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激光原理_第三章激光原理第三章主要涉及激光和光学腔的特性以及激光光束的聚焦、散焦以及其应用。
第一节中，我们将讨论激光器和光学腔的特性。
激光器是产生激光的重要设备，它包括三个基本部分：能够将电能转化为光能的活性介质、激活活性介质的能量源以及谐振腔。
激光器的原理是通过在活性介质中加入能量，使活性原子或分子跃迁到激发态，然后通过受激辐射释放光子，并进一步激发周围的活性原子或分子，从而实现光的倍增。
在光学腔方面，我们将讨论两个关键特性：腔长度和腔的几何形状。
腔长度对激光的频率起着决定性的作用，而腔的几何形状则决定了激光的模式。
第二节中，我们将介绍激光光束的聚焦和散焦。
激光光束的聚焦是通过使用透镜或其他透镜系统实现的。
透镜的焦距决定了光束的聚焦程度，而透镜的直径决定了光束的聚焦区域的大小。
同时，我们还将讨论光束的散焦现象，即光束随着传播距离的增加逐渐扩散。
散焦现象的产生是因为光束在传播过程中受到了折射、散射和衍射的影响。
第三节中，我们将探讨激光的应用。
激光在许多领域中都有广泛的应用，包括通信、测量、医学、材料加工等。
在通信领域，激光被用于传输信息，其高密度和高速度的特性使其成为一种理想的通信媒介。
在医学领域，激光被用于进行手术和治疗，例如激光手术可以实现精确的切割和无创伤的治疗。
在材料加工领域，激光能够实现高精度的切割、焊接和打孔，被广泛应用于工业制造。
总的来说，激光原理第三章主要涉及激光器和光学腔的特性，包括激光光束的聚焦和散焦，以及激光的应用。
通过学习这些内容，我们可以更好地理解激光的原理和性能，从而更好地应用于实际生活和工作中。
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。
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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。
激光原理总结⼀共四章§Chapter 1爱因斯坦系数/激光产⽣条件/激光结构/激光优点1. ⾃发辐射: 上能级粒⼦，⾃发地从E2能级跃迁到E1能级，并辐射出光⼦2. 受激辐射: 上能级粒⼦，遇到能量等于能级差的光⼦，在光⼦激励下，粒⼦从E2能级跃迁到E1能级，并辐射出⼀个与⼊射光⼦完全相同的光⼦3. 受激吸收: 下能级粒⼦，遇到能量等于能级差的光⼦，在光⼦激励下，粒⼦从E1能级跃迁到E2能级，并吸收⼀个⼊射光⼦三个爱因斯坦系数：dn21=A21n2dt(⾃发辐射)dn′21=B21n2ρv dt(受激辐射)dn12=B12n1ρv dt(受激吸收)三个爱因斯坦系数的关系：A21 B21=8πhν3 c3B12g1=B21g2粒⼦数反转分布状态:dn′21 dn12=g1n2g2n1>1受激辐射⼤于受激吸收,打破波尔兹曼分布。
此时可称“得到增益”。
⽽普通情况下，受激辐射/⾃发辐射较⼩（计算参看讲义）。
总结：产⽣激光的基本条件是“粒⼦数反转分布和增⼤⼀⽅向上的光能密度”激光器的基本结构：1. ⼯作物质：增益介质/粒⼦数反转/上能级为亚稳态2. 激励装置：能源/光/电3. 谐振腔：反馈/光强/模式三能级系统：亚稳态寿命长，阈值⾼，转换效率低。
如红宝⽯激光器四能级系统：阈值低，连续运转，⼤功率。
如He-Ne激光器的优点：1. 相⼲性好：受激辐射的光具有相⼲性，相⼲长度L c=λ2Δλ，相⼲时间τ=L cc2. ⽅向性好：谐振腔3. 单⾊性好4. 亮度⾼：受激辐射的光强⼤§Chapter 2稳定性/模式分析/⾼斯光束腔的分类参考Ch2-P1光腔的稳定性条件：傍轴模在腔内往返⽆限多次不逸出腔外,数学形式如下g 1=1−L R 1,g 2=1−L R 20≤g 1g 2≤1按照稳定性得到三种腔♥0<g 1g 2<1稳定腔♥g 1g 2=0org 1g 2=1临界腔♥g 1g 2<0org 1g 2>1⾮稳腔 ♥ ♥ ♥ ♥♥ ♥ bbx ♥ nnx 图解法判断腔的稳定条件Ch2-P2⽤上述条件判断各种腔的稳定性，注意曲率R 的⽅向"凹⾯向着腔内时(凹⾯镜)，R >0；凸⾯向着腔内时(凸⾯镜)，R <0"。
产生激光的三个必要条件激光（Laser）是一种特殊的光源，具有高亮度、高单色性和高相干性等独特的特点。
要产生激光，需要满足三个必要条件。
本文将详细介绍这三个必要条件，并解释其原理和作用。
一、粒子的受激辐射粒子的受激辐射是产生激光的第一个必要条件。
当原子或分子处于激发态时，它们具有较高的能量。
当外界能量作用于这些激发态粒子时，它们可能发生跃迁，从而回到低能量的基态。
在这个过程中，粒子会释放出辐射能量，这种辐射即为受激辐射。
在产生激光的过程中，通过给粒子提供能量，使它们处于激发态。
当粒子回到基态时，将会释放出光子。
这些光子具有相同的频率和相位，从而形成一束高相干的激光。
因此，粒子的受激辐射是产生激光的首要条件。
二、反馈机制反馈机制是产生激光的第二个必要条件。
在激光器中，光通过一个光学共振腔多次来回反射，这样就形成了一个反馈环路。
反射光线经过增益介质时，会激发更多的粒子跃迁到激发态，并产生更多的受激辐射。
这些受激辐射光线又会被反射回来，继续激发更多的粒子，形成更多的受激辐射。
通过不断的反射和受激辐射，光线的强度和频率不断增强，最终形成一束高强度、单色性良好的激光。
因此，反馈机制是产生激光的重要条件之一。
三、增益介质增益介质是产生激光的第三个必要条件。
增益介质是激光器中的一个重要组成部分，它能够提供足够的能级差，使得粒子能够在受激辐射中得到充分的激发。
常见的增益介质包括固体、液体和气体等。
在固体激光器中，常用的增益介质有Nd:YAG和Nd:YVO4等。
在液体激光器中，常用的增益介质有染料溶液。
在气体激光器中，常用的增益介质有二氧化碳和氩离子等。
增益介质的作用是提供足够的粒子数，使得受激辐射能够发生，并且能够形成一束高强度的激光。
因此，增益介质是产生激光的不可或缺的条件。
产生激光的三个必要条件分别是粒子的受激辐射、反馈机制和增益介质。
这三个条件相互促进、相互作用，共同实现激光的产生。
激光的独特性质使其在科学研究、医疗、工业制造等领域有着广泛的应用前景。
激光原理重要知识点总结一、光的增益作用光的增益作用是指当激光器原子、分子或离子受到外界激励时，电子由基态跃迁到激发态的过程，然后通过受激辐射过程，释放出同频的光子，光子与原子、分子或离子碰撞后，再次受激辐射产生的光子数量比刚开始辐射的光子相同，这样逐渐增加，形成激光。
1. 受激辐射当自由的电子和可激发的原子或离子发生碰撞时，后者的电子可以从较低的激发态跃迁到高的激发态，此时发射的辐射光子就与入射的引激光的频率相同。
这种过程称为受激辐射。
2. 反转分布在激光器的工作状态下，使激光材料中原子、分子或离子的激发态的密度大于基态的密度，这种特殊的能级布局称为反转分布。
只有当反转分布具有足够的时间持续性，才能形成激光输出。
二、激光共振腔激光共振腔是由两个反射镜构成的，其中一个为半透反射镜，另一个为全反射镜。
它的主要功能是将光共振在腔内，使得只有与激光器频率一致的光才得以通过反射镜输出，而其它频率的光则在腔内循环反射，形成激光输出。
激光腔外的泵浦装置则通过激发工作物质的原子或离子的跃迁将能量传递给激光材料，使得激光器能够继续工作。
三、激光输出当光共振在激光器内部形成激光，并且通过激光腔的半透反射镜输出激光后，激光通过调制器、色散系统、光阑以及辐射器等设备，再通过光阑进行空间裁剪，在目标面形成所需要的光斑。
激光在输出过程中还需要考虑各种参数的调节和控制，以保证激光输出质量。
总的来说，激光技术以其高亮度、高品质、高能量密度、高单色性、高直线偏振度和相干度等优异的特性，已经在通信、医学、材料加工、军事、精密定位等领域得到了广泛的应用。
同时，激光技术的应用也在不断地拓展中，为各行各业带来更多的机遇和挑战。
激光的基本原理和特性激光的基本原理1、自发辐射与受激辐射自发辐射是在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级向低能级跃迁，同时辐射出一光子。
hn=E2-E1。
设发光物质单位体积中处于能级E1，E2的原子数分别为N1，N2，则单位时间内从E2向E1自发辐射的原子数为A21为自发辐射概率（自发跃迁率）：表示一个原子在单位时间内从E2自发辐射到E1的概率。
处于高能级E2上的原子，受到能量为hn= E2- E1的外来光子的激励，由高能级E2受迫跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与激励光子全同的光子。
称为受激辐射。
W21为表示一个原子在单位时间内从E2受激辐射跃迁到E1的概率。
2、光学谐振腔在激光器中利用光学谐振腔来形成所要求的强辐射场，使辐射场能量密度远远大于热平衡时的数值，从而使受激辐射概率远远大于自发辐射概率。
光学谐振腔的主要部分是两个互相平行的并与激活介质轴线垂直的反射镜，有一个是全反射镜，另一个是部分反射镜。
在外界通过光、热、电、化学或核能等各种方式的激励下，谐振腔内的激活介质将会在两个能级之间实现粒子数反转。
这时产生受激辐射，在产生的受激辐射光中，沿轴向传播的光在两个反射镜之间来回反射、往复通过已实现了粒子数反转的激活介质，不断引起新的受激辐射，使轴向行进的该频率的光得到放大，这个过程称为光振荡。
这是一种雪崩式的放大过程，使谐振腔内沿轴向的光骤然增强，所以辐射场能量密度大大增强，受激辐射远远超过自发辐射．这种受激的辐射光从部分反射镜输出，它就是激光。
沿其他方向传播的光很快从侧面逸出谐振腔，不能被继续放大。
而自发辐射产生的频率也得不到放大。
因此，从谐振腔输出的激光具有很好的方向性和单色性。
3、粒子数反转受激吸收与E1的原子数N1成正比，受激辐射与E2的原子数N2成正比。
当N2《N1时发生受激辐射远少于发生受激吸收，是不可能实现光放大的．要实现光放大，必须采取特殊措施，打破原子数在热平衡下的玻耳兹曼分布，使N2＞N1。
一 名词解释1. 损耗系数及振荡条件:0)(m ≥-=ααS o I g I ,即α≥o g 。
α为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。
2. 线型函数：引入谱线的线型函数pv p v v )(),(g 0~=，线型函数的单位是S ，括号中的0v 表示线型函数的中心频率，且有⎰+∞∞-=1),(g 0~v v ，并在0v 加减2v ∆时下降至最大值的一半。
按上式定义的v ∆称为谱线宽度。
3. 多普勒加宽:多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。
4. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，几个满足阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率0v 的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭的现象。
5. 谐振腔的Q 值:无论是LC 振荡回路，还是光频谐振腔，都采用品质因数Q 值来标识腔的特性。
定义p v P w Q ξπξ2==。
ξ为储存在腔内的总能量，p 为单位时间内损耗的总能量。
v 为腔内电磁场的振荡频率。
6. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线，在单模频率等于0的时候有一凹陷，称作兰姆凹陷。
7. 锁模：一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲。
这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。
8. 光波模：在自由空间具有任意波矢K 的单色平面波都可以存在，但在一个有边界条件限制的空间V 内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k 的平面单色驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。
9. 注入锁定：用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中，控制一个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象。
（分为连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定）。
