光学包括哪些知识?

光学包括哪些知识?要了解激光和激光器要学哪些知识?我是新手还没学过任何光学知识!

物理光学包括光的传播和光的本性

在了解光学分辨率之前应首先明确扫描仪的分辨率分为光学分辨率和最大分辨率，由于最大分辨率相当于插值分辨率，并不代表扫描仪的真实分辨率，所以我们在选购扫描仪时应以光学分辨率为准。

光学分辨率是指扫描仪物理器件所具有的真实分辨率。而且，扫描仪的光学分辨率是用两个数字相乘，如600*1200dpi，其中前一个数字代表扫描仪的横向分辨率，例如一个具有5000个感光单元的CCD器件，用于A4幅面扫描仪，由于A4幅面的纸张宽度是8.3英寸，所以，该扫描仪的光学分辨率就是5000/8.3=600dpi，换句话说，该扫描仪的光学分辨率是600dpi。后面一数字则代表扫描仪的纵向分辨率或是机械分辨率，是扫描仪所用步进电机的分辨率，扫描仪的步进电机的精度与扫描仪的横向分辨率相同，但由于各种机械因素的影响，扫描仪的实际精度（步进电机的精度）将远远达不到横向分辨率的水平，一般来说。扫描仪的纵向分辨率是横向分辨率的两倍，有时甚至是四倍。如：600*1200dpi。但有一点要注意：有的厂家为了显示自已的扫描仪精度高，将600*1200dpi写成1200*600dpi，因此在判断扫描仪光学分辨率时，应以最小的一个为准。

激光器的基本原理

2．1 自发辐射与受激辐射

物质的原子从外界获得能量后进入激发态，随后又很快（约10^-7s）返回基态或者较低的能态，并伴随着发出光辐射．原子没有受到外来感应场的作用而跃迁回低能态，并同时发出光辐射的过程称为自发辐射跃迁，产生的光辐射称为自发辐射；能量相应于两个能级差的光子会把原子从低能态激发到高能态，这个过程称为受激吸收跃迁．1916年，著名科学家爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用时发现，在受激吸收跃迁和自发辐射跃迁这两种过程之间，还应存在第三种过程——受激辐射跃迁，即在能量相应于两个能级能量差的光子作用下，会使在高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出相同能量的光子．爱因斯坦还研究了原子与辐射场之间的动量交换，得出了受激发射跃迁产生的光子有这样一些特性：它的频率、传播方向及偏振方向，都与诱导产生这种跃迁的光子相同．这意味着，受激辐射有很好的相干性，并且是沿一个方向传播．

原子作自发辐射跃迁的速率与在原子系统中存在的辐射场强度没有关系，而受激辐射跃迁的速率则与辐射场强度有关．假定原子从能级E₂往能级E₁（E₂＞E₁）自发辐射跃迁到某个模的速率为A₂₁，作受激辐射跃迁到这个模的速率为B₂₁，那么这两个速率的比值为

B₂₁/A₂₁=n_e （2）

式中的n_e是在这个模式中的光子数目（也称光子简并度）．这表示，对于假定的模，受激发射跃迁速率是自发辐射跃迁速率的n_e倍．当n_e≥1时，受激辐射跃迁占优势．普通光源的辐射频率分布和辐射强度基本上是由光源的温度T来决定，在某个模的光子数n_e由下式给出：

式中k在是玻尔兹曼常量（k=1.38×10^-23J·K^-1），h是普朗克常量（h＝6.63×10^-34J·s）．从式（3）可以看到，由于比值 hv/kT是大于零的数，所以 exp（bv/kT）大于 1，即 ne＜1．因而，在普通光源中，自发辐射跃迁速率总是大于受激辐射跃迁速率，产生的光辐射大部分是自发辐射．正因为这个原因，受激辐射的概念当初提出时，并没有受到人们的重视．

2．2 负温度

负温度是对光源中处于高能态的原子数目比处于低能态的原子数目多的一种状态的表述．假定光源中处在高能态E₂的原子数目为N₂，在低能态E₁的原子数目为N₁，那么，根据描述在热力学平衡状态下原子按能级分布的玻尔兹曼分布定律，这光源的温度T是

因为E₂-E₁＞0，所以，如果N₂＞N₁，那么，由式（3.4）看到，光源的温度T是“负值”．事实上，温度是不能为负值的，这里说的“负温度”只是表示原子按能级分布的一种状态，不是处于热力学平衡状态，而是处于非热力学平衡状态．1951年，美国珀塞尔（E．M．Purcell）试图使用所谓“突然倒转场”的方法精确测定核磁矩，即设想研究场极性改变比核自旋的响应时间更快．他用这个方法在氟化锂（LiF）晶体中获得了核自旋体反转分布，并观察到辐射频率50 kHz的受激发射，第一次提出了所谓“负温度”概念，提出粒子数反转分布只能与玻尔兹曼分布定律中的负温度相对应．

可以利用许多方法让物质中的原子（分子）实现负温度状态．从原则上说，只要对原子泵浦到高能态的速率，比它离开这个能态的速率高，最终可以造成负温度状态．现在使用的主要方法有（1）光泵浦；（2）气体放电泵浦；（3）注入电流泵浦；（4）化学泵浦等．具体内容参见3.2.4．需要注意的是，在可见光波段或红外波段获得并保持负温度状态比在微波波段困难得多，因为自由原子的自发辐射速率和光频率的三次方成正比．

2．3 激光的增益

这是表征光辐射在激光器的工作物质内传播过程中其强度增长的因子．假定激光工作物质中处在高能态E₂的原子数密度为N₂（原子/cm³），处在低能态E₁的原子数密度为N₁．频率v=（E₂-E₁）/h的光辐射沿工作物质传播，在单位时间内，单位体积工作物质内由受激辐射跃迁产生的辐射功率，超出由受激吸收而失掉的辐射功率的数量W为

上式中的g₁、g₂分别为能态E₁、E₂的能级简并度，λ是光辐射波长，τf是能态E₂的自发辐射寿命，n是工作物质的折射率，f（v）是从能态E₂向能态E₁跃迁时产生的光辐射频率分布因子（也称谱线形状函数），I_v是频率v的光辐射强度．公式（3.5）中没有计及由自发辐射跃迁产生的辐射．由受激辐射跃迁产生的光辐射叠加到原先光辐射上，光强度的增加反过来又增大了受激辐射跃迁速率，从而进一步加强了在工作物质内传播的光辐射强度，考虑到这种关系后，光辐射沿工作物质传播过长度dz后强度的增长量为

dI（z）=W（v）dz=G（v）I_v（z）dz （6）

通常的情况是外部光源对工作物质作均匀泵浦，而且可以忽略饱和效应，因此可以说工作物质内的粒子数密度N₂和N₁处处一样．在这种情况下，我们可以获得光强度I_v的变化规律

I_v（z）=I_v（0）exp[G（v）z] （7）

式中I_v（0）是在工作物质入射端处的光强度，G（v）称为增益系数，它是光辐射在工作物质内传播过单位长度时光强度的相对增量．对于红宝石激光器（红宝石晶体内含Cr₂O₃的重量约0.5%，相应的铬离子浓度约2.4×10¹⁹，它的τ_f≈3×10^-3s，折射率n=1.77），用光泵浦产生的能级粒子数反转值△N＝N₂－N₁（g₂/g₁）=5×10¹⁷cm^-3时，对波长0.6943nm的增益系数G（v）约为5×10^-2cm^-1，亦即在晶体内传播过10cm的距离，光强度增强10 dB．

2．4 激光器的结构

激光器基本上由三部分组成．

1．工作物质

这是发射激光的发光材料．从原则上讲，光学透明均匀性能好的材料，包括固体的、气体的、液体的、半导体的都可以用做激光器的工作物质．但从激光器输出的激光性能，比如能量转换效率（泵浦的能量转换成激光能量的比例）、激光束的相干性、激光能量（功率）高低、激光器使用寿命、激光能量（功率）稳定性、激光阈值泵浦能量、激光频率可调谐范围、是否能够连续泵浦振荡等方面考虑，对使用的工作物质是有一定要求的．基本要求是（1）光学性质均匀，光学透明性良好，且性能稳定；（2）有能级寿命比较长的能级（称为亚稳态能级）；（3）有比较高的量子效率．

2．共振腔

由放在工作物质两端的反射镜构成的光学系统．其中一块反射镜对激光的反射率接近100%，另一块对激光有适量透过率，在共振腔中形成的激光有一部分从这块反射镜透射到腔外．共振腔的作用主要有两方面：（1）正反馈作用．我们在前面已提到，在光辐射沿工作物质传播的过程中，受激辐射跃迁使得光强度按指数函数关系增长．共振腔让光辐射能够不断地在工作物质中往复传播，使受激辐射强度强烈增长，达到激光振荡．（2）选模作用．在光学波段，共振腔的尺寸比光波长大得多．因此，在腔内存在的模不是一个．原子向某个模作受激辐射跃迁的速率与在这个模的光子数目成正比．共振腔内可能同时存在许多个模，但是，它们的光学增益不一样．在沿共振腔光轴附近小立体角内传播的光束及光频率在光谱线中心附近的模有较大的增益，而且，随着光辐射在腔内往返传播次数增加，在这个模的光子数迅速增多，以致后来差不多所有在激发态的原子都向这个模作受激辐射跃迁．于是，我们就可以获得发散角小、相干性更好的激光束．

3．泵浦源

泵浦源是向工作物质供给能量，把原子、分子从基态激发到高能态，并且形成负温度状态的能源．常用的泵浦源有：

（1） 光学泵浦．这是利用光源（比如高亮度氙灯、氪灯或激光器）的光辐射把原子泵浦到高能态．固体激光器、染料激光器等都是采用这种方法．对泵浦光源的基本要求是，发射的光辐射能量应集中在最靠近工作物质吸收带中心这个频率上．满足这个条件时，泵浦光源的大部分光辐射能量会用到泵浦上，这样会获得比较高的泵浦效率；其次，泵浦光源的体积要小，使用寿命要长，发光效率要高．

（2）气体放电泵浦．利用气体放电中形成的电子或者离子与工作物质中的原子发生非弹性碰撞，把它们激发到高能态．气体激光器、金属蒸气激光器等采用这种方法．

气体放电有弧光放电和辉光放电两类．大多数气体激光器使用的是辉光放电泵浦，少数气体放电激光器（主要是氩离子激光器）用的是弧光放电泵浦．

（3）粒子束泵浦．向工作物质注入高能电子或离子，让它们与工作物质的原子或分子作非弹性碰撞，把后者激发到高能态．高气压气体激光器、半导体激光器采用这种方法．

（4） 化学泵浦．利用工作物质本身化学反应时产生的能量，把原子、分子激发到高能态．很早以前科学家就发现，在许多放热化学反应中能形成大量激发态原子和分子，当化学反应条件适当时还能观察到能级粒子数反转现象．它又分直接泵浦、能量转移泵浦和光分解泵浦三种方式．前者是由工作物质内发生的化学反应直接形成激发态原子；第二种是利用某些化学反应产生的激发态原子与工作物质的原子作非弹性碰撞，通过能量交换把后者激发到高能态；第三种是利用短波长光辐射照射工作物质，使其发生光分解反应，在反应过程中形成激发态原子．

2．5 激光器的振荡条件

激光器要满足所谓振荡条件才有激光输出．工作物质受到泵浦后，受激辐射跃迁过程增加了光功率，但与此同时，也存在减少光功率的因素．比如，从共振腔一端反射镜透射出去的，由于衍射效应而逸出共振腔的，还有因为工作物质内存在或多或少的光学散射颗粒而引起散射损失的、工作物质内杂质原子吸收掉的等等．显然，只有当由受激辐射跃迁产生的光功率超过在共振腔内损失掉的量，或者说，光辐射的增益超过它的损耗因子，腔内的受激辐射光强度才会越来越强，最后形成激光振荡．

假定由工作物质提供的激光增益系数为G（v），光辐射沿工作物质传播长度l之后，其强度将增大 exp[G（v）l]倍．又假定共振腔的光学衍射、工作物质的光学吸收和光学散射造成的损失都很小，可略去不计，只考虑共振腔两块反射镜的透射损失．若两块反射镜的反射率分别

exp[G（v）l-（1-R）]≥1 （8）

亦即要求

G（v）l＞（1-R） （9）

相应地，满足条件（3.9）时，对工作物质内的能级粒子数反转密度（N₂-N₁）以及需要的泵浦能量（或功率）也有要求，最低的要求量分别称为阈值粒子数反转密度和阈值泵浦能量（功率）．对于谱线中心这个波长，阈值粒子数反转密度△N_t由下式计算：

式中τ_f是激光跃迁上能级的寿命，△v是增益谱线宽度．发射波长 λ=632.8nm的He-Ne激光器（氖原子发射这个波长的能级的平均寿命τ_f～10^-7s，谱线宽度△v～1.5×10⁹Hz．假定共振腔两块反射镜的反射率

×10⁹cm^-3．固体激光工作物质中激活粒子的能级寿命τ_f比较长，谱线宽度△v也比较宽，所以相应的△N_t比较大．

如果考虑工作物质杂质原子的吸收，阈值粒子数反转密度△N_t由下式计算

式中的α为光学吸收系数．

2．6 模和激光振荡模

模（或叫波型）是激光理论中的一个基本概念．从光的波动观点看，模是指电磁波动的一种类型，实际上也就是存在于空腔中各种不同频率的驻波；从光的粒子观点看，模是代表了可以相互区分的光子态．在各向同性的空间内，单位体积的模数目N为

式中v是光辐射频率，c是光速，△v是光辐射的频率范围．在光频区，v～10¹⁴Hz，△v～10¹⁰Hz，由式（3.12）算得在1cm³体积内的模数目为10⁸．在激光器所用的开放式共振腔内，模的数目大大减少，而满足激光振荡条件的模数目就更少了．满足激光振荡条件的稳态电磁场分布称为激光振荡模，在腔长l的共振腔内，两个模的频率间隔△v～c/2l（c是光速）．能达到激光振荡条件的模，它的辐射频率必须在光学增益带宽内．假定共振腔的腔长为10cm，两个模之间的频率间隔△v～1.5×10⁹Hz． He-Ne激光器的增益带宽△vG～1.5×10⁸Hz．这意味着，实际上能够同时达到激光振荡条件的只有一个模．红宝石的增益带宽△vG～2×10¹¹Hz，如果采用相同长度的共振腔，在增益带宽内可以容纳13个模．在谱线均匀致宽的情况下，会发生振荡模竞争的现象，这13个模最终只有少数几个能同时发生振荡．总的来说，激光器的激光振荡模数目是很少的．

前面谈的是沿同一个传播方向，按光频率区分光子态得到的结果，这样的模称为纵模．还有按辐射传播方向区分光子态，这就是横模．从波动观点来看，在垂直于光束传播方向的横截面上，每一种稳定存在的电磁场分布形式称为一种横模式，用符号TEM_mn表示，下标m、n代表模的阶数．m=n=0的模称为基模，其余的称高阶模．图3-3是几种横模的光电场分布形式和光强空间分布花样．横模阶数高的模，其光强空间分布范围大，在共振腔内来回传播过程中逃逸出共振腔的量大．所以，虽然可存在的横模有许多个，但能满足激光振荡条件的只有少数几个．

2．7 调Q和Q开关

这是通过改变激光器共振腔Q值，提高激光器输出功率和压缩激光脉冲宽度的技术．共振腔的Q值（也称腔的品质因子）是描述激光器共振腔光学损耗大小的量．光学损耗低的腔，其Q值高．共振腔的Q值由下式计算

当泵浦源向激光器工作物质输入的能量（功率）达到振荡阈值时，激光器便产生激光振荡，输出激光．如果泵浦源继续泵浦，维持激光器在阈值以上，它就连续输出激光．激光振荡阈值与共振腔的光学损耗，亦即与共振腔的Q值有关．如果激光器的工作物质在受泵浦的期间，让共振腔的Q值保持很低，则激光器因振荡阈值很高而不能发生激光振荡，大量的泵浦能量继续存在工作物质内．当工作物质已“吸饱”泵浦能量时，突然升高共振腔的Q值，相应地，激光振荡阈值也突然降低，在阈值之上那部分储存能量便在短时间内发射出来，形成功率很高的激光脉冲．用这个办法得到的激光能量虽然比自由振荡（即不加Q开关）时得到的激光能量低一个数量级，但是，自由振荡激光器输出的光脉冲宽度是毫秒量级，而采用Q开关后得到的激光脉冲宽度大大缩窄，是几十纳秒量级．总的来说，还是使激光器输出功率净增加10⁴到10⁵倍，达几百兆瓦到几千兆瓦．

实施共振腔Q值突变的方法（也称Q开关）基本上有两种：被动法（被动Q开关）和主动法（主动Q开关）．前者是靠激光器本身完成共振腔Q值的变化，后者是由外部机械或电子学信号使共振腔Q值发生变化．两种方法都要求共振腔Q值变化迅速，变化幅度大．假定Q值变化速度缓慢，储存在共振腔内的能量将以宽脉冲形式释放出来，结果是降低了激光功率水平，Q值变化幅度太小，实际可转化为激光的能量数额也小．

常用的Q开关有如下几种：

1．可饱和吸收体Q开关

这是属于被动Q开关．在共振腔内放可饱和吸收染料盒（或染料片）、色心晶体等（见图3-4）．它们对腔内的激光透过率是光强的函数，在开始时，共振腔内的受激辐射强度低，它们对光辐射的吸收率大，即共振腔的Q值很低；当工作物质被充分泵浦而达到激光振荡阈值时，它们发生饱和吸收，透过率上升到接近 100%，共振腔的 Q值也随即突然升高到很高的数值．

2．电光Q开关

在共振腔内放电光元件和偏振分析器（如果激光器工作物质产生的辐射是偏振的，可以不用放偏振分析器）（见图3-5）．当给电光元件加上外电场时，会使通过的激光的偏振面发生旋转，由此可控制光束通过分析器的透过率．共振腔的Q值直接与分析器的透过率有关．现在最常用的电光元件是克尔盒和普克尔盒．

3．机械Q开关

用马达带动共振腔的一块反射镜高速旋转（见图3-6），当旋转的镜子转到与共振腔另一块反射镜精确平行的位置时，腔的Q值最高，在其它位置时腔的Q值都比较低．反射镜的转动必须与闪光灯的触发同步，使两块反射镜达到平行时，工作物质已得到充分的泵浦．通常使用Porro棱镜做转镜，其转轴和激光束轴线之间的小角度偏差并不影响共振腔的准直．这种Q开关的主要优点是重复性好，主要缺点是容易产生噪声．

2．8 锁模

这是使用适当方法，让激光器中发生振荡的各个模之间建立稳定的相位关系，发生相位“干涉”，形成脉冲宽度极窄、功率极高的激光的技术．

常用的激光器增益宽度都比较宽，在其频率范围内可同时容纳许多个模，而且它们当中有不少会同时达到激光振荡条件．这些振荡模不仅在频率上有些差别，振荡相位也彼此没有关联．这些振荡步伐不划一的光波混杂在一起，总的光辐射强度分布便呈现无规则起伏状态．激光器输出的光强实际上是各个振荡模强度按时间平均的统计平均值．因此，脉冲展得比较宽，得到的功率也不会很高．

图3-7（a）是三个振荡模v₁，v₂，v₃独立行动的状态，因为它们的相位彼此不一致，结果是总体光强体现不出规则的变化．如果各个模的相位保持稳定的关系，如图（b）那样，就会出现在A，B，C等地方三个模的光振动波峰相叠加，总的光波振幅为单个模的三倍，而在其它地方，则因为出现波峰、波谷相遇，光振动彼此抵消，总的光波振幅很小．这么一来，我们就可获得一列振幅高低差别悬殊、波形重复出现的光波，或者说得到一列功率很高、脉冲重复出现的光脉冲序列．

假定激光器同时发生振荡的模有n个，那么，锁模后得到的光脉冲宽度将缩窄为自由振荡时的1/n，而激光功率提高n倍，对于钕玻璃激光器，变化的倍数可达10⁴倍．所以自从第一台激光器研制成功后，就注意使振荡模之间的相位关系稳定，以提高激光的功率．

使各个振荡模相位关系稳定一致的基本做法是：在共振腔内放置象信号发生器那样的“主动”外激励调制器（现在常用的有电光调制器、声光调制器），或者放可饱和吸收染料这样的“被动” 调制器．相应地将前一种称为主动锁模，后一种称为被动锁模．下面以主动锁模为例，说明锁模的工作原理．

用频率f_i驱动放在共振腔内的那只主动调制器工作，同时让最靠近增益峰值频率v_m的模开始激光振荡．受调制器的作用，这个模的电磁场通过调制器之后将形成频率分别为v_m+f_i和v_m-f_i的边带．如果驱动频率f_i等于两个纵模的频率间隔（数值等于c/2l，c为光速，l为共振腔腔长），那么，v_m带将通过两个边带的“搭桥”与和它相邻近的两个模发生耦合，三者建立了振荡相位关系．当频率v_m±f_i的边带通过调制器时，又产生频率v_m±2f_i的新边带，它们又把v_m与和它相隔频率2f_i的模耦合起来，建立激光振荡相位关系．辐射在腔内来回通过调制器传播，与v_m建立振荡相位关系的模越来越多，最后使在激光增益线宽范围内全部的纵模都耦合起来．我们说，振荡模此时已被锁定，激光器进入锁模状态．

除前面谈到的主动锁模和被动锁模之外，还有同步泵浦锁模、碰撞锁模、主被动锁模等．用一台锁模激光器输出的连续脉冲序列泵浦另一台激光器，当被泵浦的激光器共振腔长度与泵浦激光器的共振腔长度几乎相等或者是它的整数倍时，在一定条件下，也等效于在腔内放调制器，因而可以获得短脉冲激光输出，其脉冲宽度在最佳条件下比泵浦光脉冲宽度小2～3个数量级．染料激光器、色心激光器、半导体激光器都可以采用这种锁模方法．碰撞锁模是让两个光脉冲在共振腔内相向传播，当它们在腔内的可饱和吸收体中重叠时，建立起对光束的调制作用，使激光器进入锁模状态．利用这个办法已获得脉冲宽度为飞秒（fs，1fs＝10^-15s）量级的激光脉冲．

利用被动锁模可以产生很窄的光脉冲，但这种方法也有一些缺点，比如为了产生稳态区必须非常严格地校正泵浦参数和共振腔参数，可调谐性还受可饱和吸收体的限制．主动锁模能获得稳定性和重复性比较好的激光脉冲，而且适用的激光频率范围比较宽，但能够得到的脉冲宽度一般来说不如用被动锁模方法得到的窄．把被动锁模和主动锁模相结合，就可以获得稳定性好脉冲宽度又窄的激光脉冲．比如，采用铌酸锂（LiNbO₃）电光调制器作主动锁模器的红宝石激光器，在共振腔内放入隐花青盒（被动锁模用的饱和吸收体），激光脉冲宽度便由原先的100ps（皮秒，1ps=10^-12s）压缩到5ps．

2．9 激光器件

1960年5月第一台激光器问世后，研制激光器的工作在世界范围内迅速展开，激光器的种类随即迅速增多．现在，已记录到的激光振荡波长有1万种以上，采用的工作物质种类也很多．它们包括固体的、气体的、半导体的、液体的．如果以每输出一种激光波长的器件看作一种激光器（在通常的激光器中，一种激光器能输出某特定波长或特定波长范围的激光），就有上万种激光器．倘若再考虑到连续泵浦或单脉冲泵浦工作的、采用Q突变或锁模工作的，激光器的种类就更多了．不过，它们当中输出功率（能量）比较高、能量转换效率也比较高，可长时间稳定、可靠地工作，在市场上有比较大量的产品的激光器只有10来种，其中重要的有：

1．钕玻璃激光器

它是采用在玻璃内掺入稀土元素钕做工作物质的激光器．激光由掺入的钕离子发射．主要的激光波长是1060 nm．钕玻璃采用技术很成熟的玻璃熔炼方法制造，比较容易获得大体积光学均匀性良好的钕玻璃，因而能制成大型的器件，获得很高的激光能量和功率．现在已制成输出功率达10¹⁴W的激光器，居各种类型激光器之首．

2．钇铝石榴石激光器

它通常简写为Nd：YAG（掺钕钇铝石榴石）激光器．工作物质是在YAG（钇铝石榴石）晶体内掺进稀土元素钕制成，所以，它输出的激光波长主要也是在1060 nm附近．因为能够掺进去的钕浓度比较高，故单位工作物质体积能提供比较高的激光功率，激光器也可以做得比较小．采用半导体激光器做泵浦源的器件体积更小，更紧凑．这种激光器可以连续泵浦，也可以高重复率脉冲泵浦．

3．氦-氖激光器

这是首先获得成功的气体激光器．工作物质是He-Ne混 合气体，激光由氖原子发射，加进去的氦气体起改善气体放电条件，提高激光器输出功率的作用．采用气体放电泵浦，使用的放电电源有射频电源、交流电源和直流电源，其中最普遍使用的是直流放电．根据所选择的工作条件，激光器可以输出近红外、红光、黄光、绿光，其中最常用的是输出红光（波长632.8 nm）的激光器．

4．CO₂激光器

这是输出功率最高的气体激光器，连续输出功率50 kW的器件已有产品，脉冲输出功率达10¹²W，仅次于钕玻璃激光器．使用的工作物质是CO₂，He， N2，Xe的混合气体，激光由CO₂分子发射，其它气体可以协助改善激光器的工作条件，提高激光器输出功率水平和使用寿命．输出的激光波长主要集中在9600nm和10600nm附近，其中以10600nm这个波长范围的激光功率最大．

维持混合气体处于较低的温度，可以获得比较高的能量转换效率，所以，激光器工作时需要冷却放电区域．小型器件一般采用通水冷却，大型器件则是采用流动工作气体的方式，以把放电区的热量排出去．

5．双异质结半导体激光器

这是由不同组分的半导体材料做成激光器有源区和约束区的激光器，输出的激光波长主要在900 nm附近．输出的激光功率在90 mW～100mW之间．采用注入电流泵浦．

半导体激光器是各类激光器中体积最小，重量最轻的激光器，整个激光器的体积比一颗钮扣还小，而且，激光器的使用寿命很长，有效使用时间超过10万小时．

基本上就是光的反射折射 不过 到后面会有镜面的问题比较复杂 尤其是将镜面问题衍生为一个解答题 估计会让你比较头疼的 呵呵 我现在大一了 高中最怕的就是光学的问题 不过如果你愿意下苦功去钻研的话 应该会克服这些问题

光学分成几何光学、物理光学和量子光学。 　　几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。 　　物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。 　　波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。 　　量子光学是以辐射的量子理论研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的学科。