外来光子能量： h E2 E1
受激辐射
E2
各个原子受激辐射的 光是相干光
N2
h
N1
全同光子
如此下去可实现“光放 大”
E1
与外来光子全同：频率、相位、振动方向和 传播方向均相同
设 （，Ｔ）表示温度为Ｔ时, 频率为 = (E2 - E1) / h附近，单位频率间隔内外来光的能量密度，则： 单位体积中单位时间内，从E２ E１受激辐射的原子数密度
1m长
仅增10-2量级
怎么办？ 选频、选方向！（抑制其它频率、方向的光） 采用 光学谐振腔：
由激活介质（激励能源）和反射镜构成
要得到方向性和单色性很好的激光，还必须采 用光学谐振腔。
在激活介质的 两端安置两块反射 镜面，一个是全反 射镜，一个是部分 反射镜，这对反射 镜面及其间的空间 称为光学谐振腔。
488/514nm
531/568/647nm
633nm 10.6μm
染料激光器
二极管激光器 红宝石激光器 Nd: YLF
450~900nm
670~900nm 694nm 1053nm
连续或脉冲
连续或脉冲 1～250μs 100ns～250μs
Nd:YLF
Nd:YAG 自由电子激光 Ti:蓝宝石
1053nm
最常用的是平行平面腔。
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）。
激励能源

激活介质 放大作用

激光
全反射镜
部分反射镜
正反馈作用 使光仅沿轴线方向振荡！
光学谐振腔对光的方向选择性
只有与反射镜轴向平行的一定波长（频率）的 光能在激活介质内来回反射（持续振荡），雪崩式 地放大，在一定条件下形成稳定的强光光束，从部 分反射镜面输出，得到激光。
利用有机染料分子独特的光谱结构，可以得到在一定范围 内连续可调的激光。
3、医用激光系统的主要特征
激光类型
氩离子 氪离子 氦－氖 二氧化碳
波
长
典型脉冲 持续时间
连续 连续 连续 连续或脉冲
激光类型
XeCI XeF KrF ArF
波
308nm 351nm 248nm 193nm
长
典型脉冲 持续时间
20~300ns 10~20ns 10~20ns 10~20ns
激发态
基态
二、光辐射及其三种基本形式
1916年爱因斯坦提出的“自发和受激辐射” 理论是现代激光系统的物理学基础。 原子中任何一个电子能量变化，原子就由一 个能级跳变到另一个能级，称为能级跃迁。
• 自发辐射
处于高能级的原子在不受外界影响的情况下完 全自发地向低能级跃迁同时释放光子的过程叫做 自发辐射。 特点：这类光源中各原子的跃迁是彼此独立 地、互不相干地进行的。
1064nm 800~6000nm 700~1000nm
30~100ps
30~100ps 2~10ps 10fs~100fs
Nd: YAG
Ho: YAG Er: YAG 变频晶体
1064nm
2120nm 2940nm 720~800nm
100ns～250μs
100ns～250μs 100ns～250μs 50ns～100μs
通过给物质提供 能量，可以使较多的 原子跃迁到高能级， 如果物质具有亚稳态 能级，就能实现粒子 数反转。
粒子数反转
二、激光器的组成和常见激光器
常用激光器由三部分组成：

工作物质 泵浦源 光学谐振腔
激励能源
工作物质
激光
M1
谐振腔
M2
激光器结构示意图
激光器的分类 气体激光器 按工作物质分 ：
N2
Ａ21 自发辐射系数
无外界影响
E2 E1
h
N1
自发辐射
Ａ21 的物理含义：
单位时间内发生自发辐射的原子数密度在 处于高能级E2的原子数密度中所占的比例
或每一个处于E2能级的原子在单位时间内 发生自发辐射过程的概率。
原子被外界激发后，自发辐射发出的光称为荧光 实验表明：外界激发停止荧光强度按指数规律衰减
受激吸收
外来光可以激发原子，也有可能被原子吸收，使 原子从E1E2
单位体积中单位时间内因吸收外来 光而从 E1E2 的原子数密度：
dN12 , T N1 dt 吸收
d N 12 写成等式： B12 , T N1 dt 吸收
E2
N2 h N1
B12 受激吸收系数
E1
受激吸收
令
d N 12 W12=Ｂ12 ( ，T) 则： W12 N1 dt 吸收
12 单个原子在单位时间内发生吸 其意义： W 收过程的概率
或：在能量密度为（，T）的光照射下，单位时间内产生受激吸收的原子 数密度在E1能级的总原子数密度中所占的比例。


c
引起谱线加宽的原因：
原子间碰撞引起
自然加宽、压力加宽、多普勒加宽 与机械波类似，波源运动，有多普勒效应 原子无规热运动，同时发光 对于He-Ne激光器： 632.8nm
10 2
光源运动 光的多普勒效应
9 9 1 . 5 10 MHz 或 1 . 3 10 MHz 室温时频率间隔： D
粒子数的正常分布
E2 E1
..... N 2
E2
E1
. . . . . . . . . N2 . . . .
E2 E1
。 。 N1 。 。 。
粒子数反转分布
产生激光的基本条件
为何要粒子数反转？
从 E2 E1 自发辐射的光，可能引起受激辐射 过程，也可能引起吸收过程。
dN 21 B21 , T N 2 W21 N 2 dt 受激
固体激光器 半导体激光器 染料激光器
常用的固体激光器为红宝石、钕玻璃、掺钕钇 铝石榴石。体积小、功率大、使用方便，但工 作物质较贵，结构制造复杂。
半导体激光器的种类很多。不同类型的工作 物质，不同方式的激励，以及提供振荡的不 同结构，都可构成不同类型的激光器。光谱 结构复杂，单色性差，但其重量轻、耗电省。
dN12 B12 , T N1 W12 N1 dt 吸收
产生激光必须：
dN 21 dN12 dt 受激 dt 吸收
因
B21=B12

W21=W12
必须 N2 >N1 （ 粒子数反转）
产生激光的基本条件
实现粒子数反转的必要条件
意义？
单位时间内在能量密度为（，T）的光照射下，跃迁到 低能级E1的原子数密度在E2能级总原子数密度中所占的比例。 或：W21 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。
Ａ21 与W21不同：某能级系统Ａ21为常数
W21与（、T）有关,不为常数
第二节
激光的产生
一、产生激光的基本条件
激光就是由受激辐射产生的被放大了的相干光。
2、激励系统
美国物理学家梅曼于1960年9月制成第一台红 宝石固体激光器. 从外界输入能量（如光照,放电等）,把低能级 上的原子激发到高能级上去, 这个过程叫做激励 （也叫泵浦）。
E3
。
激发态
. E
2
亚稳态
E1
.
。
基态
红宝石中铬离子能级示意图
原子激发的几种基本(激励)方式： 放电激励（气体激光器） 光激励（固、液体激光器）
为荧光寿命或能级 寿命 一般原子或离子： 分子：1ms
与跃迁概率成反比
• 受激吸收
原子吸收一个光子而实现从低能级到高能级跃 迁的过程称为受激吸收。 特点：不是自发产生的，必须有外来光子的 “激励”才会发生，并且外来光子的能量应等于原 子跃迁前后两个能级间的能量差（ hv = EH - EL ）， 才会发生受激吸收。
各个原子自发辐射的光是非相干光 自发辐射发出的光子的频率为：
v=
EH - EL h
式中h为普朗克常数6.624×10-３４J· s。
自发辐射
设 N1 、N2 — 单位体积中处于E1 、E2 能级的原子数 单位体积中dt时间内，从E2 E1自发辐射的原子数：
dN 21 A21N 2 dt 自发
第二章 激光的产生与特性
粒子的能级与能级跃迁 激光产生的条件 激光器 激光器的增益和损耗 激光的特性
第一节 粒子的能级与能级跃迁
一、原子能级
原子中所有电子的动能与势能之和就是原子 的能量.原子的能量也是量子化的。将原子可能具 有的不连续能量值按大小顺序排列，称为原子的 能级。
原子从一个能级跳到另 一个能级的过程称为原 子的跃迁。
dN 21 ( , T ) N 2 dt 受激
受激辐射
dN 21 写成等式： B21 , T N 2 dt 受激
B21受激辐射系数
令 W21 = B21· （，T）则
dN 21 W21N 2 dt 受激
固体激光器 液体激光器
半导体激光器
自由电子激光器
连续输出 按输出方式分： 脉冲输出
2、激光器的分类
（按工作物质分类）
气体激光器
气体激光器，按工作物质的性质又分为 原子激光器、分子激光器和离子激光器。 波谱范围广，能连续输出，单色性、方向 性比其它类型的激光器好。且制造方便、 成本低、可靠性高。
激 光 器
(10-3s)
E3 E2
h
E1
E1
E1
氦氖激光器（四能级系统）
E4 E3 E2
(10-8s) (10-3s)