2章光源与激光器

浅谈普通光源与激光摘要：本文主要概括了普通光源与激光的产生差别，激光的原理和发展历程。

以及性质的不同而在运用中的不同，从而更深刻的让我们对这两个东西产生认识的兴趣以及加深对它们的了解。

关键词：本质性质发展运用总的来说“光”就是一种频率极高的电磁波，具备一定的能量和动量；但是，它具备通常电波所不具备的特殊性，比如它的产生和检测，以及与其他物质相互作用等过程中显露出粒子性的特征，①.接下来我们就来说一说道‘普通光源与激光’一、什么是光源，普通光源的分类。

闪烁物体叫作光源，光源与普通光源与激光光源之分后。

激光光源由特定的闪烁物质及特定的结构部件所共同组成，而普通光源则随处可见。

根据光源中基本发光单元激发方式的不同，普通光源大体可以分为以下几类：1)化学发光。

闪烁过程中辐射体内部出现化学变化，靠消耗自身化学能量而闪烁。

例如燃烧、放烟火等。

2)热致发光。

温度低的物体可以收到红外线。

例如白炽灯、太阳光等。

3)电致发光。

依靠电场能量的激发而发光。

如闪电、电弧灯、火花放电、辉光放电等。

4)光致发光。

用外来光激发所引起的发光现象。

如日光灯、夜光表急某些交通指示牌上的磷光物质的闪烁都属光致发光。

上面的各种闪烁方式的相同，但总的来说普通光源的原理就是自发性地原子和光子的光子。

上述各种闪烁过程，其差别就是唤起的方式相同，而闪烁的微观机制确就是共同的。

即为在外界条件的鞭策下，光源中的原子、分子稀释能量而处在一种不稳定的激发态。

在没任何外界促进作用的情况下，它能够自发性地光子回低激发态或基态，并升空出来一定频率的电磁波。

②二、激光是怎么发现的，以及在激光发现后历程。

总的来说激光就是一种人工的光，它的大多数去至于人工制作，并且只要是因为激光器的产生大大的大力推进了激光事业的发展，堪称就是一个划时代的措施。

迄今为止，光学已经有两千余年的历史，但在激光产生之前，人们使用的光源主要是炽热物体的热辐射和气体放电管，机理是自发发射，这是一个随机过程，相干性不好，两个光源甚至同一个光源的两点发出的光也不能形成干涉条纹。

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。

光纤通信复习（各章复习要点）光纤通信复习（各章复习要点）第⼀章光纤的基本理论1、光纤的结构以及各部分所⽤材料成分2、光纤的种类3、光纤的数值孔径与相对折射率差4、光纤的⾊散5、渐变光纤6、单模光纤的带宽计算7、光纤的损耗谱8、多模光纤归⼀化频率，模的数量第⼆章光源和光发射机1、光纤通信中的光源2、LD的P-I曲线，测量Ith做法3、半导体激光器的有源区4、激光器的输出功率与温度关系5、激光器的发射中⼼波长与温度的关系6、发光⼆极管⼀般采⽤的结构7、光源的调制8、从阶跃响应的瞬态分析⼊⼿，对LD数字调制过程出现的电光延迟和张弛振荡的瞬态性质分析（p76）9、曼彻斯特码10、DFB激光器第三章光接收机1、光接收机的主要性能指标2、光接收机主要包括光电变换、放⼤、均衡和再⽣等部分3、光电检测器的两种类型4、光电⼆极管利⽤PN结的什么效应第四章光纤通信系统1、光纤通信系统及其⽹管OAM2、SDH系统3、再⽣段距离的设计分两种情况4、EDFA第五章⽆源光器件和WDM1、⼏个常⽤性能参数2、波分复⽤器的复⽤信道的参考频率和最⼩间隔3、啁啾光纤光栅4、光环形器的各组成部分的功能及⼯作原理其他1、光孤⼦2、中英⽂全称：DWDM 、EDFA 、OADM 、SDH 、SOA第⼀章习题⼀、单选题1、阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在纤芯和包层的界⾯上（B）⽽是能量集中在芯⼦之中传输。

A、半反射B、全反射C、全折射D、半折射2、多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是（A）的。

A、连续变化B、恒定不变C、间断变换D、基本不变3、⽬前，光纤在（B）nm处的损耗可以做到0.2dB/nm左右，接近光纤损耗的理论极限值。

A、1050B、1550C、2050D、25504、普通⽯英光纤在波长（A）nm附近波导⾊散与材料⾊散可以相互抵消，使⼆者总的⾊散为零。

A、1310B、2310C、3310D、43105、⾮零⾊散位移单模光纤也称为（D）光纤，是为适应波分复⽤传输系统设计和制造的新型光纤。

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。

激光原理高福斌2010.9.29/652/65第2章激光产生的基本原理2.1 原子发光的机理2.1.1 原子的结构2204Zef r πε=原子序号为Z 的原子中，设电子沿以核为中心的圆形轨道运动，电子质量为m ，轨道半径为r ，绕轨道运动的速率为V ，则电子受到的库仑力为（2-1）由牛顿第二定律，电子受到库仑力等于电子绕核转动的向心力，即22204Ze V f m r r πε==（2-2）3/652h mVr n π=波尔引用量子理论，提出一个假设：电子的角动量m V r 只能等于h /2π的整数倍，即（2-3）式中，h 为普朗克常数，n （1，2，3，…）为主量子数波尔假设意味着电子运动的轨道只能是一些量子化的轨道。

联立（2-2）和（2-2）可解出波尔模型中电子量子化轨道半径为2202n h r n Z me επ=（2-4）E()3.非辐射跃迁: 既不发射又不吸收光子的跃迁(通过与其它粒子或气体容器壁的碰撞、或其它能量交换过程)4.激发态的平均寿命τ: 粒子在激发态停留时间的平均值。

τ的典型值: 10-7～10-9秒5.亚稳态:若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射跃迁, 则该态的平均寿命会很长(≥10-3秒)，称亚稳能级，相应的态为亚稳态。

7/658/65一般，能级寿命10-8 ∼10-9 S如H 原子2p 态τ∼0.16×10-8S3p 态τ∼0.54×10-8S亚稳态：如He 原子的两个亚稳态能级(20.55eV)τ∼10-4 S(19.77eV)τ∼10-6 S2.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收2.2.1 自发辐射的物理意义τ14/65由于原子以及离子、分子等内部结构的特殊性，各能级的平均寿命是不一样的。

例如：红宝石中的铬离子的能级E 3寿命很短，只有10-9s （ns ）；而能级E 2寿命却很长，为几个ms 。

这些寿命较长的能级称为亚稳态。

在氦原子、氖原子、氩原子、氪原子、铬离子、钕离子、二氧化碳分子，等等粒子中都具有这种亚稳态能级。

激光器的工作原理激光器是一种产生激光的设备，它的工作原理基于受激辐射和光放大的过程。

激光器的关键组件包括激活介质、光腔和光源。

1.激活介质：激活介质是激光器中的工作物质，通过激发其内部原子或分子的能级跃迁来实现产生激光。

常见的激活介质包括气体、固体和液体。

2.光腔：激光器中的光腔起到存储和放大激射光的作用。

光腔通常由两个反射镜构成，一个是部分透明镜（输出镜），另一个是反射镜（输入镜）。

输入镜对激光光束具有高反射率，而输出镜对光束的反射率较低。

3.光源：激励激活介质产生光的光源可以是光电或电能。

常见的光源包括氙灯、氮气激光、半导体激光二极管等。

根据激光器的不同类型，其工作原理略有不同。

1.激光二极管：激光二极管利用电流对半导体中电子与空穴的复合作用产生光子。

当电流通入激光二极管时，通过激活介质发射出的光从一个反射镜反射回激光二极管，而另一个反射镜使部分光透射出来，形成激光束。

2.气体激光器：气体激光器的工作原理是在气体放电管内通入电流，并通过电流激发气体中的原子或分子，使其跃迁到高能级。

当这些原子或分子从高能级退回至低能级时，激光波长的光子被释放出来，并被两个反射镜之间的储存介质反射和放大，形成激光束。

3.固体激光器：固体激光器的激活介质是固体晶体（如Nd:YAG晶体），通过激光二极管或氙灯的激励发射激光。

当激光经过激活介质时，与其相互作用，使得激活介质中的电子被激发至高能级，并随后跃迁回低能级，放出激光光子。

这些光子通过两个反射镜（输入镜和输出镜）之间的激发介质来放大，并形成激光束。

无论是哪种类型的激光器，其工作原理的基本过程都是通过能量激发原子或分子的跃迁，随后利用反射和放大来产生高强度、高单色性和高聚束性的激光束。

激光器在医学、通信、测量、切割等领域都有广泛的应用。

目录第一章、激光基础第二章、激光器第三章、光纤的特性第四章、光纤激光器第五章、实验室激光器型号及操作安全第一章激光基础1.1什么是激光激光在我国最初被称为“莱赛”，即英语“Laser”的译音，而“Laser”是“Light amplification by stimulated emission of radiation ”的缩写。

意为“辐射的受激发射光放大”，大约在1964年，根据钱学森院士的建议，改名为“激光”。

激光是通过人工方式，用光或者放电等强能量激发特定的物质而产生的光。

激光的四大特性：高亮度、高单色性、高方向性、高相干性。

具有高亮度的激光束经过透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其能够加工几乎所有材料。

由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。

1.2激光产生的基本理论1.2.1原子能级和辐射跃迁按照玻尔的氢原子理论，绕原子核高速旋转的电子具有一系列不连续的轨道，这些轨道称为能级,如图1-1。

激发态基态当电子在不同的能级时，原子系统的能量是不相同的，能量最低的能级称为基态。

当电子由于外界的作用从较低的能级跃迁到较高的能级时，原子的能量泵浦原子核图1-2电子跃迁图加，从外界吸收能量。

反之，电子从较高能级跃迁到较低能级时，向外界发出能量。

在这个过程中，若原子吸收或发出的能量是光能（辐射能），则称此过程为辐射跃迁。

发出或吸收的光的频率满足普朗克公式（hv=E2-E1）。

1.2.2受激吸收、自发辐射、和受激辐射受激吸收：处于低能级上的原子，吸收外来能量后跃迁到高能级，则称之为受激吸收。

自发辐射：由于物质有趋于最低能量的本能，处于高能级上的原子总是要自发跃迁到低能级上去，如果跃迁中发出光子，则这个过程称为自发辐射。

受激吸收自发辐射受激辐射两个能级之间的能量差越大，自发辐射过程所放出的光子频率就越高。

如同弹琴，如果用力拉紧琴弦，琴发出的音调频率就高，反之则低。