激光原理 复习课(4)

激光原理与技术复习激光（Laser）是一种产生具有高度相干性、单色性和直线传播特性的电磁辐射的装置或系统。

激光原理与技术是激光的产生、放大、调谐、传输及应用的基本原理和方法。

下面将从激光原理、激光器的结构与工作原理、激光放大原理，激光调谐原理和激光应用等方面进行复习。

激光原理：激光的基本原理是利用物质的电子、原子或分子之间的能级跃迁和光的受激辐射相互作用产生的。

激光的产生需要具备以下几个条件：工作物质具有能级跃迁，在激发态和基态之间存在一个稳定的维持装置；能比较容易地将激发态的粒子数目大于基态的粒子数目；能量输入到工作物质中来维持激光产生。

激光器的结构与工作原理：激光器的基本结构由光学腔、泵浦源和工作物质组成。

激光的产生主要经历电子和能级跃迁两个过程：激发过程和放射过程。

其中激发过程是将静态基态的电子通过吸收光共振激发到激发态；放射过程主要有自发辐射和受激辐射两种形式。

当工作物质中的激发态电子由自发辐射退激到基态时，会产生光子并放出能量。

而当一光子经过一个被激激发的原子时，能够促使该原子发射一个与之方向、频率、相位完全一致的光子，这就是受激辐射原理。

激光放大原理：激光放大的原理是利用激光受激辐射的特性，将出射光子传递到另一个有重复态的原子，使其放出同样频率、振幅和相位的光子，实现放大。

激光放大主要经过两个过程：吸收过程和放射过程。

吸收过程中，光子与工作物质中的原子相互作用，光子的能量被传递到原子中，激发原子中的电子到激发态。

放射过程中，激发态的原子由于自发辐射或受外界光的作用而跃迁到基态，释放出能量并放出同样频率、振幅和相位的光子。

激光调谐原理：激光调谐的原理是通过改变激光器的谐振光路，使激光器输出的光波长可调。

常见的调谐方法有机械调谐法、电光调谐法、热调谐法和电流调谐法。

机械调谐法通过改变激光器腔体的长度或曲率，改变光的传播路径来实现光波长的调谐。

电光调谐法通过在激光介质中施加电场调节介质的折射率来实现光波长的调谐。

激光原理复习知识点一 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p v 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）。

激光原理复习自整理详解激光（Laser）是指将电能、化学能、光能等不同形式的能量转化为相干单色光束的一种装置。

激光器可精密控制光的时间、空间强度分布，因此被广泛应用于科学研究、医疗、通信、制造等领域。

激光的产生是基于光放大原理和光产生原理。

光放大原理即光在经过光学放大介质时，通过受激辐射过程放大而得到激光。

光产生原理则是指在光学放大介质中，通过受激辐射过程得到的初级激光，再经过多次光放大过程最终得到激光。

下面就详细介绍激光的产生原理。

1.激光器的组成激光器主要由光学谐振腔、激光介质和泵浦源三部分组成。

-光学谐振腔：用于延长光在激光器中的传播距离，增强激光的反射和放大效应。

-激光介质：负责将入射光转化为激光的介质，常见的激光介质有气体、固体和液体等。

-泵浦源：为激光介质提供能量，使其处于各能级的适当分布。

2.可逆过程和受激辐射受激辐射是产生激光的基本原理之一、当激光介质从低能级跃迁到高能级时，如果有一束与该过程产生的光子完全匹配的入射光通过，该过程将被增强。

这是一种受激辐射过程，其与自发辐射（即自发跃迁）形成了对称关系。

3.反射和放大过程激光器中的光线会在光学谐振腔内被多次反射，导致光线的衰减和放大。

谐振腔中有两个镜子，其中一个镜子是半透明的，称为输出镜，另一个镜子是全反射的，称为输入镜。

-当光线经过输出镜时，一部分光经过透射，成为激光器的输出光。

经过透射的光具有激光的特性，即单色、相干和定向等。

-另一部分光线经过反射，回到激光介质中，形成了反射光。

反射光在激光介质中被吸收、放大，然后再次被反射。

这个过程中，入射光不断放大，最终形成激光。

激光产生的过程可以概括为：泵浦源提供能量给激光介质，使其处于激发态；谐振腔内的光经过多次的反射和放大，形成激光。

总之，激光产生的原理是基于光放大和受激辐射过程，通过泵浦源提供能量给激光介质，经过光学谐振腔的多次反射和放大，最终形成相干单色激光。

激光具有独特的光学特性，广泛应用于各个领域。

激光原理第一章1. 激光器的组成部分及作用（1）工作物质（激活物质）：用来实现粒子数反转和产生光的受激发射作用的 物质体系。

（2）泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。

（3）谐振腔：①提供轴向光波模的正反馈②模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。

2. 模式数的计算单色模密度：计算例：封闭腔在5000 Å处单色模密度。

3. 光谱宽度的计算其中，为波列长度。

4. 本征状态的定义给定空间内任一点处光的运动情况，在初始条件和边界条件确定后，原则上就可求解麦克斯韦方程组，一般可得到很多解，而且这些解的任何一种线性组合都可满足麦克斯韦方程，每一个特解，代表一种光的分布，即代表光的一种本振振动状态。

5. 光子简并度的定义光子简并度对应于线度光源λ，在单位时间单位立体角内发出单位频宽的光子数(处于同一个相格中的光子数，处于一个模式中的光子数，处于相干体积内的光子数，处于同一量子态内的光子数，都有相同的含义，均定义为光子简并度)。

并用表示：V c V c g 322824νπννλπ∆=⨯⨯∆=328c n πνν=Hz c14108106105000103⨯=⨯⨯==-λυ353821432s 1035.310310614.388-⋅⨯=⨯⨯⨯⨯==m c n ）（）（πυυc l c t //1=∆≈δνc l δνλνδ∆∆Ω∆==∆ΩS h Pg n )/2(26. 光子简并度与单色亮度之间的关系光源的光子简并度，从微观上反映出光源的单色亮度。

单色亮度：。

光子简并度与单色亮度之间的关系为：7. 光子平均能量的表达同一种光子运动状态（或同一种光波模式）的光子平均能量：8. 光的自发辐射、受激吸收、受激辐射自发辐射：处于的原子在无外来光子情况下自发地向能级跃迁，发射能量以光辐射形式放出即自发辐射。

特点：自发辐射是仅与原子自身性质有关的随机过程，自发辐射的光在方向、偏振、相位方面都没有确定的关系，因此是不相干的。

中考物理激光原理及应用复习知识梳理激光（laser）是指由同种物质组成的光波在特定条件下产生的一种特殊光。

它具有单色性、相干性、方向性和高亮度等特点，被广泛应用于工业、医疗、通信、科学研究等领域。

在中考物理中，对激光的原理及应用有一定的考查，下面将对激光的原理和应用进行复习知识梳理。

一、激光的原理1. 激光的产生原理激光的产生是在激光器中，通过受激辐射产生的一个光子引起其他光子的受激辐射而形成的。

其主要过程包括：吸收能量、受激辐射、光子的逐渐增多、光子的任一激发态上处于较长时间等。

2. 激光的主要特性激光具有单色性、相干性、方向性和高亮度等特点。

其中，单色性是指激光的频率非常纯净，波长非常稳定；相干性是指所有的光波充分地想关联在一起，可以形成干涉图样；方向性是指激光辐射的光束非常集中，可以很容易地成为平行光束；高亮度是指激光所携带的能量集中在很小的空间内。

3. 激光器的基本组成激光器由激光介质、泵浦源、镜子、光学腔等组成。

其中，激光介质是激发光子的来源，泵浦源是为激光介质提供能量的源泵，镜子是构成激光光腔的光学元件，光学腔是放置激光介质和镜子的部分。

二、激光的应用1. 激光在医学中的应用激光在医学中有广泛的应用，包括激光治疗、激光手术和激光成像等。

其中，激光治疗主要用于癌症、眼科疾病和皮肤疾病等的治疗；激光手术主要用于激光近视手术、激光角膜塑形术等；激光成像主要用于超声激光成像、人体内部结构的观测等。

2. 激光在通信中的应用激光在光纤通信中起到了重要的作用。

激光通过纤维传输数据，使得信息传播速度更快、传输距离更远。

激光还可以用于激光雷达、激光测距等领域。

3. 激光在工业中的应用激光在工业中有广泛的应用，包括激光切割、激光焊接、激光打标、激光光刻等。

这些应用可以提高加工精度、提高加工效率、降低环境污染等。

4. 激光在科学研究中的应用激光在科学研究中的应用非常广泛，例如激光光谱分析、激光漫反射光谱等。

一．激光成分: 光子（光子不会停留）光子的基本性质: (P4)（4）光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个独立偏振方向（5）光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。

激光的四个性质：(P19)（1）单色性（2）高亮度（3）方向性（4）相干性：（空间相干性、时间相干性、相干光强）自再现模：（P50）产生位置：在谐振腔的镜面上产生。

产生原因：衍射损耗。

注：1. 由于衍射主要发生在镜的边缘上，因而恰恰将对场的空间分布发生重要影响，而且，只要镜的横向尺寸是有限的这一影响将永远存在。

2. 由于每一次渡越时，波都将因衍射而损失一部分能量，而且衍射还将引起能量分布的变化。

3. 在经过足够多次渡越后，能形成这样一种稳态场：分布不再受衍射的影响，在腔内往返一次后能够“再现”出发时的场分布。

这种稳态经一次往返后，唯一可能的变化是，镜面上各点的场振幅按同样的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。

4. 我们把开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自再现模或横模。

自再现模一次往返所经受的能量损耗称为模的往返损耗。

在理想开腔中，等于前面所指出的衍射损耗。

自再现模经一次往返所发生的相移称为往返相移，该相移等于2的整数倍，这就是模的谐振条件。

横模：在激光器谐振腔中，把垂直于传播方向上某一横截面上的稳定场分布称为横模，即横截面上光强的分布。

（注：减少横模的主要途径有：1、改善谐振腔反射镜与工作物质端面所形成的光路的等效平面性，如果产生了凸透镜效应则要想办法补偿；2、减小谐振腔和工作物质直径。

）纵模：纵模是指沿谐振腔轴向的稳定光波振荡模式，简单而近似的说，纵模即频率。

模的概念()P26开腔中的振荡模式以TEM mnq表征，TEM表示纵向电场为零的横电磁波，m、n、q为正整数，其中q为纵模指数，m、n为横模指数。

模的纵向电磁场分布由纵模指数（通常是一个很大的正整数）表征，在驻波型谐振腔中，q代表场在纵向的波节数。

横向电磁场分布与横模指数有关。

激光原理复习重点题型：选择题，填空题，证明及计算题，简述题等第一章 激光的原理及技术基础1.1激光的特点高方向性和空间相干性、单色性和时间相干性、高亮度和光子简并度 1.2激光的产生掌握三四能级系统简图，粒子数反转条件1.3激光器的基本组成激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔1.4光线在谐振腔内的行为和腔的稳定条件稳定条件，了解谐振腔稳定图1.5激光振荡模式纵模（谐振条件，纵模频率，纵模频率间隔，纵模数）、横模（根据横模指数确定光斑图像）1.6光腔损耗和激光振荡的阈值条件谐振腔内光子寿命的定义，掌握谐振腔的品质因子与光谱线宽度关系。

第二章激光工作物质及基本原理2.1黑体辐射与普朗克公式掌握黑体辐射的普朗克公式2.2光和物质的三种相互作用及爱因斯坦关系式掌握光与物质的三种相互作用：自发辐射、受激吸收和受激跃迁。

重点掌握三个爱因斯坦关系式之间的关系及证明。

2.3谱线加宽及谱线宽度均匀加宽（自然加宽，碰撞加宽以及晶格振动加宽）：定义，洛伦兹线型函数，掌握自然加宽的谱线宽度与自发辐射能级寿命之间的关系。

非均匀加宽（多普勒加宽，晶格缺陷加宽）：定义，高斯函数考虑各种谱线加宽机制后，对自发辐射、受激辐射和受激吸收几率的表达式做修正。

掌握原子与连续辐射场的相互作用，原子和准单色光辐射场的相互作用，重点掌握原子和准单色光辐射场相互作用中，原子和准单色光辐射场相互作用中，受激辐射截面积和受激辐射截面积和受激吸收截面积公式（并推导证明之）。

2.4激光器的速率方程重点掌握：根据速率方程理论，画出三能级系统和四能级系统的能级简图，证明该能及系统的的单模速率方程组。

简图，证明该能及系统的的单模速率方程组。

2.5增益系数与增益饱和（） 均匀加宽谱线的增益饱和和非均匀加宽谱线的增益饱和特性 非均匀加宽谱线（“烧孔”效应）以及增益特性第三章光学谐振腔3.1共焦腔中的光束特性掌握沿z 轴传播的高斯光束的电矢量表达式（3.3）、（3.4）（3.5）（3.6），共焦参数。

激光原理复习知识点
激光（Laser）是一种特殊的光源，具有高亮度、高单色性和高直线度等特点，广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。

激光的产生是基于激光原理，本文将围绕激光原理展开复习，帮助读者更好地理解激光的工作原理及常见应用。

1. 光的特性：
光是电磁波的一种，具有波粒二象性。

在光学中，我们常常将光看作是一束光线，使得光的传播更易于理解。

光的主要特性包括波长、频率、振幅和相位等。

2. 激射过程：
激光的产生是通过光子在外部受激辐射的作用下，从处于激发态的原子或分子中重新退激而产生。

这个过程需要一种激光介质，如气体、固体或液体，以及与之匹配的能量源，如泵浦光源或电子束。

3. 受激辐射：
在激光介质中，经过泵浦作用，一部分原子或分子被激发到激发态。

当这些处于激发态的粒子受到外界能量刺激时，会从高能级跃迁到较低能级，释放出额外的光子，这就是受激辐射。

这些受激辐射的光子可以与其他激发态粒子进行相互作用，进一步增强受激辐射的效果。

4. 波导结构：
为了通过受激辐射实现激光的放大和反射，激光器通常采用波导结构。

波导结构允许激光光束在其中传播，而不会发生较大的损耗。

波导结构可以是导光纤、半导体器件或光学腔等形式。

5. 消谐：
在激光器中，为了保持单一频率的输出，需要进行消谐。

消谐可以通过调整激光介质的性质或使用消谐元件来实现。

消谐的目的是确保激光器输出的光具有较窄的频谱宽度，以便于在通信和光谱分析等应用中的有效使用。

6. 光的放大：。