激光产生原理
了解激光产生原理，我们必先了解物质的结构，与激光的辐射和吸收的原理。
图一碳原子示意图
物质由原子组成。图一是一个碳原子的示意图。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。质子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布满着带负电的电子，绕着原子核运动。有趣的是，电子在原子中的能量并不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的「能阶」，不同的能阶对应
于不同的电子能量。为了简单起见，我们可以如图一所示，把这些能阶想象成一些绕着原子核的轨道，距离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道最多可容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道（也是最近原子核的轨道）最多只可容纳2个电子，较高的轨道则可容纳8个电子等等。事实上，这个过份简化了的模型并不是完全正确的［1］，但它足以帮助我们说明激光的基本原理。电子可以透过吸收或释放能量从一个能阶跃迁至另一个能阶。例如当电子吸收了
一个光子［2］时，它便可能从一个较低的能阶跃迁至一个较高的能阶（图二a）。同样地，一个位于高能阶的电子也会透过发射一个光子而跃迁至较低的能阶
（图二b）。在这些过程中，电子吸收或释放的光子能量总是与这两能阶的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。
当原子内所有电子处于可能的最低能阶时，整个原子的能量最低，我们称原子处
于基态。图一显示了碳原子处于基态时电子的排列状况。当一个或多个电子处于较高的能阶时，我们称原子处于受激态。前面说过，电子可透过吸收或释放在能阶之间跃迁。跃迁又可分为三种形式：
1.自发吸收-电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶（图二a）。
2.自发辐射-电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶（图二b）。
3.受激辐射-光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入
射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子（图二c）。
图三红宝石激光的示意图
激光基本上就是由第三种跃迁机制所产生的。图三显示红宝石激光的原理。它由一枝闪光灯，激光介质和两面镜所组成。激光介质是红宝石晶体，当中有微量的铬原子。在开始时，闪光灯发出的光射入激光介质，使激光介质中的铬原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。此时，有些电子会透过释放光子，回到较低的能阶。而释放出的光子会被设于激光介质两端的镜子来回反射，诱发更多的电子进行受激辐射，使激光的强度增加。设在两端的其中一面镜子会把全部光子反射，另一面镜子则会把大部分光子反射，并让其余小部分光子穿过；而穿过镜子的光子就构成我们所见的激光。
图四粒子数反转的状态
产生激光还有一个巧妙之处，就是要实现所谓粒子数反转的状态。以红宝石激光
为例（图四），原子首先吸收能量，跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短，大约？秒后，它便会落到一个称为亚稳态的中间状态。原子停留在亚稳态的时间很长，大约是？秒或更长的时间。电子长时间留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此现象称为粒子数反转。粒子数反转是产生激光的关键，因为它使透过受激辐射由亚稳态回到基态的原子，比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光。
图五普通灯光与激光的比较
激光透过受激辐射产生，有以下三大特性（图五）：
1.?激光是单色的，在整个产生的机制中，只会产生一种波长的光。这与普通的光不同，例如阳光和灯光都是由多种波长的光合成的，接近白光。
2.?激光是相干的，所有光子都有相同的相，相同的偏振，它们迭加起来便产生很大的强度。而在日常生活中所见的光，它们的相和偏振是随机的，相对于激光, 这些光就弱得多了。
3.?激光的光束很狭窄，并且十分集中，所以有很强的威力。相反，灯光分散向各个方向转播，所以强度很低。
以能量划分，激光可大致可分为三类，第一类是低能量激光，这类激光通常以气体为激
光介质，例如在超级市场中常用的条形码扫描仪，就是用氦气和氖气作为激光介质的；第二类是中能量激光，例如在课堂上用的激光指示器；最后一类为高能量激光，一般用半导体作为激光介质，输出的功率可高达500 mW。用于热核聚变实验的激光可发射出时间极短但能量极高的激光脉冲，其脉冲功率竟可达10八14 W!这激光可产生达一亿度的高温，引发微粒状的氘-氚燃料进行热核聚变。
[1]根据量子力学，电子不是在一些明确的轨道上绕原子核运动的，它们的位置只可利用或然率通过薜定谔方程预测。
[2]量子力学说明光也有粒子的性质，特别是在光与原子作用的时候。光的粒子称为光子。
（学习的目的是增长知识，提高能力，相信一分耕耘一分收获，努力
就一定可以获得应有的回报）
激光产生的背景及原理 处于粒子数反转分布状态的工作物质是如何产生激光的呢？激光谐振腔又起什么作用呢？下面就来回答这些问题。如前所述，处于激发态的原子不能长时间停留在高能级。即使没有外界作用，也会自发地由高能级向低能级跃迁，并辐射一个光子。因为原子的这种自发辐射是完全独立的，所以，不同原子发射光子的方向全然不同。刹那间，工作物质中出现沿四面八方传播的光子，假定工作物质具有圆柱形状，这些自发辐射光子必有一部分沿其中心轴的方处于粒子数反转分布状态的工作物质是如何产生激光的呢？激光谐振腔又起什么作用呢？下面就来回答这些问题。 如前所述，处于激发态的原子不能长时间停留在高能级。即使没有外界作用，也会自发地由高能级向低能级跃迁，并辐射一个光子。因为原子的这种自发辐射是完全独立的，所以，不同原子发射光子的方向全然不同。刹那间，工作物质中出现沿四面八方传播的光子，假定工作物质具有圆柱形状，这些自发辐射光子必有一部分沿其中心轴的方向传播，多数则与中心轴有一定夹角。后一类“离心离德”的光子很快从工作物质的侧面逃逸出去，对激光的产生没有多大影响；前一类“同心同德”的光子在沿工作物质中心轴方向运动时，将引起路径上处于高能级原子的受激辐射，产生与其具有相同频率、相同位相，并沿相同方向传播的光子。该光子与诱发它的光子“齐心协力，并肩战斗”，激励其他原子辐射与它们相同的光子。如此下去，使光子数由1到2，由2到4，……以神奇的速度按指数规律增长。更为神奇的是，由于所有这些光子都是逐次受激辐射产生的，这使它们全部具有相同频率、相同初位相、相同偏振态，并沿相同方向传播。 理论上讲，只要工作物质足够长，则不管初始自发辐射有多弱，最终总可以被放大到一定强度。但在实际激光器中，一般来说，工作物质既没有必要，也没有可能特别长（最近发展起来的以光纤为工作物质的激光器是一个例外），通常的做法是在其两端各放一块反射镜，使光得以来回反射多次通过工作物质并被不断放大，为充分利用光能，介质往往被置于一聚光腔体中，后者与端面反射镜共同构成激光谐振腔。 由以上的讨论可以看出，激光作为一种光，与自然界其他发光一样，是由原子（或分子、离子等）跃迁产生的，而且是由自发辐射引起的。不同的是，普通光源自始至终都是由自发辐射产生的，因而含有不同频率（或不同波长、不同颜色）的成分，并向各个方向传播。激光则仅在最初极短的时间内依赖于自发辐射，此后的过程完全由受激辐射决定。正是这一原因，使激光具有非常纯正的颜色，几乎无发散的方向性，极高的发光强度。而正是这些神奇的特性，使激光在各个领域具有一系列令人难以置信而又不得不相信的应用。
激光原理复习 Prepared on 22 November 2020
一. 选择题（单选）（共20分，共10题，每题2分) 1. 下列表达式哪一个不是激光振荡正反馈条件： D 。 A. q kL π22= B. q L C q 2= ν C. q L q 2λ= D. q kL π=2 2. 下列条件哪一个是激光振荡充分必要条件： A 。（δφ为往返相移） A. l r r G q ) ln(,2210- ≥-=απδφ B. 0,2≥?-=n q πδφ C. 0, 20≥?-=n q πδφ D. 0,20≥-=G q πδφ 3. 下列腔型中，肯定为稳定腔的是 C 。 A. 凹凸腔 B. 平凹腔 C. 对称共焦腔 D. 共心腔 4. 下面物理量哪一个与激光器阈值参数无关， D 。 A. 单程损耗因子 B. 腔内光子平均寿命 C. Q 值与无源线宽 D. 小信号增益系数 5. 一般球面稳定腔与对称共焦腔等价，是指它们具有： A 。 A.相同横模 B.相同纵模 C.相同损耗 D . 相同谐振频率 6. 下列公式哪一个可用于高斯光束薄透镜成像 A 其中if z q +=，R 为等相位面曲率半径，L 为光腰距离透镜距离。 A ． F q q 11121=-；B. F R R 11121=-；C. F L L 11121=-；D.F L L 11121=+ 7. 关于自发辐射和受激辐射，下列表述哪一个是正确的 C 。 A. 相同两能级之间跃迁，自发辐射跃迁几率为零，受激辐射跃迁几率不一定为零； B. 自发辐射是随机的，其跃迁速率与受激辐射跃迁速率无关； C. 爱因斯坦关系式表明受激辐射跃迁速率与自发辐射跃迁速度率成正比；
物理专业2006级本科《激光原理及应用》期末试题（A卷答案） 一、简答题 1.激光器的基本结构包括三个部分，简述这三个部分 答：激光工作物质、激励能源（泵浦）和光学谐振腔； 2.物质的粒子跃迁分辐射跃迁和非辐射跃迁，简述这两种跃迁的区别。 答：粒子能级之间的跃迁为辐射跃迁，辐射跃迁必须满足跃迁定则；非辐射跃迁表示在不同的能级之间跃迁时并不伴随光子的发射或吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给他的能量。 3.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。 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。多普勒加宽和固体晶格缺陷属于非均匀加宽。 4.简述均匀加宽的模式竞争 答：在均匀加宽的激光器中，开始时几个满足阈值条件的纵模在振荡过程中相互竞争，结果总是靠近中心频率的一个纵模获胜，形成稳定的振荡，其他的纵模都被抑制而熄灭。 这种情况叫模式竞争。 5.工业上的激光器主要有哪些应用为什么要用激光器 答：焊接、切割、打孔、表面处理等等。工业上应用激光器主要将激光做热源，利用激光的方向性好，能量集中的特点。 6.说出三种气体激光器的名称，并指出每一种激光器发出典型光的波长和颜色。 答：He-Ne激光器，（红光），Ar+激光器，（绿光），CO2激光器，μm（红外） 7.全息照相是利用激光的什么特性的照相方法全息照相与普通照相相比有什么特点 答：全息照相是利用激光的相干特性的。全息照片是三维成像，记录的是物体的相位。 二、证明题：（每题6分，共18分） 1.证明：由黑体辐射普朗克公式 3 3 81 1 h KT h c e νν πν ρ= - 导出爱因斯坦基本关系式： 3 21 3 21 8 A h n h B cν πν ν== 三、计算题 1．由两个凹面镜组成的球面腔，如图。凹面镜的曲率半径分别为2m、3m，腔长为1m。发光波长600nm。 （1）求出等价共焦腔的焦距f；束腰大小w0及束腰位置； （2）求出距左侧凹面镜向右米处的束腰大小w及波面曲率半径R； 解: (0) 激光腔稳定条件
激光产生原理 了解激光产生原理，我们必先了解物质的结构，与激光的辐射和吸收的原理。 图一碳原子示意图 物质由原子组成。图一是一个碳原子的示意图。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。质子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布满着带负电的电子，绕着原子核运动。有趣的是，电子在原子中的能量并不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的「能阶」，不同的能阶对应于不同的电子能量。为了简单起见，我们可以如图一所示，把这些能阶想象成一些绕着原子核的轨道，距离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道最多可容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道 (也是最近原子核的轨道) 最多只可容纳 2 个电子，较高的轨道则可容纳 8 个电子等等。事实上，这个过份简化了的模型并不是完全正确的 [1]，但它足以帮助我们说明激光的基本原理。 电子可以透过吸收或释放能量从一个能阶跃迁至另一个能阶。例如当电子吸收了一个光子 [2] 时，它便可能从一个较低的能阶跃迁至一个较高的能阶 (图二 a)。同样地，一个位于高能阶的电子也会透过发射一个光子而跃迁至较低的能阶 (图二 b)。在这些过程中，电子吸收或释放的光子能量总是与这两能阶的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。 图二原子内电子的跃迁过程
当原子内所有电子处于可能的最低能阶时，整个原子的能量最低，我们称原子处于基态。图一显示了碳原子处于基态时电子的排列状况。当一个或多个电子处于较高的能阶时，我们称原子处于受激态。前面说过，电子可透过吸收或释放在能阶之间跃迁。跃迁又可分为三种形式﹕ 1.自发吸收 - 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶 (图二 a)。 2.自发辐射 - 电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶 (图二 b)。 3.受激辐射 - 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子 (图二 c)。 图三红宝石激光的示意图 激光基本上就是由第三种跃迁机制所产生的。图三显示红宝石激光的原理。它由一枝闪光灯，激光介质和两面镜所组成。激光介质是红宝石晶体，当中有微量的铬原子。在开始时，闪光灯发出的光射入激光介质，使激光介质中的铬原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。此时，有些电子会透过释放光子，回到较低的能阶。而释放出的光子会被设于激光介质两端的镜子来回反射，诱发更多的电子进行受激辐射，使激光的强度增加。设在两端的其中一面镜子会把全部光子反射，另一面镜子则会把大部分光子反射，并让其余小部分光子穿过﹔而穿过镜子的光子就构成我们所见的激光。 图四粒子数反转的状态 产生激光还有一个巧妙之处，就是要实现所谓粒子数反转的状态。以红宝石激光为例 (图四)，原子首先吸收能量，跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短，大约?秒后，它便会落
一、激光基本原理 1、 LASER 是什么意思 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通过诱导放出实现光能增幅的英语开头字母 2、激光产生的原理 激光――“受激辐射放大”是通过强光照射激光发生介质,使介质内部原子的电子获得能量,受激而使电子运动轨道发生迁移,由低能态变为高能态。处于激发态的原子,受外界辐射感应,使处于激发态的原子跃迁到低能态,同时发出一束光;这束光在频率、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致,此时的光为受激辐射光。 为了得到高能量密度、高指向性的激光,必须要有封闭光线的谐振腔,使观光束在置于激光发生介质两侧的反射镜之间往复振荡,进而提高光强,同时提高光的方向性。含有钕 (ND的 YAG 结晶体发生的激光是一种人眼看不见的波长为 1.064um 的近红外光。这种光束在微弱的受激发情况下,也能实现连续发振。 YAG 晶体是宝石钇铝石榴石的简称,具有优异的光学特性,是最佳的激光发振用结晶体。 3、激光的主要特长 a 、单色性――激光不是已许多不同的光混一合而成的,它是最纯的单色光 (波长、频率 b 、方向性――激光传播时基本不向外扩散。 c 、相干性――激光的位相 (波峰和波谷很有规律,相干性好。 d 、高输出功率――用透镜聚焦激光后,所得到的能量密度是太阳光的几百倍。 二、 YAG 激光焊接
激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功么密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内,在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区,从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。 常用的激光焊接方式有两种:脉冲激光焊和连续激光焊。前者主要用于单点固定连续和薄件材料的焊接。后者主要用于大厚件的焊接和切割。 l 、激光焊接加工方法的特征 A 、非接触加工,不需对工件加压和进行表面处理。 B 、焊点小、能量密度高、适合于高速加工。 C 、短时间焊接,既对外界无热影响,又对材料本身的热变形及热影响区小,尤其适合加工高熔点、高硬度、 特种材料。 D 、不需要填充金属、不需要真空环境 (可在空气中直接进行、不会像电子束那样在空气中产生 X 射线的危险。 E 、与接触焊工艺相比 . 无电极、工具等的磨损消耗。 F 、无加工噪音,对环境无污染。 G 、微小工件也可加工。此外,还可通过透明材料的壁进行焊接。 H 、可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接。 I 、很容易改变激光输出焦距及焊点位置。 J 、很容易搭载到自动机、机器人装置上。
固体激光器原理及应用 摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，最后介绍其在监测，检测，制造业，医学，航天等五个方面的应用及未来的发展方向。 关键词：固体激光器基本原理基本结构应用 1激光与激光器 1.1激光 1.1.1激光（LASER） 激光是在 1960 年正式问世的。但是，激光的历史却已有 100多年。确切地说，远在 1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。 1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。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”。 1.1.2产生激光的条件 产生激光有三个必要的条件： 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高单色性。 1.1.3激光的特点 与普通意义上的光源相比较，激光主要有四个显著的特点：方向性好、亮度极高、单色性好、相干性好。
激光的产生原理及其应用 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
分类号： 学号： 甘肃民族师范学院 年论文 系别：物理与水电工程系 专业：物理学 姓名：张金德 学号： 指导教师：苏成仁 职称：副教授 日期：二〇一三年十二月十日 激光的产生原理及其应用 摘要：当前激光技术发展的越来越迅速和成熟，在我们生活中的各个行业应用的非常广泛。由于激光技术的先进性，精确性，所以在当前，在很多行业都得以应用和实现。本文通过对激光技术的学习，大概阐述了激光产生原理，以及激光在各个方面的应用。 关键词：激光原理跃迁谐振腔应用受激放大
Abstract: The currentdevelopment of laser technology:more and more rapidlyand mature,widelyused invariousindustriesin our to the advanced nature,the accuracy oflasertechnology,soin the current,inmany industriestoapplication and on thelasertechnology,thelaser generatedaboutprinciple,andapplication of laserin the various aspects of the. Keywords: Laser Principle Transition Resonant cavity Application The stimulated amplification 一、激光的简介 激光是在1960年正式问世的。但是，激光的历史却已有100多年。确切地说，远在 1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之 间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为 未来发明激光发现了一个极为重要的现象。1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念， 奠定了激光的理论基础。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，在高能级上的电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”。 激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。激光的 英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国着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”。它的亮度约为太阳 光的100亿倍。 二、激光的产生原理 激光要实现的是光子受激放大辐射。首先原子要产生光子，而且是从高能级向低 能级跃迁，同时把变化的能量以光子的形式释放出来，这是激光形成的基础。然后，要 对光子数密度进行不断放大，很快将极强的激光震荡而输出。 但是，在一般情况下，自发辐射的几率远远大于受激辐射几率，而且通过提高温度 的办法使得受激辐射超过自发辐射是不可能的，这就需要能够容易产生光子的激光工作
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Keywords (1) 1引言 (2) 2激光 (2) 2.1激光产生的三个条件 (3) 2.2激光的特点 (3) 2.3激光器 (3) 3 CO2激光器的原理 (5) 3.1 CO2激光器的基本结构 (5) 3.2 CO2激光器基本工作原理 (7) 3.3 CO2激光器的优缺点 (8) 4 CO2激光器的应用 (9) 4.1军事上的应用 (9) 4.2医疗上的应用 (10) 4.3工业上的应用 (12) 5 CO2激光器的研究现状与发展前景 (14) 5.1 CO2激光器的研究现状 (14) 5.2 CO2激光器的发展前景 (15) 6 结束语 (17) 参考文献 (19) 致谢 (20)
摘要：本文从引言出发介绍了CO2激光技术的基本情况，简单介绍了激光和激光器的一些特点，重点介绍了气体激光器中的CO2激光器的相关应用，目前CO2激光器是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的高功率、高质量等优点。论文首先介绍了应用型CO2激光器的基本结构和工作原理，着重介绍了应用型CO2激光器在军事、医疗和工业三个主要领域的应用，最后介绍应用型CO2激光器的研究前景和现状。通过这些介绍使得人们能够加深对CO2激光器的了解和认识。 关键词: CO2激光器；基本原理；基本结构；应用； Abstract: This departure from the introduction of CO2 laser technology, introduced the basic situation, briefly introduced some of the characteristics of laser and laser to highlight the CO 2gas laser in laser-related applications, the current CO 2 laser was one of the most extensive laser, it had some very prominent high-power, high quality and so on. Paper introduced the application of CO 2 laser-type basic structure and working principle, focusing on the application type CO 2 laser in the military, medical and industrial application of the three main areas, Finally, applied research prospects for CO 2 laser and status. Through these presentations allowed people to deepen their knowledge and understanding of CO s lasers. Keywords:CO2Laser Basic Principle Basic Structure Application
激光加工原理 激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。 目前，公认的激光加工原理是两种：分别为激光热加工和光化学加工(又称冷加工)。 激光热加工指当激光束照射到物体表面时，引起快速加热，热力把对象的特性改变或把物料熔解蒸发。 热加工具有较高能量密度的激光束（它是集中的能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面（或涂层）温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象。 光化学加工指当激光束加于物体时，高密度能量光子引发或控制光化学反应的加工过程。 冷加工具有很高负荷能量的（紫外）光子，能够打断材料（特别是有机材料）或周围介质内的化学键，至使材料发生非热过程破坏。这种冷加工在激光标记加工中具有特殊的意义，因为它不是热烧蚀，而是不产生“热损伤”副作用的、打断化学键的冷剥离，因而对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用。例如，电子工业中使用准分子激光器在基底材料上沉积化学物质薄膜，在半导体基片上开出狭窄的槽。
第一版激光加工简介 激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。 由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特性，因此就给激光加工带来一些其它加工方法所不具备的特性。由于它是无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形；激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件；激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小。因此，其热影响的区小工件热变形小后续加工最小；由于激光束易于导向、聚焦、实现方向变换，极易与数控系统配合、对复杂工件进行加工因此它是一种极为灵活的加工方法；生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。 激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。 第二版激光加工原理 激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。 目前，公认的激光加工原理是两种：分别为激光热加工和光化学加工(又称冷加工)。 激光热加工指当激光束照射到物体表面时，引起快速加热，热力把对象的特性改变或把物料熔解蒸发。 热加工具有较高能量密度的激光束（它是集中的能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面（或涂层）温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象。
第一章激光器原理 可以肯定地说：本世纪最后的伟大发明之一是激光技术。它自一九五八年问世以来，已经逐步地然而是坚定地渗透到了科研、军事、工业等各个领域。不是吗？看看我们的周围，你就可以轻易地找到它应用的实例：医院中的激光诊断及激光治疗机、商店中的条码识别器、办公室中的激光打印机、把我们与世界各地联结在一起的光纤等等，就是在我们的家中也有它的身影：激光唱机、激光影碟机。 人类发明了多种多样的激光器。诸如：气体激光器（He-Ne激光器、CO2激光器等）、固态晶体激光器（红宝石激光器、钕玻璃激光器等）、离子激光器（氪离子激光器、氩离子激光器等）、染料激光器（甲酚紫激光器、萤光素激光器等）、超辐射激光器（氮分子激光器等）以及半导体激光器（砷化镓半导体二极管等）等等。 在世界的许多地方，几乎所有的商品激光器都在制造业中得到越来越广泛的应用。CO2激光器的主要用途就是各类工业激光加工设备，作为固态晶体激光器的Nd: YAG（掺钕钇铝石榴石）激光器的最大应用便是在激光打标领域。 1.1 激光原理 我们知道，物质是由原子组成的，而原子是由带正电的原子核和带负电的核外电子组成的（见图1.1）。每一个电子都沿着自己特定的轨道绕原子核高速旋转，其旋转半径决定于电子所处的能级。原子吸收能量后，电子的旋转半径会增加，电子的能级就会提高；原子释放能量后，电子的旋转半径会减小，电子的能级就会降低。每个能级对应着一个特定的能量。电子所具有的能量是不连续的，也就是说原子的能级是量子化的。原子只有吸收了两个能级之间差值的能量才会提高一个能级，电子在能级之间的变动现象称为跃迁。同样，当原子跃迁到较低能级时，会释放出两个能级之间差值的能量。原子的最低能级为E0，高的能级依次为E1、E2、E3、……，高的能级称为上能级，低的能级为下能级。处在能级E0的原子称为基态原子，其它能级称为激发态（见图1.2）。 原子可以吸收光子来获得能量，当然这个光子必须具有与原子能级差相
激光切割技术的原理及应用 1. 激光切割技术简介 (2) 1.1激光切割技术概述 (2) 1.2激光切割技术的原理 (4) 1.3激光切割技术的发展历史 (5) 2.激光切割的特点 (6) 2.1激光切割的总体特点 (6) 2.2 CO2激光切割技术的特点 (7) 2.3半导体激光切割机 (8) 2.4光纤激光切割机 (8) 3. 激光切割技术的应用及发展前景 (10) 3.1激光切割技术的市场现状 (10) 3.2激光切割技术的应用 (12) 结论 (13)
激光切割技术的原理及应用 材料12A文修曜 摘要 激光加工技术是一种先进制造技术，而激光切割是激光加工应用领域的一部分，激光切割是当前世界上先进的切割工艺。由于它具备精密制造、柔性切割、异型加工、一次成形、速度快、效率高等优点，所以在工业生产中解决了许多常规方法无法解决的难题。激光能切割大多数金属材料和非金属材料。 Abstract The laser processing technology is a kind of advanced manufacturing technology, and laser cutting is part of the laser processing applications, laser cutting is the current advanced cutting technology in the world.Because it has flexible cutting, stone processing, precision manufacturing, a forming, fast speed, higher efficiency, so in industrial production solved many conventional methods cannot solve the problem.Can laser cutting most of the metal materials and nonmetal materials. 关键词：激光切割的原理；激光切割的分类及特点；激光切割技术的应用 1.激光切割技术简介 1.1激光切割技术概述 激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术。它占整个激光加工业的70%以上。激光切割与其他切割方法相比，最大区别是它具有高速、高精度及高适应性的特点。同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切割过程容易实现自动化控制等优点。激光切割板材时，不需要模具，可以替代
激光产生原理 一、激光产生原理 要学习激光原理我们需要先了解以下这些概念 1能级 物质是由原子组成，而原子又是由原子核及电子构成。电子围绕着原子核运动。而电子在原子中的能量不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的“能级”，不同的能级对应于不同的电子能量，离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道可最多容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道（也是最近原子核的轨道）最多只可容纳2个电子，较高的轨道上则可容纳8个电子等等。 2、跃迁 电子可以通过吸收或释放能量从一个能级跃迁到另一个能级。例如当电子吸收了一个光子时，它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级。同样地，一个位于高能级的电子也会通过发射一个光子而跃迁至较低的能级。在这些过程中，电子释放或吸收的光子能量总是与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。 3、自发辐射 指高能级的电子在没有外界作用下自发地迁移至低能级，并在跃迁时产生光（电磁波）辐射，辐射光子能量为hv=E2-E1，即两个能级之间的能量差。这种辐射的特点是每一个电子的跃迁是自发的、独立进行的，其过程全无外界的影响，彼此之间也没有关系。因此它们发出的光子的状态是各不相同的。这样的光相干性差，方向散乱。 4、受激吸收 受激吸收就是处于低能态的原子吸收外界辐射而跃迁到高能态。电子可通过吸收光子从低能级跃迁到高能级。普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等的发光）都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。 5、受激辐射 受激辐射是指处于高能级的电子在光子的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了，或者说光被放大了。这正是产生激光的基本过程。 光子射入物质诱发电子从高能级跃迁到低能级，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相位，此波长对应于两个能级的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子。 6、受激吸收和受激辐射之间的关系 那么到底原子吸收外来的光子后，是表现为受激吸收呢还是受激辐射呢？ 在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处于低能级。而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也可能被低能级的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。 如果想获得越来越强的光，也就是说产生越来越多的光子，就必须要使受激辐射产生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎样才能做到这一点呢？我们知道，光子对于高低能级的原子是一视同仁的。在光子作用下，高能级原子产生受激辐射的机会和低能级的原子产生受激吸收的机会是相同的。这样，是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原子数量之比。 若位于高能态的原子远远多于位于低能态的原子，我们就得到被高度放大的光。但是，在通
《激光原理》复习 第一章激光的基本原理 1、自发辐射受激辐射受激吸收的概念及相互关系 2、激光器的主要组成部分有哪些？并描述各个部分的基本作用。激光器有哪些类型？如何对激光器进行分类。 3、什么是光波模式和光子状态？光波模式、光子状态和光子的相格空间是同一概念吗？何谓光子的简并度？ 4、如何理解光的相干性？何谓相干时间，相干长度、面积和体积？如何理解激光的空间相干性与方向性，如何理解激光的时间相干性？如何理解激光的相干光强？ 5、EINSTEIN系数和EINSTEIN关系的物理意义是什么？如何推导出EINSTEIN 关系？ 4、产生激光的几个必要条件是什么？什么是热平衡时能级粒子数的分布？ 5、什么是粒子数反转，如何实现粒子数反转？ 6、如何定义激光增益，什么是小信号增益？什么是增益饱和？ 7、什么是自激振荡？产生激光振荡的基本条件是什么？ 8、如何理解激光的模式：横模、纵模？ 第二章开放式光腔与高斯光束 1、描述激光谐振腔和激光镜片的类型？什么是谐振腔的谐振条件？ 2、如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目？ 3、如何理解无源谐振腔的损耗和Q值？在激光谐振腔中有哪些损耗因素？什么是腔的菲涅耳数，它与腔的损耗有什么关系？ 4、写出（1）光束在自由空间的传播；（2）薄透镜变换；（3）凹面镜反射；（4）介质中传播等的射线光学矩阵 5、什么是激光谐振腔的稳定性条件？ 6、什么是自再现模，自再现模是如何形成的？ 7、写出菲涅耳-基尔赫夫方程，并说明每一项的物理意义 8、画出圆形镜谐振腔和方形镜谐振腔前几个模式的光场分布图，并说明意义 9、基模高斯光束的主要参量：束腰光斑的大小，束腰光斑的位置，镜面上光斑的大小？任意位置激光光斑的大小？等相位面曲率半径，光束的远场发散角，模体积 10、如何理解一般稳定球面腔与共焦腔的等价性？如何计算一般稳定球面腔中高斯光束的特征 11、高斯光束的特征参数？q参数的定义？ 12、如何用ABCD方法来变换高斯光束？ 13、非稳定腔与稳定腔的区别是什么？举例说明哪些是非稳定腔。 14、激光器输出横模和纵模如何确定。 第三章电磁场与物质的共振相互作用 1、什么是谱线加宽？有哪些加宽的类型，它们的特点是什么？如何定义线宽和线型函数？什么是均匀加宽和非均匀加宽？它们各自的线型函数是什么？ 2、自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽与哪些因素有关？ 3、能级光学跃迁的速率方程，并考虑连续谱和单色谱光场与物质的作用和工作物质的线型函数。 4、画出激光三能级和四能级系统图，描述相关能级粒子的激发和去激发过程。
编号 赣南师范学院学士学位论文固体激光器原理及应用 教学学院物理与电子信息学院 届别 2010届 专业电子科学与技术 学号 060803013 姓名丁志鹏 指导老师邹万芳 完成日期 2010.5.10
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1) 1引用 (2) 2激光与激光器 (2) 2.1激光 (2) 2.2激光器 (3) 3固体激光器 (4) 3.1工作原理和基本结构 (4) 3.2典型的固体激光器 (8) 3.3典型固体激光器的比较 (11) 3.4固体激光器的优缺点 (12) 4固体激光器的应用 (13) 4.1军事国防 (13) 4.2工业制造 (15) 4.3医疗美容 (17) 5结束语 (17) 参考文献 (19)
摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用，更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，接着介绍一些典型的固体激光器，最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。 关键词：固体激光器基本原理基本结构应用 Abstract:Solid-state laser is currently one of the most extensive laser,it has some very obvious advantages.The working principle of solid-state lasers and applications were described in the paper and it can enhance the understanding.In this paper, starting with the basic principles and structure of the introduced solid-state laser,and then some typical solid-state lasers and a presentation on its military defense,industrial technology,medical and cosmetic applications in three areas and future development direction were introduced. Key words:Solid-state Laser Basic Principle Basic Structure Application
激光产生原理 集团公司文件内部编码：（TTT-UUTT-MMYB-URTTY-ITTLTY-
激光产生原理 了解激光产生原理，我们必先了解物质的结构，与激光的辐射和吸收的原理。 图一碳原子示意图 物质由原子组成。图一是一个碳原子的示意图。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。质子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布满着带负电的电子，绕着原子核运动。有趣的是，电子在原子中的能量并不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的「能阶」，不同的能阶对应于不同的电子能量。为了简单起见，我们可以如图一所示，把这些能阶想象成一些绕着原子核的轨道，距离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道最多可容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道(也是最近原子核的轨道)最多只可容纳2个电子，较高的轨道则可容纳8个电子等等。事实上，这个过份简化了的模型并不是完全正确的[1]，但它足以帮助我们说明激光的基本原理。电子可以透过吸收或释放能量从一个能阶跃迁至另一个能阶。例如当电子吸收了一个光子[2]时，它便可能从一个较低的能阶跃迁至一个较高的能阶(图二a)。同样地，一个位于高能阶的电子也会透过发射一个光子而跃迁至较低的能阶(图二b)。在这些过程中，电子吸收或释放的光子能量总是与这两能阶的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。 图二原子内电子的跃迁过程 当原子内所有电子处于可能的最低能阶时，整个原子的能量最低，我们称原子处于基态。图一显示了碳原子处于基态时电子的排列状况。当一个或多个电子处于较高的能阶时，我们称原子处于受激态。前面说过，电子可透过吸收或释放在能阶之间跃迁。跃迁又可分为三种形式﹕ 1.自发吸收-电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶(图二a)。 2.自发辐射-电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶(图二b)。
激光机简介 激光机大致分为三大部分组成：1、机械结构2、光电结构3、控制系统 一、机械结构：由机身、工作平台、导轨滑块、皮带（或丝杠或齿轮齿条）、传动轴等 1、导轨滑块分类以及作用：滚珠直线方轨、滚轮直线导轨。用于直线往复运动，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。 滚珠直线方轨：速度慢，精度较高。 滚轮直线导轨：即外滑轨、内滑轨。速度快，精度稍低。 咱们机器常用滑块品牌：台湾上银（HIWIN）、台湾银泰PMI等。 2、皮带：间隙和弹性大使精度稍低，使用寿命短。皮带传动，传动平稳。 3、丝杠：分为普通丝杠和滚珠丝杠，其中滚珠丝杠精度最高，价格比较贵，普通丝杠相对精度低，价格也便宜。丝杠的应用是将旋转运动通过丝母转变为直线运动。丝杠传动，钢性较好，可以传递较大扭力，位置准确。 单丝杠与双丝杠的优缺点： 单丝杠：安装维护方便，造价低。但是受力点不好设计，运行的时候容易产生扭转力矩，从而影响机床的运行精度。 双丝杠：减少或消除不良力矩对机器运行精度的影响，因为是两根丝杠同时受力，所以单根丝杠受到的负载降低，有利于提高机器的运行速度和使用寿命。 齿轮齿条：在某些大型雕刻机上应用比较多，相对要求精度不高，但速度快、力量大。 二、光电部分：由激光管、光学反射镜、聚焦镜、激光电源以及配电柜组成。 1、激光管：分为CO2玻璃管、CO2射频管、光纤、YAG、半导体。 CO2激光管：主要应用与非金属材料的雕刻和切割。常用硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。最里面一层是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管（就是咱们现在用的玻璃管）。 CO2射频管：主要也是应用于非金属材质。和CO2玻璃管相比较使用寿命可以达到4万个小时左右，而普通玻璃管的寿命是3000个小时，热刺管10000个小时。射频管的光斑只有0.07MM受热面积小雕刻更加精细。玻璃管的光斑是0.25MM。 小功率的光纤、YAG、半导体（例如：10W、20W、50W)由于它们的光斑比较小精度比较高所以常常应用在激光打标机。 大功率的光纤、YAG（如、200W、400W、500W)用于金属激光切割机。
激光基本原理 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。对轨道角动量，波尔曾给出了量子化公式Ln＝nh，但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。严格的能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理论来推导。 量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l（角动量量子数）量子数相差±1的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。但是，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。这种过程是被“激”出来的，故称受激辐射。 受激辐射的概念世爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时，第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的基础。 受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量hυ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。