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激光原理与技术第1章

激光基本原理激光器基本结构与技术固体激光器原理与技术气体激光器原理与技术液体激光器原理与技术化学激光器原理与技术contents目录

01激光基本原理

处于高能级的粒子在没有任何外界作用下自发地跃迁到低能级，同时辐射出一个能量等于两能级差的光子。处于高能级的粒子在外来光子的作用下，跃迁到低能级并辐射出一个与外来光子完全相同的光子。光的自发辐射与受激辐射受激辐射自发辐射

粒子数反转在通常情况下，高能级的粒子数总是少于低能级的粒子数。但在某些特定条件下，高能级的粒子数可以超过低能级的粒子数，这种现象称为粒子数反转。光放大当外来光子的频率与两能级间的跃迁频率相等时，受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的频率、相位、传播方向和偏振状态。这些光子在传播过程中不断引起新的受激辐射，使得光强不断增大，实现光放大。粒子数反转与光放大

在粒子数反转的条件下，通过光泵浦或电泵浦等方式提供能量，使得高能级的粒子数不断增加。当高能级粒子数达到一定阈值时，受激辐射产生的光子数超过自发辐射产生的光子数，形成激光输出。激光的产生激光具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性。其中，方向性好指激光束的发散角很小；亮度高指激光的能量密度很高；单色性好指激光的频率单一；相干性好指激光的波前保持一致的相位关系。激光的特性激光的产生与特性

02激光器基本结构与技术

产生激光的核心部分，可以是气体、液体、固体或半导体。工作物质泵浦源光学谐振腔为工作物质提供能量，使其达到粒子数反转分布。由反射镜组成，用于提供正反馈，使激光振荡得以持续进行。030201激光器的基本组成

核泵浦利用放射性同位素衰变产生的射线来激发工作物质。化学泵浦利用化学反应释放的能量来激发工作物质。电泵浦通过电流注入工作物质，使其产生粒子数反转分布。工作物质的种类包括气体、液体、固体和半导体等。光泵浦利用外部光源照射工作物质，使其吸收光能并达到粒子数反转分布。工作物质与泵浦方式

光学谐振腔的作用提供正反馈，使激光振荡得以持续进行。控制激光的输出方向和模式。光学谐振腔与光束质量

提高激光器的效率。光束质量的评价光束发散角：描述激光束在空间中的扩散程度，发散角越小，光束准直性越好。光学谐振腔与光束质量

光束截面形状理想的激光束应具有高斯分布或平顶分布等特定形状。光束稳定性指激光束在时间和空间上的稳定性，包括功率稳定性、频率稳定性和指向稳定性等。光学谐振腔与光束质量

03固体激光器原理与技术

产生激光的核心部分，通常由掺杂有激活离子的晶体、玻璃或陶瓷等材料构成。工作物质为工作物质提供能量，使其实现粒子数反转的装置，常见的泵浦源有闪光灯、激光二极管等。泵浦源由两个反射镜组成，用于提供光学正反馈，使激光振荡得以持续进行。光学谐振腔固体激光器的基本结构

泵浦光从谐振腔的一端或两端沿轴向射入工作物质，实现高效泵浦。端面泵浦泵浦光从工作物质的侧面射入，通过全反射等方式在工作物质内形成均匀的光场分布。侧面泵浦利用光纤将泵浦光传输到工作物质，实现高功率密度、高效率的泵浦。光纤耦合泵浦固体激光器的泵浦方式

固体激光器的输出功率与泵浦功率、工作物质的性质、谐振腔的设计等因素有关。输出功率固体激光器的输出波长取决于工作物质的能级结构和泵浦光的波长。输出波长固体激光器的光束质量通常用光束参数乘积（BPP）或M2因子来衡量，与谐振腔的设计、工作物质的热效应等因素有关。光束质量固体激光器通过改变工作物质的掺杂浓度、温度或泵浦条件等方式，可实现较宽的调谐范围。调谐范围固体激光器的输出特性

04气体激光器原理与技术

激励源用于激发工作物质中的粒子，使其达到高能态并产生受激辐射。激励源可以是电激励、光激励或化学激励等。激光工作物质气体激光器中的工作物质通常是气体或气体混合物，如CO2、He-Ne等。光学谐振腔由两个反射镜组成，用于提供光学反馈并维持激光振荡。其中一个反射镜是全反射镜，另一个反射镜是部分反射镜，允许一部分激光输出。气体激光器的基本结构

气体激光器的激励方式电激励通过电极间的高电压放电，使气体中的粒子获得能量并激发到高能态。这种方式常用于CO2激光器等。光激励利用外部光源照射工作物质，使其中的粒子吸收光子能量并激发到高能态。这种方式常用于He-Ne激光器等。化学激励通过化学反应释放能量，激发工作物质中的粒子。这种方式在某些特殊的气体激光器中使用。

输出波长气体激光器的输出波长取决于工作物质的能级结构和激励方式。不同气体激光器可以产生不同波长的激光，如CO2激光器输出波长为10.6μm的红外激光，He-Ne激光器输出波长为632.8nm的可见光激光等。输出功率气体激光器的输出功率与激励源的能量、工作物质的浓度和光学谐振腔的效率等因素有关。高功率的气体激光器可以产生千瓦级以上的激光输出。输出模式气体