激光复习资料

激光原理复习知识点激光原理是激光技术的核心知识之一，它是指光子在受激辐射作用下的放大过程。

下面将详细介绍激光原理的相关知识点。

1.基本概念激光是一种特殊的光，其特点是具有高度的单色性、方向性和相干性。

与常规的自然光不同，激光是一种具有相同频率和相位的光波。

2.受激辐射受激辐射是激光形成的基本原理，它是指当原子或分子受到外界能量激发后，处于激发态的原子或分子会通过辐射的方式从高能级跃迁到低能级，此时会放出光子能量，并与入射光子保持相位一致。

3.激光产生的条件为了产生激光，需要满足以下条件：-有大量的原子或分子处于激发态。

-具有一个能够增加原子或分子跃迁概率的辐射源。

-有一种方法可以让过多的激发态原子或分子跃迁到基态。

4.激光器的结构激光器通常由三个基本部分组成：激活介质、泵浦系统和光学腔。

-激活介质是产生激励能量的介质，如气体、液体或固体。

-泵浦系统是用来提供能量，并将大量原子或分子激发到激发态的装置。

-光学腔是由两个或多个高反射镜组成的光学结构，用来反射和放大光。

5.激光的放大激光的放大是通过在光学腔中来回传播，不断受到受激辐射的作用而增强光波的幅度。

通常，在光学腔中的一个镜子上镀膜，具有高反射率，而另一个镜子具有部分透射和部分反射的特性，用来逐渐放大光。

6.激光的增益介质增益介质是指能够提供光放大的介质，如气体（如CO2、氦氖）、固体（如Nd:YAG）或半导体（如激光二极管）等。

这些介质中的原子或分子通过与激励能量的相互作用，从而达到受激辐射的能量放大。

7.激光的产生方式激光可以通过多种方式产生，其中包括：-激光器：使用激光介质和泵浦系统来产生激光。

-激光二极管：使用半导体材料制成的二极管来产生激光。

-激光腔：使用自激振荡的原理来产生激光。

8.激光的应用激光具有广泛的应用领域，包括但不限于：-激光切割和焊接：激光切割和焊接用于金属加工、制造业等领域。

-激光打印：激光打印用于打印机和复印机等办公设备中。

第一章 激光的特性：1.方向性好，最小发散角约等于衍射极限角2.单色性好3.亮度高4.相干性好 波尔兹曼定律：根据统计规律，大量粒子组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：kT E i i i eg -∞n 推论：假设gi=gj1.当E2-E1很小，且12-E E E =∆<< kT 时，112n =n ， 2.当E2>E1时，n2<n1. 说明高能粒子数密度总是较小3.当E1为基态，E2距离很远时，即E2>E1,012n =n ,说明绝大多数粒子为基态 普朗克公式：11h 8hv 33v -=kT e c v πρ 爱因斯坦关系：自发辐射，受激辐射，受激吸收之间的关系332121hv 8cB A π= 212121g B g B = 光子简并度g ：处于同一光子态的光子数。

含义：同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数自发辐射：处于高能级Ｅ２的一个原子自发的向Ｅ１跃迁，并产生一个能量为ｈｖ的光子 特点：1各粒子自发，独立的发射光子；2非相干光源光功率密度：212)()t (q A t hvn =自受及辐射：处于高能级Ｅ２的一个原子在频率为ｖ的辐射场作用下，向Ｅ１跃迁，并产生一个能量为ｈｖ的光子特点：1只有外来光频率满足12hv E E -=；2 受激辐射所发射的光子与外来光特征完全相同，相干光源【频率，相位，偏振方向，传播方向】，光场中相同光子数量增加，光强增加，入射光被放大，即光放大过程光功率密度：v B t hvn t ρ212)()(q =激光功率密度比：v v hv ρπλρπh88c q q 333==自激 增益系数：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数增益饱和：在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱时，增益系数是一个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随光强的增大而减小。

谱线宽度：线型函数在ν0时有最大值，下降至最大值的一半，对应得宽度。

激光技术与应⽤复习知识点1、激光的定义激光是由受激发射的光放⼤产⽣的辐射。

2、激光的基本特性单⾊性，⽅向性，相⼲性，⾼亮度。

3、空间相⼲性与时间相⼲性波在空间不同区域可能具有不固定的相位差，只有在⼀定空间范围内的光波才有相对固定的位相差，使得只有⼀定空间内的光波才是相⼲的。

这种特性叫做波的空间相⼲性。

与波传播时间差有关的，由不确定的位相差导致的，只有传播时间差在⼀定范围内的波才具有相对固定的位相差从⽽相⼲的特性叫波的时间相⼲性。

4、光⼦简并度光⼦属于波⾊⼦，⼤量光⼦集合遵从波⾊-爱因斯坦统计规律，处于同态的光⼦数不受限制。

虽然处于同⼀光⼦态的光⼦数并⾮严格的不随时间的变化，但其平均光⼦数是可以确定的。

这种处于同⼀光⼦态的平均光⼦数成为光⼦简并度。

5、激光器的基本组成及其应⽤激光器⼀般包括三个部分。

激光器的基本结构由⼯作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分组成。

激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的⼀门综合技术，传统上看，它的研究范围⼀般可分为：激光焊接，激光切割，激光治疗，激光打标，激光打孔，激光热处理，激光快速成型，激光涂敷等。

6、⾃发辐射处于激发态的原⼦中，电⼦在激发态能级上只能停留⼀段很短的时间，就⾃发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出⼀个光⼦，这种辐射叫做⾃发辐射。

7、受激辐射在组成物质的原⼦中，有不同数量的粒⼦（电⼦）分布在不同的能级上，在⾼能级上的粒⼦受到某种光⼦的激发，会从⾼能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，⽽且在某种状态下，能出现⼀个弱光激发出⼀个强光的现象。

8、受激吸收处于低能级的原⼦(l E )，受到外来光⼦的激励下，在满⾜能量恰好等于低、⾼两能级之差(E ?)时，该原⼦就吸收这部分能量，跃迁到⾼能级(h E )，即h l E E E ?=-。

受激吸收与受激辐射是互逆的过程。

9、激光产⽣的必要条件受激幅射是产⽣激光的⾸要条件，也是必要条件。

激光原理期末知识点总复习材料激光原理是物理学和光学学科中的重要内容，它是现代科技发展的基础之一、下面是激光原理期末知识点的总复习材料。

1.激光的定义和概念：激光是指具有相干特性、能量集中、波长单一且紧凑的光束。

其与常规光的最大区别在于具有相干性和能量集中性。

2.激光的产生过程：激光的产生过程主要包括受激辐射和自发辐射。

受激辐射是指在外界光或电磁辐射的刺激下，原子或分子由基态跃迁到激发态并通过受激辐射返回基态时所发射的光。

自发辐射是指原子或分子自发地从激发态返回基态所发射的光。

3.光激发和电子激发的激光：根据产生激发所用的不同方法，激光可以分为光激发和电子激发的激光。

光激发的激光是通过外界光的能量传递使原子或分子激发并产生激光。

电子激发的激光是通过外界电子束或放电使原子或分子激发并产生激光。

4.激光功率和激光能量：激光功率是指单位时间内激光辐射出的能量，单位为瓦特(W)；激光能量是指激光脉冲的总能量，单位为焦耳(J)。

5.激光的特性：激光具有相干性、方向性、单色性和高亮度等特性。

相干性是指激光的波长相近的光波的相位关系保持稳定，能够构成干涉图样。

方向性是指激光具有狭窄的发射角度，能够通过透镜等光学元件进行聚焦。

单色性是指激光具有非常狭窄的波长，具有很高的色纯度。

高亮度是指激光能够将能量集中在很小的空间范围内，能够产生很高的光功率密度。

6.激光器的结构和工作原理：激光器主要由激光介质、泵浦能源、光腔和输出镜组成。

激光介质是产生激光的核心部件，泵浦能源是提供激发条件的能源，光腔是激发介质形成激光放大的空间环境，输出镜是选择性反射激光光束的光学元件。

7.常见的激光器种类和应用：常见的激光器种类包括氦氖激光器、二氧化碳激光器、半导体激光器和固体激光器等。

激光器的应用非常广泛，包括科学研究、医学治疗、通信、激光加工和激光雷达等。

8.激光安全：激光具有较强的穿透力和燃烧能力，因此在使用激光器时需要注意安全。

激光安全主要包括对激光光束的防止散焦、眼睛和皮肤的防护、激光辐射的监测和控制等。

一单项选择1．自发辐射爱因斯坦系数与激发态E 2平均寿命τ的关系为（B ）)D ( )C ( 1 )B ( )A (212212121e A N A A A ττττ==== 2．爱因斯坦系数A 21和B 21之间的关系为（C ）8 )D ( 8 )C ( 8 )B ( )A (222121332121332121212121c hv B A c hv B A Δv c v B A e g g B A kT hv πππ====- 3．自然增宽谱线为（ C ）（A ）高斯线型（B ）抛物线型（C ）洛仑兹线型（D ）双曲线型4．对称共焦腔在稳定图上的坐标为（B ）（A ）（-1，-1）（B ）（0，0）（C ）（1，1）（D ）（0，1）5．阈值条件是形成激光的（ C ）（A ）充分条件（B ）必要条件（C ）充分必要条件（D ）不确定6．谐振腔的纵模间隔为（B ）cLq v c L v L cv L cq v μμμμ2 )D ( 2 )C ( 2 )B ( 2 )A (=∆=∆=∆=∆7．锁模激光器通常可获得（ A ）量级短脉冲 fs )D ( ns )C ( μs )B ( ps )A (8．Nd :YAG 激光器是典型的（ C ）系统（A ）二能级 （B ）三能级 （C ） 四能级 （D ）多能级9．粒子数反转分布状态微观粒子满足（D ）（A ） 费米分布（B ）高斯分布（C ） 玻尔兹曼分布（D ）负温度分布10. 平行平面腔在稳定图上的坐标为（ C ）（A ）（-1，-1） （B ） （0，0） （C ）（1，1） （D ）（0，1）11．调Q 激光器通常可获得（ C ）量级短脉冲fs )D ( ns )C ( μs )B ( ms )A (12．红宝石激光器是典型的（ B ）系统（A ）二能级 （B ）三能级 （C ） 四能级 （D ）多能级13.世界上第一台激光器是 （ D ）(A)氦氖激光器． (B)二氧化碳激光器．(C)钕玻璃激光器． (D)红宝石激光器．(E)砷化镓结型激光器．14多普勒加宽发生在（C ）介质中（A ）固体 （B ）液体（C ）气体 （D ）等离子体15. 锁模激光器输出脉冲功率2N I ∝，N 为：（ B ）（A ） 脉冲数目.（B ）纵模数目.（C ）横模数目.（D ）能级数目填空1. 光和物质相互作用产生受激辐射时，受激辐射所发出的光子与外来光子的特性完全相同，这些特性是指： 频率、位相、偏振和传播方向。

《激光原理》复习⼀. 选择题（单选）（共20分，共10题，每题2分)1. 下列表达式哪⼀个不是激光振荡正反馈条件： D 。

A. q kL π22= B. q LCq 2=ν C. q L q 2λ= D. q kL π=2 2. 下列条件哪⼀个是激光振荡充分必要条件： A 。

（δφ为往返相移） A. lr r G q )ln(,2210-≥-=απδφ B. 0,2≥?-=n q πδφC. 0,20≥?-=n q πδφ D. 0,20≥-=G q πδφ3. 下列腔型中，肯定为稳定腔的是 C 。

A. 凹凸腔 B. 平凹腔 C. 对称共焦腔 D. 共⼼腔4. 下⾯物理量哪⼀个与激光器阈值参数⽆关， D 。

A. 单程损耗因⼦ B. 腔内光⼦平均寿命 C. Q 值与⽆源线宽 D. ⼩信号增益系数5. ⼀般球⾯稳定腔与对称共焦腔等价，是指它们具有： A 。

A.相同横模 B.相同纵模 C.相同损耗 D. 相同谐振频率6. 下列公式哪⼀个可⽤于⾼斯光束薄透镜成像 A 其中if z q +=，R 为等相位⾯曲率半径，L 为光腰距离透镜距离。

A ．F q q 11121=-；B. F R R 11121=-；C. F L L 11121=-；D.FL L 11121=+ 7. 关于⾃发辐射和受激辐射，下列表述哪⼀个是正确的 C 。

A. 相同两能级之间跃迁，⾃发辐射跃迁⼏率为零，受激辐射跃迁⼏率不⼀定为零；B. ⾃发辐射是随机的，其跃迁速率与受激辐射跃迁速率⽆关；C. 爱因斯坦关系式表明受激辐射跃迁速率与⾃发辐射跃迁速度率成正⽐；D. ⾃发辐射光相⼲性好。

8.⼊射光作⽤下， CA. 均匀加宽只有部份原⼦受激辐射或受激吸收；B. ⾮均匀加宽全部原⼦受激辐射或受激吸收；C. 均匀加宽原⼦全部以相同⼏率受激辐射或受激吸收；D. ⾮均匀加宽全部原⼦以相同⼏率受激辐射或受激吸收。

9. 饱和光强 C A ．与⼊射光强有光 B. 与泵浦有关； C. 由原⼦的最⼤跃迁截⾯和能级寿命决定； D. 与反转集居数密度有关。

一、概念题：1.光子简并度：处于同一光子态的光子数称为光子简并度-n 。

（光子简并度具有以下几种相同的含义，同态光子数、同一模式的光子数、处于相干体积的光子数、处于同一相格的光子数。

）2.集居数反转：把处于基态的原子大量激发到亚稳态E2，处于高能级E2的原子数就可以大大超过处于低能级E1的原子数，从而使之产生激光。

称为集居数反转(也可称为粒子数反转)。

3.光源的亮度：单位截面和单位立体角发射的光功率。

4.光源的单色亮度：单位截面、单位频带宽度和单位立体角发射的光功率。

5.模的基本特征：主要指的是每一个摸的电磁场分布，特别是在腔的横截面的场分布；模的谐振频率；每一个模在腔往返一次经受的相对功率损耗；与每一个模 相对应的激光束的发散角。

6.几何偏折损耗：光线在腔往返传播时，可能从腔的侧面偏折出去，这种损耗为几何偏折损耗。

（其大小首先取决于腔的类型和几何尺寸，其次几何损耗的高低依模式的不同而异。

）7.衍射损耗：由于腔的反射镜片通常具有有限大小的孔径，当光在镜面上发生衍射时所造成一部分能量损失。

（衍射损耗的大小与腔的菲涅耳数 N ＝2a ／L λ有关，与腔的几何参数g 有关，而且不同横模的衍射损耗也将各不相同。

）8.自再现模：光束在谐振腔经过多次反射，光束的横向场分布趋于稳定，场分布在腔往返传播一次后再现出来，反射只改变光的强度大小，而不改变光的强度分布。

9.开腔的自再现模或横模：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。

10.自再现变换：如果一个高斯光束通过透镜后其结构不发生变化,即参数ω。

或f 不变,则称这种变换为自再现变换。

11.光束衍射倍率因子2M 定义：实际光束的腰半径与远场发射角的乘积与基模高斯光束的腰半径与远场发散角的乘积的比。

12.均匀加宽：如果引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的,则这种加宽称作均匀加宽。

（均匀加宽,每个发光原子都以整个线型发射,不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来,或者说,每一发光原子对光谱线任一频率都有贡献。

第一章1.1900年，普朗克(M.Planck)提出辐射能量量子化假说，精确的解释了黑体辐射规律。

获得1918年诺贝尔物理学奖。

能量子概念:物质吸收和发射电磁能量是一份一份的进行的。

2.1905年，爱因斯坦(A. Einstein)为解释光电效应定律提出光量子假说。

获得1921年诺贝尔物理学奖。

光量子:简称光子或者photon，即光场本身的能量就是一份一份的。

3.光量子的概念（爱因斯坦）：光量子简称光子或者photon，即光场本身的能量就是一份一份的。

爱因斯坦假设：光、原子、电子一样具有粒子性，光是一种以光速c运动的光子流，光量子假说成功地解释了光电效应。

光子（电磁场量子)和其他基本粒子一样，具有能量、动量和质量等。

粒子属性:能量、动量、质量；波动属性:频率、波矢、偏振4.光子既是粒子又是波，具有波粒二象性!5.属性：①光子的能量：ε=hv，普朗克常数： h=6.626x10−36J.s②光子的运动质量m：m=εc2=ℎvc2③光子的动量P⃑：P⃑=mcn0⃑⃑⃑⃑ =ℎvc n0⃑⃑⃑⃑ =ℎ2π2πλn0⃑⃑⃑⃑④光子的偏振态：光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。

⑤光子的自旋：光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，处于同一状态的光子数目是没有限制的。

6.光子相干性的重要结论：①相格空间体积以及一个光波模式或光子状态占有的空间体积都等于相干体积②属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的。

7.光子简并度：处于同一光子态的光子数称为光子简并度。

具有以下几种相同的含义:同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数。

好的相干光源:高的相干光强，足够大的相干面积，足够长的相干时间(或相干长度)。

8.1913年，玻尔(Niels Bohr)建立氢原子结构模型，成功解释并预测了氢原子的光谱。

获得1922年诺贝尔物理学奖9.1946年，布洛赫(Felix Bloch)提出粒子数反转概念。

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：。