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奇異的光----激光（雷射）
2021-01-15
激光的基本概念
1、激光的載體--原子
激光作為一種物質，依附于一個個原子而存在。
電子圍繞原子核旋轉的動能和原子核吸引電子具有的位能構成了整個原子的能量，即原子的內能。在外力的作用下，如果電子和原子核的距離增大，則原子的內能增加。
2、激光的形成
（1）激發和躍遷
激發：通過外力作用使原子由低能級過度到高能級的過程。
躍遷：能力最低原理，原子總是力圖使自己處于能力最低態，因此“千方百計”使自己由高能級向低能級轉移。
自發躍遷：沒有受到外界的作用，僅由其本身運動的結果所導致的躍遷。
無輻射躍遷：自發躍遷的能量轉變為熱能或其他形式的能量。
自發輻射躍遷：自發躍遷的能量轉變為光能。
受激輻射躍遷：外來光子的帶動使原子從高能級向低能級躍遷。
受激輻射躍遷產生的光子跟外來的光子由著相同的特征：頻率相同；相位相同；偏振方向相同；傳播方向相同。
（2）吸收與放大
如果入射到原子上的光子頻率滿足hv=E2-E1的條件，則處于低能級E1的原子可能吸收這個光子的能量，被激發到較高能級E2上去。這樣，就消失了一個光子，這就是受激吸收過程。
（3）粒子數反轉與激光的產生
粒子數反轉：熱平衡情況下，處于高能級的原子密度總小于處于低能級的原子密度。如果有光子入射，使的不到受激放大的。為了實現光的放大，必須考慮原子的熱運動沒有達到平衡，整個體系不存在一個恒定溫度的狀態，以及非熱平衡的原子體系。這時，體系的原子分布不在服從玻耳茲曼公式，某些上能級的原子密度可以大于某些下能級的原子密度。
要想得到入射光子的放大，必須要滿足粒子數反轉的條件。
3、激光器的構成
（1）放大介質 （2）泵浦源 （3）反射鏡與諧振腔 （4）振蕩條件
4、激光器的工作方式
（1）連續激光
激光泵浦源持續提供能量，在激光工作物質中長時間地建立粒子數反轉的條件，長時間地產生激光輸出，從而得到連續激光。連續激光的輸出功率一般都比較低，適合于要求激光連續工作（如激光通信、激光手術等）的場合。
（2）脈沖激光
脈沖工作方式是指每間隔一定時間才工作一次的方式。
脈沖激光器具有較大輸出功率，適合于激光打標、切割、測距等。
常見的脈沖激光器：固體激光器中的釔鋁石榴石（YAG）激光器、紅寶石激光器、釹玻璃激光器等。還有氮分子激光器、準分子激光器等。
（3）巨脈沖激光
在腔內人為的加入損耗，是其大于工作物質的增益，這時沒有激光輸出。但在泵浦源持續不斷的激勵下，激光上能級的原子數越來越多，得到了較大的粒子數反轉。如果定義峰值功率為脈沖的能量除以脈沖的持續時間（脈寬），那么，在撤除人為加入的損耗情況下，就會在很短的時間內以極快的速度產生脈沖寬度窄、峰值功率高的脈沖激光，通常稱為巨脈沖。
Q開關技術：認為調節腔內損耗。Q=w 儲存在諧振腔中的能量/每秒損失的能量
Q開關激光器：采用Q開關技術的激光器。
（4）超短脈沖激光
4、激光的特點
（1）良好的單色性
（2）良好的方向性
（3）高亮度
（4）極好的相干性
激光家族分類
從工作物質的形態分：
固體激光器、氣體激光器、半導體激光器、液體激光器等。
一、固體激光器
用摻如少量離子的晶體或玻璃作為工作物質的激光器叫固體激光器。
特點：能量大、峰值功率高、結構較緊湊、牢固耐用等長處。
一般說來，固體激光器的尺寸比氣體激光器小，工作壽命比氣體激光器長。
二、氣體激光器
以氣體或金屬蒸氣作為主要工作物質的激光器。
分類：原子氣體激光器、分子氣體激光器和離子氣體激光器。
氣體激光器時目前種類最多、輸出激光波長最豐富、應用最廣的一種激光器。
特點：激光輸出波長范圍較寬；氣體的光學均勻性較好，因此輸出的光束質量好，其單色性、相干性和光束穩定性均好。導致了在精密計算、準直、通信、雷達、全息等方面的廣泛應用。
氣體激光器一般用氣體放電激勵，在直流的激光管中，必須有一個放電的陰極和陽極。諧振腔一般采用穩定的球面腔，一端為全反射鏡，另一端即輸出端，為部分反射鏡。
三、半導體激光器
半導體激光器：用半導體材料作為工作物質的激光器。
半導體中產生激光的方法：P-N結注入式、電子束激發、光激發以及雪崩式擊穿等。
四、液體激光器
激光工作物質式液體的激光器，稱為液體激光器。主要包括螯合物激光器、無機液體激光器和有機染料激光器。
目前應用比較廣泛的是有機染料激光器。它以染料作為激光工作物質，裝入染料盒中使用的染料，大多溶于乙醇、苯、水及其他溶劑中。激發手段主要包括采用巨脈沖的激光器或采用特種電源裝置的閃光燈。
染料激光器獨特的輸出特性：輸出激光譜線寬；光束發散角小；激光輸出波長顆移動（可調諧）；某兩種染料混合可以產生輸出心波長的染料；激活離子密度大，增益系數高，可得
1、激光的載體--原子
激光作為一種物質，依附于一個個原子而存在。
電子圍繞原子核旋轉的動能和原子核吸引電子具有的位能構成了整個原子的能量，即原子的內能。在外力的作用下，如果電子和原子核的距離增大，則原子的內能增加。
2、激光的形成
（1）激發和躍遷
激發：通過外力作用使原子由低能級過度到高能級的過程。
躍遷：能力最低原理，原子總是力圖使自己處于能力最低態，因此“千方百計”使自己由高能級向低能級轉移。
自發躍遷：沒有受到外界的作用，僅由其本身運動的結果所導致的躍遷。
無輻射躍遷：自發躍遷的能量轉變為熱能或其他形式的能量。
自發輻射躍遷：自發躍遷的能量轉變為光能。
受激輻射躍遷：外來光子的帶動使原子從高能級向低能級躍遷。
受激輻射躍遷產生的光子跟外來的光子由著相同的特征：頻率相同；相位相同；偏振方向相同；傳播方向相同。
（2）吸收與放大
如果入射到原子上的光子頻率滿足hv=E2-E1的條件，則處于低能級E1的原子可能吸收這個光子的能量，被激發到較高能級E2上去。這樣，就消失了一個光子，這就是受激吸收過程。
（3）粒子數反轉與激光的產生
粒子數反轉：熱平衡情況下，處于高能級的原子密度總小于處于低能級的原子密度。如果有光子入射，使的不到受激放大的。為了實現光的放大，必須考慮原子的熱運動沒有達到平衡，整個體系不存在一個恒定溫度的狀態，以及非熱平衡的原子體系。這時，體系的原子分布不在服從玻耳茲曼公式，某些上能級的原子密度可以大于某些下能級的原子密度。
要想得到入射光子的放大，必須要滿足粒子數反轉的條件。
3、激光器的構成
（1）放大介質 （2）泵浦源 （3）反射鏡與諧振腔 （4）振蕩條件
4、激光器的工作方式
（1）連續激光
激光泵浦源持續提供能量，在激光工作物質中長時間地建立粒子數反轉的條件，長時間地產生激光輸出，從而得到連續激光。連續激光的輸出功率一般都比較低，適合于要求激光連續工作（如激光通信、激光手術等）的場合。
（2）脈沖激光
脈沖工作方式是指每間隔一定時間才工作一次的方式。
脈沖激光器具有較大輸出功率，適合于激光打標、切割、測距等。
常見的脈沖激光器：固體激光器中的釔鋁石榴石（YAG）激光器、紅寶石激光器、釹玻璃激光器等。還有氮分子激光器、準分子激光器等。
（3）巨脈沖激光
在腔內人為的加入損耗，是其大于工作物質的增益，這時沒有激光輸出。但在泵浦源持續不斷的激勵下，激光上能級的原子數越來越多，得到了較大的粒子數反轉。如果定義峰值功率為脈沖的能量除以脈沖的持續時間（脈寬），那么，在撤除人為加入的損耗情況下，就會在很短的時間內以極快的速度產生脈沖寬度窄、峰值功率高的脈沖激光，通常稱為巨脈沖。
Q開關技術：認為調節腔內損耗。Q=w 儲存在諧振腔中的能量/每秒損失的能量
Q開關激光器：采用Q開關技術的激光器。
（4）超短脈沖激光
4、激光的特點
（1）良好的單色性
（2）良好的方向性
（3）高亮度
（4）極好的相干性
激光家族分類
從工作物質的形態分：
固體激光器、氣體激光器、半導體激光器、液體激光器等。
一、固體激光器
用摻如少量離子的晶體或玻璃作為工作物質的激光器叫固體激光器。
特點：能量大、峰值功率高、結構較緊湊、牢固耐用等長處。
一般說來，固體激光器的尺寸比氣體激光器小，工作壽命比氣體激光器長。
二、氣體激光器
以氣體或金屬蒸氣作為主要工作物質的激光器。
分類：原子氣體激光器、分子氣體激光器和離子氣體激光器。
氣體激光器時目前種類最多、輸出激光波長最豐富、應用最廣的一種激光器。
特點：激光輸出波長范圍較寬；氣體的光學均勻性較好，因此輸出的光束質量好，其單色性、相干性和光束穩定性均好。導致了在精密計算、準直、通信、雷達、全息等方面的廣泛應用。
氣體激光器一般用氣體放電激勵，在直流的激光管中，必須有一個放電的陰極和陽極。諧振腔一般采用穩定的球面腔，一端為全反射鏡，另一端即輸出端，為部分反射鏡。
三、半導體激光器
半導體激光器：用半導體材料作為工作物質的激光器。
半導體中產生激光的方法：P-N結注入式、電子束激發、光激發以及雪崩式擊穿等。
四、液體激光器
激光工作物質式液體的激光器，稱為液體激光器。主要包括螯合物激光器、無機液體激光器和有機染料激光器。
目前應用比較廣泛的是有機染料激光器。它以染料作為激光工作物質，裝入染料盒中使用的染料，大多溶于乙醇、苯、水及其他溶劑中。激發手段主要包括采用巨脈沖的激光器或采用特種電源裝置的閃光燈。
染料激光器獨特的輸出特性：輸出激光譜線寬；光束發散角小；激光輸出波長顆移動（可調諧）；某兩種染料混合可以產生輸出心波長的染料；激活離子密度大，增益系數高，可得
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