激光原理作業(yè)

激光與普通光源的本質(zhì)區(qū)別是什么？請詳細(xì)描述。激光是受激輻射的光放大，由特定的發(fā)光物質(zhì)及特殊的結(jié)構(gòu)部件所組成，而普通光源則隨處可見。普通光源是自發(fā)的原子和光子的躍遷。而他們的發(fā)光的微觀機制是共同的，都是在外界條件的激勵下，光源中的原子、分子吸收能量而處于一種不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，在沒有任何外界的作用的情況下，他能自發(fā)的躍遷回低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)，并發(fā)射出一定頻率的電磁波。普通光源的從四面八方發(fā)光的，而激光發(fā)射的光線是朝一個方向傳播的。激光的亮度極高，是普通光源的幾百萬倍。激光的顏色極純，而普通的光源，例如太陽光是由很種顏色的光組成。激光的顏色取決于激光的波長，而波長取決于發(fā)出激光的活性物質(zhì)，即被刺激后能夠產(chǎn)生激光的那種材料。普通光源大多應(yīng)用于照明，而激光應(yīng)用甚廣。其中激光分離技術(shù)，包括激光切割、激光打孔。激光分離技術(shù)是將能量聚焦到微小的空間，可獲得極高的輻照功率密度，利用這一高密度的能量進(jìn)行非接觸、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下，幾乎可以對任何材料實現(xiàn)激光切割和打孔。激光切割技術(shù)是一種擺脫傳統(tǒng)的機械切割、熱處理切割之類的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更靈活的切割方法和更高的生產(chǎn)效率等特點。激光打孔方法作為在固體材料上加工孔方法之一，已成為一項擁有特定應(yīng)用的加工技術(shù)，主要運用在航空、航天與微電子行業(yè)中。普通光源即使能夠聚焦到很小的空間上，功率也遠(yuǎn)不如激光，故不能夠利用普通光源達(dá)到切割打孔的目的。一臺激光器由哪幾部分組成，它們的作用是什么？激光器一般主要由三部分組成，包括工作物質(zhì)、激勵源、諧振腔。工作物質(zhì)：激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。在這種介質(zhì)中可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，對實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常有利的?，F(xiàn)有工作介質(zhì)近千種，可產(chǎn)生的激光波長包括從真空紫外道遠(yuǎn)紅外，非常廣泛。激勵源：為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵；還有熱激勵、化學(xué)激勵等。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級的粒子數(shù)比下能級多。諧振腔：有了合適的工作物質(zhì)和激勵源后，可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強度很弱，無法實際應(yīng)用。于是人們就想到了用光學(xué)諧振腔進(jìn)行放大。所謂光學(xué)諧振腔，實際是在激光器兩端，面對面裝上兩塊反射率很高的鏡。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質(zhì)的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強烈的激光，從部分反射鏡子一端輸出。你理解的激光模式/光子態(tài)是什么？你如何理解激光的相干性？描寫光的模式有兩種方式，從波動觀點出發(fā)，稱為光波的模式；從光子的觀點出發(fā)，稱為光子的狀態(tài)即光子態(tài)。光子的基本性質(zhì)：光子的能量與光波頻率對應(yīng)；光子具有運動質(zhì)量；光子的動量與單色平面光波的波矢對應(yīng)；光子具有兩種可能的獨立偏振狀態(tài)，對應(yīng)于光波場的兩個獨立偏振方向；光子具有自旋，并且自旋量子數(shù)為整數(shù)。縱模：我們知道，受激輻射也不是絕對的單一波長，而是有一個很窄的頻寬的（雖然電子的能級是一個定值，但因為熱運動等各種原因，能級會展寬）。當(dāng)激光器工作物質(zhì)被激發(fā)，發(fā)出受激輻射光的時候，在這個頻寬范圍內(nèi)的各種波長的光子都有，其數(shù)量是以中心頻率為對稱軸的正態(tài)分布。這些所有波長的光子都試圖在諧振腔中得到諧振從而成為優(yōu)勢波長。如果諧振腔足夠短，它僅僅是這所有波長中某一特定波長的整數(shù)倍，那么就只有這一特定波長的光子得以諧振成為優(yōu)勢波長，激光器會輸出真正的單色光，這就是單縱模。但實際的諧振腔通常都比較長，在受激輻射的波長范圍內(nèi)，它可能同時是好幾個波長的整數(shù)倍，因此會有好幾種波長都得到諧振，這樣的激光器就會輸出好幾種波長的光（由于受激輻射帶寬本身很窄，所以這幾個波長也非常接近），這就是多縱模?？偟膩碚f，縱模越多，單色性、相干性越差。諧振腔越短，縱模越少，因此在要求高單色性的時候，應(yīng)盡量減小諧振腔長度。橫模

：如果激光器的諧振腔兩反射面及工作物質(zhì)端面都是理想平面，就不會有除了基模以外的其它橫模輸出。這種情況下只有一個以工作物質(zhì)直徑為直徑的基模輸出。因為此時只有基模狀態(tài)下的光才能形成多次反射諧振的條件。但是事實上反射面和端面都不可能是理想平面，尤其是在固體激光器中，工作物質(zhì)受熱發(fā)生凸透鏡效應(yīng)，導(dǎo)致腔內(nèi)經(jīng)過工作物質(zhì)、與基模方向略有差異的某些光也可能符合多次反射的諧振條件，于是激光器會輸出幾個方向各不相同的光束。多橫模損害了激光器輸出的良好方向性，對聚焦非常不利，因此在需要完美聚焦的情況下，應(yīng)當(dāng)盡量減少橫模。減少橫模的主要途徑有：改善諧振腔反射鏡與工作物質(zhì)端面所形成的光路的等效平面性，如果產(chǎn)生了凸透鏡效應(yīng)則要想辦法補償；減小諧振腔和工作物質(zhì)直徑。激光的相干性：只要是兩個頻率相同、相位差恒定的光就稱之為相干光，其光源就叫相干光光源。因為激光器產(chǎn)生的激光是頻率相同，相位相同的光，它當(dāng)然與其它是激光頻率相同、相位差恒定，所有激光就是相干光。相干性越好，激光質(zhì)量越好。激光的基本物理基礎(chǔ)是什么？激光的基本特性是什么？激光的基本物理基礎(chǔ)包括激光的特性，光波模式和光子狀態(tài)，原子的能級、分布和躍遷，激光產(chǎn)生的必要條件，激光產(chǎn)生的充分條件。其中光波模式的廣義定義為：能代表光波場本征振動狀態(tài)的場分布稱為光波模式，一種光波模式代表具有一定的頻率、一定偏振方向、一定傳播方向和一定壽命的光波。俠義定義為：能夠存在于腔內(nèi)的駐波稱為光波模式。光子簡并度是指處于同一光子態(tài)的光子數(shù)稱為光子簡并度。二能級系統(tǒng)中的三種躍遷：自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收。自發(fā)輻射是指：處于高能級的原子在沒有任何外界作用的情況下，自發(fā)地向低能級躍遷，并發(fā)射光子的過程稱為自發(fā)輻射躍遷，發(fā)出的光輻射稱為自發(fā)輻射。受激輻射是指處于低能級的原子在頻率為V的輻射場作用下，吸收一個能量為hv光子并像更高的能級躍遷的過程稱為受激吸收躍遷。受激輻射是指處于高能級的原子在頻率為V的輻射場的作用下，向低能級躍遷并發(fā)射與外來光子能量相同的光子的過程稱為受激輻射躍遷。產(chǎn)生激光的必要條件是工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。激光產(chǎn)生的充分條件有，光放大物質(zhì)的增益系數(shù)大于衰減，光在腔內(nèi)能夠產(chǎn)生自激振蕩。激光的基本特性：單色性、方向性、相干性、高亮度。單色性與時間相干，方向性與空間相干。重要的激光特征參量有哪些？請說明它的意義。激光特征參量有激光頻譜特性場、激光頻譜特性、激光時域特性等。激光頻譜特性參數(shù)測量包括波長、譜線寬度和輪廓、頻率穩(wěn)定性和相干性等參數(shù)的測量。激光波長測量使用光譜儀和干涉儀。大多數(shù)激光波長計的主體部分是干涉儀。也可用差拍和外差的方法測量激光波長。激光空域特性參數(shù)測量包括測量激光光束直徑、發(fā)散角、橢圓度、橫模式、近場和遠(yuǎn)場花樣等。這些參數(shù)是通過測量激光功率或能量的相對空間分布得到的。激光時域特性參數(shù)測量包括脈沖波形和寬度、峰值功