激光原理

激光原理LASER （light amplification by stimulated emission of radiation ）受激发射光放大，源于爱因斯坦在量子理论的基础上提出的一个概念：在物质与辐射场的相互作用中。

构成物质的原子或者是分子可以再光子的激励之下产生光子的受激发射或吸收。

根据这个理论，如果能使构成物质的粒子状态的状态离开波尔兹慢热平衡，实现所谓的粒子数反转；那么就可以利用这种状态的物质对光进行放大。

与此同时，物理学家同时证明：受激发射的光子和激励光子具有相同的性质——方向、频率、相位、偏振。

在此基础上，后来的科学家设想能够利用能够利用这样的性质产生单色性较好的光源。

在上个世纪50年代的时候，电子和微波技术的发展产生了将电磁波谱向光频拓展的需求。

这样，一批勇于探索和创新的科学家，提出了一系列的理论来实现这种极为纯的光源：美国的汤斯（Charles H. Towns ）前苏联的科学家巴索夫和普罗霍洛夫创造性的继承和发展爱因斯坦的理论，提出了利用原子分子的受激发射光放大来放大电磁波。

1958年汤斯和他的合作者肖洛产生了利用远超过光波长度的光学谐振腔来实现这种放大。

1960年7月美国的梅曼演示了第一台红宝石激光器。

这种光具有完全不同于普通光的性质：单色性、方向性、相干性。

激光的物理原理受激辐射：在普朗克与1900年用量子化假设成功解释了黑体辐射分布，以及波尔在1913年提出原子中电子的运动状态量化的假设基础上，爱因斯坦从两字的概念出发，重新的推到了普朗克公式，提出了两个极为重要的概念：受激辐射和自发辐射。

我们知道在物质的原子中存在着分离的能级，在一个热平衡态全同粒子系统中，处于各个能级的粒子数是按照一定规律分布的——波尔兹慢分布。

T k E E b e n n )21(12--=（N1、n2分别是处于E2E1能级上的粒子数)一般来说，处于高能级的粒子数要少于低能级。

在一个热平衡系统中，粒子并不是一种静态的平衡，而是在不断地运动着的。

激光原理总结⼀共四章§Chapter 1爱因斯坦系数/激光产⽣条件/激光结构/激光优点1. ⾃发辐射: 上能级粒⼦，⾃发地从E2能级跃迁到E1能级，并辐射出光⼦2. 受激辐射: 上能级粒⼦，遇到能量等于能级差的光⼦，在光⼦激励下，粒⼦从E2能级跃迁到E1能级，并辐射出⼀个与⼊射光⼦完全相同的光⼦3. 受激吸收: 下能级粒⼦，遇到能量等于能级差的光⼦，在光⼦激励下，粒⼦从E1能级跃迁到E2能级，并吸收⼀个⼊射光⼦三个爱因斯坦系数：dn21=A21n2dt(⾃发辐射)dn′21=B21n2ρv dt(受激辐射)dn12=B12n1ρv dt(受激吸收)三个爱因斯坦系数的关系：A21 B21=8πhν3 c3B12g1=B21g2粒⼦数反转分布状态:dn′21 dn12=g1n2g2n1>1受激辐射⼤于受激吸收,打破波尔兹曼分布。

此时可称“得到增益”。

⽽普通情况下，受激辐射/⾃发辐射较⼩（计算参看讲义）。

总结：产⽣激光的基本条件是“粒⼦数反转分布和增⼤⼀⽅向上的光能密度”激光器的基本结构：1. ⼯作物质：增益介质/粒⼦数反转/上能级为亚稳态2. 激励装置：能源/光/电3. 谐振腔：反馈/光强/模式三能级系统：亚稳态寿命长，阈值⾼，转换效率低。

如红宝⽯激光器四能级系统：阈值低，连续运转，⼤功率。

如He-Ne激光器的优点：1. 相⼲性好：受激辐射的光具有相⼲性，相⼲长度L c=λ2Δλ，相⼲时间τ=L cc2. ⽅向性好：谐振腔3. 单⾊性好4. 亮度⾼：受激辐射的光强⼤§Chapter 2稳定性/模式分析/⾼斯光束腔的分类参考Ch2-P1光腔的稳定性条件：傍轴模在腔内往返⽆限多次不逸出腔外,数学形式如下g 1=1−L R 1,g 2=1−L R 20≤g 1g 2≤1按照稳定性得到三种腔♥0<g 1g 2<1稳定腔♥g 1g 2=0org 1g 2=1临界腔♥g 1g 2<0org 1g 2>1⾮稳腔 ♥ ♥　♥ ♥♥ ♥ bbx ♥ nnx 图解法判断腔的稳定条件Ch2-P2⽤上述条件判断各种腔的稳定性，注意曲率R 的⽅向"凹⾯向着腔内时(凹⾯镜)，R >0；凸⾯向着腔内时(凸⾯镜)，R <0"。

激光原理公式推导过程激光原理是基于量子力学的原子、分子或其他集体振动的基本原理。

激光是由于其中一种物质的激发而产生的放射性平面波光束。

激光在许多应用领域具有重要作用，如通信系统、医疗设备和科学研究。

激光的物理原理可以通过以下几个步骤推导得到。

第一步：定义与描述背景首先，我们需要定义两个量：辐射跃迁的个数密度N和激发态的数目密度N1、N表示单位体积内跃迁的个数，N1表示单位体积内激发态的数目。

我们还需要定义两个速率：跃迁速率W21，表示从激发态1向基态2的跃迁速率；激发速率B21，表示从基态2向激发态1的速率。

第二步：建立速率方程其次，我们可以建立两个速率方程，用于描述N和N1的变化。

假设两个速率是常数，我们可以得到以下速率方程：dN/dt = -W21 * N + B21 * N1dN1/dt = W21 * N - B21 * N1这个方程组表示单位时间内N和N1的变化量。

第一项表示由激光跃迁引起的损失，第二项表示由外界对基态的激发引起的增益。

第三步：导出激光条件下一步，我们将研究激光状态的条件。

我们假设达到激光状态的条件是激发态的数目密度N1在时间变化中保持恒定。

这意味着dN1/dt = 0。

将这一条件代入到速率方程中，我们可以得到：W21*N-B21*N1=0这个方程表明，在激光状态下，单位体积内的跃迁速率和激发速率相等。

第四步：导出激光增益条件最后，我们研究激光增益的条件。

我们假设激发态的数目密度N1是单位体积内基于单位体积内辐射态数目密度的。

换句话说，N1与N之间存在一个比例关系。

N1=W21/B21*N将这个关系代入速率方程中，我们可以得到：W21*N-B21*(W21/B21*N)=0化简后得到：W21*N-W21*N=0这表明，在激光增益状态下，跃迁速率和激发速率也相等。

综上所述，激光的物理原理可以通过导出速率方程并分析激光条件和增益条件来推导得到。

这些方程和条件提供了激光产生和维持的基本原理，为我们深入理解激光的工作原理提供了参考和理论基础。

激光原理及应用
激光技术是20世纪50年代流行起来的新兴技术，它涉及到光学、电子、物理、化学等多学科，用途也越来越广泛。

激光是一种高能量密度的光，质量质量好并且能量能量稳定，具有高显像度、高密度、高精度的优点，在工业生产，新兴科技，航空航天，军用等各个领域得到越来越多的应用。

激光的原理是在特定的物质环境中，一次具有特定频率，持续出现的大功率光激发，以达到平衡放射和吸收状态。

具体来说，首先产生一种不具有定向特性的长波长、大功率的光，然后这种光经过几回反射、折射、衍射等操作后，在放射与吸收的循环中磁化、产生强度从而实现一连串的脉冲光。

激光应用在很多领域。

工业上应用的范围很广，比如精确切削、焊接、热压等过程都需要用到激光技术。

航空航天科技中，激光技术用于星体测量及地形测量，以及导引对空导飞的多导引系统。

在医学领域，激光技术用于消炎消痛，治疗各种病症和手术。

激光技术正在成为一个主要技术，在工业生产、新兴科技、航空航天、军事等领域应用得越来越广泛。

它不仅节约了能源，而且可以提高工作效率，并且拥有非凡的精度。

由于激光技术另人眼前一亮，激发了人们对前沿科技的兴趣，给科学工作者和工程师带来了极大的帮助。

激光原理重要知识点总结一、光的增益作用光的增益作用是指当激光器原子、分子或离子受到外界激励时，电子由基态跃迁到激发态的过程，然后通过受激辐射过程，释放出同频的光子，光子与原子、分子或离子碰撞后，再次受激辐射产生的光子数量比刚开始辐射的光子相同，这样逐渐增加，形成激光。

1. 受激辐射当自由的电子和可激发的原子或离子发生碰撞时，后者的电子可以从较低的激发态跃迁到高的激发态，此时发射的辐射光子就与入射的引激光的频率相同。

这种过程称为受激辐射。

2. 反转分布在激光器的工作状态下，使激光材料中原子、分子或离子的激发态的密度大于基态的密度，这种特殊的能级布局称为反转分布。

只有当反转分布具有足够的时间持续性，才能形成激光输出。

二、激光共振腔激光共振腔是由两个反射镜构成的，其中一个为半透反射镜，另一个为全反射镜。

它的主要功能是将光共振在腔内，使得只有与激光器频率一致的光才得以通过反射镜输出，而其它频率的光则在腔内循环反射，形成激光输出。

激光腔外的泵浦装置则通过激发工作物质的原子或离子的跃迁将能量传递给激光材料，使得激光器能够继续工作。

三、激光输出当光共振在激光器内部形成激光，并且通过激光腔的半透反射镜输出激光后，激光通过调制器、色散系统、光阑以及辐射器等设备，再通过光阑进行空间裁剪，在目标面形成所需要的光斑。

激光在输出过程中还需要考虑各种参数的调节和控制，以保证激光输出质量。

总的来说，激光技术以其高亮度、高品质、高能量密度、高单色性、高直线偏振度和相干度等优异的特性，已经在通信、医学、材料加工、军事、精密定位等领域得到了广泛的应用。

同时，激光技术的应用也在不断地拓展中，为各行各业带来更多的机遇和挑战。

激光原理
激光原理涉及到三个关键要素：激射介质（激活物）、受激辐射和光放大。

1.激射介质（激活物）：激光器使用激光介质来产生激光。

激
射介质可以是固体、液体、气体或半导体材料。

不同的激射介质决定了激光器的特性和应用范围。

2.受激辐射：在激光器中，激光的产生是通过受激辐射的过程
实现的。

受激辐射是指当一个光子碰撞并激发原子、分子或离子时，它们会释放出与激发和碰撞光子频率相同的光子。

这些释放出的光子会与其他激发原子、分子或离子的光子发生进一步的碰撞和受激辐射，从而形成激光光束。

3.光放大：激光光束在激光器中通过光放大来增强其能量和强
度。

光放大是通过将激光束通过激光介质中设置的光学反射镜来反复反射，从而增加光子数目和能量。

这个过程被称为光学共振放大。

简而言之，激光原理基于受激辐射的过程，通过激射介质和光放大来产生和增强激光束。

这种激光束具有高度的单色性（波长非常窄）、相干性（波前相干）和定向性（束的传播方向非常集中）。

激光的这些特性使得激光技术在各种领域，如医学、通信、材料加工和科学研究等方面有广泛的应用。