激光的基本原理及特性)

激光的基础知识相信激光这名词对大家来说一点也不陌生。

在日常生活中，我们常常接触到激光，例如在课堂上我们所用的激光指示器，与及在计算机或音响组合中用来读取光盘资料的光驱等等。

在工业上，激光常用于切割或微细加工。

在军事上，激光被用来拦截导弹。

科学家也利用激光非常准确地测量了地球和月球的距离，涉及的误差只有几厘米。

激光的用途那么广泛，究竟它有哪些特点，又是如何产生的呢？以下我们将会阐释激光的基本特点和基本原理。

激光的特性高亮度、高方向性、高单色性和高相干性是激光的四大特性。

（1）激光的高亮度：一般规律认为，光源在单位面积上向某一方向的单位立体角内发射的功率，就称为光源在该方向上的亮度。

激光在亮度上的提高主要是靠光线在发射方向上的高度集中。

激光的发射角极小（一般用毫弧度表示），它几乎是高度平等准直的光束，能实现定向集中发射。

因此，激光有高亮度性。

固体激光器的亮度更可高达1011W/cn2Sr 。

不仅如此，一束激光经过聚焦后，由于其高亮度性的特点，能产生强烈的热效应，其焦点范围内的温度可达数千度或数万度，能熔化甚至于气化对激光有吸收能力的生物组织或非生物材料。

如工业上精密器件的焊接、灯孔、切割；医学上切割组织（光刀）、气化表浅肿瘤以及显微光谱分析等这些新技术都是利用激光的高亮度性所产生的高温效应。

激光功率密度的单位为mw/cm2或W/cm2，能量密度为焦尔/厘米2。

（2）激光的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地传递较长距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。

1962年人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，这两点都是激光加工的重要条件。

（3）激光的高单色性：光的颜色由光的波长（或频率）决定。

一定的波长对应一定的颜色。

太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。

第二章激光与半导体光源激光的原理、特性和应用发光二极管与半导体激光器§2-1 激光的工作原理一、光的发射与光的吸收当原子从高能级向低能级跃迁时，将两能级之差部分以光子形式发射出去，称光的发射；当原子从低能级向高能级跃迁时，将吸收两能级之差部分的光子能量，称光的吸收。

光的发射和吸收过程满足相同的规律：两能级之差决定发射和吸收光子的频率光发射的三种跃迁过程1自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图；2 受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图；两种辐射过程特点的比较：自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光；受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向均与外来的光波相同，辐射的光波是相干光。

3 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受激辐射和受激吸收过程同时存在。

当吸收过程占优势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。

二、粒子数反转与光放大当一束频率为的光通过具有能级E1和E2（假定E2>E1)的介质时，将同时发生受激辐射和受激吸收过程，在dt时间内，单位体积内受激吸收的光子数为dN12，受激辐射的光子数为dN21 ，设两能级上的原子数为N1、N2（正常情况下N2> N1），有dN21/ dN12 =B N2/ N1，比例系数B与能级有关。

1、N2/ N1<1时，高能级E2上原子数少于低能级E1上原子数（称正常分布），有dN21 < dN12，表明光经介质传播的过程中受激辐射的光子数少于受激吸收的光子数，宏观效果表现为光被吸收。

激光成像的基本原理
激光成像是一种高分辨率的成像技术，利用激光器产生的高能光束，将物体表面反射或散射的光信号捕捉并重建成图像。

下面将详细介绍激光成像的基本原理。

一、激光的特性
激光是一种单色光，具有高亮度、高方向性、高相干性等特点。

这些特性赋予了激光成像技术高分辨率、高精度的较强优势。

二、激光成像原理
1. 激光照射
激光束通过扫描系统，照射到被成像物上，被照射的表面会和激光产生相互作用，造成反射或散射。

2. 光探测
接收反射或散射的光信号，将光信号转化成电信号。

一般利用光电探测器进行光信号的转换。

3. 信号处理
将产生的电信号进行放大、滤波、数字化等处理，以便进行图像重建。

4. 图像重建
在计算机处理后，将处理好的图像信号还原成图像。

图像处理主要包
括激光束的扫描、光信号的探测以及信号处理等过程。

三、激光成像技术的优缺点
优点：
1. 分辨率高：激光束具有较小的波长，可以在微观级别上进行成像，
分辨率极高。

2. 精度高：采用激光束经过物体扫描的方式进行成像，精度高，误差小。

3. 适用范围广：激光成像技术广泛应用于工业制造、医学、生物学等
各个领域中。

缺点：
1. 昂贵：激光器等设备价格高昂。

2. 安全性问题：高能量、高亮度的激光束会对人体造成伤害，需要严
密的安全措施。

3. 依赖性较强：激光成像技术对环境要求高，需要较为理想的实验条
件。

总之，激光成像技术作为一种高分辨率成像技术，可以在微观级别上进行成像，广泛应用于工业制造、医学、生物学等领域。

激光的原理与特点
激光，是指具有高度一致的光波振荡特性的一种光束。

激光的原理是通过三级系统（包括基态、激发态和亚稳态）之间的电磁辐射相互作用而产生的。

具体来说，激光的原理包括光放大、光共振、正反馈等。

激光的特点主要有以下几个方面：
1. 高度的单色性：激光的频率非常纯净，只有极少的频率成分，因此它具有非常高的单色性。

这是由于激光光波是由一个频率极为准确的谐振振荡系统所产生的。

2. 高度的方向性：激光光束具有非常高的方向性，激光光束在传播过程中很少发生散射，能够以非常窄的角度进行定向传播。

这是由于激光的振荡介质是一个长而细的谐振腔。

3. 高度的相干性：激光光束具有非常高的相干性，所有的光波的振幅和相位都高度一致。

这是由于激光光波是由许多同样频率和相位的原子或分子发射的。

4. 高度的能量密度：激光光束具有非常高的能量密度，能够集中大量的能量在一个很小的空间范围内。

由于激光的强度非常大，因此它可以用来进行高精度的切割、焊接等工业加工。

总之，激光作为一种特殊的光线，具有高度的单色性、方向性、相干性和能量密度，这些特点使得激光被广泛应用于科学、医学、工业等多个领域。

激光的基本原理和特性激光的基本原理1、自发辐射与受激辐射自发辐射是在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级向低能级跃迁，同时辐射出一光子。

hn=E2-E1。

设发光物质单位体积中处于能级E1，E2的原子数分别为N1，N2，则单位时间内从E2向E1自发辐射的原子数为A21为自发辐射概率（自发跃迁率）：表示一个原子在单位时间内从E2自发辐射到E1的概率。

处于高能级E2上的原子，受到能量为hn= E2- E1的外来光子的激励，由高能级E2受迫跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与激励光子全同的光子。

称为受激辐射。

W21为表示一个原子在单位时间内从E2受激辐射跃迁到E1的概率。

2、光学谐振腔在激光器中利用光学谐振腔来形成所要求的强辐射场，使辐射场能量密度远远大于热平衡时的数值，从而使受激辐射概率远远大于自发辐射概率。

光学谐振腔的主要部分是两个互相平行的并与激活介质轴线垂直的反射镜，有一个是全反射镜，另一个是部分反射镜。

在外界通过光、热、电、化学或核能等各种方式的激励下，谐振腔内的激活介质将会在两个能级之间实现粒子数反转。

这时产生受激辐射，在产生的受激辐射光中，沿轴向传播的光在两个反射镜之间来回反射、往复通过已实现了粒子数反转的激活介质，不断引起新的受激辐射，使轴向行进的该频率的光得到放大，这个过程称为光振荡。

这是一种雪崩式的放大过程，使谐振腔内沿轴向的光骤然增强，所以辐射场能量密度大大增强，受激辐射远远超过自发辐射．这种受激的辐射光从部分反射镜输出，它就是激光。

沿其他方向传播的光很快从侧面逸出谐振腔，不能被继续放大。

而自发辐射产生的频率也得不到放大。

因此，从谐振腔输出的激光具有很好的方向性和单色性。

3、粒子数反转受激吸收与E1的原子数N1成正比，受激辐射与E2的原子数N2成正比。

当N2《N1时发生受激辐射远少于发生受激吸收，是不可能实现光放大的．要实现光放大，必须采取特殊措施，打破原子数在热平衡下的玻耳兹曼分布，使N2＞N1。

laser photonics review编辑建议-回复以下是一篇关于激光光子学综述的文章，将逐步回答所提供的主题。

激光光子学（laser photonics）是一门专门研究激光在光子学领域中的应用的学科。

它包含了许多重要的领域，包括光纤通信、激光医学和材料加工等。

本文将以回答以下主题进行介绍。

一、激光的基本原理和特性激光是一种特殊的光源，具有单色性、相干性和高亮度等特点。

其工作原理基于受激辐射过程，通过注入能量来激发物质的电子跃迁，从而实现能量的集中和放大。

激光的单色性与相干性使其在通信和传感领域具有广泛的应用，并且其高能量密度使其成为材料加工和激光医学中的重要工具。

二、激光在光纤通信中的应用光纤通信使用激光作为信号传输的光源，具有大带宽、低衰减和抗干扰性强等优势。

在这里，我们将讨论激光光子学在光纤通信中的关键技术，包括激光器件的特性和光纤传输系统的设计。

此外，还将介绍光纤通信中的激光调制技术和光栅技术等。

三、激光在激光医学中的应用激光在医学领域中的应用是激光光子学的另一个重要领域。

激光在眼科手术、皮肤美容和肿瘤治疗等方面都得到了广泛的应用。

在这一部分，我们将回答激光在激光手术和激光诊断中的应用原理，并深入探讨各种激光在不同医学领域中的应用。

四、激光在材料加工中的应用激光光子学在材料加工领域中起着至关重要的作用。

激光切割、打孔和表面改性等技术已经广泛应用于各种材料的加工。

我们将解释激光在材料加工中的原理，并介绍一些常见的激光加工技术，如激光焊接和激光刻蚀等。

综上所述，激光光子学作为一门涉及多个领域的学科，旨在研究和应用激光在光子学中的原理和应用。

激光在光纤通信、激光医学和材料加工等领域中都有广泛的应用，通过深入研究激光的基本原理和特性，以及在不同领域中的应用，可以进一步促进激光光子学的发展和应用。

简述激光产生的基本原理
摘要：
一、激光的产生原理概述
二、激光的产生过程
1.原子能级跃迁
2.激发态原子辐射
3.受激辐射
4.光放大
三、激光的特性与应用
1.高度单色性
2.高度方向性
3.高峰值功率
4.激光的应用领域
正文：
激光，全称为激光光束，是一种具有高度单色性、高度方向性和高峰值功率的电磁波。

激光的产生基于原子能级跃迁的原理。

激光的产生过程可以分为以下几个步骤：
1.原子能级跃迁：原子在吸收能量后会从基态跃迁到激发态。

这一过程可以在气体、液体或固体中发生。

2.激发态原子辐射：处于激发态的原子会释放出一定波长的光子，这个过程称为辐射。

辐射的光子具有一定的能量和频率。

3.受激辐射：当一个光子进入激发态原子时，会与原子内的电子发生相互作用，使电子从激发态跃迁到基态。

这个过程会释放出与入射光子相同波长的光子，称为受激辐射。

4.光放大：受激辐射的光子与周围的原子发生相互作用，使更多原子跃迁到激发态。

这些激发态原子再次产生受激辐射，从而形成光放大现象。

激光具有高度单色性、高度方向性和高峰值功率的特性，使其在众多领域得到广泛应用。

例如，激光在通信、测量、切割、打标、医疗等方面具有重要应用价值。

总之，激光的产生基于原子能级跃迁的原理，通过受激辐射和光放大过程形成高度单色性、高度方向性和高峰值功率的电磁波。

激光的原理与应用激光（Laser）是一种通过能量跃迁引发的高度集中、单色性良好的光束。

它的独特性质使其在科学研究、医学、通信、制造等众多领域有着重要的应用。

本文将介绍激光的原理、分类以及其在不同领域的应用。

一、激光的原理激光产生的基本原理是基于物质在受到外界电磁波激励时发生非平衡的电子跃迁过程。

这种非平衡状态下，物质内部的电子在吸收光子并发生跃迁后，会进一步促成其他电子跃迁，从而在物质中形成一个偏离热平衡态的“粒子泵浦”系统，即光谱线增强。

当这种类型的粒子泵浦达到一定程度时，就会发生受激辐射的过程，即通过发射光子的方式释放能量。

这一过程通过光学谐振腔增益放大，最终形成激光束。

二、激光的分类根据激光器的工作介质和工作方式的不同，可以将激光分为固体激光器、液体激光器、气体激光器以及半导体激光器等多种类型。

固体激光器是利用固体可吸收外界能量发出激光的装置，常用的工作介质有Nd:YAG、Nd:YVO4等。

液体激光器则是使用各种有机染料作为工作介质，能够实现连续调谐激光的波长。

气体激光器通过使用气体放电产生激发态气体而发出激光，其中最具代表性的是二氧化碳激光器。

半导体激光器是利用半导体材料在外界电流注入下产生激光辐射，具有体积小、功耗低的优点。

三、激光的应用1. 科学研究领域：激光在科学研究中有广泛应用，其中包括光谱分析、材料表征、粒子悬浮等。

通过激光器对物质的照射，可以探测物质的成分、结构、性质等信息，为科学家们提供了重要的研究手段。

2. 医学与生物领域：激光在医学领域的应用十分广泛。

激光手术是一种创伤小、恢复快的手术方式，被广泛应用于眼科手术、皮肤整形、血管疾病治疗等。

此外，激光还可以用于药物释放、成像和生物分子探测等方面，推动了生物医学研究的发展。

3. 通信领域：激光器在光通信中发挥着重要的作用。

激光光源可以提供高速、稳定、可调的光信号，作为信息传输的载体。

光纤通信系统、激光雷达等都离不开激光技术的支持，为人们提供了便捷的通信手段。