激光原理与技术：第一章 激光的基本原理

激光原理与技术课程主要内容-激光原理高斯光束光学谐振腔激光的基本原理参考资料（任选其一）：《激光原理》，余学才《激光原理》，周炳坤，高以智，国防工业出版社相干光的产生激光器的工作特性课程主要内容-激光技术非线性光学锁模技术调Q技术激光的调制与偏转参考资料（任选其一）：《激光技术》，余学才《激光技术》，蓝信锯，科学出版社相干光的控制引言LASER--LightAmplification

byStimulatedEmission

ofRadiation

科学技术发展规律

基础理论研究应用技术产品开发产业基础理论研究是构筑科学大厦的基石上世纪与激光基础研究相关的诺奖30项激光发展简史1917:爱因斯坦(A.Einstein)

提出了受激辐射可实现光放大的概念,为激光发明奠定了理论基础1917年以后近四十年内：量子理论的发展;粒子数反转的有效实现;电子学与微波技术的发展1954：美国汤斯(C.H.Townes)

前苏联巴索夫(N.G.Basov)

普洛霍洛夫（A.M.Prokhorov)第一次实现氨分子微波量子振荡器(MASER)激光发展简史1958:美国汤斯(Towns)与肖洛(A.L.Schawlow)提出利用开放式光学谐振腔实现光振荡的新思想;

布隆伯根(N.Bloembergen)提出利用光泵浦三能级系统实现粒子数反转分布的新构思1960.7：美国休斯公司实验室梅曼(T.H.Maiman)

世界上第一台红宝石固态激光器诞生1997:朱棣文、菲利普(W.Phillips)和塔罗季（C.Tannoudi)利用激光冷却和钳制原子的研究2000:赫伯特·克雷歇尔（H.Pressel），提出了双异质结构，实现半导体激光器室温工作。激光发展简史21世纪激光技术高功率固体激光器高能量激光器fs(10-15)和as(10-18)超短脉冲激光THz（1012）波深紫外、X射线…激光应用工业加工与测量光纤与空间通信激光显示与表演航天测距激光探测、制导与定向能武器激光医疗激光核聚变科研应用工业加工-激光切割工业加工-车身焊接工业加工-车身焊接激光钻孔激光标记激光快速成形(3D打印)微纳米加工激光通讯激光照明、显示与表演激光测距激光制导与定向能武器激光医疗激光受控核聚变LIGO系统飞秒化学---通过“慢动作”观察处于化学反应过程中的原子与分子的转变状态泽维尔（AhmedH.Zewail，美国）1999年，诺贝尔化学奖激光器的分类和基本构成

按激光工作物质分类：固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体（有机染料）激光器一般激光器的三个主要组成部分：激光工作物质、激励能源、光学谐振腔红宝石激光器氦氖激光器激光基本特性亮度高单色性好方向性好基本特性：相干性好1960-5-17，TedMaiman发明第一台激光器第一台红宝石激光器拆卸图第一章激光的基本原理激光振荡的过程与条件受激辐射、吸收与自发辐射黑体辐射激光与普通光源的区别微波的产生：封闭式谐振腔中自激振荡激光：谐振腔？自激振荡？长、宽、高分别为a，b，l的矩形谐振腔中的本征模式：矩形三维空腔麦克斯韦方程本征解的电场分量模式：满足边界条件的麦克斯韦方程的一个本征解，谐振腔中可以稳定存在的电磁场分布。模式正交：全空间积分为零，模式之间没有能量交换。引：光学谐振腔概述波矢：波矢空间中的相邻两个模每个模式的体积：谐振角频率：（m,n,p）表征一种空间驻波分布，代表一个模式，称为模指数代表一个模式，相邻模式波矢间距范围内的Ⅰ象限球壳体积：波矢：波矢空间中的相邻两个模范围内的模式数目：考虑每个模式存在两个独立的偏振方向，单位体积、单位频率间隔内的模式数目，模式密度*：模式数目与频率的平方成正比，这个现象称为频谱浓缩λ=633nm，在1cm3体积内，1MHz频率范围内，模式数目：2×105两维矩形谐振腔的模式密度：两维矩形谐振腔一维矩形谐振腔一维矩形谐振腔的模式密度：λ=633nm，在1cm长度内，1MHz频率范围内，模式数目：0.000133，模式间隔7.5GHzλ=633nm，在1cm2面积内，1MHz频率范围内，模式数目：6.6174横向边界开放的谐振腔第一节黑体辐射(光量子起源）黑体辐射是上世纪初的物理难题之一，是诱发普朗克光量子假设的物理现象。绝对黑体：能够完全吸收所有波长的电磁辐射的物体，简称黑体。模拟黑体黑体辐射：处于平衡状态的黑体有完全确定的辐射场，称为黑体辐射。黑体辐射源不同温度下的辐射谱线科学家试图从热力学统计物理和经典电磁场理论解释所测得的曲线，只能在长波端或短波端与实验数据吻合。普朗克假设：空腔中某模式的电磁波，其能量为某一最小值的整数倍：能量最小值正比于光频率根据玻尔兹曼分布，在热平衡状态下，该模式的电磁波具有n能量的几率常数C由归一化条件求出黑体辐射平均分配到每个模式上的平均能量为：根据得到黑体辐射平均分配到每个模式上的平均能量为腔内单位体积、单位频率间隔内的光波模式密度为黑体普朗克公式（单位频率间隔的能量密度）：太阳辐射地球辐射宇宙辐射高温炉辐射m=7cm,3Km=0.475m,6000Km=9~10mm=~10m第二节光的受激辐射、受激吸收和自发辐射独立进行,无关联;相位,偏振,方向随机;能量平均分布在所有模式，是光放大的源受外来光扰动=(E2-E1)/h

光子能量转化为原子的势能，能量储存过程受外来光扰动产生与入射光子属同一状态的光子,辐射光同相叠加到入射场上，是激光具有宏观相干性的根本原因1.2.1光和物质相互作用的三种过程自发辐射(SP)

E1E2hn(SpontaneousEmission)受激吸收(STA)hnE1E2(Stimulatedabsorption)受激辐射(STE)hnE1E22hn(StimulatedEmission)同一光子态（模式）的光子是不可区分的－单位频率能量密度受激吸收速率W12受激辐射速率W21自发辐射速率A21受激吸收跃迁爱因斯坦系数受激辐射跃迁爱因斯坦系数E2能级上的粒子随时间按指数规律衰减

自发辐射速率A21与自发辐射（能级）寿命ts

呈倒数关系（ts可实验测量）

A21只决定于物质本身性质，与辐射场无关自发辐射寿命1.2.2爱因斯坦关系式－A21

、B21

和B12的关系爱因斯坦关系热平衡黑体辐射公式玻尔兹曼分布模密度n黑体辐射分配到腔内每个模式的平均能量g1=g2能级简并度没有自发辐射就没有受激辐射产生与黑体辐射公式比较说明：三种过程同时存在，只是有强弱差别；单位时间STE增加的光子数单位时间STA减少的光子数T=1500K,l=500nm空腔4.自发辐射光子可作为受激辐射或受激吸收的外来光子单位时间自发辐射产生的能量，自发辐射功率2.热平衡情况下两种辐射比较:自发辐射占绝对优势3.热平衡情况下两种受激跃迁过程比较：STA为主一、产生光放大的条件：

受激辐射占优势－粒子数反转分布En常温下，Bolzman分布反转分布（populationinversion）粒子数反转分布受激辐射占主导光放大实现粒子数反转的工作物质称为增益(或激活)介质粒子数反转是产生激光的必要条件如何实现粒子数反转分布？只有依靠外界向物质提供能量(泵浦或称激励)才能打破热平衡，实现粒子数反转不是充分条件第三节激光振荡条件激光器的泵浦二极管端面泵浦二极管侧面泵浦灯泵浦r1r2增益介质激励能源光源气体放电电注入化学增益介质的光增益系数：增益介质的光损耗系数：同时存在增益和损耗：经过增益介质l

，电场为：二、自激振荡条件往返n周后的输出光场总输出光场的叠加公比自激振荡意味着对于极其微弱的场E01，会产生有限输出场E上式可分解为两个条件：第一式表示平面波从腔内任意位置出发，在腔内往返一周后，相位滞后为2π的整数倍，形成最大相干增长，这个条件称为光学正反馈条件（驻波条件）。频率表达式*①频率（纵模）间隔相等②与激光波长无关分母为谐振腔环程光程长度第二式表示自激振荡的能量要求，是激光器形成稳定振荡的条件考虑到增益的饱和效应，该条件应为表示成腔镜的光强反射率，增益条件*为对实际激光器，R(1)≈1，R(2)=1-T

自发辐射～非相干光－光子简并度很低受激辐射～相干光－光子简并度高光子简并度

(自学周炳琨《激光原理》1.1节)光子简并度同态光子数同一模式内光子数黑体辐射源的光子简并度T=300K=30cmn=103;

=60mn=1;=0.6mn=10-35模密度n黑体辐射分配到每个模式的平均能量第四节激光与普通光源的区别要增大光子简并度，应增加总光子数，减少激光模式数

技术思想的重大突破：封闭腔开放式光谐振腔

开放式光谐振腔使激光模式数减小,其它非轴向模式逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。

光谐振腔的主要作用：选模。增加总光子数和减少模式数之间有一定矛盾。

轴向模F-P光谐振腔本章小结：黑体辐射特点，普朗克光量子假设。受激辐射、受激吸收、自发辐射过程，受激辐射和自发辐射的联系，