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第1章激光原理
1.1 概述
1.2.受激吸收(以下简称吸收)
1.3自发辐射
1.3激光辐射，激光
1.4 激光的难点
1.5粒子数反转
1.6 开发激光器
1.7 激光的频率和能量
1.8 电磁波谱
第2章 激光结构
2.1激励系统
2.2 激光物质：
2.3光学谐振腔：
第1章激光原理
1.1 概述
激光实际上是光与物质的相互作用，本质上是物质的微粒吸收或辐射光子，同时改变自己的运动状况。
微粒有一套特定的能级(通常这些能级是分立的)。
粒子只能处于与某一能级对应的状态(或简单地表示在某一能级上)。
当与光子相互作用时，粒子从一个能级转移到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。
光子的能量值是两能级的能量差△E，频率为ν=△E/h（h为普朗克常量)。
1.2.受激吸收(以下简称吸收)
低能级粒子受到外界的刺激（即与其他粒子有能量交换的相互作用，如与光子的非弹性碰撞），并在吸收能量时转移到相应的高能级。种跃迁称为受激吸收。
1.3自发辐射
粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2)向低能级基态（E1)同时辐射能量量为（E2-E1)光子，光子频率 ν=（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。许多原子通过自发辐射发出的光在相位、偏振和传播方向上不一致，这在物理上被称为非相关光。
1.3激光辐射，激光
1917年，爱因斯坦理论上指出，除自发辐射外，还处于高能级E2上的粒子也可以以另一种方式跳到较低的能量水平。他指出，当频率为 ν=（E2-E1）/h的也会导致粒子以一定的概率迅速从能级E2跃迁到能级E1.同时辐射两个与外来光子频率、相位、偏振和传播方向相同的光子，称为受激辐射。
如果大量原子处于高能级，可以想象E2.当有频率时 ν=（E2-E1）/h的，从而激励E2上的原子产生受激辐射，获得两个特征完全相同的光子，然后激励这两个光子E2能级上原子产生受激辐射，可获得四个特征相同的光子，这意味着原始光子这是在受激辐射过程中产生的。。
1.4 激光的难点
1917年爱因斯坦提出受激辐射，但激光在1960年问世，相隔43年，为什么？
主要原因是，中粒子产生概率极小。
当一定频率的光进入工作物质时，和这两个过程同时存在。受激辐射增加光子数量，但受激吸收减少光子数量。时，粒子在粒子在平衡状态下的统计分布。按照统计分布规律，能源水平较低E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。当光通过工作物质时，光的能量只会减弱而不会增强。要使受激辐射占优势，必须处于高能级E2粒子数大于低能级E1的粒子数。这种分布与平衡状态下的粒子分布正好相反，称为粒子数反转分布，称为粒子数反转。
如何从技术上实现？粒子数反转是产生激光的必要条件。
1.5粒子数反转
理论研究表明，在适当的激励条件下，任何工作物质都可以在粒子系统的特定高低能级间反转粒子数。若原子或分子等微观粒子具有高能级E2和低能级E1，E2和E1能级布居数密度为N2和N1.自发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁有三个过程。与入射光相同的频率、相位、传播方向和偏振方向。因此，在同一相干辐射场的刺激下，大量颗粒产生的刺激射光是相干的。与入射辐射场的单色能量密度成正比，受激发射跳跃的概率和受激吸收跳跃的概率。当两个能级的统计权重相等时，两个过程的概率相等。热平衡N2<N1.因此，受激吸收具有优势，光通过物质通常因受激吸收而衰减。外部能量的激励会破坏热平衡N2>N1.这种状态称为粒子数反转状态。在这种情况下，受激发射跃迁占优势。光强光工作物质(激活物质)处于粒子数反转状态后，光强增加el倍。G为正比于（N2-N1）的系数，称为增益系数，其大小还与激光工作物质的性质和光波频率有关。一段激活物质就是一个激光放大器。如果，把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜（其中至少有一个是部分透射的）构成的光学谐振腔中（图1），处于高能级的粒子会产生各种方向的自发发射。其中，非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外：轴向传播的光波却能在腔内往返传播，当它在激光物质中传播时，光强不断增长。如果谐振腔内单程小信号增益G0l大于单程损耗δ（G0l是小信号增益系数），则可产生自激振荡。
原子的运动状态可以分为不同的能级，当原子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的光子（所谓自发辐射）。
1.6 激光器的发展
激光器——能发射激光的装置。
1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。
1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，
1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。
1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。
1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。
1.7 激光的频率与能量
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。
太阳辐射出的可见光段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，若仔细辨认仍包含数十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。 [1]
，因此。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×10^(-9)米级别，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。
光子的能量是用E=hv来计算的，其中h为普朗克常量，v为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.846×10^（14）Hz到7.895×10^（14）Hz。
1.8 电磁波谱
（1）无线电波——波长从几千米到0.3米左右，一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波；
（2）微波——波长从0.3米到10^-3米，这些波多用在雷达或其它通讯系统；
（3）红外线——波长从10^-3米到7.8×10^-7米；
（4）可见光——这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。波长从780—380nm。
光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。
由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分；
（5）紫外线——波长从3 ×10^-7米到6×10^-10米。这些波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此紫外光的化学效应最强；
（6）伦琴射线(X射线)—— 这部分电磁波谱，波长从2×10^-9米到6×10^-12米。伦琴射线（X射线）是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的；
（7）伽马射线——是波长小于0.1纳米的电磁波。这种的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。由此看来，激光能量并不算很大，但是它的（因为它的作用范围很小，一般只有一个点），短时间里聚集起大量的能量，用做武器也就可以理解了。
第2章 激光器的结构
激光器，就是一台能量转换器，将其他形式的能量转换成光能。
激光器的种类虽然很多，但制造原理基本相同，大多由激励系统，激光物质和光学振腔三部分组成。
2.1
是产生光、电、化学能的装置。激
激励系统提供能量，使激光物质里的大多数电子跳到原子的上去，为以后创造条件。
现在使用的激励手段主要有光照、通电、化学反应等。
是能够产生激光的物质。
人们已经发现了上千种这样的物质能产生激光，如红宝石、钕玻璃、氖气、氮气、二氧化碳、金属蒸气、半导体、有机染料等。
激光器按激光物质的物理状态分，主要有四种：
用固体物质作激光物质的激光器叫固体激光器，
用气体物质作激光物质的激光器叫气体激光器、
用半导体作激光物质的激光器叫半导体激光器，
用有机染料的溶液制成的激光器叫液体激光器。
直接决定了激光器的价格，想想我们生活中的激光笔，看到的舞台灯光表演，除非家里有红宝石，蓝宝石矿，绝对不会用宝石来当作工作物质。
目前市场上用的绝大多数工作物质是价格，几乎90%的激光器都是半导体激光器，当然还有液体，气体等激光器。
2.3 光学谐振腔：
作用是输出激光的亮度，调节和选定光的和。
发出来的光，并没有直接射到外面，而是来到了谐振腔——由构成的。
发出来的光在两个镜片之间，最终在方向上这就是为什么激光射出去是一条直线。不一致的早就从其他地方散失点了，而普通光源就是四面八方发射。
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