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信号与系统

一、激光与激光器

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信号与系统
1、激光及激光器概述
l20世纪四大发明：

Ø原子能
Ø计算机
Ø半导体
Ø激光器
l激光应用

Ø通信：
Ø激光武器
医学
2Ø
信号与系统
1、激光及激光器概述

l英文名：LASER(LightAmplificationbyStimulated
EmissionofRadiation)“镭射”、“莱塞”

l中文名：1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受
激发射”改称“激光”
ü“最快的刀”
ü“最准的尺”
ü“最亮的光”
《奇异的激光》——小学五年级语文课文

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信号与系统
2、激光原理—电光是如何转换的？

(a)：自发辐射
处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外
辐射出一个光子；=
光子能量：h21E2E1
宏观表现：发光

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信号与系统
2、激光原理—电光是如何转换的？

(b)：受激吸收
处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸
收一个光子，跃迁到高能级态；
宏观表现：光被吸收

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信号与系统
2、激光原理—电光是如何转换的？

(c)：受激辐射
处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁
到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。
宏观表现：光被放大

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信号与系统
2、激光原理—电光是如何转换的？

p自发辐射与受激辐射的区别

ü自发辐射：完全是一种随机过程，各发光原子的发光过
程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无
规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。
由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一
的，而有一个范围。
ü受激辐射：原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅
频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的
相位都完全一样。
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信号与系统
2、激光原理—电光是如何转换的？

p结论：受激辐射是产生激光的唯一渠道。

受激辐射占主导之必要条件；受激辐射受激吸收
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信号与系统
2、激光原理—电光是如何转换的？

p实现受激辐射>受激吸收的方法：

ü使处在高能级的原子数目比处在低能级的多—粒
子数反转；

如何从技术上实现粒子数反转？

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信号与系统
2、激光原理—电光是如何转换的？

l泵浦源：用外界能量来激励工作物质，建立粒
子数反转分布状态、使粒子从低能级抽运到高能级
态的装置

l泵浦方式：光激励方式，气体辉光放电或高频放
电方式，直接注入电子方式，化学反应方式还有
热激励、冲击波、电子束、核能等方式。
信号与系统
3、激光器的基本结构

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信号与系统
3、激光器的基本结构

工作物质
常用激光器由三部分组成：泵浦源
光学谐振腔
激励能源

工作物质激光
谐振腔
M1M2

激光器结构示意图
信号与系统
4、激光发生过程

1.受激原子自发辐射出光子

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信号与系统
4、激光发生过程

2.受激原子在光子照射下发生受激辐射

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信号与系统
4、激光发生过程

3.光振荡：
受激辐射光
在反射镜反射下
产生新的受激辐
射，使得谐振腔
内沿轴向的光骤
然增加，形成激
光。

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信号与系统
5、激光的特点及应用

1.方向性好：
Ø发散角小：激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射
出，光束的发散角极小，大约为0.001rad，接近平行。
1962年，人类第一次用激光照射月球，地球距离月球的距
离大约为38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里；

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信号与系统
5、激光的特点及应用

1.方向性好：
Ø亮度高：由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所
以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度
高几百亿倍。亮度是衡量一个光源质量的重要指标，若将
中等强度的激光束经过会聚，可在焦点出产生几千到几万
度的高温。

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信号与系统
5、激光的特点及应用

激光能量在时间和空间上高度集中，能在极
小区域产生几百万度的高温。

激光加工、激光手
术、激光武器等就利用
了高亮度的特点。

激光切割
信号与系统
5、激光的特点及应用

2.单色性好：
Ø单色性好：光的颜色由光的不同波长决定，不同的颜色，
是不同波长的光作用于人的视觉的不同而反映出来。激光
的波长基本一致，谱线宽度很窄，颜色很纯，单色性很好。
由于这个特性，激光传递信息的容量大，实现光通信。

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5、激光的特点及应用

计量工作的
标准光源、激光
通讯等利用了单
色性好的特点。

光缆
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5、激光的特点及应用

3.相干性好：
Ø相干性是所有波的共性，但由于各种光波的品质不同，
导致它们的相干性也有高低之分。普通光是自发辐射光，
不会产生干涉现象。激光不同于普通光源，它是受