第1章-激光的物理基础知识讲解

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。

激光原理知识点汇总第一章电磁场和物质的共振相互作用1.相干光的光子描述，光的受激辐射基本概念1)1960年7月Maiman报道第一台红宝石固体激光器，波长694.3nm。

2)光的基本性质：能量ε=hνh: Planck常数，ν :光波频率运动质量m=ε/c2=hv/c2静止质量0动量knhnchnmcp=•===22λππν3)光子的相干性：在不同的空间点、不同时刻的光波场某些特性的相关性相干体积相干面积，相干长度，相干时间光源单色性越好，相干时间越长：相格空间体积以及一个光波摸或光子态占有的空间体积度等于相干体积属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的4)黑体辐射的planck公式在温度T的热平衡下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量1-=kThehEνν腔内单位体积、单位频率间隔内的光波摸式数338chnνπν=Planck公式：11833-==kThechνννπρ单色能量密度，k：Boltzmann常数Bohr定则：νhEE=-125)光的受激放大a.普通光源在红外和可见光波段是非相干光，黑体是相干光黑体辐射的简并度KTnmnmKTnmKTncmKTkThhEn50000,1,110,6.0,3001,60,30010,30,3001)exp(1353=≈=≈==≈==≈==→-==-μλμλμλλννb.让特定、少数模式震荡，获得高的光子简并度21212121338AWABchn===ννρνπρ6)光的自激振荡a.自激振荡概念分数单位距离光强衰减的百自损耗系数)(1)(zIdzzdI-=αdzzIIgzdI)(])([)(..α-=考虑增益和损耗])ex p[()(0zgIzIα-=αααsmsmIgIIIgIg)(1)(0-=→=+=光腔作用: (1)模式选择; (2）提供轴向光波摸的反馈；b.震荡条件等于号是阈值振荡ααα≥→≥-=000)(gIgI sm是工作物质长度llgL...........0δδα≥→=lg0单程小信号增益因子7)激光的特性：单色性、相干性、方向性、高亮性。

《激光》讲义一、激光的基本概念激光，这个在现代科技中熠熠生辉的名词，想必大家都有所耳闻。

但它到底是什么呢？简单来说，激光是一种具有高度单色性、相干性和方向性的光。

我们先来说说单色性。

普通的光，比如太阳光，包含了各种波长，所以呈现出多种颜色。

而激光则几乎只有一个特定的波长，这就使得它的颜色非常纯粹。

相干性又是什么呢？想象一下很多人一起整齐划一地走路，步伐一致，这就是相干。

激光中的光波就像这样，它们的振动频率和相位都高度一致，这让激光具有非常稳定和强大的能量。

方向性就更好理解了。

普通的光源向四面八方发光，能量分散。

而激光几乎是沿着一条直线传播，就像一支笔直的箭，能够精准地到达目标。

二、激光的产生原理激光的产生依靠的是一种叫做“受激辐射”的过程。

在一个充满特定物质（称为“增益介质”）的容器中，这些物质的原子或分子处于不同的能量状态。

当外部能量（比如通过电流或光照）输入时，一些原子会被激发到高能态。

处于高能态的原子并不稳定，它们会想要回到低能态。

而在这个过程中，就会释放出光子。

如果这些光子在传播过程中，又碰到了其他处于高能态的原子，就会引发这些原子也以相同的频率、相位和方向释放出光子，从而实现光的放大。

为了让激光能够稳定地产生，还需要一些辅助的装置，比如谐振腔。

它就像是一个筛选器，只让特定方向和频率的光不断来回反射，增强，最终形成强大的激光束。

三、激光的特性激光具有很多独特的特性，这使得它在众多领域都有广泛的应用。

首先是高强度。

由于激光的能量高度集中，所以可以在很小的区域内产生极高的功率密度，能够用于切割、焊接等加工工艺。

其次是高方向性。

这使得激光可以传播很远的距离而不发散，被用于激光通信、测距等领域。

还有高相干性。

这一特性使得激光在干涉测量、全息摄影等方面发挥着重要作用。

另外，激光的单色性也很有价值。

在光谱分析、医学诊断等领域，能够提供非常精确的信息。

四、激光的应用领域1、工业领域在工业生产中，激光切割和焊接是常见的应用。

激光物理学的基础知识引言激光物理学是研究激光的发生、传输和相互作用过程的学科，是现代光学中的重要分支之一。

激光在现代科技和工业中有广泛的应用，如通信、医疗、制造等领域。

本文将介绍激光物理学的基础知识，包括激光的基本概念、激光的产生原理和特性等内容。

一、激光的基本概念1.1 激光的定义激光是指具有较高的单色性、方向性和相干性的电磁波。

它具有狭窄的频率谱宽度和小的发散角，能够进行远距离传输和聚焦。

1.2 激光的特点激光具有以下特点：•高亮度：激光的光强度高，激光束能够被聚焦成极小的点。

•单色性：激光的频率非常纯净，只有一个狭窄的频带。

•相干性：激光的波前相位具有高度的一致性，可以形成干涉和衍射效应。

•高直线度：激光束的传输路径非常直线，几乎没有散射和吸收损耗。

1.3 激光的分类根据激光的工作介质和工作原理，激光可以分为以下几类：•气体激光：利用气体分子的跃迁能级产生激光，如氦氖激光器、二氧化碳激光器等。

•固体激光：利用固体晶体或玻璃中的杂质离子或激活离子进行激光辐射，如氙灯激光、钕玻璃激光等。

•半导体激光：利用半导体材料的PN结或PN结与金属结合面，通过注入电流激发电子和空穴复合辐射光子，如激光二极管。

二、激光的产生原理2.1 需要的条件产生激光需要满足以下几个条件：•能级结构：激光工作介质中存在能级结构，可以通过能级跃迁来产生激光。

•反转粒子分布：工作介质中的粒子分布需要处于反转态，即高能级粒子数目大于低能级粒子数目。

•反馈机制：在工作介质中形成正反馈，使得光子在介质中多次来回传播，增强激光的放大效应。

2.2 激光的产生过程激光的产生过程包括以下几个步骤：1.激发产生：利用外部能量激发工作介质中的粒子，使其跃迁到高能级。

2.自发辐射：跃迁到高能级的粒子会自发辐射出光子。

3.反射反馈：反射光子返回工作介质中，使得自发辐射的光子受到激发而再次发射。

4.反复放大：光子在工作介质中来回传播，通过受激辐射逐渐增强，形成激光。

激光物理基础激光物理是研究激光的产生、传播和相互作用规律的学科。

激光作为一种特殊的光源，具有高亮度、高单色性、高方向性和高相干性等独特的特点，广泛应用于科学研究、医学、工业制造、通信等领域。

激光物理的研究涉及光的产生、放大、调制、激光器的工作原理等方面。

激光的产生是激光物理研究的核心内容之一。

激光的产生主要依赖于激活介质的存在。

激活介质可以是气体、固体或液体等物质。

通过施加一定的能量，激活介质中的原子或分子从低能级跃迁到高能级，形成激发态。

当激发态的粒子退激回到低能级时，会释放出光子，形成光子能量的集中放大。

经过光学谐振腔的增益介质放大，就可以得到高强度的激光光束。

激光的传播是激光物理研究的另一个重要方面。

激光的传播特点主要与激光的单色性和相干性有关。

激光的单色性指的是激光中的光子具有非常狭窄的能量范围，即具有高单色性。

而激光的相干性则是指激光中的光波具有一定的相位关系，即具有一定的相干性。

这种单色性和相干性使得激光能够在空间中以一定的传播方向传播，形成高方向性的光束。

激光的相互作用是激光物理研究的另一个重要方面。

激光与物质的相互作用可以产生一系列的物理效应。

例如，激光与物质的相互作用可以使物质发生光谱吸收、荧光发射、光解、电离等过程，这些过程在激光科学和激光技术中得到了广泛的应用。

此外，激光还可以通过与物质的相互作用来实现激光切割、激光焊接、激光打标等工业应用。

激光器是激光物理研究的重要研究对象之一。

激光器是产生和放大激光的装置，它由激活介质、光学谐振腔和泵浦源等组成。

激光器的工作原理是通过泵浦源向激活介质输入能量，激发介质中的原子或分子从低能级跃迁到高能级，形成激发态。

随后，激发态的粒子退激回到低能级，释放出光子，光子在光学谐振腔中来回多次反射放大，最终形成高强度的激光光束。

激光物理作为一门研究激光产生、传播和相互作用规律的学科，对于推动激光科学和激光技术的发展具有重要意义。

通过深入研究激光的产生、传播和相互作用等方面的基础知识，可以更好地理解和应用激光技术，为科学研究、医学诊断治疗、工业制造和通信等领域的发展做出贡献。

光学章动如果以一个前沿上升时间极短的方形强激光脉冲入射到共振吸收介质时，发现经过介质后的透射光脉冲不再是简单的方形脉冲，而是在脉冲的前沿呈现出周期性的减幅振荡。

光学自感应衰减当某种介质受一恒定得共振激光场的作用，经过一段时间达到稳定状态后，突然终止这种作用，由于共振介质内的感应极化波场并不马上消失，而是继续辐射出相干波场，只是光强随时间衰减很快。

光子回波满足相干作用条件下，如果有两个强短光脉冲相继入射到共振吸收介质中，其中第一个脉冲为π/2脉冲，第二个脉冲为π脉冲，两个脉冲的间隔满足，，则在第二个脉冲通过介质后的一定时刻，介质将在空间确定方向上发射出第三个相干定向光脉冲。

频率牵引振荡频率向介质辐射频率ω方向移动旋波近似光频下，ω+ν非常大，忽略高频，仅保留共振项。

绝热近似若原子弛豫时间很短，对光场的技法是瞬时的。

二能级近似把所有能级之间的作用看做二能级之间等效的近似作用。

慢变振幅近似光场频率ν很大，可认为在一个光场周期内的电场为常数。

频率烧孔效应一般气体激光器采用驻波腔，光在腔内来回传播，原子的速度为±v，这样向+z方向传播的光子与速度为v的原子发生共振，使该群原子发生增益饱和；而同样频率的光经反射后沿-z 方向传播，与速度为-v的原子发生共振导致增益饱和。

从而在增益曲线上出现了频率烧孔。

空间烧孔由于受激辐射速率参数R是空间坐标z的周期的周期函数，而此时算的的粒子布居差方程为：，所以在驻波波腹处，光强最强，R最大粒子反转数下降的最多；在驻波波节处，光强为零，粒子数基本上没有变化，于是粒子反转数相对于z的变化曲线将出现周期性的凹陷，称为空间烧孔效应。

拉比振荡布洛赫矢量B绕β轴旋进，在k轴上的ω分量做周期性振荡，即翻转粒子数随时间周期变化。

自感应透明当入射光脉冲面积为π的偶数倍时，光脉冲在共振吸收介质吸收介质中传播其面积值不变，即介质对光脉冲呈现出完全透明的特点。

海森堡绘景、薛定谔绘景以及它们之间的关系海森堡绘景：固定态矢，是基矢运动的描述方式，即算符是运动的，而量子态不相依于时间。

激光的基础物理知识激光的基础物理知识激光是20世纪以来继核能、电脑、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”。

下面是小编为大家整理的激光的基础物理知识，仅供参考，欢迎阅读。

1、介绍为了理解本书中其他内容，首先你必须要理解光的一些基础性质。

你如果能更全面理解激光仪发射出的神奇激光的特点，你就越能够制定出更好的治疗方案并获得更好的治疗效果。

接下来的内容包括演示激光加强细胞功能的体外实验，以及更多来自真实世界的数据和各种临床用途。

基于这些大量证据，人们制定出有关治疗剂量、功率设置、脉冲频率特点和治疗周期的基础建议。

这些建议必须很广泛，包含各种动物和疾病，但也是因为一些个案报道和高质量对照试验使用的参数不一致。

本章我的目标是进行一场非正式的讨论（而不是一场百科全书似的详述），指出哪些可以调整，解释其重要性，帮助你洞察它的临床应用。

2、为什么使用光？简单点说，我们使用光，因为它可以穿透身体，而一旦进入身体中，它会引起生理学改变。

一名8年级的学生可能不同意，因为他看不到手里面在发生什么，而当一束光照到他的胳膊上，他也不会开始长出另一只手。

然而，你不像小学生一样天真，你曾看到过X光如何帮你看到身体内部的结构。

还有你能看到这些字，因此你会同意（其实下意识的）你眼睛中的视锥细胞会吸收光线，引起化学反应产生电信号，影响你的感官，甚至你的情绪、行为和健康。

Yes，当你看到棒球朝你头飞来时，你肯定要躲避，这就是光改变了你的行为，带来有益效应。

然而，可见光并不能很好的穿透进我们的身体中，你的眼睛也看不到X射线。

那么，这些光和你在这本书里要阅读到光有什么区别？3、光的特点尽管光与机体有很多的相互作用，还有很多的应用，任何两种光本质上只有一个区别：波长。

为了理解这点，我们首先要知道光是什么——一种沿直线以恒定速度（光速）传播的波动的电场和磁场。

这就是为什么它的术语叫“电磁辐射”。

光全部特性更加复杂，本章中我们会详细讲解其中某些，但光本质上就是电磁辐射。