激光原理历史发展课件

第一章激光概述先修科目几何光学物理光学量子力学参考书目激光原理国防工业出版社2000年版周炳琨等编量子电子学科学技术出版社1983年版AmnonYariv，刘颂豪等翻译Lasers,AnthonyE.Siegman,Maple-VailBookManufacturingGroup,1986PrinciplesofLasers,OrazioSvelto,PlenumPress,1998第一章激光概述先修科目第一章激光概述1.1激光的发展与现状1.2激光产生的机理1.3激光的特性1.4激光器实例第一章激光概述1.1激光的发展与现状1.1激光的发展与现状提到激光时脑海中的第一印象？1.1激光的发展与现状提到激光时脑海中的第一印象？1.1激光的发展与现状什么是激光？LASER：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光：受激辐射光放大死光：叶永烈《珊瑚岛上的死光》镭射：LASER的音译1.1激光的发展与现状什么是激光？1.1.1激光发展的历史史前时代17世纪—对光的本性的探求：波动说：以一定方式沿空间传输的波动过程，惠更斯、虎克；微粒说：以经典方式运动着的微小粒子，牛顿；19世纪：光的波动本性有了进一步发展电磁场理论、麦克斯韦方程组1.1.1激光发展的历史史前时代1.1.1激光发展的历史19世纪下半叶发展起来的电磁场理论能够解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和双折射等现象；然而到了20世纪初，出现了黑体辐射、原子线状光谱、光电效应、光化学反应和康普顿散射等实验现象，这些涉及到光与物质相互作用时能量与动量交换特征的就无法用当时的经典理论来解释。1.1.1激光发展的历史19世纪下半叶发展起来的电磁场理论能1.1.1激光发展的历史黎明前的黑暗1900年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此获得1918年诺贝尔物理学奖；1905年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效应，并因此获得1921年诺贝尔物理学奖；"inrecognitionoftheservicesherenderedtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquanta""forhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect"1.1.1激光发展的历史黎明前的黑暗"inrecognit1.1.1激光发展的历史1913年，玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的原子结构模型，并因此获得1922年诺贝尔物理学奖；1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础；1928年，Landenburg证实了受激辐射和“负吸收”的存在；"forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthem"1.1.1激光发展的历史1913年，玻尔借鉴了普朗克的量子概1.1.1激光发展的历史1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖；1950年，Kastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝尔奖。"forhisdiscoveriesconcerningthefinestructureofthehydrogenspectrum""forthediscoveryanddevelopmentofopticalmethodsforstudyingHertzianresonancesinatoms"1.1.1激光发展的历史1947年，Lamb和Reherfo1.1.1激光发展的历史1951年,Townes提出受激辐射微波放大，即MASER的概念。1954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背景辐射。Townes由于在受激辐射放大方面的成就获得1964年诺贝尔物理学奖。"forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple"1.1.1激光发展的历史1951年,Townes提出受激辐射1.1.1激光发展的历史突破1958年Schawlow和Townes在Phy.Rev.上发表论文“InfraredandOpticalMaser”，标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。1960年5月，休斯实验室的Maiman和Lamb共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。1.1.1激光发展的历史突破1.1.1激光发展的历史1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第一台四能级固体激光器；1960年12月，BELL实验室的Javan，Bennett和Herriott制成了第一台氦氖气体激光器；1962年，GaAs半导体激光器；1963年，液体激光器；1964年，CO2激光器；1964年，离子激光器；1964年，Nd：YAG固体激光器；1965年，HCl化学激光器；1966年，生物染料激光器；从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到1960年第一台激光器诞生，其间用了近半个世纪，而实际上却没有太多理论上的突破，为什么激光器没有早半个世纪诞生？1.1.1激光发展的历史1960年年中，IBM实验室利用Ca1.1.1激光发展的现状发展更大为了进行高能物理、热核聚变等方面的研究工作，激光器产生的能量密度和功率不断提高。现在世界上功率最大的激光器是美国的国家点火工程（NIF）中使用的NOVA激光系统，其峰值功率达到1.3PW（1015W），该系统有望在今年投入使用。1.1.1激光发展的现状发展1.1.1激光发展的现状更小各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器或者半导体泵浦固体激光器向着小型化方向发展；1.1.1激光发展的现状更小1.1.1激光发展的现状更集成各种通信用的激光模块，往往包含十几个甚至几十个半导体激光器，并且集成了调制、功率检测、温度监测等功能模块。1.1.1激光发展的现状更集成1.1.1激光发展的现状更快更高的调制频率：GHz；更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecondLaser)；更多样化多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、热泵浦等、磁泵浦；多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体（He-Ne、CO2）、液体、染料、半导体、自由电子等；1.1.1激光发展的现状更快1.1.2理论体系经典理论（ClassicalLaserTheory）电磁场－麦克斯韦方程组；原子－电偶极振子半经典理论（SemiclassicalLaserTheory）电磁场－麦克斯韦方程组；原子－量子力学描述量子理论（QuantumLaserTheory）电磁场和原子——二者作为一个统一的物理体系作量子化处理速率方程理论（RateEquationTheory）量子理论的简化形式，忽略光子的相位特性和光子数的起伏特性1.1.2理论体系经典理论（ClassicalLaser1.1.2理论体系激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上的量子理论，在原则上可以描述激光器的全部特性；不同近似程度的理论用来描述激光器的不同层次的特性，每种近似理论都揭示出激光器的某些特性，因此可以根据具体应用选择合适的近似理论；本课程主要用到的理论是经典理论和速率方程。1.1.2理论体系激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上1.1.3激光的应用从科幻到现实第一个描述激光的作品？威尔斯在1898年的小说《世界大战》（火星人入侵）：“由某种方式在非传导的小室中产生酷热，用抛物镜将其变成平行光，射向目标，这些射线不是可见光，而是某种热……”CO2激光器，由CO2作为工作物质，通过放电激发产生10.6um的红外激光，肉眼不可见，其输出方式多为抛物镜构成的反射望远镜系统；火星大气充满CO2，并且有强烈的大气放电（闪电），因此可能存在天然的激光；1.1.3激光的应用从科幻到现实1.1.3激光的应用激光的实际应用工业应用：切割：速度快、无接触、精度高、切缝光滑；焊接：焊接点均匀、美观、精度高；表面处理；芯片刻蚀等。1.1.3激光的应用激光的实际应用1.1.3激光的应用医疗：最早的激光医疗应用：1961年12月在哥伦比亚长老会医院用红宝石激光器进行了视网膜肿瘤治疗；肿瘤治疗；眼科手术：视网膜焊接、近视治疗；美容；外科手术等。科研：全息成像、非线性光学等需要高相干性、大功率光源的项目；可控核聚变；光镊、冷冻原子1.1.3激光的应用医疗：1.1.3激光的应用确定地月距离登月是20世纪最大的骗局？阿波罗15号在登月时带上了一套特别设备——大型角反射器，用来反射从地球发射过来的激光光束，通过记录往返时间来计算地月距离。激光发散角很小，其光斑半径在月面上小于1km，而普通探照灯的光斑在月面上会大于月球的直径。1.1.3激光的应用确定地月距离1.1.3激光的应用军事激光测距直接摧毁激光制导1.1.3激光的应用军事1.1.3激光的应用其他条码扫描照明、成像通讯娱乐1.1.3激光的应用其他1.2激光产生的机理1.2.1黑体辐射与普朗克公式黑体：一个物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射，则称此物体为绝对黑体或黑体。自然界中不存在绝对黑体，而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近似。黑体辐射：当黑体处于某一恒定温度的热平衡状态，它吸收的电磁辐射和发射的电磁辐射完全相等，即处于能量平衡状态，这将导致空腔内存在完全确定的辐射场。这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。1.2激光产生的机理1.2.1黑体辐射与普朗克公式1.2激光产生的机理普朗克公式：黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率

的函数，并可以用单色能量密度

描述，表示单位体积内，频率处于附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量，其量纲为。为了解释实验测得的分布规律，普朗克提出了量子化假设，并得到了普朗克公式：在温度T的热平衡状态下，黑体辐射平均地分配到腔内处于频率附近的所有模式上的平均能量为：1.2激光产生的机理普朗克公式：1.2激光产生的机理而腔内单位体积中，频率处于附近单位频率间隔内的电磁场模式数：所以可以得到黑体辐射的普朗克公式：其中K为波尔兹曼常数：1.2激光产生的机理而腔内单位体积中，频率处于附近单1.2激光产生的机理1.2.2受激辐射与自发辐射自发辐射（Spontaneousemission）处于高能级E2的原子自发的向较低能级E1跃迁，并发射一个能量为的光子，这种过程称为自发辐射。自发辐射特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。假设系统中高能级原子数为n2，低能级原子数为n1，则单位时间内从高能级向低能级发生跃迁的原子数dn21为：其中A21为自发辐射爱因斯坦系数，定义为单位时间内n2个高能级原子中发生自发跃迁的原子数与n2的比值，其物理意义是每一个处于高能级的原子发生自发跃迁的几率。1.2激光产生的机理1.2.2受激辐射与自发辐射1.2激光产生的机理按照定义：从上式可以解出：自发辐射的平均寿命定义为原子数密度由起始值降至它的1/e的时间，则高能级原子数随时间变化可表示为：通过比较可以得到：，即自发辐射系数为高能级原子平均寿命的倒数，是由原子本身的性质决定的，不受外部辐射场的影响。1.2激光产生的机理按照定义：1.2激光产生的机理如何确定自发辐射系数？生活中的自发辐射？红宝石晶体自发辐射平均寿命测量装置测量得到的原子自发辐射能量衰减曲线1.2激光产生的机理如何确定自发辐射系数？红宝石晶体自发辐射1.2激光产生的机理受激吸收（StimulatedAbsorption）如果黑体原子和外加电磁场之间的相互作用只有自发辐射这一种，是无法维持腔内的稳定电磁场的，因此爱因斯坦预言，黑体原子必然存在着一种受外加电磁场激发而从低能级向高能级跃迁的过程。处于低能级E1的一个原子，在频率为的辐射场作用（激励）下，受激地向E2能级跃迁并吸收一个能量为的光子，这一过程称为受激吸收，用受激吸收跃迁几率描述：受激跃迁与自发跃迁不同，其跃迁几率不仅与原子性质有关，而且与外加电磁场成正比，因此唯象的将其表示为：其中B12称为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，它只与原子性质相关。1.2激光产生的机理受激吸收（StimulatedAbso1.2激光产生的机理受激辐射（StimulatedEmission）与受激吸收跃迁类似，黑体原子同外加电磁场之间还存在另一种受激相互作用，一个处于高能级E2的原子在频率为的电磁场作用下，受激地跃迁到E1能级，并放出一个能量为的光子，该过程被称为受激辐射跃迁。可以用受激辐射跃迁几率W21来描述受激辐射过程中高能级原子数变化的规律：受激辐射跃迁机率同样与外加电磁场和原子特性相关：1.2激光产生的机理受激辐射（StimulatedEmis1.2激光产生的机理1.2.3跃迁几率之间的相互关系当黑体处于确定的温度T的热平衡状态时，具有以下三个特点：腔内存在着由普朗克公式描述的热平衡黑体辐射；腔内物质原子数按照能级的分布服从热平衡状态下的波尔兹曼分布：

g1、g2为能级E1、E2的统计权重；腔内处于E2（或E1）能级的原子数应保持不变：1.2激光产生的机理1.2.3跃迁几率之间的相互关系1.2激光产生的机理由特点3得到：将普朗克公式和波尔兹曼分布带入上式有：令，可以求出爱因斯坦系数之间的相互关系：特别的，当g1=g2时，B12=B211.2激光产生的机理由特点3得到：1.2激光产生的机理1.2.4受激辐射的相干性自发辐射和受激辐射的区别是什么？自发辐射发出的光子在相位、传输方向、偏振方向等特性上是无规则的，即平均分配在腔内可能稳定存在的所有的电磁场模式上；受激辐射则是受到外加电磁场激发而产生的过程，由量子电动力学可以严格证明受激辐射光子与入射光子属于同一光子态，即具有相同的频率、相位、波矢和偏振等特性。按照经典原子模型，将原子看作简谐振动的电偶极子，自发跃迁是原子中电子的自发阻尼振荡，因此每个原子的自发跃迁互相之间没有关联；而受激辐射可以看作电子在外加光场作用下做受迫振动，其振荡频率、相位、方向等与外加光场一致。大量原子在同一辐射场激发下产生的受激辐射光子处于同一光子态，因而是相干的。1.2激光产生的机理1.2.4受激辐射的相干性1.2激光产生的机理1.2.5光的受激辐射放大光放大的基本原理：利用受激辐射；由于在原子与外加光场相互作用时同时存在受激辐射和受激吸收两种作用，想要实现光放大，必须要满足关系：由爱因斯坦系数相互关系及波尔兹曼分布得到光放大的条件：“不可能”的前提是原子数按照能级的分布服从波尔兹曼分布，那么要实现光放大，必须使原子数按能级的分布打破波尔兹曼分布，即使得高能级原子数大于低能级原子数，使物质处于粒子数反转状态，或者称为负绝对温度状态。要满足该条件，只有T<0，这意味着物质处于温度低于绝对零度的状态，而这是不可能的。1.2激光产生的机理1.2.5光的受激辐射放大要满足该条件，1.2激光产生的机理如何使物质处于粒子数反转状态？通过各种泵浦机制，利用各种外部能量，使大量处于低能级的物质粒子跃迁到高能级，实现粒子数反转，为光放大做好准备。用增益系数来描述光放大物质对光的放大能力，增益系数定义为光波在 介质中经过单位长 度后光强的相对增 长率：1.2激光产生的机理如何使物质处于粒子数反转状态？1.2激光产生的机理求解上面的微分方程，可以得到位置z处的光强：其中G0为增益系数的初值，当粒子数差值(n2-n1)不随距离变化，而且I0很小的情况下，G不随光的传输而发生变化，这种情况称为小信号增益。当I随着传输而逐渐增加时，高能级粒子被不断消耗，因此G也随之减少，G(z)随着z增加而减少的现象称为增益饱和。1.2激光产生的机理求解上面的微分方程，可以得到位置z处的光1.2激光产生的机理1.2.6光的自激振荡在光放大物质中，除了存在受激跃迁现象外，还有各种因素引起的光传输损耗，我们用损耗系数来描述这些损耗，它定义为光通过单位距离后光强衰减的百分比：在同时存在增益和损耗的光放大介质中，光强随传输距离的变化可以表示为：要利用增益介质实现对入射光的放大，应满足两个基本条件：实现粒子数反转；G>a；损耗大于增益增益大于损耗1.2激光产生的机理1.2.6光的自激振荡损耗大于增益增益大1.2激光产生的机理入射光能够被无限放大吗？假设一个微弱光I0入射到一段增益介质中，其初始增益系数为G0，G0>a，此时光强随着传输距离增加而不断增强：但随着光强的不断增加，增益介质中的高能级粒子不断的由于受激辐射而跃迁到低能级，增益介质的增益系数不断减小，直到减小到时，光强将不再随传输距离的变化而变化，此时的光强称为饱和光强Im。1.2激光产生的机理入射光能够被无限放大吗？1.2激光产生的机理从上面的讨论可以知道，只要增益介质足够长，无论多微弱的入射光，都可以被放大为饱和光强Im。至此我们具备了产生激光的一个必要条件：能够对特定频率的微弱入射光进行受激放大，新的问题是：入射光从何而来？解决之道——自发辐射。 自发辐射会产生微弱的、频率为 的荧光，可以 作为受激辐射的入射光。要产生我们需要的高强度、方向性好的激光，还有两个问题要解决：要获得最大的放大效果，需要近似无穷长度的增益介质，然而这在工程上不可实现的，如何尽可能的增加增益物质的长度？自发辐射产生的光子的前进方向是随机的，如果直接对其进行受激辐射放大，得到的激光在方向上也是随机的，如何选择特定方向的光来进行放大得到方向性很好的激光？1.2激光产生的机理从上面的讨论可以知道，只要增益介质足够长1.2激光产生的机理在激光的实际应用中，利用各种不同结构的光学谐振腔来解决上述两个问题。结构最简单的光学谐振腔是在工作物质两端放置两块平行的平面镜而构成的平行平面腔，通过让需要放大的光在两块平面镜之间反射，实现了近似于无限长的增益介质；通过限制平面镜的尺度，使得自发辐射产生的微弱光在谐振腔内反射的过程中，只有靠近平面镜中心而且方向垂直于平面镜的那部分光才能在其中多次反射，得到足够多次的放大而形成激光，其它方向的光则迅速溢出谐振腔外，无法形成正反馈过程。通过这种方式实现了对激光方向性的选择。1.2激光产生的机理在激光的实际应用中，利用各种不同结构的光1.2激光产生的机理光学谐振腔的作用提供正反馈控制激光模式光学谐振腔的作用很重要，但并不是不可或缺的，在某些高增益工作物质构成的激光器中，不需要谐振腔就能够形成自激振荡，只是相干性较差。1.2激光产生的机理光学谐振腔的作用1.3激光的特性1.3.1光子基本特性能量：动量：质量：光子没有静止质量偏振态：光子有两个可能的独立偏振状态，对应于光波的两个独立偏振方向；自旋：光子具有自旋，其自旋量子数为整数，光子属于玻色子，服从玻色爱因斯坦分布，即处于同一量子态的全同粒子数目没有限制。1.3激光的特性1.3.1光子基本特性任意电磁场可以看作是一系列单色平面电磁波的线性叠加，这些单色平面电磁波用波矢来标识；也可以将任意电磁场视为一系列与单色平面电磁波等效的电磁波本征模式的线性叠加；本征模式的能量、动量具有量子化特性，即能量为基本能量的整数倍，动量为基本动量的整数倍。具有基本能量和基本动量的物质单元称为属于第个本征模式的光子。1.3激光的特性任意电磁场可以看作是一系列单色平面电磁波的线性叠加，这些单色1.3激光的特性1.3.2光波模式与光子相格在有边界条件限制的空间V内，只能存在一系列独立存在的、具有特定波矢的单色平面驻波，能够稳定存在于腔内的驻波称为光波模式。考虑如图所示的金属空腔，任何能够存在的驻波应该满足以下条件：其中m、n、l为正整数，由波矢的表达式可以得到波矢的三个分量：每组不同的m、n、l标识了不同的模式，如果在由kx、ky、kz构成的空间中表示不同的模式，其结果如右图，每个不同的模式分别占据图中的一个方格。可以求出在该空间中一个模式占据的体积为：1.3激光的特性1.3.2光波模式与光子相格1.3激光的特性波矢在范围内的波矢空间体积为：则在该空间内所包含的光波模式数为：由波矢的定义有：可以得到在体积为V的腔内，频率附近间隔内的模式数P为：因此单位体积内，频率附近，单位频率间隔的模式数为：1.3激光的特性波矢在1.3激光的特性光子状态与相格在辐射场中的光子可以用动量、位置和偏振态来对其加以区别；宏观上质点的运动状态可以用位置（x,y,z）和动量（Px,Py,Pz）来完全确定，一种运动状态对应相空间（x,y,z,Px,Py,Pz）中的一个点；微观上的粒子运动满足测不准原理：在相空间中，一个光子态不再对应一个点，而是一个体积元，称为相格，其在相空间中的体积为：1.3激光的特性光子状态与相格1.3激光的特性在波矢空间中一个光波模式占据的体积是：由于腔内稳定存在的光波模都是由两列相向传播的行波构成的，因此每个模式的动量可以写成：将以上结果代入(1)式，可得到：即一个光波模在相空间中也占有一个相格，一个光波模等效于一个光子态。1.3激光的特性在波矢空间中一个光波模式占据的体积是：1.3激光的特性1.3.3相干性光源的相干体积考虑频率宽度为的沿z方向传播的准单色平面波，由双缝干涉理论可知光源的相干面积：光波的相干长度为其波列长度：则光源相干体积为：其物理意义为：如要求传播方向限于之内并具有频率宽度的光波相干，则光源应局限在空间体积Vc内。1.3激光的特性1.3.3相干性1.3激光的特性光子的相干性光子动量在(x,y,z)方向的分量分别为：根据前述的光子态在相空间的体积为可得：上式表明相格的空间体积等于相干体积，如果光子属于同一光子态，则它们应该包含在相干体积之内，即同一光子态的光子是相干的。1.3激光的特性光子的相干性1.3激光的特性光子态与光波模式是电磁场运动状态描述的两种等效提法，是两种等效的物理概念；相格的空间体积以及一个光波模式或光子态占有的空间体积都等于相干体积；属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，而不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的。1.3激光的特性光子态与光波模式是电磁场运动状态描述的两种等1.3.4激光的特性1、激光的空间相干性与方向性方向性越好、空间相干性程度越高方向性（发散角）受衍射极限的限制2、激光的时间相干性与单色性单色性越好、相干时间越长3、激光的高强度光子简并度——处于同一模式中的光子数目激光器可以产生很高的单模功率，即高光子简并度1.3激光的特性1.3.4激光的特性1.3激光的特性1.4典型激光器介绍固体激光器：红宝石、Nd:YAG气体激光器：原子、分子、离子液体激光器：染料激光器新型激光器：光纤激光器、半导体激光器、自由电子激光器、化学激光器1.4典型激光器介绍固体激光器：红宝石、Nd:YAG1.4典型激光器介绍固体激光器的基本结构与工作物质1.固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。右图是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。2.红宝石激光器 红宝石是在三氧化二铝(Al2O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋)，它属于三能级系统。3.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG)

工作物质:将一定比例的Al2O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色，它的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，它属于四能级系统。1.4典型激光器介绍固体激光器的基本结构与工作物质1.4典型激光器介绍红宝石中铬离子的能级结构Nd3＋:YAG的能级结构1.4典型激光器介绍红宝石中铬离子的能级结构固体激光器的泵浦系统固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。目前的泵浦光源多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。泵浦光源应当满足两个基本条件。常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。右图所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常 用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导 冷却等，其中以液冷最为普遍。泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵 浦光中的紫外光谱。1.4典型激光器介绍固体激光器的泵浦系统1.4典型激光器介绍固体激光器的基本特性能量转换效率低，要经过电、光、原子、激光的途径来形成受激辐射放大；运行方式有连续、脉冲、调Q、放大、调制等；输出光谱有数千条，覆盖了可见光、近红外光、紫外（利用晶体实现倍频）；输出峰值功率极高（锁模）---太瓦、飞秒；1.4典型激光器介绍固体激光器的基本特性1.4典型激光器介绍QuantelFrequency-DoubledNd-YAG1.4典型激光器介绍单脉冲能量：500mJ脉冲宽度：5ns峰值功率：108W=0.1GW重复频率：10Hz平均功率：5WQuantelFrequency-DoubledNd-Y1.4典型激光器介绍气体激光器的分类原子---产生激光作用的是没有电离的气体原子，所采用的气体主要是氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体，有时也采用氯、溴、碘、氮、硫、碳、氧等原子气体，或铯、镉、铜、锰、锡等金属原子蒸气。分子（准分子）---产生激光作用的是没有电离的气体分子，所采用的分子气体有：CO、N2、O2、CO2、N2O和水蒸气等；准分子激光器的工作气体在常态下为原子，当受到激发时，可暂时形成寿命很短的分子，称为准分子，这种分子也能产生激光。常采用的准分子有：Ar2*、Xe2*、XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*、XeO*、KrO*等。离子---利用电离后的气体离子产生激光作用，主要有惰性气体离子和金属蒸气离子。离子激光器的典型代表是氩离子(Ar+)和氦-镉(He-Cd)离子激光器1.4典型激光器介绍气体激光器的分类1.4典型激光器介绍气体激光器的工作原理电激励---气体放电在高电压下，气体分子发生电离导电(叫做气体放电)，被电场加速的电子与气体原子(或分子、离子)碰撞，使后者激发到高能级，形成粒子数反转，这一过程称为放电激励。气体放电可采用直流或交流的连续放电、射频放电(高频放电)、脉冲放电等形式。直流和交流放电又分为纵向放电和横向放电两种。

除放电激励外，还可用电子枪产生的高速电子去激励气体，使之跃迁到高能级，这称为电子束激励。1.4典型激光器介绍气体激光器的工作原理1.4典型激光器介绍氦-氖(He-Ne)激光器He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如右图所示。He-Ne激光器是典型的四能级系统。1.4典型激光器介绍氦-氖(He-Ne)激光器1.4典型激光器介绍He-Ne激光器1.4典型激光器介绍He-Ne激光器封离式CO2激光器结构示意图1.4典型激光器介绍二氧化碳激光器下图是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。封离式CO2激光器结构示意图1.4典型激光器介绍二氧化碳激1.4典型激光器介绍与产生激光有关的CO2分子能级图1.4典型激光器介绍与产生激光有关的CO2分子能级图分段石墨结构Ar+激光器示意图1.4典型激光器介绍Ar+离子激光器Ar＋激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。如下图所示为石墨放电管的分段结构。分段石墨结构Ar+激光器示意图1.4典型激光器介绍Ar+离1.4典型激光器介绍1.4典型激光器介绍1.4典型激光器介绍气体激光器的输出特性输出功率大---气体激光器容易实现工作物质的大体积均匀分布，且工作物质的流动性好，因此能获得很大功率输出。例如高功率电激励CO2激光器连续输出功率已达数万瓦以上。效率高---大部分的气体激光器既能连续工作又能脉冲工作。目前，CO2激光器的电光转换效率已达到25％，而CO激光器在低温条件下可达到50％。谱线范围宽---目前有数百种气体和蒸气可以产生激光，已经观测到的激光谱线近万余条，谱线覆盖范围从亚毫米波到真空紫外波段，甚至X射线、射线波段。光束质量优---工作物质均匀一致保证了气体激光束的优良光束质量，在光束的相干性、单色性方面优于固体、半导体激光器，如He-Ne激光的单色性很高，Δλ很容易达到10-9～10-11nm，其发散角只有l～2毫弧度。1.4典型激光器介绍气体激光器的输出特性自由电子激光器1.自由电子激光器的工作物质是自由电子束，它和普通激光器的根本区别在于：辐射不是基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁。自由电子激光器的工作原理磁韧致辐射 带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用会作加速运动，从而产生辐射，当速度接近光速的电子作圆周运动时，将会辐射出光子：切伦科夫辐射 当电子在介质中运动时，如果它们的速度比光在介质中的相速度大，电子也会产生光辐射，其波长随着电子速度而变化，虽然光很弱，但却是单色性很好的辐射光。1.4典型激光器介绍自由电子激光器1.4典型激光器介绍1.4典型激光器介绍2.自由电子激光的特点高功率：平均功率可达到1MW；高效率：理论效率可达到50%；宽波长可调谐范围：原则上输出波长可以覆盖从微波、红外、可见光到真空紫外波，甚至到X射线整个谱区。3.目前，自由电子激光器仍处于试验阶段，离实际应用尚有相当一段距离。1.4典型激光器介绍2.自由电子激光的特点1.4典型激光器介绍化学激光器1.化学激光器是指基于化学反应来建立粒子数反转而产生受激辐射的一类激光器。化学激光器的工作物质可以是气体或液体，但目前大多数是用气体。2.化学激光器具有如下三方面的特点将化学能直接转换成激光。输出的激光波长丰富。高功率、高能量激光输出。1.4典型激光器介绍化学激光器第一章激光概述先修科目几何光学物理光学量子力学参考书目激光原理国防工业出版社2000年版周炳琨等编量子电子学科学技术出版社1983年版AmnonYariv，刘颂豪等翻译Lasers,AnthonyE.Siegman,Maple-VailBookManufacturingGroup,1986PrinciplesofLasers,OrazioSvelto,PlenumPress,1998第一章激光概述先修科目第一章激光概述1.1激光的发展与现状1.2激光产生的机理1.3激光的特性1.4激光器实例第一章激光概述1.1激光的发展与现状1.1激光的发展与现状提到激光时脑海中的第一印象？1.1激光的发展与现状提到激光时脑海中的第一印象？1.1激光的发展与现状什么是激光？LASER：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光：受激辐射光放大死光：叶永烈《珊瑚岛上的死光》镭射：LASER的音译1.1激光的发展与现状什么是激光？1.1.1激光发展的历史史前时代17世纪—对光的本性的探求：波动说：以一定方式沿空间传输的波动过程，惠更斯、虎克；微粒说：以经典方式运动着的微小粒子，牛顿；19世纪：光的波动本性有了进一步发展电磁场理论、麦克斯韦方程组1.1.1激光发展的历史史前时代1.1.1激光发展的历史19世纪下半叶发展起来的电磁场理论能够解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和双折射等现象；然而到了20世纪初，出现了黑体辐射、原子线状光谱、光电效应、光化学反应和康普顿散射等实验现象，这些涉及到光与物质相互作用时能量与动量交换特征的就无法用当时的经典理论来解释。1.1.1激光发展的历史19世纪下半叶发展起来的电磁场理论能1.1.1激光发展的历史黎明前的黑暗1900年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此获得1918年诺贝尔物理学奖；1905年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效应，并因此获得1921年诺贝尔物理学奖；"inrecognitionoftheservicesherenderedtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquanta""forhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect"1.1.1激光发展的历史黎明前的黑暗"inrecognit1.1.1激光发展的历史1913年，玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的原子结构模型，并因此获得1922年诺贝尔物理学奖；1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础；1928年，Landenburg证实了受激辐射和“负吸收”的存在；"forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthem"1.1.1激光发展的历史1913年，玻尔借鉴了普朗克的量子概1.1.1激光发展的历史1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖；1950年，Kastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝尔奖。"forhisdiscoveriesconcerningthefinestructureofthehydrogenspectrum""forthediscoveryanddevelopmentofopticalmethodsforstudyingHertzianresonancesinatoms"1.1.1激光发展的历史1947年，Lamb和Reherfo1.1.1激光发展的历史1951年,Townes提出受激辐射微波放大，即MASER的概念。1954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背景辐射。Townes由于在受激辐射放大方面的成就获得1964年诺贝尔物理学奖。"forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple"1.1.1激光发展的历史1951年,Townes提出受激辐射1.1.1激光发展的历史突破1958年Schawlow和Townes在Phy.Rev.上发表论文“InfraredandOpticalMaser”，标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。1960年5月，休斯实验室的Maiman和Lamb共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。1.1.1激光发展的历史突破1.1.1激光发展的历史1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第一台四能级固体激光器；1960年12月，BELL实验室的Javan，Bennett和Herriott制成了第一台氦氖气体激光器；1962年，GaAs半导体激光器；1963年，液体激光器；1964年，CO2激光器；1964年，离子激光器；1964年，Nd：YAG固体激光器；1965年，HCl化学激光器；1966年，生物染料激光器；从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到1960年第一台激光器诞生，其间用了近半个世纪，而实际上却没有太多理论上的突破，为什么激光器没有早半个世纪诞生？1.1.1激光发展的历史1960年年中，IBM实验室利用Ca1.1.1激光发展的现状发展更大为了进行高能物理、热核聚变等方面的研究工作，激光器产生的能量密度和功率不断提高。现在世界上功率最大的激光器是美国的国家点火工程（NIF）中使用的NOVA激光系统，其峰值功率达到1.3PW（1015W），该系统有望在今年投入使用。1.1.1激光发展的现状发展1.1.1激光发展的现状更小各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器或者半导体泵浦固体激光器向着小型化方向发展；1.1.1激光发展的现状更小1.1.1激光发展的现状更集成各种通信用的激光模块，往往包含十几个甚至几十个半导体激光器，并且集成了调制、功率检测、温度监测等功能模块。1.1.1激光发展的现状更集成1.1.1激光发展的现状更快更高的调制频率：GHz；更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecondLaser)；更多样化多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、热泵浦等、磁泵浦；多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体（He-Ne、CO2）、液体、染料、半导体、自由电子等；1.1.1激光发展的现状更快1.1.2理论体系经典理论（ClassicalLaserTheory）电磁场－麦克斯韦方程组；原子－电偶极振子半经典理论（SemiclassicalLaserTheory）电磁场－麦克斯韦方程组；原子－量子力学描述量子理论（QuantumLaserTheory）电磁场和原子——二者作为一个统一的物理体系作量子化处理速率方程理论（RateEquationTheory）量子理论的简化形式，忽略光子的相位特性和光子数的起伏特性1.1.2理论体系经典理论（ClassicalLaser1.1.2理论体系激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上的量子理论，在原则上可以描述激光器的全部特性；不同近似程度的理论用来描述激光器的不同层次的特性，每种近似理论都揭示出激光器的某些特性，因此可以根据具体应用选择合适的近似理论；本课程主要用到的理论是经典理论和速率方程。1.1.2理论体系激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上1.1.3激光的应用从科幻到现实第一个描述激光的作品？威尔斯在1898年的小说《世界大战》（火星人入侵）：“由某种方式在非传导的小室中产生酷热，用抛物镜将其变成平行光，射向目标，这些射线不是可见光，而是某种热……”CO2激光器，由CO2作为工作物质，通过放电激发产生10.6um的红外激光，肉眼不可见，其输出方式多为抛物镜构成的反射望远镜系统；火星大气充满CO2，并且有强烈的大气放电（闪电），因此可能存在天然的激光；1.1.3激光的应用从科幻到现实1.1.3激光的应用激光的实际应用工业应用：切割：速度快、无接触、精度高、切缝光滑；焊接：焊接点均匀、美观、精度高；表面处理；芯片刻蚀等。1.1.3激光的应用激光的实际应用1.1.3激光的应用医疗：最早的激光医疗应用：1961年12月在哥伦比亚长老会医院用红宝石激光器进行了视网膜肿瘤治疗；肿瘤治疗；眼科手术：视网膜焊接、近视治疗；美容；外科手术等。科研：全息成像、非线性光学等需要高相干性、大功率光源的项目；可控核聚变；光镊、冷冻原子1.1.3激光的应用医疗：1.1.3激光的应用确定地月距离登月是20世纪最大的骗局？阿波罗15号在登月时带上了一套特别设备——大型角反射器，用来反射从地球发射过来的激光光束，通过记录往返时间来计算地月距离。激光发散角很小，其光斑半径在月面上小于1km，而普通探照灯的光斑在月面上会大于月球的直径。1.1.3激光的应用确定地月距离1.1.3激光的应用军事激光测距直接摧毁激光制导1.1.3激光的应用军事1.1.3激光的应用其他条码扫描照明、成像通讯娱乐1.1.3激光的应用其他1.2激光产生的机理1.2.1黑体辐射与普朗克公式黑体：一个物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射，则称此物体为绝对黑体或黑体。自然界中不存在绝对黑体，而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近似。黑体辐射：当黑体处于某一恒定温度的热平衡状态，它吸收的电磁辐射和发射的电磁辐射完全相等，即处于能量平衡状态，这将导致空腔内存在完全确定的辐射场。这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。1.2激光产生的机理1.2.1黑体辐射与普朗克公式1.2激光产生的机理普朗克公式：黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率

的函数，并可以用单色能量密度

描述，表示单位体积内，频率处于附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量，其量纲为。为了解释实验测得的分布规律，普朗克提出了量子化假设，并得到了普朗克公式：在温度T的热平衡状态下，黑体辐射平均地分配到腔内处于频率附近的所有模式上的平均能量为：1.2激光产生的机理普朗克公式：1.2激光产生的机理而腔内单位体积中，频率处于附近单位频率间隔内的电磁场模式数：所以可以得到黑体辐射的普朗克公式：其中K为波尔兹曼常数：1.2激光产生的机理而腔内单位体积中，频率处于附近单1.2激光产生的机理1.2.2受激辐射与自发辐射自发辐射（Spontaneousemission）处于高能级E2的原子自发的向较低能级E1跃迁，并发射一个能量为的光子，这种过程称为自发辐射。自发辐射特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。假设系统中高能级原子数为n2，低能级原子数为n1，则单位时间内从高能级向低能级发生跃迁的原子数dn21为：其中A21为自发辐射爱因斯坦系数，定义为单位时间内n2个高能级原子中发生自发跃迁的原子数与n2的比值，其物理意义是每一个处于高能级的原子发生自发跃迁的几率。1.2激光产生的机理1.2.2受激辐射与自发辐射1.2激光产生的机理按照定义：从上式可以解出：自发辐射的平均寿命定义为原子数密度由起始值降至它的1/e的时间，则高能级原子数随时间变化可表示为：通过比较可以得到：，即自发辐射系数为高能级原子平均寿命的倒数，是由原子本身的性质决定的，不受外部辐射场的影响。1.2激光产生的机理按照定义：1.2激光产生的机理如何确定自发辐射系数？生活中的自发辐射？红宝石晶体自发辐射平均寿命测量装置测量得到的原子自发辐射能量衰减曲线1.2激光产生的机理如何确定自发辐射系数？红宝石晶体自发辐射1.2激光产生的机理受激吸收（StimulatedAbsorption）如果黑体原子和外加电磁场之间的相互作用只有自发辐射这一种，是无法维持腔内的稳定电磁场的，因此爱因斯坦预言，黑体原子必然存在着一种受外加电磁场激发而从低能级向高能级跃迁的过程。处于低能级E1的一个原子，在频率为的辐射场作用（激励）下，受激地向E2能级跃迁并吸收一个能量为的光子，这一过程称为受激吸收，用受激吸收跃迁几率描述：受激跃迁与自发跃迁不同，其跃迁几率不仅与原子性质有关，而且与外加电磁场成正比，因此唯象的将其表示为：其中B12称为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，它只与原子性质相关。1.2激光产生的机理受激吸收（StimulatedAbso1.2激光产生的机理受激辐射（StimulatedEmission）与受激吸收跃迁类似，黑体原子同外加电磁场之间还存在另一种受激相互作用，一个处于高能级E2的原子在频率为的电磁场作用下，受激地跃迁到E1能级，并放出一个能量为的光子，该过程被称为受激辐射跃迁。可以用受激辐射跃迁几率W21来描述受激辐射过程中高能级原子数变化的规律：受激辐射跃迁机率同样与外加电磁场和原子特性相关：1.2激光产生的机理受激辐射（StimulatedEmis1.2激光产生的机理1.2.3跃迁几率之间的相互关系当黑体处于确定的温度T的热平衡状态时，具有以下三个特点：腔内存在着由普朗克公式描述的热平衡黑体辐射；腔内物质原子数按照能级的分布服从热平衡状态下的波尔兹曼分布：

g1、g2为能级E1、E2的统计权重；腔内处于E2（或E1）能级的原子数应保持不变：1.2激光产生的机理1.2.3跃迁几率之间的相互关系1.2激光产生的机理由特点3得到：将普朗克公式和波尔兹曼分布带入上式有：令，可以求出爱因斯坦系数之间的相互关系：特别的，当g1=g2时，B12=B211.2激光产生的机理由特点3得到：1.2激光产生的机理1.2.4受激辐射的相干性自发辐射和受激辐射的区别是什么？自发辐射发出的光子在相位、传输方向、偏振方向等特性上是无规则的，即平均分配在腔内可能稳定存在的所有的电磁场模式上；受激辐射则是受到外加电磁场激发而产生的过程，由量子电动力学可以严格证明受激辐射光子与入射光子属于同一光子态，即具有相同的频率、相位、波矢和偏振等特性。按照经典原子模型，将原子看作简谐振动的电偶极子，自发跃迁是原子中电子的自发阻尼振荡，因此每个原子的自发跃迁互相之间没有关联；而受激辐射可以看作电子在外加光场作用下做受迫振动，其振荡频率、相位、方向等与外加光场一致。大量原子在同一辐射场激发下产生的受激辐射光子处于同一光子态，因而是相干的。1.2激光产生的机理1.2.4受激辐射的相干性1.2激光产生的机理1.2.5光的受激辐射放大光放大的基本原理：利用受激辐射；由于在原子与外加光场相互作用时同时存在受激辐射和受激吸收两种作用，想要实现光放大，必须要满足关系：由爱因斯坦系数相互关系及波尔兹曼分布得到光放大的条件：“不可能”的前提是原子数按照能级的分布服从波尔兹曼分布，那么要实现光放大，必须使原子数按能级的分布打破波尔兹曼分布，即使得高能级原子数大于低能级原子数，使物质处于粒子数反转状态，或者称为负绝对温度状态。要满足该条件，只有T<0，这意味着物质处于温度低于绝对零度的状态，而这是不可能的。1.2激光产生的机理1.2.5光的受激辐射放大要满足该条件，1.2激光产生的机理如何使物质处于粒子数反转状态？通过各种泵浦机制，利用各种外部能量，使大量处于低能级的物质粒子跃迁到高能级，实现粒子数反转，为光放大做好准备。用增益系数来描述光放大物质对光的放大能力，增益系数定义为光波在 介质中经过单位长 度后光强的相对增 长率：1.2激光产生的机理如何使物质处于粒子数反转状态？1.2激光产生的机理求解上面的微分方程，可以得到位置z处的光强：其中G0为增益系数的初值，当粒子数差值(n2-n1)不随距离变化，而且I0很小的情况下，G不随光的传输而发生变化，这种情况称为小信号增益。当I随着传输而逐渐增加时，高能级粒子被不断消耗，因此G也随之减少，G(z)随着z增加而减少的现象称为增益饱和。1.2激光产生的机理求解上面的微分方程，可以得到位置z处的光1.2激光产生的机理1.2.6光的自激振荡在光放大物质中，除了存在受激跃迁现象外，还有各种因素引起的光传输损耗，我们用损耗系数来描述这些损耗，它定义为光通过单位距离后光强衰减的百分比：在同时存在增益和损耗的光放大介质中，光强随传输距离的变化可以表示为：要利用增益介质实现对入射光的放大，应满足两个基本条件：实现粒子数反转；G>a；损耗大于增益增益大于损耗1.2激光产生的机理1.2.6光的自激振荡损耗大于增益增益大1.2激光产生的机理入射光能够被无限放大吗？假设一个微弱光I0入射到一段增益介质中，其初始增益系数为G0，G0>a，此时光强随着传输距离增加而不断增强：但随着光强的不断增加，增益介质中的高能级粒子不断的由于受激辐射而跃迁到低能级，增益介质的增益系数不断减小，直到减小到时，光强将不再随传输距离的变化而变化，此时的光强称为饱和光强Im。1.2激光产生的机理入射光能够被无限放大吗？1.2激光产生的机理从上面的讨论可以知道，只要增益介质足够长，无论多微弱的入射光，都可以被放大为饱和光强Im。至此我们具备了产生激光的一个必要条件：能够对特定频率的微弱入射光进行受激放大，新的问题是：入射光从何而来？解决之道——自发辐射。 自发辐射会产生微弱的、频率为 的荧光，可以 作为受激辐射的入射光。要产生我们需要的高强度、方向性好的激光，还有两个问题要解决：要获得最大的放大效果，需要近似无穷长度的增益介质，然而这在工程上不可实现的，如何尽可能的增加增益物质的长度？自发辐射产生的光子的前进方向是随机的，如果直接对其进行受激辐射放大，得到的激光在方向上也是随机的，如何选择特定方向的光来进行放大得到方向性很好的激光？1.2激光产生的机理从上面的讨论可以知道，只要增益介质足够长1.2激光产生的机理在激光的实际应用中，利用各种不同结构的光学谐振腔来解决上述两个问题。结构最简单的光学谐振腔是在工作物质两端放置两块平行的平面镜而构成的平行平面腔，通过让需要放大的光在两块平面镜之间反射，实现了近似于无限长的增益介质；通过限制平面镜的尺度，使得自发辐射产生的微弱光在谐振腔内反射的过程中，只有靠近平面镜中心而且方向垂直于平面镜的那部分光才能在其中多次反射，得到足够多次的放大而形成激光，其它方向的光则迅速溢出谐振腔外，无法形成正反馈过程。通过这种方式实现了对激光方向性的选择。1.2激光产生的机理在激光的实际应用中，利用各种不同结构的光1.2激光产生的机理光学谐振腔的作用提供正反馈控制激光模式光学谐振腔的作用很重要，但并不是不可或缺的，在某些高增益工作物质构成的激光器中，不需要谐振腔就能够形成自激振荡，只是相干性较差。1.2激光产生的机理光学谐振腔的作用1.3激光的特性1.3.1光子基本特性能量：动量：质量：光子没有静止质量偏振态：光子有两个可能的独立偏振状态，对应于光波的两个独立偏振方向；自旋：光子具有自旋，其自旋量子数为整数，光子属于玻色子，服从玻色爱因斯坦分布，即处于同一量子态的全同粒子数目没有限制。1.3激光的特性1.3.1光子基本特性任意电磁场可以看作是一系列单色平面电磁波的线性叠加，这些单色平面电磁波用波矢来标识；也可以将任意电磁场视为一系列与单色平面电磁波等效的电磁波本征模式的线性叠加；本征模式的能量、动量具有量子化特性，即能量为基本能量的整数倍，动量为基本动量的整数倍。具有基本能量和基本动量的物质单元称为属于第个本征模式的光子。1.3激光的特性任意电磁场可以看作是一系列单色平面电磁波的线性叠加，这些单色1.3激光的特性1.3.2光波模式与光子相格在有边界条件限制的空间V内，只能存在一系列独立存在的、具有特定波矢的单色平面驻波，能够稳定存在于腔内的驻波称为光波模式。考虑如图所示的金属空腔，任何能够存在的驻波应该满足以下条件：其中m、n、l为正整数，由波矢的表达式可以得到波矢的三个分量：每组不同的m、n、l标识了不同的模式，如果在由kx、ky、kz构成的空间中表示不同的模式，其结果如右图，每个不同的模式分别占据图中的一个方格。可以求出在该空间中一个模式占据的体积为：1.3激光的特性1.3.2光波模式与光子相格1.3激光的特性波矢在范围内的波矢空间体积为：则在该空间内所包含的光波模式数为：由波矢的定义有：可以得到在体积为V的腔内，频率附近间隔内的模式数P为：因此单位体积内，频率附近，单位频率间隔的模式数为：1.3激光的特性波矢在1.3激光的特性光子状态与相格在辐射场中的光子可以用动量、位置和偏振态来对其加以区别；宏观上质点的运动状态可以用位置（x,y,z）和动量（Px,Py,Pz）来完全确定，一种运动状态对应相空间（x,y,z,Px,Py,Pz）中的一个点；微观上的粒子运动满足测不准原理：在相空间中，一个光子态不再对应一个点，而是一个体积元，称为相格，其在相空间中的体积为：1.3激光的特性光子状态与相格1.3激光的特性在波矢空间中一个光波模式占据的体积是：由于腔内稳定存在的光波模都是由两列相向传播的行波构成的，因此每个模式的动量可以写成：将以上结果代入(1)式，可得到：即一个光波模在相空间中也占有一个相格，一个光波模等效于一个光子态。1.3激光的特性在波矢空间中一个光波模式占据的体积是：1.3激光的特性1.3.3相干性光源的相干体积考虑频率宽度为的沿z方向传播的准单色平面波，由双缝干涉理论可知光源的相干面积：光波的相干长度为其波列长度：则光源相干体积为：其物理意义为：如要求传播方向限于之内并具有频率宽度的光波相干，则光源应局限在空间体积Vc内。1.3激光的特性1.3.3相干性1.3激光的特性光子的相干性光子动量在(x,y,z)方向的分量分别为：根据前述的光子态在相空间的体积为可得：上式表明相格的空间体积等于相干体积，如果光子属于同一光子态，则它们应该包含在相干体积之内，即同一光子态的光子是相干的。1.3激光的特性光子的相干性1.3激光的特性光子态与光波模式是电磁场运动状态描述的两种等效提法，是两种等效的物理概念；相格的空间体积以及一个光波模式或光子态占有的空间体积都等于相干体积；属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，而不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的。1.3激光的特性光子态与光波模式是电磁场运动状态描述的两种等1.3.4激光的特性1、激光的空间相干性与方向性方向性越好、空间相干性程度越高方向性（发散角）受衍射极限的限制2、激光的时间相干性与单色性单色性越好、相干时间越长3、激光的高强度光子简并度——处于同一模式中的光子数目激光器可以产生很高的单模功率，即高光子简并度1.3激光的特性1.3.4激光的特性1.3激光的特性1.4典型激光器介绍固体激光器：红宝石、Nd:YAG气体激光器：原子、分子、离子液体激光器：染料激光器新型激光器：光纤激光器、半导体激光器、自由电子激光器、化学激光器1.4典型激光器介绍固体激光器：红宝石、Nd:YAG1.4典型激光器介绍固体激光器的基本结构与工作物质1.固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。右图是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。2.红宝石激光器 红宝石是在三氧化二铝(Al2O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋)，它属于三能级系统。3.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG)

工作物质:将一定比例的Al2O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色，它的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，它属于四能级系统。1.4典型激光器介绍固体激光器的基本结构与工作物质1.4典型激光器介绍红宝石中铬离子的能级结构Nd3＋:YAG的能级结构1.4典型激光器介绍红宝石中铬离子的能级结构