光电工程师社区

标题: [转帖]激光产生的原理 [打印本页]

作者: 乏味 时间: 2007-4-16 03:48
标题: [转帖]激光产生的原理
白炽灯、日光灯、高压脉冲氙灯、激光灯的发光现象，都是光源系统中原子（或分子、离子）内部能量变化的结果。原子的能级结构是发光现象的物质基础，激光的产生，不外乎通过以下几个过程和步骤：
（一）激发
　　一般原子系统中，绝大多数的原子不是处于低能级的基态，而是处于高能级的激发状态的原子数目，相比之下是非常少的。例如：在室温（27～28℃）的情况下，红宝石晶体中处于基态的铬离子数目为激发态的1030倍，因此，红宝石铬离子基本上是处于基态的。如果要使这些处于基态的粒子产生辐射作用，首先必须把这些基态上的粒子激发到高能级去，从低能级到高级去的这一过程称为激发或抽运。这个吸收能量的过程，称做光的受激吸收（图4-26-4）。激发的方法很多，主要是给基态粒子外加一定能量，例如光照、电子碰撞、分解或化合以及加热等。基态粒子吸收能量后即被激发，例如红宝石激发器就是脉冲氙灯照射的方法施加光能,使铬离子从基态激发到高能级的激发态上。又如氦－氖激光器通过电子与氦原子碰撞，使氦原子获得能量。氦原子通过碰撞又将能量传给氖原子，氖原子获得能量后从基态激发到高能级去。化学激发器是用分解或化合的方法作为激发能源。由于原子内部结构的不同，在相同的外界条件下，原子从基态被激发到各个高能级去的可能性是不一致的。通常把原子从基态激发到某一能级上去的可能性，叫做该能级的“激发机率”。各能级的激发机率是不同的，有的很大，有的很小，这种机率取决于物质自身的性质。
（二）辐射
原子（或分子、离子）总是力图使自己的能量状态处于基态上，被激发到高能级后的粒子，力图回到基态上去，与此同时放出激发时所吸收的能量。基态是粒子能量最平衡最稳定的状态，从高级回到低能级去的过程称为跃迁，跃迁时释放的能量即辐射。跃迁的形式有以下几种：
1、自发跃迁　
不受外界能量的影响，只是由于原子内部运动规律所导致的跃迁称为自发跃迁。这种跃迁释放能量的形式又有两种：一种是变为热运动释放能量，叫做无辐射跃迁；另一种是以光的形式将能量辐射出来，叫做自发辐射跃迁。自发辐射出来的光频率γ，由发生跃迁的两能级间之能量差所决定。普通光源如白炽灯、日光灯、高压水银灯、氙灯等都是通过自发跃迁辐射产生光，这种光是非相干光。
2、受激跃迁
由于入射光子的感应或激励，导致激发原子从高能级跃迁到低能级去，这个过程称为受激跃迁或感应跃迁。这种跃迁辐射叫做“受激辐射”。受激辐射出来的光子与入射光子有着同样的特征，如频率、相位、振辐以及传播方向等完全一样。这种相同性就决定了受激辐射光的相干性。入射一个光子引起一个激发原子受激跃迁，在跃迁过程中，辐射出两个同样的光子，这两个同样的光子又去激励其它激发原子发生受激跃迁，因而又获得4个同样的光子。如此反应下去，在很短的时间内，辐射出来大量同模样、同性能的光子，这个过程称为“雪崩”。雪崩就是受激辐射光的放大过程。受激辐射光是相干光，相干光有叠加效应，因此合成光的振幅加大，表现为光的高亮度性。
　　激发寿命与跃迁机率取决于物质种类的不同。处于基态的原子可以长期的存在下去，但原子激发到高能级的激发态上去以后，它会很快地并且自发地跃迁回到低能级去。在高能级上滞留的平均时间，称为原子在该能级上的“平均寿命”，通常以符号“τ”表示。一般说，原子处于激发态的时间是非常短的，约为10－8秒。
　　激发系统在1秒内跃迁回基态的原子数目称为“跃迁机率”，通常以“A”表示。大多数同种原子的平均跃迁机率都有固定的数值。跃迁率A与平均寿命τ的关系：A＝1/τ由于原子内部结构的特殊性，决定了各能级的平均寿命长短不等。例如红宝石中的铬离子E3的寿命非常短，只有10－9秒，而E2的寿命比较长，约为数秒。寿命较长的能级称为“亚稳态”。具有亚稳态原子、离子或分子的物质，是产生激光的工作物质，因亚稳态能更好地为粒子数反转创造条件。
（三）粒子数反转和激光的形成
当光子通过某一介质时，它可能被原子（或离子、分子）所吸收，从而使原子从低能级激发到高能级去，这个过程称为“共振吸收”或称光的受激吸收。另外，入射光也能引起处于高能级的原子发生受激辐射。
　　在一般情况下，处于低能级的原子数目远远超过处于高能级的原子数目。要想得到受激辐射，就必须先使原子（或离子、分子）激发到高能级去。人为地施加一定能量，使高能级上具有较多的粒子数分布，这种状态称为“粒子数反转”。产生粒子数反转的物质就称为活性物质。如何实现粒子数反转，下面以红宝石激光器为例加以说明。
　　红宝石激光器的激发是通过氙灯输送能量。E1、E2、E3是铬离子相对应的三个能级，使铬离子从基态E1激发到共振吸收带E3上去，形成了E3对E2粒子数反转（图4-26-7（1））。但是由于E3的寿命很短（即自发跃迁机率很大），因此铬离子的能级就很快地并且以无辐射跃迁的形式落入E2中，同时放出热能。E2是寿命较长的亚稳态，跃迁机率较小，因此E2就积聚了大量的铬离子。当氙灯光足够时，则E2上的粒子（铬离子）数就大为增加，此时E2对E1来说就出现了粒子数反转（图4-26-7（2））。若用E2与E1间跃迁相对应频率[γ＝（E2-E1）/h]的光子引发时，上述活性系统就可产生E2对E1的受激辐射。受激辐射可以使光放大，这种放大是由于该系统受激发时从外部吸收的能量和引发的能量一举放出的结果。
处于粒子数反转状态的活性系统，可以产生“雪崩”。雪崩过程可以使光再次放大。该过程的继续进行，必须通过一定的装置，这种装置就是光学共振腔。从共振腔中持续发出来的、特征完全相同的大量光子就是激光。
（四）光学共振腔
激光所以具有良好的单色性、方向性以及较高的亮度，主要是取决于光学共振腔的作用。于工作物质的两端加上两快相互平行的反光镜，其中一块是全反射镜，另一块是半反射镜，这就是光学共振腔的主要结构。
在光学共振腔中的活性物质，受到外加能量的激励而产生的光子可以射向各个方向，但其中传播方向与反射镜垂直者，则在介质中来回反射振荡。在反射振荡的过程中，引发介质中其它活性物质点受激辐射，因此这种辐射的强度越来越大。由于受激辐射反复振荡产生的大量光子都具有相同的特征和一致的传播方向，因此决定了激光具有良好的单色性和准直的定向性。又由于光子来回不断地进行振荡，辐射强度借以得到极度的增大，因此又保证了激光的高度性。

作者: hx0999 时间: 2007-5-16 16:45

激光原理－－周炳琨

里面介绍的更详细

作者: billyexpert 时间: 2007-5-18 19:08

从理论上简要介绍一下是可以的。现在的工业加工当然可能不会实际用到这些理论，但对于你如何更好的理解激光各部件的工作原理，有很大好处，而且对调光，检测等实际应用也会很容易上手。

磨刀不误砍柴功，平时了解一下这些理论知识还是有必要的。

作者: jiang-lin 时间: 2007-7-9 18:25

作者: mikemike 时间: 2007-7-13 01:36
很早以前看过,觉得很荒谬,特别是受激吸收,这算是现有技术下的一种解释吧
等到哪个很牛的科学家新的理论出来,这些马上会被人遗忘掉

作者: hushaolei 时间: 2007-8-27 14:27
有基本原理就够了，呵呵，挺不错的

作者: beanya 时间: 2007-9-1 20:00

原帖由 mikemike 于 2007-7-13 01:36 发表
很早以前看过,觉得很荒谬,特别是受激吸收,这算是现有技术下的一种解释吧
等到哪个很牛的科学家新的理论出来,这些马上会被人遗忘掉

怎么荒谬法?

作者: sl20pt 时间: 2007-9-10 11:07
固体激光工程上面写的不错

作者: chalmers07 时间: 2007-9-15 16:48
看了，谢谢了先

作者: chalmers07 时间: 2007-9-15 16:51
看了，谢谢了先

作者: fc201fc 时间: 2007-10-13 23:02
标题: 回复 #1 乏味的帖子
好啊,非常谢谢了

作者: dreamour 时间: 2007-10-17 07:56
标题: 我觉得浅显易懂
不错。
mikemike觉得很荒谬,怎么不详细说说

作者: landynice 时间: 2007-10-30 10:46
看了，谢谢了先

作者: sumu 时间: 2007-11-3 19:20
哈啊，不错不错～～～～～～～

作者: tarco 时间: 2007-11-7 09:50
謝謝啦
不錯的好資料
還好沒有限制

作者: tarco 时间: 2007-11-16 13:26
好資料
不過太理論
是否有多一些例子介紹
感謝

作者: jediael 时间: 2007-12-12 00:13
我相信在这个论坛上的人都懂这些了吧

作者: zyq01010 时间: 2008-1-16 22:44
标题: 求助
有没有那位老师对ASE光源的原理熟悉的，请告诉小弟一声谢谢，qq151249274邮箱wansuiye18@163.com

作者: 丰盛光电 时间: 2008-1-31 15:51

不错，我懂了，谢谢楼主。

作者: qyxhhl 时间: 2008-3-3 20:59
我理论还不够，这些老师刚讲过，现在看了记忆更深了，谢谢LZ的分享，希望以后能多发些这种较基础的东西~~~

作者: lbeyond 时间: 2008-3-6 12:37
激光原理－－周炳琨

里面介绍的更详细

作者: lbeyond 时间: 2008-3-6 12:38
激光原理－－周炳琨

里面介绍的更详细

作者: szqwx 时间: 2008-3-20 10:41
看过理论，对激光产生的原理有一定的了解，觉得很实用。

作者: Vassili 时间: 2008-3-31 12:17

作者: aliang-2001 时间: 2008-4-5 16:45
好东西！！！

感谢共享！！！

作者: nankeey 时间: 2008-4-7 12:51
我猜想楼主是为了给大家复习功课，提醒大家离开理论太久了，回头看看最基本的，会有一种久违的感觉！

作者: zgk 时间: 2008-4-25 14:52
谢谢了
很有价值
有没有更详细些的。

作者: 肥罗 时间: 2008-4-25 15:26
《六脉神剑产生机理》，谁有？

作者: wzc520 时间: 2008-4-28 14:27
hehe,很基本的哦，适合入门普及，呵呵

作者: chengyipeter 时间: 2008-4-29 17:07
谢谢,简单易懂[em17] [em17] [em17]

作者: 肥罗 时间: 2008-5-19 22:21
激光又名莱塞，是英文Laser的译音。它产生于本世绝大十年代，发展很快，现广泛应用于照明、工、农、军事、生物学、医学及科研等各个领域。

　　激光不同于普通的光，它是物质受激发而产生的束状强光。激光的亮度高，能量密度大，是当今世界上最亮的源。一支l毫瓦的氨氖激光要比太阳光亮一百倍，而功率较大的红宝石激光比太阳光亮百万万倍。当这种光能变成热能时，可以产生几千度至几万度的高温。激光的光谱很窄，普通光谱比之宽百万倍甚至上亿倍。激光是束状的平行光，它只射向一个方向，射程最远，经透镜聚焦可以形成很细小的光点。激光光波的频率、波动方向和波动的步伐相同，有极好的相干性。激光的高亮度、单色性、方向性及相干性，使激光能量在时间、空间、光谱上高度集中。激光的这些特点使它能在许多领域包括医学中大显身手。

　　激光作用于生物机体时，它被吸收转化成热能。如果功率相当，几毫秒内温度可达数百至上千度，使组织蛋白变性、凝固、炭化、气化。由于激光的高能量，可产生很强的光压，聚焦激光的表面压强可达200g/cm2。这种机械作用与热效应一起，能使激光成为“光刀”，用于外科手术切割组织，治疗浅表肿瘤，如黑色素瘤、鳞状上皮瘤、乳头状瘤、血管纤维瘤、乳房肿瘤等等，还可用激光切除烧伤的焦痂。在眼科则用激光做虹膜切除，治疗继发性瞳孔膜闭，可使病人重见光明。这种手术不用拆线，不会感染，优于常规手术。利用高能量激光照射眼底视网膜剥离后的破口，可使之凝结，粘着--“焊接”视网膜。

　　利用激光的生物特性，选择小功率激光刺激机体，可以增强人体的防御免疫能力使白细胞吞噬功能加强，免疫球蛋白增加，提高肾上腺皮质功能和血管的再生。因此，用激光来对抗炎?可以促进伤口愈合，治疗扁挑腺炎、耳廓软骨膜炎、口腔溃疡等等。

　　激光点穴照射，既“激光针灸”，治疗哮喘、过敏性鼻炎等。

　　在医学诊断上，将激光全息照相与超声技?结合，可探查人体内的病变，譬如癌肿、心脏病等、因全息照片形象逼真、立体感强，有助于确诊。

作者: yolando 时间: 2008-5-20 17:24
不错，对于了解一些基本知识非常有帮助，感谢楼主

作者: yolando 时间: 2008-5-20 17:25
“激光又名莱塞”这个好像现在没有听说了吧…………66

作者: btao2 时间: 2008-5-21 11:03
这个比较简单，都能看懂。

作者: btao2 时间: 2008-5-21 11:06

原帖由 yolando 于 2008-5-20 17:25 发表
“激光又名莱塞”这个好像现在没有听说了吧…………66

是有这个说法啦，只是好像现在改叫"镭射" 了。

作者: wzc520 时间: 2008-5-26 13:07
科普教育，呵呵，支持！！！

作者: jiahao 时间: 2008-6-23 09:53
学习了，谢谢楼主分享

作者: 李宝刚 时间: 2008-6-25 14:42
深圳市创凯发电子专业分销各国品牌红外光电半导体，红外线发射管;红外线接收头;光敏接收管;硅光接收电池;槽型光电开关;反射型开关;红外数据传输器;气体传感器;湿敏传感器;热释人体传感器;超声波传感器;双栅场效应管;高频微波管;霍尔传感器;激光二极管;变容二极管;光纤收发头;红外遥控IC;光电传感IC;发光二极管;

作者: 了了了 时间: 2008-7-17 14:56
哦，了解一下。

速度撒旦撒旦撒旦是

作者: 了了了 时间: 2008-7-17 14:57
法官法规范法定十分大方的师傅

作者: boad 时间: 2008-7-27 12:26
呵呵
理论方面的现在已经很成熟了

作者: nanoreptile 时间: 2008-8-7 22:31
标题: 回复 33# yolando 的帖子
这是台湾那边的叫法
还有“镭射”这个叫法

作者: laodisi 时间: 2008-8-28 09:48
现在看看还是比较抽象的

作者: craftboy 时间: 2008-9-1 10:22
激光又名莱塞，是英文Laser的译音.这个音译太差了，莱塞。。。。
以前听叫镭射，觉得好牛啊，是不是和元素镭有关啊。后来才知道完全是误导！
LASER ：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 顾名思义，光受激辐射放大
谁知道“激光器”这个中文名是谁取的吗？真的取的很好，言简意赅。

作者: minghe0712 时间: 2008-9-7 22:20
:) :) :) :) :) 很好！
学习了

作者: rubbish0319 时间: 2008-9-14 04:37
讲完了？

作者: snake007 时间: 2008-9-14 16:17
激光就是光的受激辐射放大的简称！我对激光的形象的理解为：自然光与激光的区别就是大量光子一个一个打到物体上与一起打到物体上的区别。不知道我的描述对不对？

作者: 江城夏日JJ 时间: 2008-9-22 21:07
大家有兴趣加62075363 群大家讨论讨论

作者: litwei 时间: 2008-10-10 15:53
呵呵,很基础,很好.

作者: tesin 时间: 2008-10-21 09:43
非常基础，很好！谢谢楼主科普

作者: shz_zealot 时间: 2008-11-15 19:05

作者: rodger1123 时间: 2008-11-18 10:23
以前学的时候搞复杂了.现在一看很明白了

作者: naixiao 时间: 2008-11-18 10:43
很专业啊

赞一个啊
超声波手机外壳，光学镜片清洗机，深圳专业厂商提供优惠了
适用于手机外壳、电脑外壳等精密塑胶件的大批量清洗。
采用纯水+环保洗剂，清洗不留痕迹。
采用内循环去离子洁净熟凰斡燥，耗鼋量低，斡燥不留痕迹。
采用空氟搅拌漂洗，保证污物去除撤底。
日本NTK高频振子，配合第七代德国技术发生器，保证输出力均匀细腻。

自动化程度高，适用于批量生麈，确保清洗质量的一致性。
进口伺服驱动机构及机械手臂，清洗过程中无需人工操作。
采用PLC全程序控制舆触摸屏操作界面。清洗设置随心所欲。
日本NTK高频振子，配合第七代德国技衍发生器，保证输送力均匀细腻。
自动氮气鼓泡装置可有效提高立品质量，缩短清洗时间。
可选装流净化系统及自动配酸装置。
深圳市科达超声设备有限公司提供专业的超声波工艺设计设备制造和售后服务，一整套的技术提供使您不再为工艺而烦恼，为达不到清洗效果而苦恼，如有需要请联系奈晓13924646708QQ553456467naixiaook@126.com深圳市龙华镇工业东路利金城工业园6栋

作者: shz_zealot 时间: 2008-11-21 21:51

作者: deathnote 时间: 2008-12-2 23:27
ding。。。。。。。。。。

作者: xiaoshidexiaohu 时间: 2008-12-11 22:42
理论不错
非专业人员清晰！！

作者: rzhonglee 时间: 2008-12-19 09:02

欢迎光临光电工程师社区 (http://bbs.oecr.com/)