§ 21.1 激光原理
Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation
Laser — 受激辐射光放大一、激光的基本原理
1,自发辐射与受激辐射光与原子体系相互作用，同时存在 吸收,
自发 辐射和 受激 辐射三种过程。
自发辐射在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级向低能级跃迁，同时辐射出一光子。
满足条件,h?= E2? E1
1E
2E
h
1E
2E
随机过程，用概率描述
N2 — t 时刻处于能级 E2上的原子数自
t
N
d
d 21 — 单位时间内从高能级自发跃迁到低能级的原子数
221
21
d
d NA
t
N?
自
A21 — 自发辐射概率（自发跃迁率）：表示一个原子在单位时间内从 E2自发辐射到 E1的概率自发辐射过程中各个原子辐射出的光子的相位、
偏振状态、传播方向等彼此独立，因而自发辐射的光是非相干光。
受激辐射处于高能级 E2上的原子，受到能量为 h?= E2?E1
的外来光子的激励，由高能级 E2受迫跃迁到低能级 E1，
同时辐射出一个与激励光子 全同 的光子。
频率、相位、偏振态、
传播方向等均同
1E
2E
h
h
1E
2E
h
随机过程，用概率描述受
t
N
d
d 21 — 单位时间内从高能级 E2受激跃迁到低能级 E1的原子数
221
21
d
d NW
t
N
受
B21 — 受激辐射系数（由原子本身性质决定）
W21 — 表示一个原子在单位时间内从 E2受激辐射跃迁到 E1的概率
),(2121 tBW
(?,t ) — 辐射场的能量密度受激吸收能量为 h? = E2? E1的光子入射原子系统时，原子吸收此光子从低能级 E1 跃迁到高能级 E2 。
N1 — t 时刻处于能级 E1上的原子数吸
t
N
d
d 12 — 单位时间内由于吸收光子从 E1跃迁到 E2的原子数密度
112
12
d
d NW
t
N
吸
W12 — 受激吸收跃迁概率
B12 — 受激吸收系数? (?,t ) — 辐射场的能量密度
),(2112 tBW
2,粒子数反转激光是通过受激辐射 实现光放大,即要使受激辐射超过吸收和自发辐射根据玻尔兹曼能量分布律 kTEEeN
N )(
1
2 12
热动平衡下,N2N1,即处于高能级的原子数大大少于低能级的原子数 —粒子数的正常分布受激辐射占支配地位?粒子数反转高能级上的粒子数超过低能级上的粒子数实现粒子数反转的条件：
要有实现粒子数反转分布的物质，这种物质具有适当的能级结构；
必须从外界输入能量，使工作物质中尽可能多的粒子处于激发态。（ 激励 或 泵浦 ）
激励方法,光激励、电激励、化学激励工作物质的能级结构,具有亚稳态 (寿命较长 )
只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转
1E
3E
4E
2E
)1(
1E
3E
4E
2E
)2(
工作跃迁粒子数反转的实现
3,光学谐振腔输出全反射镜
（ 100%反射镜）
部分透光反射镜
（ 98%反射）
光学谐振腔激发态原子基态受激辐射自发辐射实现粒子数反转分布的激活介质辐射的光的位相、偏振状态、频率、传播方向是随机的。
光学谐振腔光学谐振腔的作用：
1,使激光具有极好的 方向性 （沿轴线）；
2,增强 光放大 作用（延长了工作物质）；
3,使激光具有极好的 单色性 （选频）。
输出全反射镜
（ 100%反射镜）
部分透光反射镜
（ 98%反射）
4,纵模与横模谐振条件,光波在谐振腔内能形成驻波
3,2,1,2 k kkL? nL
ck
2k
或腔长 谐振频率频谱中每个谐振频率成为一个 振荡纵模 。
激光的纵模相邻两纵模间隔
nL
c
nL
ck
nL
ck
222)1(Δ k
Δ
0?
N个纵模谐振腔选频作用,
工作物质辐射的谱线有一定宽度，只有满足阈值条件，
并处于物质辐射谱线宽度内。
输出纵模个数,
kΔ
Δ
N
激光的横模激光斑中的光的强度有不同形式的稳定分布花样，
在光束横截面上的稳定分布称为 激光横模 。
基横模在激光光束的横截面上各点的位相相同，
空间相干性最好。
工作物质,具有亚稳态能级结构光学谐振腔,维持光振荡激励 （又叫 泵浦 ）系统：供给能量，输出激光二、激光器
He - Ne 气体激光器
S11
S32
S12 S5
S4
S3
P2
P3
P4
He Ne
eV66.20
eV78.19
eV70.16
eV70.18
eV30.20
μm39.3
6328
μm15.1
电子碰撞碰撞转移
He,Ne原子部分能级图三、激光的特性
4,能量集中
3,相干性好
2,方向性好
1,单色性好
Hz10~10Δ 97单色性较好的普通光
Hz10Δ 1He – Ne 激光器发出的红光
r a d10~10 53散射角四、激光的应用
4,激光在受控核聚变中的应用
3,光信息处理和激光通信
2,激光加工与激光医疗
1,激光测距干涉测长、激光调制测距、激光雷达测距打孔、切割、焊接,外科手术刀、武器光盘的高速高密记录、激光打印机
5,激光的非线性效应激光光纤通讯由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级，
一根极细的光纤能承载的信息量，
相当于图片中这么粗的电缆所能承载的信息量。
激光手术刀 （不需开胸，不住院）
照明束,照亮视场
纤维镜激光光纤：
成象
有源纤维强激光：
使堵塞物熔化臂动脉主动脉冠状动脉内窥镜附属通道 有源纤维 套环纤维镜照明束
附属通道：
（可注入气或液）
排除残物以明视线
套环：
（可充、放气）
阻止血流或使血流流通激光 ——
原子力显微镜 (AFM)
用一根钨探针或硅探针在距试样表面几毫微米的高度上反复移动，来探测固体表面的情况。
试样通常是微电子器件。
激光 -原子力显微镜
（ AFM） 激光器分束器布喇格室棱镜反馈机构接计算机微芯片压电换能器压电控制装置
Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation
Laser — 受激辐射光放大一、激光的基本原理
1,自发辐射与受激辐射光与原子体系相互作用，同时存在 吸收,
自发 辐射和 受激 辐射三种过程。
自发辐射在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级向低能级跃迁，同时辐射出一光子。
满足条件,h?= E2? E1
1E
2E
h
1E
2E
随机过程，用概率描述
N2 — t 时刻处于能级 E2上的原子数自
t
N
d
d 21 — 单位时间内从高能级自发跃迁到低能级的原子数
221
21
d
d NA
t
N?
自
A21 — 自发辐射概率（自发跃迁率）：表示一个原子在单位时间内从 E2自发辐射到 E1的概率自发辐射过程中各个原子辐射出的光子的相位、
偏振状态、传播方向等彼此独立，因而自发辐射的光是非相干光。
受激辐射处于高能级 E2上的原子，受到能量为 h?= E2?E1
的外来光子的激励，由高能级 E2受迫跃迁到低能级 E1，
同时辐射出一个与激励光子 全同 的光子。
频率、相位、偏振态、
传播方向等均同
1E
2E
h
h
1E
2E
h
随机过程，用概率描述受
t
N
d
d 21 — 单位时间内从高能级 E2受激跃迁到低能级 E1的原子数
221
21
d
d NW
t
N
受
B21 — 受激辐射系数（由原子本身性质决定）
W21 — 表示一个原子在单位时间内从 E2受激辐射跃迁到 E1的概率
),(2121 tBW
(?,t ) — 辐射场的能量密度受激吸收能量为 h? = E2? E1的光子入射原子系统时，原子吸收此光子从低能级 E1 跃迁到高能级 E2 。
N1 — t 时刻处于能级 E1上的原子数吸
t
N
d
d 12 — 单位时间内由于吸收光子从 E1跃迁到 E2的原子数密度
112
12
d
d NW
t
N
吸
W12 — 受激吸收跃迁概率
B12 — 受激吸收系数? (?,t ) — 辐射场的能量密度
),(2112 tBW
2,粒子数反转激光是通过受激辐射 实现光放大,即要使受激辐射超过吸收和自发辐射根据玻尔兹曼能量分布律 kTEEeN
N )(
1
2 12
热动平衡下,N2N1,即处于高能级的原子数大大少于低能级的原子数 —粒子数的正常分布受激辐射占支配地位?粒子数反转高能级上的粒子数超过低能级上的粒子数实现粒子数反转的条件：
要有实现粒子数反转分布的物质，这种物质具有适当的能级结构；
必须从外界输入能量，使工作物质中尽可能多的粒子处于激发态。（ 激励 或 泵浦 ）
激励方法,光激励、电激励、化学激励工作物质的能级结构,具有亚稳态 (寿命较长 )
只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转
1E
3E
4E
2E
)1(
1E
3E
4E
2E
)2(
工作跃迁粒子数反转的实现
3,光学谐振腔输出全反射镜
（ 100%反射镜）
部分透光反射镜
（ 98%反射）
光学谐振腔激发态原子基态受激辐射自发辐射实现粒子数反转分布的激活介质辐射的光的位相、偏振状态、频率、传播方向是随机的。
光学谐振腔光学谐振腔的作用：
1,使激光具有极好的 方向性 （沿轴线）；
2,增强 光放大 作用（延长了工作物质）；
3,使激光具有极好的 单色性 （选频）。
输出全反射镜
（ 100%反射镜）
部分透光反射镜
（ 98%反射）
4,纵模与横模谐振条件,光波在谐振腔内能形成驻波
3,2,1,2 k kkL? nL
ck
2k
或腔长 谐振频率频谱中每个谐振频率成为一个 振荡纵模 。
激光的纵模相邻两纵模间隔
nL
c
nL
ck
nL
ck
222)1(Δ k
Δ
0?
N个纵模谐振腔选频作用,
工作物质辐射的谱线有一定宽度，只有满足阈值条件，
并处于物质辐射谱线宽度内。
输出纵模个数,
kΔ
Δ
N
激光的横模激光斑中的光的强度有不同形式的稳定分布花样，
在光束横截面上的稳定分布称为 激光横模 。
基横模在激光光束的横截面上各点的位相相同，
空间相干性最好。
工作物质,具有亚稳态能级结构光学谐振腔,维持光振荡激励 （又叫 泵浦 ）系统：供给能量，输出激光二、激光器
He - Ne 气体激光器
S11
S32
S12 S5
S4
S3
P2
P3
P4
He Ne
eV66.20
eV78.19
eV70.16
eV70.18
eV30.20
μm39.3
6328
μm15.1
电子碰撞碰撞转移
He,Ne原子部分能级图三、激光的特性
4,能量集中
3,相干性好
2,方向性好
1,单色性好
Hz10~10Δ 97单色性较好的普通光
Hz10Δ 1He – Ne 激光器发出的红光
r a d10~10 53散射角四、激光的应用
4,激光在受控核聚变中的应用
3,光信息处理和激光通信
2,激光加工与激光医疗
1,激光测距干涉测长、激光调制测距、激光雷达测距打孔、切割、焊接,外科手术刀、武器光盘的高速高密记录、激光打印机
5,激光的非线性效应激光光纤通讯由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级，
一根极细的光纤能承载的信息量，
相当于图片中这么粗的电缆所能承载的信息量。
激光手术刀 （不需开胸，不住院）
照明束,照亮视场
纤维镜激光光纤：
成象
有源纤维强激光：
使堵塞物熔化臂动脉主动脉冠状动脉内窥镜附属通道 有源纤维 套环纤维镜照明束
附属通道：
（可注入气或液）
排除残物以明视线
套环：
（可充、放气）
阻止血流或使血流流通激光 ——
原子力显微镜 (AFM)
用一根钨探针或硅探针在距试样表面几毫微米的高度上反复移动，来探测固体表面的情况。
试样通常是微电子器件。
激光 -原子力显微镜
（ AFM） 激光器分束器布喇格室棱镜反馈机构接计算机微芯片压电换能器压电控制装置
