第四章_激光器工作原理1

第4章激光的基本技术激光器发明以来各种新型激光器一直是研究的重点。

为将激光器发出的高亮度、高相干性、方向性好的辐射转化为可供实用的光能，激光技术也得到了极大的发展。

这些技术可以改变激光辐射的特性，以满足各种实际应用的需要。

其中有的技术直接对激光器谐振腔的输出特性产生作用，如选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等；有的则独立应用于谐振腔外，如光束变换技术、调制技术和偏转技术等。

在使用激光作为光源时，这些技术必不可少，至少要使用其中一项，常常是诸项并用。

本章讨论激光工程中一些主要的单元技术。

因为激光技术涉及的内容十分广泛，这里只给出基本概念和基本方法。

4.1激光器输出的选模激光器输出的选模技术就是激光器选频技术。

前几章中已经讨论过激光谐振腔的谐振频率。

大多数激光器为了得到较大的输出能量使用较长的激光谐振腔，这就使得激光器的输出TEM模)与高阶模相比，具有亮度高、发散角小、径向光强分布是多模的。

然而，基横模(00均匀、振荡频率单一等特点，具有最佳的时间和空间相干性。

因此，单一基横模运转的激光器是一种理想的相干光源，对于激光干涉计量、激光测距、激光加工、光谱分析、全息摄影和激光在信息技术中的应用等都十分重要。

为了满足这些使用要求，必须采用种种限制激光振荡模的措施，抑制多模激光器中大多数谐振频率的工作，利用所谓模式选择技术，获得单模单频激光输出。

激光器输出的选模（选频）技术分为两个部分，一部分是对于激光纵模的选取，另一部分是对激光横模的选取。

前者对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性，常常也叫做激光的选频技术；而后者主要影响激光输出的光强均匀性，提高激光的亮度，一般称为选模技术。

4.1.1 激光单纵模的选取1．均匀增宽型谱线的纵模竞争前面已经指出，对于均匀增宽型的介质来说，每个发光粒子对形成整个光谱线型都有相同的贡献。

当强度很大的光通过均匀增宽型增益介质时，由于受激辐射，使粒子数密度反转分布值下降，于是光增益系数也相应下降，但是光谱的线型并不会改变。

激光器的工作原理及应用激光器是一种能够产生高强度、高单色性和高相干性的光束的装置。

它的工作原理基于光的受激辐射过程，通过在激发态粒子中引入外界能量，使这些粒子跃迁到较低能级，从而产生光子的放射。

激光器的应用非常广泛，包括科学研究、医学、通信、制造业等领域。

一、激光器的工作原理激光器的工作原理可以简单地描述为三个步骤：激发、放大和反馈。

1. 激发：激光器的激发过程通常通过电子束、光束或化学反应来实现。

当激发能量施加到激光介质中时，激光介质中的原子或分子将吸收能量并跃迁到一个高能级。

2. 放大：在激发态的原子或分子中，通过受激辐射的过程，一个光子会与一个激发态的原子或分子相互作用，从而导致原子或分子跃迁到较低能级，并释放出两个光子。

这个过程在激光介质中不断发生，光子的数量逐渐增加，形成一个光子数目巨大的光束。

3. 反馈：在激光器中，一个或多个反射镜被用于增强光的放大效果。

这些反射镜使得光在激光介质中来回反射，从而形成一个光学腔。

当光子在激光介质中来回反射时，它们会与其他激发态的原子或分子相互作用，进一步增强激光的放大效果。

最终，一个非常强大、高度相干的光束从激光器中产生。

二、激光器的应用1. 科学研究：激光器在科学研究中有着广泛的应用。

例如，激光器被用于实验室中的光谱学研究，用于测量物质的光谱特性。

此外，激光器还被用于原子物理学、量子力学和光学等领域的研究。

2. 医学：激光器在医学领域有着重要的应用。

例如，激光器被用于眼科手术中的激光角膜矫正术，可以纠正人眼的视力问题。

此外，激光器还被用于皮肤科手术、癌症治疗和牙科手术等。

3. 通信：激光器在光通信领域有着重要的应用。

激光器可以产生高强度的光束，可以通过光纤传输信息。

激光器被用于光纤通信系统中的光源，可以实现高速、高带宽的数据传输。

4. 制造业：激光器在制造业中有着广泛的应用。

例如，激光切割机可以通过激光束将金属或非金属材料切割成所需形状。

激光焊接机可以用于焊接金属零件。

激光器的工作原理讲解激光器是一种能够产生激光的装置，其工作原理基于能级跃迁和受激辐射的过程。

下面将详细介绍激光器的工作原理。

激光器的主要组成部分包括：光源、增益介质和光腔。

首先，激光器的光源即外界提供的能量，它能够激发光子从基态跃迁到激发态，产生激光的能级跃迁所需的能量。

其次，激光器的增益介质是激光放大器的核心部件，它负责产生和放大激光。

在激光器中常用的增益介质有：气体（如氦氖激光器、二氧化碳激光器）、晶体（如钕:钋酸钆激光器）、半导体材料（如半导体激光器）等。

这些增益介质在受到外界能量刺激后，产生能级跃迁和受激辐射的过程，从而产生激光。

具体来说，激光器中的增益介质处于一个激发态能级，它有一个高能级和一个低能级。

当外界能量激发增益介质时，光子能够从低能级跃迁到高能级的激发态，形成一个激发态聚集。

而由于激光器中的增益介质受到激发态聚集的初始扰动，这些激发态聚集会随着时间的推移发生非平衡运动，从而形成光子之间的能量传输。

在这个过程中，当一个处于激发态的光子与一个低能级的光子相互作用时，受激辐射的过程会发生。

也就是说，处于激发态的光子可以激发一个低能级的光子跃迁到同样的激发态，并且两者的能量和相位几乎完全相同。

这个过程会引起光子的指数增长，从而形成激光光束。

最后，激光器的光腔是光子在增益介质中来回传播的空间。

光腔一般有两个反射镜组成，一个是部分穿透镜（输出镜），它允许一部分激光通过；另一个是全反射镜（反射镜），它将大部分激光反射回来。

由于全反射镜的存在，光子在光腔中来回多次反射，增强了激光的功率。

当激光增益与光腔损耗达到平衡时，激光器就能稳定地输出激光。

总结起来，激光器的工作原理是通过外界能量的激发、增益介质的能级跃迁和受激辐射的过程，形成光子之间的能量传输，并利用光腔的多次反射来增强激光功率。

这种高聚集、高能量的光子群就是我们所说的激光。

激光器的构造及工作原理
激光器是由激光源和光学系统组成的一种光谱仪。

激光源一般指能够发出连续或短脉冲的单调径向的高能量、高浓度的光束的设备，其光束具有空间和时间上的共轭性。

表面积小、能量大、具有很强的抗形变性能、良好的传输特性，它们都是光子学应用领域的主要设备之一
激光器的构造主要由三部分组成，即激光激发源、激光放大器和激光器输出腔。

激光激发源由发射活性物质构成，发射活性物质可以获得电子能量。

在有电子能量激发状态的发射活性物质状态下，光子压力迫使电子从高能状态向低能状态跃迁，从而释放出与其他系统无法比拟的能量。

激光放大器把由激发源发出的微弱光子增强到与激发源达到较高的能量。

激光器的输出腔是把激发源和放大器的光束收集并聚集起来，表现出空间均匀分布形成一束光束，从而输出激光能量的部分。

激光器是把粒子的运动转化为激光的一种有序的机制。

根据力学反演原理，根据反激光的原理，激发活性物质中的电子被激发到了高能状态，使得它们的电子位置出现了不同的状态，激发活性物质为一种固体，形成了发射团的几种状态，电子在这几种状态间来回跃迁，在其中产生激发发射，最后形成一束激光。

1 静止氖原子的4223P S →谱线中心波长为632.8纳米，设氖原子分别以0.1C 、O.4C 、O.8C 的速度向着观察者运动，问其表观中心波长分别变为多少？ 解答：根据公式（激光原理P136） 由以上两个式子联立可得：代入不同速度，分别得到表观中心波长为：nm C 4.5721.0=λ，nm C 26.4144.0=λ，nm C 9.2109.0=λ解答完毕（验证过）2 设有一台麦克尔逊干涉仪，其光源波长为λ，试用多普勒原理证明，当可动反射镜移动距离L 时，接收屏上的干涉光强周期性的变化L 2次。

证明：对于迈氏干涉仪的两个臂对应两个光路，其中一个光路上的镜是不变的，因此在这个光路中不存在多普勒效应，另一个光路的镜是以速度υ移动，存在多普勒效应。

在经过两个光路返回到半透镜后，这两路光分别保持本来频率和多普勒效应后的频率被观察者观察到（从半透境到观察者两个频率都不变），观察者感受的是光强的变化，光强和振幅有关。

以上是分析内容，具体解答如下：无多普勒效应的光场：()t E E ⋅=πνν2cos 0 产生多普勒效应光场：()t E E ⋅=''02cos ''πνν在产生多普勒效应的光路中，光从半透经到动镜产生一次多普勒效应，从动镜回到半透镜又产生一次多普勒效应（是在第一次多普勒效应的基础上） 第一次多普勒效应：⎪⎭⎫⎝⎛+=c υνν1'第二次多普勒效应：⎪⎭⎫⎝⎛+≈⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=c c c υνυνυνν21112'''在观察者处：()⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+⋅==⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛++⋅=+=t c t c t E t c t E E E E πνυπνυπνυπνπν2cos 22cos 2212cos 2cos 0021观察者感受到的光强：⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+=t c I I υνπ22cos 12显然，光强是以频率cυν⋅2为频率周期变化的。

第四章 电磁场与物质的共振相互作用1 静止氖原子的4223P S →谱线中心波长为632.8nm ，设氖原子分别以0.1c 、0.4c 、0.8c 的速度向着观察者运动，问其表观中心波长分别变为多少？解：根据公式νν=c λν=可得：λλ=代入不同速度，分别得到表观中心波长为： nm C 4.5721.0=λ，0.4414.3C nm λ=，nm C 9.2109.0=λ2．设有一台迈克尔逊干涉仪，其光源波长为λ。

试用多普勒原理证明，当可动反射镜移动距离L 时，接收屏上的干涉光强周期地变化2/L λ次。

证明：如右图所示，光源S 发出频率为ν的光，从M 上反射的光为I '，它被1M 反射并且透过M ，由图中的I 所标记；透过M 的光记为II '，它被2M 反射后又被M 反射，此光记为II 。

由于M 和1M 均为固定镜，所以I 光的频率不变，仍为ν。

将2M 看作光接收器，由于它以速度v 运动，故它感受到的光的频率为：因为2M 反射II '光，所以它又相当于光发射器，其运动速度为v 时，发出的光的频率为这样，I 光的频率为ν，II 光的频率为(12/)v c ν+。

在屏P 上面，I 光和II 光的广场可以分别表示为：S2M (1)vcνν'=+2(1)(1)(12)v v v c c cνννν'''=+=+≈+00cos(2)cos 2(12)I II E E t v E E t πνπν=⎡⎤=+因而光屏P 上的总光场为光强正比于电场振幅的平方，所以P 上面的光强为它是t 的周期函数，单位时间内的变化次数为由上式可得在dt 时间内屏上光强亮暗变化的次数为(2/)mdt c dL ν=因为dt 是镜2M 移动dL 长度所花费的时间，所以mdt 也就是镜2M 移动dL 过程中屏上光强的明暗变化的次数。

对上式两边积分，即可以得到镜2M 移动L 距离时，屏上面光强周期性变化的次数S式中1t 和2t 分别为镜2M 开始移动的时刻和停止移动的时刻；1L 和2L 为与1t 和2t 相对应的2M 镜的空间坐标，并且有21L L L -=。