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。
激光基本原理 一、激光产生原理 1、普通光源的发光——受激吸收和自发辐射 普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2）的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为 hυ=E2-E1 这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。 在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为 N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT} 式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为E2>E1，所以N2《N1。例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20℃时，kT≈0.025eV，则 N2/N1∝exp（－400）≈0
可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。 2、受激辐射和光的放大 由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量子数n(n=1,2,…)决定。但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。对轨道角动量，波尔曾给出了量子化公式Ln＝nh，但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。严格的能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理论来推导。 量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l（角动量量子数）量子数相差±1的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。但是，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。这种过程是被“激”出来的，故称受激辐射。 受激辐射的概念世爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时，第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的基础。 受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量hυ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。
激光器的工作原理 现代很多领域中都使用了激光器，激光器在很多设备中都发挥着核心作用。今天我们一起学习一下激光器的工作原理。 一、光与物质的三种相互作用 根据量子力学，原子中的电子有固定轨道和能级，能级间的能量量子化。当物质受到光的辐照时，光与物质（原子、分子、电子等）相互作用，存在三种光跃迁过程（three optical transition processes）: 受激吸收、自发辐射、受激辐射。 1、受激吸收stimulated absorption 受激吸收，一般称为吸收，原子中的电子吸收外来光场中的光子，从低能级跃迁至高能级，满足hv=e2-e1,（受激）吸收使外来光子数减少。 跃迁几率（跃迁概率）为b12u(v)n1 ，其中b12为爱因斯坦b系数，u(v)为光场，n1为低能级上的粒子数。可见受激吸收与光场和低能级的粒子数有关系。 2、自发辐射spontaneous emission 自发辐射，激发态的粒子在初态处于高能级，处于不稳定，向低能级跃迁，跃迁过程中辐射出光子，光子频率满足hv=e2-e1。 自发辐射的跃迁几率（transition probalility）为a21n2，其中a21为爱因斯坦a 系数，n2为高能级上的粒子数。可见自发辐射与高能级的粒子数有关系。a21的物理意义是指单位时间内发生自发辐射的粒子数密度，占e2能级总粒子数密度的百分比，即每一个处于e2能级的粒子在单位时间内发生的自发跃迁几率。 3、受激辐射stimulated emission 外来光子辐照至高能级的粒子，粒子结果产生向低能级跃迁，同时辐射出一个光子，这个光子与外来的入射光子波长频率一致，满足hv=e2-e1。受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同，即具有相同的频率、偏振方向、传播方向以及相同的相位。 这样，输入一个光子，输出变成了两个状态完全相同的光子，并且这两个光子可再作用于其他粒子，继续引起受激辐射，从而获得大量特征完全相同的光子。即实现了光放大作用。 受激辐射跃迁几率为b21u(v)n2，b21爱因斯坦b系数，受激辐射系数，u(v)为光场，n2为高能级上粒子数。可见，受激辐射与光场和处于高能级的粒子数有关。 4、受激辐射与自发辐射的区别 受激辐射光有完全相同的相位关系，为相干光(coherent)，例如激光。 自发辐射光没有固定的相位关系，为非相干（incoherent）,例如灯泡和蜡烛发光。
激光产生原理及应用 激光（Laser）是一种特殊的光源，具有单色性、相干性和高亮度等特点，广泛应用于科学研究、工业制造、医疗治疗、通信传输等领域。激光的产生原理是基于受激辐射和光放大效应。 激光的产生原理可以简单地描述为三个步骤：吸收能量、激发粒子、受激辐射。首先，通过能量输入的方式，如光、电、化学等，将能量引入激光介质中。然后，介质中的原子或分子受到能量激发，其中的电子跃迁至高能级。最后，当受激态的粒子遇到处于低能级的粒子时，会引发受激辐射，产生一束相干光，即激光。 激光的产生原理可以通过一个著名的激光器件——氦氖激光器（He-Ne Laser）来解释。氦氖激光器是利用氦和氖两种气体在低温低压条件下的放电产生的。当高压电流通过氦气和氖气的混合物时，氦气的电子受到激发并跃迁至氖气的能级，然后再通过受激辐射的过程产生激光。氦氖激光器产生的激光波长为632.8纳米，属于可见光范围内的红光。 激光的应用非常广泛。在科学研究领域，激光被广泛应用于光谱分析、光化学、原子分子物理学等实验研究中。激光的单色性和相干性使其成为高分辨率、高精度测量的理想光源。例如，在光谱学中，激光可以用来提供高分辨率的光谱线，帮助科学家研究物质的能级结构和分子振动。
在工业制造领域，激光被广泛应用于切割、焊接、打标、雕刻等加工工艺中。激光具有高能量密度和可控性的特点，可以在材料表面产生极高的温度，从而实现材料的切割和焊接。激光切割和焊接具有精度高、效率高、不产生切割毛刺等优点，被广泛应用于汽车制造、电子制造、航空航天等行业。 在医疗治疗领域，激光被应用于激光手术、激光美容、激光治疗等诸多领域。激光手术利用激光的高能量密度和可控性，实现对组织的精确切割和焊接，广泛应用于眼科手术、皮肤手术等。激光美容利用激光的选择性吸收特性，可以有效地去除皮肤上的色素、血管等，改善皮肤问题。激光治疗可以通过刺激组织的生物反应，促进伤口愈合、疼痛缓解等。 在通信传输领域，激光被应用于光纤通信。光纤通信利用激光的高速传输和低损耗的特性，将信息转换为光信号，通过光纤进行传输。激光的单色性和相干性使得光信号能够在光纤中传播较长距离而不损失太多能量和信息。光纤通信已经成为现代通信系统的基础，实现了高速、大容量的数据传输。 激光作为一种特殊的光源，具有单色性、相干性和高亮度等特点，在科学研究、工业制造、医疗治疗、通信传输等领域发挥着重要的作用。激光的产生原理基于受激辐射和光放大效应，通过能量输入、激发粒子和受激辐射等步骤实现。激光的应用范围广泛，包括光谱
激光的基本原理和其应用 激光是一种高强度、高单色性的电磁波，具有非常重要的应用 价值。在科技和医疗等领域，激光都有着广泛的应用。本文将介 绍激光的基本原理和其应用。 一、激光的基本原理 激光的正式名称是“光学激振放射”，主要是由于三种物质的相 互作用产生的。这三种物质是，激发介质、光反馈元件和光场。 当激光器中激光介质受到能量激发时，光子从激光介质中被激发 出来，通过光耦合元件，被储存在反馈腔中的光子，在多个次数 的反射中放射出来产生激光。 激光是一种非常强大的电磁波，具有单色性、相干性和方向性 等特点。它的核心是激光介质，激光介质是一个集成了多种化学 元素的合金材料，能够使激光产生和传输的过程更加有效和稳定。 二、激光的应用 1、工业应用
激光在工业领域的应用主要体现在材料加工、无损检测、砂轮抛光、非接触式测量等方面。在毫米级材料上运用光束射流烧蚀加热技术、纳米精度加工等技术，可以生产更多更优质产品。 激光在汽车工业上的应用也越来越广泛，特别是在底盘零部件加工、空气调节单元制造和整车加工等领域。激光制造技术的使用将大大提高汽车的质量和精度，从而提高汽车产品的性能。 2、医疗应用 在医疗领域中，激光已经被应用于治疗革兰氏阴性菌感染、晶状体手术、皮肤疾病、消除毒品成瘾等方面。特别是在眼科医疗领域，激光已经成为公认的疗法，可治疗近视、远视和斜视等多种眼疾。 3、科研领域
激光在科学研究中也有着很多应用。特别是在原子、分子、光 电子学、纳米科技等新兴领域，激光技术已经成为许多研究人员 不可或缺的工具，为这些领域的研究提供了有力支持。 除此之外，激光还可以用来测量距离、成像和激光雷达等。它 又被广泛应用于通讯、生物医学、测量模块、制造和加工等领域。随着科技的发展和激光技术的不断提高，激光未来的应用领域还 将会越来越广泛和重要。 结论 总之，激光作为一种高强度、高单色性的电磁波，具有高度的 方向性、相干性和单色性等特点，使得其在科技和医疗等领域发 挥出了非常强大的功效。而在工业和医疗领域，激光技术的应用 将会越来越广泛和重要，为人们带来更多更有效的帮助。
激光产生原理 了解激光产生原理，我们必先了解物质的结构，与激光的辐射和吸收的原理。 图一碳原子示意图 物质由原子组成。图一是一个碳原子的示意图。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。质子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布满着带负电的电子，绕着原子核运动。有趣的是，电子在原子中的能量并不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的「能阶」，不同的能阶对应于不同的电子能量。为了简单起见，我们可以如图一所示，把这些能阶想象成一些绕着原子核的轨道，距离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道最多可容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道 (也是最近原子核的轨道) 最多只可容纳 2 个电子，较高的轨道则可容纳 8 个电子等等。事实上，这个过份简化了的模型并不是完全正确的 [1]，但它足以帮助我们说明激光的基本原理。 电子可以透过吸收或释放能量从一个能阶跃迁至另一个能阶。例如当电子吸收了一个光子 [2] 时，它便可能从一个较低的能阶跃迁至一个较高的能阶 (图二 a)。同样地，一个位于高能阶的电子也会透过发射一个光子而跃迁至较低的能阶 (图二 b)。在这些过程中，电子吸收或释放的光子能量总是与这两能阶的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。 图二原子内电子的跃迁过程
当原子内所有电子处于可能的最低能阶时，整个原子的能量最低，我们称原子处于基态。图一显示了碳原子处于基态时电子的排列状况。当一个或多个电子处于较高的能阶时，我们称原子处于受激态。前面说过，电子可透过吸收或释放在能阶之间跃迁。跃迁又可分为三种形式﹕ 1.自发吸收 - 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶 (图二 a)。 2.自发辐射 - 电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶 (图二 b)。 3.受激辐射 - 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子 (图二 c)。 图三红宝石激光的示意图 激光基本上就是由第三种跃迁机制所产生的。图三显示红宝石激光的原理。它由一枝闪光灯，激光介质和两面镜所组成。激光介质是红宝石晶体，当中有微量的铬原子。在开始时，闪光灯发出的光射入激光介质，使激光介质中的铬原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。此时，有些电子会透过释放光子，回到较低的能阶。而释放出的光子会被设于激光介质两端的镜子来回反射，诱发更多的电子进行受激辐射，使激光的强度增加。设在两端的其中一面镜子会把全部光子反射，另一面镜子则会把大部分光子反射，并让其余小部分光子穿过﹔而穿过镜子的光子就构成我们所见的激光。 图四粒子数反转的状态 产生激光还有一个巧妙之处，就是要实现所谓粒子数反转的状态。以红宝石激光为例 (图四)，原子首先吸收能量，跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短，大约�秒后，它便会落到一个称为亚稳态的中间状态。原子停留在亚稳态的时间很长，大约是�秒或更长的时间。电子长时间留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此现象称为粒子数反转。粒子数反转是产生激光的关键，因为它使透过受
激光器的原理及分类 一、根底原理 量子理论认为，所有物质都是由各种微观〞粒子〞组成,如分子,原子,质子,中子,电子等。在微观世界里,各种粒子都有其固有的能级构造。当一个粒子从高能级掉到低能级时，根据能量守恒定律，它要把两个能级相差局部的能量释放出来，通常这个能量以光和热两种形式释放出来。 二、自发辐射、受激辐射 1、自发辐射 普通常见光源的发光〔如电灯、火焰、太阳等地发光〕是由于物质在受到外来能量〔如光能、电能、热能等〕作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个"受激吸收〞过程。但是处在高能级〔E2)的电子寿命很短〔一般为10－8～10－9秒〕，在没有外界作用下会自发地向低能级〔E1〕跃迁，跃迁时将产生光〔电磁波〕辐射。辐射光子能量=E2-E1。过程各自独立、互补关联，所有辐射的光在发射方向上是无规律的射向四面八方，并且频率不同、偏振状态和相位不同。 2、受激辐射 在原子中也存在这样一些特定高能级，一旦电子被激发到这个高能级之上，却由于不满足跃迁的条件，发生跃迁的几率很低，电子能够在高能级上的时间很长，就所谓的亚稳定状态。但在能在外界光场的照射下发生往下跃迁，并且向下跃迁时释放出一个与射入光场一样的光子，在同一个方向、有同一个波长。这就是受激辐射，激光正是利用这一原理激发出来。 二、粒子数反转
通过受激辐射出来的光子，不仅可以引起其他粒子受激辐射，也可以引起受激吸收。只有在处于高能级的原子数量大于处于低能级原子数时，所产生的受激辐射才能大于受激吸收。但是在自然条件下，原子都是都处于稳定的基态，只能通过技术手段将大量的原子都调整到高能级的状态，才能有多余的辐射向外产生。这个技术叫粒子数反转。 三、光放大过程 通过粒子数反转后，其中一个粒子首先在外界光场的照射刺激下，对外发出了一个光子，这个光子又刺激其他粒子再次对外发射光子，并且方向一样，波长一样。但是这样放大的光还不够强。科学家设计了一个光学偕振腔〔两片反射玻璃，一片100%反射、一片接近100%反射〕，通过反复反射，将光强度进一步扩大。 四、激光器构成 1、工作介质。可以是气体、液体、固体、或者半导体。在这些介质中存在亚稳定状态，可以实现粒子数反转，以获得制造激光的必要条件。 2、鼓励源。用于去鼓励原子体系，使处于上能级的粒子数量增加。有电鼓励、光鼓励、热鼓励。俗称泵浦源。 3、谐振腔。用于放大光辐射，并调节激光波长。 五、激光的特点 1、方向直。激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角度，照射方向上的照度比普通光提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好的特点。 2、亮度高。一台大功率激光器输出的亮度只有氢弹爆炸瞬间的闪光才能与之相比。由于亮度高度集中，容易在某一微小电出产生高压和几万摄氏度甚至几百万