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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(zhì)，依附于一個個原子而存在。
電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的動能和原子核吸引電子具有的位能構(gòu)成了整個原子的能量，即原子的內(nèi)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(nèi)能增加。
2、激光的形成
?。?）激發(fā)和躍遷
激發(fā)：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(tài)，因此“千方百計”使自己由高能級向低能級轉(zhuǎn)移。
自發(fā)躍遷：沒有受到外界的作用，僅由其本身運動的結(jié)果所導(dǎo)致的躍遷。
無輻射躍遷：自發(fā)躍遷的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蚱渌问降哪芰俊?br /> 自發(fā)輻射躍遷：自發(fā)躍遷的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽堋?br /> 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(chǎn)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(fā)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。
?。?）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與激光的產(chǎn)生
粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：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(xiàn)光的放大，必須考慮原子的熱運動沒有達(dá)到平衡，整個體系不存在一個恒定溫度的狀態(tài)，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(shù)反轉(zhuǎn)的條件。
3、激光器的構(gòu)成
?。?）放大介質(zhì) （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
?。?）連續(xù)激光
激光泵浦源持續(xù)提供能量，在激光工作物質(zhì)中長時間地建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件，長時間地產(chǎn)生激光輸出，從而得到連續(xù)激光。連續(xù)激光的輸出功率一般都比較低，適合于要求激光連續(xù)工作（如激光通信、激光手術(shù)等）的場合。
?。?）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(biāo)、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(zhǔn)分子激光器等。
?。?）巨脈沖激光
在腔內(nèi)人為的加入損耗，是其大于工作物質(zhì)的增益，這時沒有激光輸出。但在泵浦源持續(xù)不斷的激勵下，激光上能級的原子數(shù)越來越多，得到了較大的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如果定義峰值功率為脈沖的能量除以脈沖的持續(xù)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(nèi)以極快的速度產(chǎn)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(guān)技術(shù)：認(rèn)為調(diào)節(jié)腔內(nèi)損耗。Q=w 儲存在諧振腔中的能量/每秒損失的能量
Q開關(guān)激光器：采用Q開關(guān)技術(shù)的激光器。
?。?）超短脈沖激光
4、激光的特點
?。?）良好的單色性
?。?）良好的方向性
?。?）高亮度
（4）極好的相干性
激光家族分類
從工作物質(zhì)的形態(tài)分：
固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)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(zhì)的激光器叫固體激光器。
特點：能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)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(zhì)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(yīng)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(xué)均勻性較好，因此輸出的光束質(zhì)量好，其單色性、相干性和光束穩(wěn)定性均好。導(dǎo)致了在精密計算、準(zhǔn)直、通信、雷達(dá)、全息等方面的廣泛應(yīng)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(wěn)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(dǎo)體激光器
半導(dǎo)體激光器：用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器。
半導(dǎo)體中產(chǎn)生激光的方法：P-N結(jié)注入式、電子束激發(fā)、光激發(fā)以及雪崩式擊穿等。
四、液體激光器
激光工作物質(zhì)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(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器。
目前應(yīng)用比較廣泛的是有機(jī)染料激光器。它以染料作為激光工作物質(zhì)，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(fā)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(fā)散角??；激光輸出波長顆移動（可調(diào)諧）；某兩種染料混合可以產(chǎn)生輸出心波長的染料；激活離子密度大，增益系數(shù)高，可得
1、激光的載體--原子
激光作為一種物質(zhì)，依附于一個個原子而存在。
電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的動能和原子核吸引電子具有的位能構(gòu)成了整個原子的能量，即原子的內(nèi)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(nèi)能增加。
2、激光的形成
?。?）激發(fā)和躍遷
激發(fā)：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(tài)，因此“千方百計”使自己由高能級向低能級轉(zhuǎn)移。
自發(fā)躍遷：沒有受到外界的作用，僅由其本身運動的結(jié)果所導(dǎo)致的躍遷。
無輻射躍遷：自發(fā)躍遷的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蚱渌问降哪芰俊?br /> 自發(fā)輻射躍遷：自發(fā)躍遷的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽堋?br /> 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(chǎn)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(fā)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。
?。?）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與激光的產(chǎn)生
粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：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(xiàn)光的放大，必須考慮原子的熱運動沒有達(dá)到平衡，整個體系不存在一個恒定溫度的狀態(tài)，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(shù)反轉(zhuǎn)的條件。
3、激光器的構(gòu)成
?。?）放大介質(zhì) （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
?。?）連續(xù)激光
激光泵浦源持續(xù)提供能量，在激光工作物質(zhì)中長時間地建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件，長時間地產(chǎn)生激光輸出，從而得到連續(xù)激光。連續(xù)激光的輸出功率一般都比較低，適合于要求激光連續(xù)工作（如激光通信、激光手術(shù)等）的場合。
?。?）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(biāo)、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(zhǔn)分子激光器等。
?。?）巨脈沖激光
在腔內(nèi)人為的加入損耗，是其大于工作物質(zhì)的增益，這時沒有激光輸出。但在泵浦源持續(xù)不斷的激勵下，激光上能級的原子數(shù)越來越多，得到了較大的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如果定義峰值功率為脈沖的能量除以脈沖的持續(xù)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(nèi)以極快的速度產(chǎn)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(guān)技術(shù)：認(rèn)為調(diào)節(jié)腔內(nèi)損耗。Q=w 儲存在諧振腔中的能量/每秒損失的能量
Q開關(guān)激光器：采用Q開關(guān)技術(shù)的激光器。
?。?）超短脈沖激光
4、激光的特點
?。?）良好的單色性
?。?）良好的方向性
?。?）高亮度
（4）極好的相干性
激光家族分類
從工作物質(zhì)的形態(tài)分：
固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)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(zhì)的激光器叫固體激光器。
特點：能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)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(zhì)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(yīng)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(xué)均勻性較好，因此輸出的光束質(zhì)量好，其單色性、相干性和光束穩(wěn)定性均好。導(dǎo)致了在精密計算、準(zhǔn)直、通信、雷達(dá)、全息等方面的廣泛應(yīng)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(wěn)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(dǎo)體激光器
半導(dǎo)體激光器：用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器。
半導(dǎo)體中產(chǎn)生激光的方法：P-N結(jié)注入式、電子束激發(fā)、光激發(fā)以及雪崩式擊穿等。
四、液體激光器
激光工作物質(zhì)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(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器。
目前應(yīng)用比較廣泛的是有機(jī)染料激光器。它以染料作為激光工作物質(zhì)，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(fā)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(fā)散角??；激光輸出波長顆移動（可調(diào)諧）；某兩種染料混合可以產(chǎn)生輸出心波長的染料；激活離子密度大，增益系數(shù)高，可得
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