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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。
激光经纬仪准直法工作原理、观测方法激光是一种新型光源，它具有方向性强、单色性好、亮度高、相干性好的优点。
激光技术在大坝水平位移观测中的应用，大大提高了观测效率和精度，为变形观测的自动化开辟了新途径。
目前在大坝水平位移观测中采用较多的是激光经纬仪准直法。
激光经纬仪
是在普通经纬仪上安装一个激光管，如在JZ型经纬仪望远镜上安装一个氦（He）氖（Ne）激光管便成为J Z—J D激光经纬仪型激光经纬仪。
观测水平位移时由激光经纬仪发射一条可见的红色激光束照准目标，其原理与活动觇标视准线法完全相同。
激光照准的有效射程白天为500mm左右，夜间为2.6km以上。
当照准距离为300mm时，精度可达1×10-5m。
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。
激光准直仪原理激光准直仪原理是指利用激光光束来检测测量物体的水平和垂直方向的相对位置，是一种常用于建筑、制造和测绘等领域的精确测量工具。
激光准直仪由于其高精度和高效率，已成为现代科技和工程实践的必备工具。
激光准直仪原理包括激光发射原理、激光束偏转原理和光电测量原理。
下面我们将详细介绍这三个方面的原理。
一、激光发射原理激光准直仪可以发射单色、高强度的激光束，其核心技术是激光的发射原理。
激光是由激光器中的激光介质（如He-Ne、Nd:YAG等）所产生的，并通过光机系统将激光束做成平行光线发射出去。
激光的发射具有相干性强、方向性好、空间相干长度长等特点，因此具有高亮度性质。
激光准直仪中常用的激光器有He-Ne激光、半导体激光和固体激光等。
He-Ne激光器是一种常见的气体激光器，具有单色性好、光束质量高等优点。
而半导体激光器体积小，效率高，但线宽大，不适用于精密测量。
固体激光器具有较大的输出功率和较高的光束质量，因此被广泛应用。
二、激光束偏转原理激光准直仪中的激光束偏转主要是通过光学元件来实现的，常见的光学元件有反射镜、透镜和棱镜等。
激光准直仪中常用的光学元件是反射镜。
激光准直仪中的反射镜一般分为二面反射镜和三面反射镜两种。
二面反射镜由两块平行的反射面构成，常用于对准垂直方向和水平方向；而三面反射镜则由三块相互垂直的反射面构成，可以同时对准垂直方向、水平方向和竖直方向。
当激光束通过反射镜时，会依照反射镜的角度发生偏转，从而实现对准垂直方向和水平方向，达到准确定位的目的。
三、光电测量原理激光准直仪还需要通过光电测量原理对测量值进行确定。
光电检测是通过光电二极管集成电路将光电转化为电信号，经放大、滤波、数字化等处理后，达到对物体位置的测量。
在激光准直仪中常用的光电检测元件有光电倍增管、光电二极管、CCD等。
在进行精密的测量时，通常采用CCD，以提高测量的精度和稳定性。
激光准直仪原理是利用激光的发射、光束偏转和光电测量原理，将物体的水平和垂直方向的相对位置进行测量。
【快速入门】激光的聚焦和准直激光是单波长的光源，具有良好的相干性能，在科研和工业等领域有着广泛的运用。
激光光学泛指用于激光内外光路中的光学元件和器件，例如,激光聚焦镜、反射镜、扩束镜、激光切割头。
为了让小伙伴们能直观地理解激光的聚焦和准直的概念，小编通过应用案例的形式为大家进行讲解。
应用1：准直光束的聚焦作为第一个案例，我们来看一个非常普遍的应用，把激光光束聚焦到一个很小的焦点上，如图一所示。
我们有一束激光，光束半径为y1，发散角为θ1，它通过一个焦距为f的透镜聚焦。
如图所示，我们有θ2= y1/f。
光学不变量定律（y2θ2 = y1θ1）告诉我们，聚焦光斑的半径和发散角的乘积是个常量，因此可以得到y2= θ1f。
图一让我们看一个具体的例子，使用一个LBK-5.9-10.3-ET1.9型号的平凸透镜对二氧化碳激光器的出射光束进行聚焦。
假设二氧化碳激光器的光束直径为3 mm，全发散角为6 mrad。
上述公式中的参数采用光束半径和半发散角，因此有y1= 1.5 mm 和θ1 = 3 mrad。
LBK-5.9-10.3-ET1.9的焦距为10.3 mm。
因此，聚焦后焦点的半径为y2= θ1f =30.3 μm，也就是光斑直径为60.6μm。
我们假定使用了完美无相差的透镜。
如需进一步减小焦点，我们必须使用短焦距的透镜或者首先对激光进行扩束。
若这两种办法都受限于系统设计无法改变，那么60.6 μm就是我们可以实现的最小聚焦光斑。
另外，光的衍射效应可能使实际的光斑更大一些，但在目前的讨论中我们不考虑波动光学的影响，只在几何光学的范畴中讨论。
应用2：点光源出射光的准直另一个比较常见的应用是对从很小的一个光源发出的光进行准直，如图二所示。
通常称这种光源为点光源。
但是现实中没有绝对意义上的点光源，任何光源都有一定的尺寸，需要在计算中加以考虑。
图二中的点光源半径为y1，最大发射角度为θ1。
如果用一个焦距为f的透镜对出射光进行准直，那么得到的准直光束的半径为y2= θ1f，发散角为θ2 = y1/f。
激光经纬仪准直法工作原理、观测方法激光是一种新型光源，它具有方向性强、单色性好、亮度高、相干性好的优点。
激光技术在大坝水平位移观测中的应用，大大提高了观测效率和精度，为变形观测的自动化开辟了新途径。
目前在大坝水平位移观测中采用较多的是激光经纬仪准直法。
激光经纬仪
是在普通经纬仪上安装一个激光管，如在JZ型经纬仪望远镜上安装一个氦（He）氖（Ne）激光管便成为J Z—J D激光经纬仪型激光经纬仪。
观测水平位移时由激光经纬仪发射一条可见的红色激光束照准目标，其原理与活动觇标视准线法完全相同。
激光照准的有效射程白天为500mm左右，夜间为2.6km以上。
当照准距离为300mm时，精度可达1×10-5m。
激光准直原理激光准直是激光技术中非常重要的一部分，它是指将激光束从发射源出来后，通过一系列的光学器件，使其直线传播并保持其直径不断减小的过程。
激光准直的原理是基于光学器件对激光束进行调整和控制，使其在传播过程中保持一定的直径和方向。
激光准直的原理主要包括以下几个方面：1. 激光发射源。
激光发射源是激光准直的起始点，它可以是激光二极管、固体激光器、气体激光器等。
这些激光发射源会产生一束高度聚焦的激光束，但由于光学器件的限制，激光束往往会存在一定的散射角度和直径。
2. 准直镜。
准直镜是激光准直中最常用的光学器件之一，它可以将激光束进行调整，使其直线传播并减小其直径。
准直镜通常由透镜或反射镜组成，通过镜面的曲率和表面处理，可以有效地调整激光束的方向和直径。
3. 调焦镜。
调焦镜是用来调整激光束的焦距和聚焦效果的光学器件，它可以使激光束在传播过程中保持一定的直径和焦点位置。
通过调焦镜的调整，可以使激光束在远距离传播时保持一定的聚焦效果，从而实现远距离准直。
4. 光学系统。
除了准直镜和调焦镜外，激光准直还需要配合其他光学器件，如棱镜、光栅、偏振片等，来实现对激光束的精确控制和调整。
光学系统的设计和优化对于激光准直的效果至关重要，它可以有效地改善激光束的质量和传播特性。
5. 控制系统。
激光准直还需要配合一套完善的控制系统，通过对光学器件的精确控制和调整，来实现对激光束的准直和调焦。
控制系统可以采用手动控制或自动控制，通过精密的控制算法和反馈机制，可以实现对激光束的高度精准的调整和控制。
总结起来，激光准直的原理是基于光学器件对激光束进行调整和控制，使其在传播过程中保持一定的直径和方向。
通过准直镜、调焦镜、光学系统和控制系统的配合，可以实现对激光束的精确控制和调整，从而实现远距离传播和高质量准直的效果。
激光准直在激光通信、激光雷达、激光加工等领域有着广泛的应用，它对于提高激光系统的性能和稳定性具有重要意义。
第二章 激光准直原理第一节 光的衍射现象一切波动都能绕过障碍物向背后传播的性质。
例如：户外的声波可绕过树木，墙壁等障碍物而传到室内，无线电波能绕过楼房，高山等障碍物传到收音机、电视里等。
波遇到障碍物时偏离原来直线传播的方向的现象称为波的衍射 日常生活中的光的衍射现象不明显的原因？？？310a衍射现象不明显 1-2-1010a衍射现象显著 110a1-逐渐过渡为散射首先我们来做一个实验，让一单色强光源(激光)发出的光波，通过半径为ρ且连续可调的小圆孔后，则在小圆孔后的屏上将发现：当ρ足够大时，在原屏上看到的是一个均与照明的光斑，光斑的大小为圆孔的几何投影。
这与光的直线传播想一致。
如图：随着ρ的逐渐变小，屏上的光斑也逐渐减小，但当圆孔减小到一定程度时，屏上的光斑将逐渐扩展，弥漫。
光强出现分布不均匀，呈现出明暗相间的同心圆环，且圆环中心出现时亮时暗的变化。
光斑的扩展弥漫，说明光线偏离了原来的直线传播，绕过障碍物，这种现象称为光的衍射。
再来做一个实验，用一束激光照射宽度连续可调的竖直狭缝，并在数米外放置接受屏，也可以得到衍射图样。
逐渐减狭缝的宽度，屏上亮纹也逐渐减小，当狭缝的宽度小到一定程度，亮纹将沿于狭缝垂直的水平方向扩展。
同时出现明暗相间的衍射图样，中央亮纹强度最大，两侧递减，衍射效应明显，缝宽越窄，对入射光束的波限制越厉害，则衍射图样扩展的越大，衍射效应越显著。
一、光的衍射定义：光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象二、产生条件：障碍物的线度和光的波长可以比拟的时候三、衍射规律：1.光在均匀的自由空间传播时，因光波波面未受到限制，则光沿直线传播。
当遇到障碍物时，光波面受限，造成光强扩展，弥漫，分布不均匀，并偏离直线传播而出现衍射现象。
2.光波面受限越厉害，衍射图样扩展越显著。
光波面在衍射屏上哪个方向受限，接受屏上的衍射图样就在哪个方向扩展。
第二节惠更斯——菲涅耳原理一、惠更斯原理1．波面：等相位面2. 任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源，各自发出球面次波；在以后的任何时刻，所有这些次波面的包络面形成整个波，在该时刻的新波面——“次波”假设。
能解释：直线传播、反射、折射、晶体的双折射等；不能解释：波的干涉和衍射现象（未涉及波长等）；而且由惠更斯原理还会导致有倒退波的存在，而实际上倒退波是不存在的。
二、菲涅耳对惠更斯原理的改进 1. 改进：根据“次波”假设，补充了振幅相位的定量表示式，增加了“次波相干叠加”。
2. 惠更斯—菲涅耳原理波面S 上的每个面积元dS 都可以看成新的波源，它们均发出次波。
波面前方空间某一点P 的振动可以由S 上所有面积元所发出的次波在该叠加后的合振幅来表示。
3. 四个假设① 所有次波都有相同的出相位（令 ） ② 次波是球面波 1cos()dE kr t r③ P dsdE④ 2,(nr相位差，光程差）4. 求P 点光振动E 的数学表达式： ()cos()dsK dE kr t r()()cos kr-)rK dE p C t ds （ ()K 有性质：倾斜因子 ();()K K对于球面波或平面波，出相位可取为零，且倾斜因子：1cos ()2K它可以解释子波为什么不会向后退 波面上有一定振幅分别，分别函数为A （Q ）所以：()1()()cos(kr-t ()()=C i kr t dE CA Q K rA Q K edsr）ds 或dE(p) 菲涅耳衍射积分公式：s()()(p)=()()()E =C ri t ikrssikrA Q K E dE p Ce e ds rA Q K e ds::或：一般积分交困难，古分成两类。
三、菲涅耳半波带 3.1 菲涅半波带这里以点光源为例来说明菲涅耳-惠更斯原理的应用，在图1-1中，O 为点光源，S 为任一瞬时的波面（球面），R 为其半径，为了确定光波到达对称轴上任一P 点时波面S 所起的作用，以直线连接OP 与球面相交于B1点，B1称为P 点对于波面的极点，令PB1的距离为r,设想将波面分为许多环形带，使由每两个相邻带的边缘到P 点的距离相差为伴波长，即10B P B P =21B P B P =32......B P B P =1A A B P B P =2r在这种情况下，由任何相邻两带的对应部分所分的次波到达P 点时的光程差为2。
亦即它们以相反的相位同时到达P 点，这样分成的环形带叫菲涅耳伴带波。
3.2 合振幅的计算⑴一个半波带的贡献和第N 个半波带对P 点的振幅贡献是：● K'是一个复常数● qN 是倾斜(方向)因子，随着N 从零增大到无穷，qN 自1下降至零。
● SN 是第N 半波带的面积；rN 是P 至第N 半波带外缘的距离，这里用来代替平均距离。
球冠S 的面积为：2(1cos )S R R根据图示的几何关系有 ： 122202sin cos (1)N N R R r R r r 22001cos 2()r r R R r2200()R r r S R r2dS Rdrr R r |||'|NN N NS E K q r 0|'|N R K q R r2NN Rdr dS r R r0N N S R r R r （与N 无关，可见，每个半波带对P 点的贡献仅与倾斜因子N q 有关）。
0|||'|N N R E K q R r|||'|R r N N E K q||exp()N N N E E i根据制作半波带的程序可知，相邻半波带，位相差为 。
不妨规定第一个半波带位相差为0，则凡是奇（偶）数半波带的相差 2 ，相邻的奇偶(偶奇)半波带相差为 。
(1)N N1(1)'N N N E K q⑵ 前M 个半波带的贡献现在假定衍射光栏Σ是带有圆形开口的不透光屏，对某一观察点P而言，开口恰恰相反，好包含了前M 个半波带。
这时P 点的复振幅为：12341()MNN E P EE E E EL11111()[(1)]()22M M M M E P E E E E M＋：奇数－：偶数 利用上面最后一个式子求P 点复振幅和辐照度是十分方便的，但是P 点必须位于通过圆孔中心的“轴线”上，所以该式的适用范围很窄。
当P 点偏离轴线时，或者当开口不是圆形时，半波带法不能给出定量结果，只能辅助进行半定量分析。
⑶、半波带法的相幅矢量图N E 的相幅矢量及其叠加 ：111122MN M N E E E11223111111()()()()22222M M ME P E E E E E E E E L⑷ 半波带法的相幅矢量图一个半波带的相幅矢量构成小相幅矢量ΔE 是由光栏开口中心点B 0贡献的基线半波带的相幅矢量和它们的合成M 1 M 2E 1OE 2E细分半波带后的相幅矢量按惠更斯-菲涅耳原理，ΔE 的表达式为：00exp()KE jkr r（小圆环面积在B 0处圆环退化为圆)。
因而半圆弧OM 1的弧长为：10000||||||||K K K S r K r r r 由此导出E 1的长度为：12||||2||E K K00exp()KE jkr r在位相上，由图可见，E 1比ΔE 多 1002exp()exp()2exp()2E K jkr jjK jkr1(1)'N N N E K q3.3 M 与孔径半径ε间的关系图示O 为点光源，DD '1111(1)'E K q0022'[exp()]exp()jK jkr K jkr为光阑，其上有一半径为ε的圆孔，S 为通过圆孔的波面——球冠(其高为h )，P 为圆孔对称由上任意一点。
首先考虑通过圆孔M 个完整菲涅耳半波带。
图中 02M r r M由几何知识可得2222200022200()()()22()M r h r r M r h Mr r h h M 略去二阶小量、2002Mr r h又 2222()2R R h h R由以上两式可得2011()M r R讨论：▲ 对P 点，若S 恰好分成M 个半波带时：▲ 对P 点，若S 中还含有不完整的半波带时：1111()()22M P M E E E E E （光强介于最大和最小之间） ▲ 波面不受限制时，对P 点，则S 无限大，可分成无限多个半波带，由于倾斜因子qN 随M趋于无限大而趋于零，EM 也趋于零。
于是有：11()2E P E（假定“光阑” DD '处入射平面波的复振幅为1，则在没有衍射的情形下，P 点的复振幅应当是）0()exp()E P jkr 102exp()E jK jkr 0()exp()E P jK jkr所以： 1K j四、菲涅耳圆孔和园屏衍射2.4.1菲涅耳圆孔衍射将一束激光投射在一个小圆孔上（圆孔可用照相机镜头中的光阑）并在距孔1-2m 处放置一块毛玻璃屏，可观察到小圆孔的衍射花样。
先用上节所得的结论，研究从点光源所发出的光通过圆孔时的衍射现象，O 为光源，光通过光阑上的圆孔， 为圆孔的半径，S 为光通过圆孔时的波面。
现在先计算到达垂直于圆孔面的对称轴上一点P 时的振幅。
P 点与波面上极点1B 之间的距离为m 。
由于合成振幅和k 有关，故首先考虑通过圆孔部分波面的面积所含有的完整菲涅带的数目，这个整数k 与圆孔的半径（ =k ）、光的波长 以及圆孔的位置（即R 和0r ）有关，这个关系计算如下：222222()()2k k o k o o r r h r r r h h22()2k o o r r r h (4-6)如h 比o r 小得多，则上式中2h 一项可略去。
以o r +*2k，替代k r ，略去224k，得：22222k o o o r r r k ro k r 又由222k R R h22k o r r h (4-7)简化得：22o 2R+r h k o r r即22k r h=2o r R r将22k r o o r k r 和h 的表达式代人公式（4-6），得22o k or RkR r 或 2211o o o R r k r R R如果用平行线光照射圆孔，则R →∞K (1)、o r 对衍射现象的影响◆ ① 当波长 、圆孔位置R 、大小p 给定后，有：2011()K r R◆ ② P 点的振幅与P 点的位置r0有关，即移动观察屏，P 点出现明暗交替变化；◆ ③ 随r 0增大，K 减小，菲涅耳衍射效应显著；◆ ④ 当r 0大到一定程度时，r 0→∞，露出的波带数K 不变化。
◆ 为：2maxK K R（称为菲涅耳数，它是一个描述圆孔衍射效应的很重要的参量。
）◆ 此后，随着r 0的增大，P 点光强不再出现明暗交替的变化，逐渐进入夫朗和费衍射区。
