光的自发辐射 受激辐射、光放大

激光原理第七版答案
激光，全称为“光电子激发放射”，是一种特殊的光线，具有高度的单色性、方向性和相干性。

激光的产生是通过一系列的物理过程实现的，其中包括受激辐射、自发辐射和受激吸收等过程。

激光的产生原理主要包括受激辐射原理、光放大原理和谐振腔原理。

首先，受激辐射原理是激光产生的基础。

当原子或分子处于激发态时，它们会受到外界光子的刺激而发射出与激发光子同频率、同相位和同方向的光子，这种现象就是受激辐射。

在一个受激辐射过程中，一个光子刺激原子或分子从激发态跃迁到基态，同时激发出一个与刺激光子完全一样的光子。

这些光子在原子或分子中来回反射，形成了光的放大效应。

其次，光放大原理是激光产生的关键。

在激光器中，有一个放大介质，当受激辐射发生时，会引起放大介质中光子数目的急剧增加，从而形成激光。

这种放大效应是通过受激发射和自发辐射相互作用而实现的。

放大介质可以是气体、固体或液体，其选择取决于激光器的具体应用。

最后，谐振腔原理是激光产生的空间条件。

谐振腔是由两个或
多个反射镜构成的，其中至少有一个是半透镜。

这些反射镜的作用是使光在腔内来回反射，并在放大介质中形成光的放大效应。

谐振腔中的光子会在腔内来回传播，直到其中的光子数目增加到一定程度，形成激光。

综上所述，激光的产生原理主要包括受激辐射原理、光放大原理和谐振腔原理。

这些原理相互作用，共同促成了激光的产生。

激光在现代科技中有着广泛的应用，包括激光医学、激光通信、激光加工等领域。

因此，对激光产生原理的深入理解，对于推动激光技术的发展具有重要意义。

激光的产生与特点一、激光的产生激光的英文名字Laser，所以又称镭射，是受激辐射引起的光放大。

1.三种光辐射过程（1）自发辐射是指高能态粒子自发地向低能态跃迁。

（2）受激辐射是指高能态粒子在外来光子的激发下向低态跃迁。

（3）受激吸收是指低能态粒子吸收外来光子能量向高能态跃迁。

在激光器中是受激辐射，即高能态粒子在外来光子激发下向低能态跃迁，其频率、相位、偏振状态与外来光子相同。

只有受激辐射占优势时，外来光放大以后，才能发出激光，如高能态粒子数为N2，大于低能态粒子数N，时（即N，>N，时），才能把外来光放大，发出激光。

2.必要条件和充分条件产生激光的必要条件是要有使低能态粒子跃迁的激励过程，又称泵浦过程。

产生激光的充分条件是要有小损耗的谐振腔。

3.产生激光的三个条件1）实现粒子数反转。

2）满足阈值条件。

3）满足谐振条件。

泵浦过程实现了粒子数的反转，谐振腔内的两个反射镜，使受激辐射光在其中来回反射，满足阈值条件后发出激光。

二、激光的特点激光是以受激辐射的光放大为基础的发光现象，用以自身辐射为基础的光源相比，具有单色性好、方向性好、亮度高以及相干性好等特点。

1.单色性好对于单色性，有如下几点说明：1）单色光的波长范围很小，谱线宽度窄，所以，波长范围很小的辐射，谱线宽度越窄的光，其单色性越好。

2）激光是受激辐射，谐振腔有选频作用，所以输出光的谱线宽度很小，因而能具有好的单色性。

3）单色性好的光越易于调制，因而在光通信中得到广泛的应用。

2.方向性好用光的发散角来描写方向性，发散角小，方向性好。

激光的发散角可达10弧度，所以方向性非常好。

3.亮度高高度是指单位面积的光源在给定方向上单位立体角范围内发出的辐射功率。

有书记载：激光可达104W，比太阳的亮度还高出上千亿倍。

4.相干性好相干性是指两束光能够发生干涉，形成明暗相间干涉图缘的特性。

激光是完全相干的，接近电磁波。

所以在光通信、全息摄影、精密测量中得到广泛应用。

1、自发辐射与受激辐射的区别自发辐射：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。

受激辐射：当原子处于激发态E2时,如果恰好有能量 (这里E2 ）E1）的光子射来，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迂到低能级E1上去，这种辐射叫做受激辐射。

区别：与自发辐射不同，辐射一定要在外来光作用下发生并发射一个与外来光子完全相同的光子.受激辐射光是相干光。

受激辐射光加上原来的外来光,使光在传播方向上光强得到放大。

自发辐射是不受外界辐射场影响的自发过程，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。

2、试总结激光的原理、特点、分类1）原理激光是光受激辐射的放大，它通过辐射的受激放射而实现光放大。

光放大即是一个光子射入一个原子体系之后，在离开此原子体系时，成了两个或更多个特征完全相同的光子。

但光子射入原子体系后与原子体系的相互作用时,总总包含吸收、自发辐射与受激辐射三种过程。

要得到激光必须使受激辐射胜过吸收和自发辐射在三个过程中居主导地位.2）特点主要特点：定向发光、亮度极高、颜色极纯、能量密度极高其他特点：激光是单色或单频的;激光是相干光,其所有的光波都同步，整束光就好像一个“波列”；激光是高度集中的,即它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象.3）分类按工作介质的不同来分类：固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器.按激光输出方式的不同分类：连续激光器和脉冲激光器。

（其中脉冲激光的峰值功率可以非常大）按发光的频率和发光功率大小分类等。

第二章激光产生的原理激光（laser）是一种特殊的光，与普通光不同，具有高度的单色性、相干性和直挺性。

激光的产生原理可以归结为三个基本步骤：受激辐射、光放大和自发辐射。

下面将详细介绍这三个步骤。

1. 受激辐射（stimulated emission）受激辐射是激光产生的基础步骤。

当一个原子或分子处于激发态时，它可以通过与一个已经激发的原子或分子相互作用，使其跃迁到更低的能级并释放出一个与已经存在的光子相同的光子。

这个过程类似于一个“决定性的薪水”，因为刚发射的光子的频率和相位与已经存在的光子完全一致。

这种释放出与已有光子相同的光子的原子或分子被称为“受激辐射源”。

受激辐射的发生需要两个已激发的原子或分子相遇并发生耦合。

为了增加受激辐射的概率，需要将大量的原子或分子引入到激发态。

这可以通过能量输入的方式，如电击、光照等来实现。

2. 光放大（optical amplification）光放大是指将弱的光信号经过一定的方式和介质放大成为强光的过程，主要是通过受激辐射来实现。

在激光器中，光通过一个介质（如激活剂）时，如果该介质中有足够多的原子或分子处于激发态，那么入射光子与受激辐射源相互作用时，即会受到受激辐射并发射出相同频率和相位的新光子。

这样就形成了一个光子链反应，既光子会不断地通过原子或分子的相互作用来产生新的光子。

这个过程导致光子数目呈指数增长。

同时，这个过程也导致光子的相位一致，即光波是相干的。

而且，由于受激辐射只与入射光子的波长频率和相位有关，所以光放大过程不会引起光子的频率和相位的改变。

因此，光放大得到的光具有高度的相干性和纯净度。

3. 自发辐射（spontaneous emission）自发辐射是与受激辐射相反的一种现象。

自发辐射是指原子或分子在激发态自发发射出光子的过程。

自发辐射与受激辐射不同，它是完全单个的、随机的，独立于入射光子的存在或者其他光子的存在。

自发辐射产生的光子频率和相位是随机的。

激光发射原理
激光是一种光的形式，其发射是通过激光器实现的。

激光器的发射原理基于受激辐射和光放大的过程。

首先，激光器中存在一个激光介质，比如气体、固体或半导体等。

这个介质包含能够吸收能量的原子或分子。

第二，激光器中有一个能量源，比如闪光灯、电流或其他激发源，用来提供能量。

在激发源的作用下，激光介质中的原子或分子会被激发到一个高能级。

这些激发态的原子或分子是不稳定的，它们会迅速回到基态，并释放出能量。

在这个过程中，有些原子或分子会释放出光子，而这些光子与其他处于激发态的原子或分子之间的能量差相等。

第三，当激光介质中的原子或分子释放出光子时，这些光子在介质内发生多次碰撞，激发更多原子或分子到激发态。

这种现象被称为受激辐射，它可以导致光子数量不断增加而形成一个光子密集的系统。

第四，激发态的原子或分子会通过自发辐射回到基态。

在回到基态的过程中，它们会以同样的能量差再次释放出光子。

最后，当光子数量达到一个临界值时，即时它们发生在不同位置和方向上的碰撞，它们的相干性会增强。

这就是光子的共振放大效应。

通过反射器或增透镜等光学元件对光子进行光程延迟和调节，最终可以实现激光的聚焦、定向和发射。

总之，激光的发射原理基于激光介质中的受激辐射和光放大过程。

这种过程利用激发源提供的能量，通过原子或分子的激发态和基态之间的跃迁来产生相干的、高强度和单色性的光束。