激光的理论基础
直到二十世纪初，人们才在实验的基础上揭开了原子结构的奥秘。原子结构像是一个小小的太阳系，中间是原子核，电子围绕原子核不停地旋转，同时也不停地自转。原子核集中了原子的绝大部分质量，但却只占有很小的空间。原子核带正电，电子带负电，一般原子核与电子所携带的正负电荷数量相等，因此对外呈中性。电子绕核旋转具有一定的动能，同时负电荷的电子与正电荷的原子核之间存在着一定的位能。所有电子的动能与位能之和就是整个原
直到二十世纪初，人们才在实验的基础上揭开了原子结构的奥秘。原子结构像是一个小小的太阳系，中间是原子核，电子围绕原子核不停地旋转，同时也不停地自转。原子核集中了原子的绝大部分质量，但却只占有很小的空间。原子核带正电，电子带负电，一般原子核与电子所携带的正负电荷数量相等，因此对外呈中性。电子绕核旋转具有一定的动能，同时负电荷的电子与正电荷的原子核之间存在着一定的位能。所有电子的动能与位能之和就是整个原子的能量，称为原子的内能。
这种原子模型是1911年由英国科学家卢瑟福提出的。紧接着，1913年，丹麦物理学家玻尔提出了原子只能处于由不连续能级表征的一系列状态——定态上，这与宏观世界中的情况大不相同。人造卫星绕地球旋转时，可以位于任意的轨道上，也就是说可具有任意的连续变化的能量。而电子在绕核运动时，却只能处于某些特定的轨道上。从而原子的内能不能连续的改变，而是一级一级分开的，这样的级就称为原子的能级。
不同的原子具有不同的能级结构。一个原子中最低的能级称为基态，其余的称为高能态，或激发态。原子从高能态E2过渡到低能态E1时，会向外发射某个频率为ν的辐射，满足普朗克公式：hv = E1 - E2
式中h为普朗克常数。反之，该原子吸收频率为ν的辐射时，就会从低能态E1过渡到高能态E2。
爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表《关于辐射的量子理论》。文章提出了激光辐射理论，而这正是激光理论的核心基础。因此爱因斯坦被认为是激光理论之父。在这篇论文中，爱因斯坦区分了三种过程：受激吸收、自发辐射、受激辐射。前两个概念是已为人所知的。受激吸收就是处于低能态的原子吸收外界辐射而跃迁到高能态；自发辐射是指高能态的原子自发地辐射出光子并迁移至低能态。这种辐射的特点是每一个原子的跃迁是自发的、独立进行的，其过程全无外界的影响，彼此之间也没有关系。因此它们发出的光子的状态是各不相同的。这样的光相干性差，方向散乱，而受激辐射则相反。它是指处于高能级的原子在光子的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。这好比清晨公鸡打鸣，一个公鸡叫起来，其他的公鸡受到“刺激”也会发出同样的声音。受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了，或者说光被放大了。这正是产生激光的基本过程。
1 《 激光原理与技术 》课程考试试卷( A卷)参考答案
一、选择题(每小题 3 分，共 30 分)
1 B 2 A 3 B 4 A 5 B 6 A 7 C 8 D 9 A 10 D
二、填空题(每小题 3 分，共 30 分)
1．/4 6．N
2．激光的增益曲线宽度， 相邻纵模间隔 7．激光强度
3．鉴别能力 8．粒子寿命有限
4．偏置在阈值以下的 9．稳定
5．物质荧光效应 10．波色-爱因斯坦
三、间答题(每小题 5 分，共 25 分)
1． 答：模式选择的思路是：
1）利用色散腔粗选频率，即选激光谱线；
2）选横模
3）选单纵模，方法有：短腔法，F-P标准具法，复合腔法等
2．答：注入琐定技术属于外注入再生放大，利用一个激光器产生性能优良的较弱光信号并注入到另一个激光器获得光放大，并控制最终输出激光特性。
3． 答： Q开关打开后，光子只在腔内往返振荡而无输出，当工作物质的反转粒子储能全部转变为腔内光子能量时，才将腔内储能瞬间全部透射输出。其特点是腔内光子储能。
4．答：
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5．答：激光起始于自发辐射。在外界泵浦的作用下，工作物质中的粒子被抽运到较高能级（激发态），由于粒子在向低能级跃迁的过程中辐射光子，通过泵浦、工作物质、谐振腔的反馈、选模，最终达到稳定的激光输出。
第二节 激光的特性及应用
[教学目标]
通过案例分析，了解激光的特性，能简述激光在生产、生活中的应用。
[教学重点]
激光的特性及激光在生产、生活中的应用。
[教学难点]
激光在生产、生活中的应用。
[教学设计思路]
首先复习演示太阳光经三棱镜后被分解成七色光。再用通俗易懂的科普语言使学生大致了解激光产生的原因，说明激光的单色性很好的光。最后通过案例介绍激光的其他特性及应用。
[教学资源]
实验仪器：激光器、三棱镜；CAI教学课件。
[课时安排] 2课时
[教学过程]
导入新课
激光已经深入我们生活的各个方面，打长途电话、看DVD、医院里做手术、煤矿里挖坑道等许多领域都在用激光。那么，激光到底是什么呢？它有哪些用途呢？
新课教学
演示实验：太阳光看起来似乎是白色的，但让它通过一块三棱镜时[参见教材图8-17（a）]，就可以清晰地看到红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的光，除此之外，红光外侧还有我们看不见的红外线，紫光外侧还有我们看不见的紫外线。
光是怎样产生的呢？自然光（太阳光、灯光等）是物质内的原子从较高能量状态自发地跃迁到较低能量状态向外辐射出的光子组成的粒子流，这种辐射叫做自发辐射。
一、激光
1．自发辐射 原子从较高能量状态自发地跃迁到较低能量状态并向外辐射
光子，叫做自发辐射。自然光（太阳光、灯光等）是原子自发辐射产生的光。
2．受激辐射 原子受外来光子的激发而从较高能量状态跃迁到较低能量状态，同时向外辐射与外来光子完全相同的光子，叫做受激辐射。
3．激光 如果这些光子在传播时再引起其他原子发生受激辐射，就会产生越来越多的相同的光子，使光得到加强，这就是激光。
1958年，人类在实验室里制造出了激光。世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器。激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域。下面通过几个案例来说明激光的特性及应用：
激光原理安毓英课件
一、课程概述
（一）课程性质《激光原理及技术》是光电信息科学与工程专业的一门专业核心课程。本课程的目的在于介绍激光的基本理论知识和掌握激光器的使用技术。
通过《激光原理及技术》课程的教学，使学生了解和掌握激光器的基本结构、工作原理和基本操控技术，培养学生分析解决激光原理问题的能力。激光原理及应用的预修课程为高等数学、线性代数、数学物理方法和大学物理等基础课程，激光原理为后继课的学习和专业训练提供必要的准备，是高等学校光学工程类和光电信息类各专业学生的一门重要的必需专业课程。我校光电信息科学与工程专业的人才培养目标是要求本专业毕业生在光电信息科学与工程领域方向上具有宽厚的理论基础、扎实的专业基础知识、熟练的实验技能，并具有综合运用专业理论技术分析解决工程问题的基本能力。激光是本专业中应用最为基本、最普遍的工具之一，例如在光纤通信、光存储、激光切割、激光雷达等方面都起着至关重要的作用，为了培养出符合社会需求的应用型人才，就必须要学生掌握激光的基本知识和操作技能。特别强调物理概念的深入理解，为今后从事光电子方向和相关专业的教学和科研打下扎实的理论基础。该课程共分五章，包括激光的基本原理，开放式光腔和高斯光束，激光介质的增益线形和增益系数，激光器稳态振荡特性，激光器和技术。
本课程应先修《大学物理（电磁学、光学部分）》、《高等数学》、《线性代数》、《数学物理方法》等课程，同时它又是《半导体物理与器件》、《光电子技术》、《光电探测和信号处理》和《光电成像原理与技术》等课程的基础。
（二）基本原则本课程主要围绕着提高学生知识、技能和思维等方面能力为目标，遵循“掌握原理”、“了解技术”的原则。“掌握原理”是指教学内容要符合物理学专业的培养目标的需要和满足物理学专业学生能力发展的需求。“了解技术”是指教学内容既要保持本课程在以后工作中的应用性和实践性，又要“重难点突出”，让学生了解激光器的广泛应用和使用中常用的技术。
