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激光基本原理

激光技术是现代科学技术的重要组成部分，在各个领域都有着广泛的应用，例如医疗、通信、工业等。本课程将从基础理论出发，深入讲解激光的基本原理，并介绍其应用。

什么是激光

定向

激光具有高度的方向性，这意味着光束能够在很长的距离内保持集中。

单色性

激光光束的频率非常窄，这意味着它只包含一种颜色。

相干性

激光光束中的光波具有相同的频率和相位，使光束能够保持一致性。

光的性质

光具有波粒二象性，既表现出波的性质，也表现出粒子的性质。

光的波长决定了光的颜色，不同波长的光对应不同的颜色。

光的频率决定了光的能量，频率越高，能量越大。

阻尼振荡

能量损失

振荡系统在运动过程中会因摩擦、空气阻力等因素而损失能量。

振幅减小

能量损失会导致振荡幅度逐渐减小，最终停止振荡。

衰减速度

阻尼系数决定了振荡衰减的速度，系数越大，衰减越快。

波动与粒子

光具有波动性，表现出干涉、衍射等现象。

光也具有粒子性，表现出光电效应、康普顿效应等现象。

量子论的诞生

1

1900年

普朗克提出量子化概念，解释黑体辐射现象。

2

1905年

爱因斯坦提出光电效应理论，进一步支持量子化概念。

3

1913年

玻尔提出原子模型，引入能级和量子跃迁的概念。

4

1920年代

量子力学发展成熟，为理解原子结构和物质性质提供基础。

量子跃迁

1

激发态

电子吸收能量，跃迁到更高的能级

2

基态

电子处于最低能量状态

3

跃迁

电子吸收或释放能量，在能级间跃迁

能量的量子化

1

光电效应

光照射到金属表面，金属表面会释放出电子，但只有频率大于某一特定值的入射光才能使电子从金属表面发射出来，该特定值称为阈值频率

2

黑体辐射

黑体辐射是指物体由于温度而发射电磁辐射的现象，黑体辐射光谱与温度有关，并且只有在特定的能量值下才会发射电磁辐射

3

原子光谱

原子发射光谱和吸收光谱只能在特定能量值下出现，并且只有特定频率的光才能被吸收，而其余频率的光则会被原子穿透

能级间跃迁

1

电子跃迁

电子从低能级跃迁到高能级

2

能量吸收

原子吸收光子能量

3

能量释放

电子从高能级跃迁回低能级

受激发射

受激吸收

当一个处于低能级的原子受到光子的照射，其电子可以吸收光子的能量，跃迁到高能级，这就是受激吸收。

受激发射

当一个处于高能级的原子受到一个与跃迁能级差相同的能量的光子的照射，电子会受激跃迁到低能级，同时发射一个与入射光子能量相同、频率相同、相位相同、偏振方向相同的光子。

实现激光条件

1

粒子数反转

高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数

2

光学谐振腔

利用反射镜形成谐振腔，使光子在腔内多次反射

3

增益介质

提供受激辐射的物质，放大光信号

共振腔

共振腔是激光器中必不可少的组成部分。它由两个相互平行的反射镜组成，一个反射镜完全反射，另一个反射镜部分反射。光在共振腔内来回反射，只有特定波长的光才能在腔内稳定存在，形成激光。

反射镜

凹面反射镜

将平行光汇聚成一点

凸面反射镜

将平行光发散成一束光

平面反射镜

反射光束与入射光束平行

半透明镜

半透明镜是激光器共振腔中不可或缺的一部分，它允许部分激光束透射出去，同时反射一部分激光束回到增益介质中，从而形成激光谐振。半透明镜的透射率和反射率决定了输出激光束的能量和强度。

增益介质

能量吸收

增益介质可以吸收外来能量，并将能量储存在其原子或分子中。

受激辐射

当介质中的原子或分子受到刺激时，它们会释放出能量并发射出与刺激光相同的频率和相位的光。

增益效应

由于受激辐射的能量会累积，导致光强增强，因此称为增益介质。

抽运方式

1

光学抽运

利用高能光源照射增益介质，使其原子或分子吸收光子而跃迁到较高能级，实现粒子数反转。

2

电抽运

通过电流激发增益介质，使其原子或分子跃迁到较高能级，实现粒子数反转。

3

化学抽运

利用化学反应释放的能量激发增益介质，使其原子或分子跃迁到较高能级，实现粒子数反转。

泵浦源

1

光泵浦

利用强光照射增益介质，使介质中的原子或分子跃迁到高能级。

2

电泵浦

通过施加电流，激发增益介质中的电子，使其跃迁到高能级。

3

化学泵浦

利用化学反应释放的能量，激发增益介质中的原子或分子。

激光器的分类

气体激光器

氦氖激光器、二氧化碳激光器、氩离子激光器等

固体激光器

红宝石激光器、钕玻璃激光器、掺铒光纤激光器等

半导体激光器

二极管激光器、量子阱激光器、量子点激光器等

染料激光器

有机染料激光器、无机染料激光器等

气体激光器

工作原理

气体激光器利用气体原子或分子作为增益介质，通过气体放电或其他方法激发气体原子或分子，使其跃迁到高能级，然后通过受激发射产生激光。

优点

气体激光器具有输出功率高、光束质量好、工作寿命长等优点，在工业、医疗、科学研究等领域应用广泛。

分类

气体激光器可以根据工作气体、激