浅谈激光奥秘——激光构成及产生的基本原理

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1、《激光物理学》课程论文浅谈激光奥秘——激光构成及产生的基本原理学校：湖北第二师范学院院系：物理与电子信息学院专业班级：09级物理学姓名:黄凯琳学号：0950710041目录内容摘要-2-关键词-2-正文-3-一、简介-3-1.1激光简介-3-1.2激光宏观特性简介-3-二、激光原理-4-2.1激光产生的物质基础-4-2.2激光产生的基本原理-7-2.3产生激光的基本条件及激光器的组成部分-13-三、激光的分类-15-参考文献-16--16-浅谈激光奥秘——激光构成及产生的基本原理09级物理学黄凯琳09

2、50710041内容摘要：激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴学科。激光作为新型强相干光源的出现，引起了现代光学技术的巨大变革，是现代信息光学发展的三大事件之一。激光器所辐射的光束因具有高方向性、高单色性、高亮度、高相干性四大宏观特性导致了光学领域的巨大革命，同时对整个科学领域的进步和发展起到了巨大帮助，被广泛的运用到了工农业生产、科学、医学、国防等各个领域，带动了许多新兴学科的发展。之所以在短期间获得如此大的发展是和它本身的特点分不开的。激光的诞生是一种巧妙的设计，激光的产生综合考虑了各种

3、问题，创造性地解决了物质自然状态下的很多难题。然而，它的构成思想又是朴素的，所选择的器件也是有针对性、有方向性的，它表现出来的宏观特性又是神奇和具有广泛用途的。本文将解开激光的神秘面纱——介绍激光的构成，阐述了激光工作原理和实现激光产生的种种必要条件，诸如粒子数反转条件、谐振腔稳定条件、振荡条件等，并说明了激光器件各部分的功能作用及四大宏观特性的产生原因。关键词：受激放大辐射粒子数反转谐振腔稳定条件振荡条件宏观特性分类-16-正文：一、简介1.1激光简介激光是在1960年正式问世的，但是，激光的历史却

4、已有100多年，远在1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“LightAmplificationbyStimuIatadEmissionofRadiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。

5、1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。1.2激光宏观特性简介激光主要有四大特性：激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。亮度高——激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它比拟。但是，激光的总能量并不一定很大，由于激光能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。方向性好——-16-普通光源向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几毫弧度立体角内，这就使得在照射方向上

6、的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。单色性好——普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。而某种激光的波长只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。由于激光的单色性好，为精密仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。相干性好——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性，它必然相干性极好。激光的这一特性使全息照相成为现实。激光的以上四个特性使激光技术开始快速应用与科技、军事和社会发展的许多领域，激光技术彰显出其强大的生命力。二、

7、激光原理2.1激光产生的物质基础光量子学说认为，光是一种以光速c运动的光子流，光子和其他基本粒子一样，具有能量、动量和质量。它的粒子属性和波动属性之间的关系如下：（1）光子能量E与光波频率对应E=h；（2）光子具有运动质量m，并可表示为，光子的静止质量为零；（3）光子的动量P与单色平面波的波矢对应P=；（4）光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向；（5）光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。-16-光与物质的共振相互作用，特别是这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基础。爱因

8、斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射的普朗克公式，认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。为了简化问题，我们只考虑原子的两个能级和，处于两个能级的原子数密度分别为和，如图2-1所示。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为，并有。图2-1二能级原子能级图（Ⅰ）、自发辐射处于高能级的一个原子自发地向低能级跃迁，并发射一个能量为的光子，这种过程称为自发跃迁过程，如图2-2所示。自发辐射光图2-2原子自发辐射-