 阈值条件是形成激光的（C） （A）充分条件（B）必要条件（C）充分必要条件（D）不确定 6. 谐振腔的纵模间隔为（ B ） 7. 对称共焦腔基模的远场发散角为（C） 8. 谐振腔的品质因数Q衡量腔的（ C ） （A）质量优劣（B）稳定性（C）储存信号的能力（D）抗干扰性 9. 锁模激光器通常可获得（ A）量级短脉冲 10. YAG激光器是典型的（C）系统 （A）二能级（B）三能级（C）四能级（D）多能级 11. 任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价，而任何一个满足稳定条件的球面腔唯一地等价于一个共焦腔。 12. 激光器的基本结构包括三部分，即工作物质、激励物质光学谐振腔。 13. 有一个谐振腔，腔长L=1m，在1500MHｚ的范围内所包含的纵模个数为 10 个（设μ=1）。 14. 激光的特点是相干性强、单色性佳、方向性好高亮度。
15 调Q 技术产生激光脉冲主要有 、 两种方法，调Q 激光器通常可获得ns 量级短脉冲，锁模有 和 两种锁模方式。锁模 、 调Q 主动锁模 被动锁模 16. 受激辐射激励发射出的光子与外来光完全相同，即 ， ， ， 。传播方向相同，相位相同，偏振态相同，频率相同 17写出光与物质相互作用的爱因斯坦关系式，说明其物理含义。 答：(1)自发辐射跃迁几率2121211sp s dn A dt n τ??== ???，表示了单位时间内从高能级向 低能级跃迁的原子数与高能级原有粒子数的比例。(2)受激吸收跃迁几率 121211 st dn W dt n ??= ???，表示单位时间内由于受激跃迁引起的由低能级向高能级跃迁的 原子数和低能级原子数的比例。(3)受激辐射跃迁几率21212 1 st dn W dt n ??= ???，表示在 辐射场作用下，单位时间从高能级跃迁至低能级的原子数与高能级原子数的比例。 18激光的产生是基于爱因斯坦关于辐射的一般描述而提出的。请问爱因斯坦提出了几种辐射，其中那个辐射与激光的产生有关，为什么？ 答：有三种：自发辐射，受激辐射，受激吸收。其中受激辐射与激光的产生有关，因为受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率，相同的发射方向，相同的偏振态和相同的相位，是相干光。 19请描述空间烧孔效应的物理过程。 答：当频率一定的纵模在腔内形成稳定振荡事产生一个驻波场。波腹处光强最大，波节处光强最小，消耗反转粒子数后，波腹处光强最小而波节处光强最大，则形成了空间烧孔。可见空间烧孔的形成过程由驻波腔和粒子空间转移慢引起的。 20光学谐振腔中会有横模和纵模，通常表示为mnp TEM 。请问它的角标中
摘要：飞秒激光其超短脉冲，超强峰值功率和高聚焦能力，因在很多相关领域得了广泛的应用，本文主要介绍飞秒激光及其在基础研究领域和医学领域的应用的同时，对随着飞秒激光新发展起来的某些相关学科做一简述。 关键词：飞秒；激光；应用 超短脉冲时代是从1960年代末1970年代初提出激光锁模技术时开始的，短短的20年后，出现了主动锁模，被动锁模，脉冲碰撞锁模（cpm），相加脉冲锁模等，锁模技术可以将脉冲缩短到皮秒是10-12秒甚至飞秒10-15秒。在1980年代中期出现的自锁模技术和非线性啁啾脉冲放大技术，使我们真正进入了超短脉冲的时代。利用这种技术可以产生一个高密度，高强度和高温高压领域是实验室天体物理在极端条件下，光与物质相互作用的极端物理条件，并提供了一个强大的高亮度x射线产生的重大科学研究手段。 此外，在第二十世纪90年代末，还发现飞秒激光的介质效应产生的长脉冲激光的独特性质有所不同，如区域、热效应小，空间选择性的作用，这些独特的性能，在许多领域有重要的应用价值，如微型光子器件的制造，医药，精细操作，三维度的光存储，纳米生物技术，纳米医学，这些应用已经引起了国内外的广泛关注[1]。 飞秒激光其超短脉冲，超强峰值功率和高聚焦能力，因能够实现超精细和维微加工的特点获得了广泛关注和深入研究，所以飞秒激光技术发展迅速[2]。 一、飞秒激光简介 激光曾被人类视为神秘之光并已被广泛使用。飞秒激光是近年来科学家们通过探究发现的更特殊的激光，简称fs是一种近红外光以脉冲形式运行，很短的时间，是衡量时间的标准尺度的长度。1飞秒只有1秒的一千万亿分之一，即10-15秒。 飞秒激光有以下三个特点：1、利用飞秒激光获得的脉冲要比利用电子学方法获得的最短脉冲还短几千倍。2、具有比目前全世界发电总功率还要多出百倍的瞬时功率，可达百万亿瓦。3、空间区域可以集中到比头发的直径还要小，使周围的核力量的电场强度比其他电子还高几倍。 二、飞秒激光的发展历史 飞秒激光的发展可分为四个阶段，目前已经历了前三个阶段正在进入第四个阶段。 60年代中后期的10-9～10-10s第一阶段是飞秒激光的早期阶段，其主要特点是建立锁模的理论和实验研究的各种各样的夹紧方法。 第二阶段是基于各种各样的锁模逐渐趋向于成熟的理论和方法为主要特征的70年代的10-11～10-12s，这个阶段皮秒（10-12）初步应用于化学和物理的领域。 第三阶段是飞秒激光的发展，主要是以碰撞锁模染料激光器的飞秒激光脉冲宽度为代表，真的进入了飞秒（10-15秒）阶段。飞秒激光脉冲的色散，嘀啾，自相位调制效应再不能被忽略了，平衡这些效应的结果产生了使物理学界震惊的事件――理论上早已预言的孤子（soilton）首先在光学领域实现了――光孤子（optical soliton）。飞秒光脉冲的出现还伴随生长出许多新的光学技术。 第四个阶段是从90年代初开始的。而它主要特征是表现在产生飞秒激光介质的新的突破。自从70年代初期开始，一直是有机染料为介质的激光器领导飞秒激光新潮流。到了90年代，以掺钦蓝宝石为代表的固体介质激光器突然闯入了飞秒激光领域，并大有一举取代飞秒染料激光器之势。简单，实用和性能更优越是固体飞秒激光技术的鲜明特点。 在短短的20几年内飞秒激光经历了四个发展阶段，脉冲宽度压缩了5～6个量级，并在光通讯，化学，物理，生物学等众多领域中得到了广泛应用。其纵向发展速度之快横向扩展范围之广在自然科学史上是罕见的。 20多年的飞秒激光的发展，特别是近10年的发展，促进基础学科的发展，如物理、化
实现粒子数反转的条件: 激活介质的粒子数反转是通过化学反应的热效应，把能量转变为粒子的振动能和转动能而实现的激光系统。产生化学激光必须具备的条件是：（1）在化学反应中一定要释放出能量。（2）化学反应所释放的能量要能转化为反应产物分子的热力学能，使其形成激发态粒子。（3）要求化学反应达到特定能级的反应速率快（即泵浦速率快），使生成的激发态粒子不致在发生激光之前由于自发辐射衰减或分子间碰撞传能而消耗掉，这样才能保证到达上、下能级粒子数的反转（即粒子能在高能级上发生积累）。（4 要求激发态粒子自发辐射的寿命极短，有足够的跃迁概率。 粒子数反转（population inversion）是激光产生的前提。一个原子可以在不同的能级之间跃迁。在通常情况下，因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律，使得处于基态（最低能级）的原子数远远多于处于激发态（较高能级）的原子数，这种情况得不到激光。为了形成足够的激发辐射，得到激光，就必须用一定的方法去激发原子群体，使亚稳态上的原子数目超过基态上的。该过程称为粒子数的反转。例如，氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子中的两个能级实现粒子数反转而获得激光。 光学谐振腔的功能有两个。⑴提供光学正反馈作用，在腔内建立并维持激光振荡过程。激光器内的受激辐射过程通常具有自激振荡的 特点，激活物质的自发辐射，在腔内多次通过处于粒子数反转状态的激活物质，从而不断地受到受激辐射的放大，这就是谐振腔的正反馈作用。它使振荡光束在腔内每运行一次，就获得足够的光增益，以克服腔内的各种光损耗和输出光损耗，形成持续的相干振荡。用光子的概念来说，就是保证振荡光子在腔内有足够长的寿命。腔的这个光学正反馈作用，决定于组成腔的两个镜面的反射率、几何形状和它们的组合方式。⑵产生对实际振荡光束的限制作用，即波型限制作用。从几何光学考虑，只有在一定方向范围内或沿一定光路范围行进的光，才可能在腔内往返足够多的次数。并且，由于多光束干涉效应，沿给定光路或给定方向行进的光束，只有波长或频率满足多光束相长干涉条件的光波，才有可能形成有效的持续振荡。这 限制了振荡光束的方向和频率，即限制了振荡波型（模式）。简言之，光学谐振腔的作用有：①提供反馈能量，②选择光波的方向和频率。