激光技术需要哪些知识【一】:激光技术与应用复习知识点
1、 激光的定义
激光是由受激发射的光放大产生的辐射。
2、 激光的基本特性
单色性，方向性，相干性，高亮度。
3、 空间相干性与时间相干性
波在空间不同区域可能具有不固定的相位差，只有在一定空间范围内的光波才有相对固定的位相差，使得只有一定空间内的光波才是相干的。这种特性叫做波的空间相干性。 与波传播时间差有关的，由不确定的位相差导致的，只有传播时间差在一定范围内的波才具有相对固定的位相差从而相干的特性叫波的时间相干性。
4、 光子简并度
光子属于波色子，大量光子集合遵从波色-爱因斯坦统计规律，处于同态的光子数不受限制。虽然处于同一光子态的光子数并非严格的不随时间的变化，但其平均光子数是可以确定的。这种处于同一光子态的平均光子数成为光子简并度。
5、 激光器的基本组成及其应用
激光器一般包括三个部分。
激光器的基本结构由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分组成。
激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，传统上看，它的研究范围一般可分为：激光焊接，激光切割，激光治疗，激光打标，激光打孔，激光热处理，激光快速成型，激光涂敷等。
6、 自发辐射
处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出一个光子，这种辐射叫做自发辐射。
7、 受激辐射
在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。
8、 受激吸收
处于低能级的原子(El)，受到外来光子的激励下，在满足能量恰好等于低、高两能级之差(E)时，该原子就吸收这部分能量，跃迁到高能级(Eh)，即EEhEl。受激吸收与受激辐射是互逆的过程。
9、 激光产生的必要条件
受激幅射是产生激光的首要条件，也是必要条件。
工作物质必须具有亚稳态能级。
工作物质处于离子束反转分布状态。
激光器中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向杂乱无章。要使频率单纯，方向集中，就必须有一个振荡腔。
这些晶体和谐振腔都会使光子产生损耗。只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多得多时，才能有放大作用，产生激光。www.fz173.com_激光技术需要哪些知识。
10、均匀加宽与非均匀加宽
均匀加宽分为自然加宽和碰撞加宽。由测不准关系确定的谱线加宽称为自然加宽。自然加宽的特点是对同类原子中的每个个体都是相同的。另一种重要的均匀加宽是碰撞加宽。当原子密度足够高时，原子之间的碰撞就会引起碰撞加宽。
原子系统中不同原子或原子群对谱线不同部分有贡献，这就是非均匀加宽。属于此类加宽的，在气体器件中主要是Doppler加宽，而在固体工作物质中则由非晶态或晶格缺陷引起。
11、增益饱和
饱和条件下的增益系数。此时的增益系数为小信号是的一半。
12、激光速率方程
描述有关能级粒子数密度随时间变化的微分方程称为速率方程。
13、激光的横模与纵模
激光的横模就是谐振腔所允许的（也就是在腔内往返传播，能保持相对稳定不变的）光场的各种横向稳定分布。
通常将由整数q（驻波的波节数）所表征的平行平面腔内纵向稳定场分布称为腔的纵模。
14、激光产生的阈值条件：
A、必要条件：工作物质处于粒子数反转分布状态；满足此条件的介质对光具有增益，故称为增益介质。（粒子数反转）
B、充分条件：在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强。（能达到饱和光强）
当谐振腔的增益大于损耗时，可形成激光。
15、四能级系统的结构和跃迁过程：
16、共轴球面腔的稳定条件：
共轴球面腔的稳定，即是要求激光束在腔内经过多次往返后仍不会横向溢出腔外。其稳定条件表达式为：www.fz173.com_激光技术需要哪些知识。
LL0111 R1R2
其中L为腔长，R1，R2分别为谐振腔两个谐振面的曲率半径。
17、高斯光束的基本性质：
（1）在瑞利长度范围内，高斯光束可近似认为是平行的；
（2）光斑半径随z按双曲线规律扩展
（3）高斯光束既不是平面波，也不是一般的球面波，在其传输轴线附近可以
近似看作是一种非均匀高斯球面波。
（4）其振幅和强度在横截面内始终保持高斯分布特性，强度集中在轴线附近。
（5）在传播过程中等相面始终保持为球面，其曲率中心与曲率半径不断改变。
18、DPSL及其特点
(1) DPSL：LD泵浦全固态激光器
（2）特点：体积小而坚固，功率大，输出功率可达几十兆瓦
A、可作为大能量和高功率的相干光源；
B、运行方式的多样性
C、谱线多，达数千条，分布于可见到近红外区，可以通过频
率变换技术可到紫外区。
D、结构紧凑，牢固耐用，价格便宜
19、调制的基本概念：
（1）调制：将信息加载到激光的过程；www.fz173.com_激光技术需要哪些知识。
（2）激光为载波，所要传递的信息称为调制信号。
（3）调制器：完成这一过程的装置
（4）分类：
A、调制器与激光器的相对关系：
内调制——指在激光振荡过程中加载调制信号，即以调制信号区
改变激光器的振荡参数，从而使输出的激光带有要传
递的信息；
外调制——激光形成后，在激光器外的光路上放置调制器，用调
制信号改变调制器的物理特性，激光通过调制器后，
光波的某参量受到调制，从而带有要传递的信息；速
率高，调制带宽宽。
B、调制器的工作机理：电光、声光、磁光和直接调制
C、按其调制的对象：调幅、调相（或调频）和强度调制
20、振幅调制
使载波的振幅随着信号的变化规律而变化
21、频率调制和相位调制
使光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变。因为这两种调
制波都表现为总相角的变化，因此统称为角度调制
22、强度调制
光载波的强度（光强）随调制信号变化的调制
23、谐振腔Q值的定义及意义
（1）定义：在激光技术中，用Q值来描述一个谐振腔的质量，称其为谐
振腔的品质因数。
Q2v0腔内存储的激光能量E2v0每秒损耗的激光能量
2nL0
（2）意义：用来描述一个谐振腔的质量，用Q值可以表征谐振腔损耗的
大小。Q值低，则腔损耗大，器件阈值高，不容易形成激光震
荡；Q值高，则腔损耗小，器件阈值低，容易形成激光振荡。
24、调Q的基本概念
（1）调Q技术：通过某种方法控制谐振腔的Q值（也就是控制谐振腔的损
耗），使其随时间按照一定程序变化的技术。
（2）工作原理：可以通过改变器件的阈值来提高工作物质上能级粒子数的
积累水平，即设法在光泵浦初期将器件的振荡阈值调高，
从而抑制激光振荡的产生，使工作物质上能级粒子数得到
积累。随着光泵的继续激励，上能级粒子数逐渐积累到最
大值。此时，突然将器件的阈值调低，那么，积累在上能
级的大量粒子便雪崩式地跃迁到下能级，在极短的时间内
将储存的能量释放出来，从而获得峰值功率极高的激光脉
冲输出。
（3）种类：
A、控制反射损耗：电光调Q、机械转镜调Q
B、控制吸收损耗：可饱和吸收燃料调Q
C、控制衍射损耗：声光调Q
D、控制输出损耗：透射式调Q
（还有一个散射损耗）
25、工作物质储能调Q与谐振腔储能调Q
按照能量储存方式，调Q激光器可以分为工作物质调Q和谐振腔储能调Q。
（1）工作物质储能调Q
A、工作原理：也叫脉冲反射式调Q，简称PRM法。是将能量以激活
离子的形式储存在工作物质中。能量储存的时间，取决
于激光上能级的寿命。
B、工作过程：在泵浦过程的大部分时间里，谐振腔处于高损耗低Q值
状态，器件因阈值高而不能起振，激光上能级粒子数积
累，△n(t) 增大，至to时刻，△n(t) 达到其最大值△ni。
在这一时刻，腔损耗δ(t) 阶跃下降，Q值猛增，器件阈
值下降，激光振荡开始建立。因腔内受激辐射的增强极
为迅速，光子数密度Φ迅速增大，工作物质中的储能在
极短的时间内转变为受激辐射场的能量，输出一个峰值
功率很高的巨脉冲。从激光振荡开始建立到形成巨脉冲
输出，二者之间有一定的延迟时间△t，该时间就是Q开
关开启的持续时间。巨脉冲峰值产生于△n=△nt的那一
时刻。
C、特点：输出方式为腔内边形成激光振荡边输出，因此输出光脉冲的
形状与腔内光强的变化状态一致；在激光振荡终止时，
工作物质中残留了一部分反转粒子数△nf，即工作物质
中的储能没有被全部取出。
（2）谐振腔储能调Q
A、工作原理：也叫脉冲透射式调Q，简称PTM法。是将能量以光子
的形式储存在谐振腔中，当腔内光子数密度达到最大值
是，瞬间将腔内能量全部 输出，因而也叫做腔倒空法。
B、特点：不是边振荡边输出，而是当工作物质的储能全部转化为腔内
激光能量时，再将腔瞬间倒空；巨脉冲的宽度更窄，峰
值功率更高；调Q脉冲的能量利用率更高。
激光技术需要哪些知识【二】:激光的基础知识
激光的基础知识
相信激光这名词对大家来说一点也不陌生。在日常生活中，我们常常接触到激光，例如在课堂上我们所用的激光指示器，与及在计算机或音响组合中用来读取光盘资料的光驱等等。在工业上，激光常用于切割或微细加工。在军事上，激光被用来拦截导弹。科学家也利用激光非常准确地测量了地球和月球的距离，涉及的误差只有几厘米。激光的用途那么广泛，究竟它有哪些特点，又是如何产生的呢？以下我们将会阐释激光的基本特点和基本原理。
激光的特性高亮度、高方向性、高单色性和高相干性是激光的四大特性。
（1）激光的高亮度：一般规律认为，光源在单位面积上向某一方向的单位立体角内发射的功率，就称为光源在该方向上的亮度。激光在亮度上的提高主要是靠光线在发射方向上的高度集中。激光的发射角极小（一般用毫弧度表示），它几乎是高度平等准直的光束，能实现定向集中发射。因此，激光有高亮度性。固体激光器的亮度更可高达 1011W/cn2Sr 。不仅如此，一束激光经过聚焦后，由于其高亮度性的特点，能产生强烈的热效应，其焦点范围内的温度可达数千度或数万度，能熔化甚至于气化对激光有吸收能力的生物组织或非生物材料。如工业上精密器件的焊接、灯孔、切割；医学上切割组织（光刀）、气化表浅肿瘤以及显微光谱分析等这些新技术都是利用激光的高亮度性所产生的高温效应。 激光功率密度的单位为mw/cm2或W/cm2，能量密度为焦尔/厘米2。
（2）激光的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地传递较长距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，这两点都是激光加工的重要条件。
（3）激光的高单色性：光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。
（4）激光的高相干性：相干性是一切波动现象的属性。光具有波粒二象性，也就是说微观来看，由光子组成，具有粒子性；但是宏观来看又表现出波动性。光有波动性，因此也有相干性。1865年，麦克斯韦在《电磁场的力学理论》中指出：光和电磁波是同一实体的属性的表现，光是一种按照电磁定律在场内传播的电磁扰动。自此，麦克斯韦在科学史上第一次揭示了光的本质，即光也是电磁波，是一种波长更短的电磁波!光的频率、振动方向、相位高度一致，使激光光波在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这种现象叫做光的干涉，所以激光是相干光。一般光源发射出来的光是非相干光，它是波长不等、杂乱无序的混合光束。由于非相干光的波长、相位、振幅极不一致。因此它们的合成波也是一条杂乱无章、毫无规律的曲线，从中不易找出它的周期性来。普通光源如日光、灯光等所辐射的就是这非相干光线。相干性主要描述光波各个部分的相位关系。
正是激光具有如上所述的奇异特性因此在生活、工业加工、军事、科研等领域中得到了广泛地应用。
激光产生原理
激光的发展有很长的历史，它的原理早在 1917 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光英文名是 Laser，即 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 的缩写。
激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要
过程。但在阐释这个过程之前，我们必先了解物
质的结构，与及光的辐射和吸收的原理。
物质由原子组成。图一是一个碳原子的示
意图。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。
质子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布
满着带负电的电子，绕着原子核运动。有趣的是，
电子在原子中的能量并不是任意的。描述微观世
界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固
定的「能级」，不同的能级对应于不同的电子能图一 碳原子示意图。
量。为了简单起见，我们可以如图一所示，把这
些能级想象成一些绕着原子核的轨道，距离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道最多可容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道 (也是最近原子核的轨道) 最多只可容纳 2 个电子，较高的轨道则可容纳 8 个电子等等。事实上，这个过份简化了的模型并不是完全正确的 [1]，但它足以帮助我们说明激光的基本原理。
图二 原子内电子的跃迁过
电子可以透过吸收或释放能量从一个能级跃迁至另一个能级。例如当电子吸收了一个光子 [2] 时，它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级 (图二 a)。同样地，一个位于高能级的电子也会透过发射一个光子而跃迁至较低的能级 (图二 b)。在这些过程中，电子吸收或释放的光子能量总是与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收
http://m.zhuodaoren.com/tuijian574708/
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