光电子技术第课

光电子技术第九课王炜路TelQ：67148453Email：wlwang@1/16/20231上节复习入射光P1IixyzxyP2Io调制光~VL起偏器/4波片检偏器50100透过率(%)0透射光强时间电压调制电压VV/21/16/202321/16/202331/16/202341.1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1/16/202351.1.1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1/16/202361.1.1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。1/16/202371.1.1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"1/16/202381.1.1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"1/16/202391.1.1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"1/16/2023101.1.1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"1/16/2023111.1.1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。1/16/2023121.1.1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.1/16/2023131.1.1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1.3PW1/16/2023141.1.1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；1/16/2023151.1.1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。1/16/2023161.1.1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；1/16/2023171.1.2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；1/16/2023181.1.2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。1/16/2023191.1.2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1/16/2023201.1.2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。1/16/2023211.1.3激光的应用军事激光测距直接摧毁激光制导1/16/2023221.1.3激光的应用其他条码扫描照明、成像通讯娱乐1/16/2023231.4.1

激光产生的物理基础

1.

光子的基本性质光既是粒子又是波，具有波粒二象性！(1)光子的能量：(2)光子的质量：(3)光子的动量：(4)光子有两个独立的偏振态。1.4激光原理(5)光子有自旋，且自旋量子数为整数，大量光子的集合服从玻色——爱因斯坦分布。1/16/202324（1）时间相干性：波场中同一点不同时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于原子发光的间断性。描述时间相干性的等效物理量：①相干时间：②相干长度：③频带宽度：

（2）空间相干性：波场中不同点同一时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于光源中不同原子发光的独立性。

2.光子的相干性和光子简并度光的相干性的分类1/16/202325相干性的粗略描述——相干体积相干体积Vc：若在空间体积Vc内各点的光波场都具有明显的相干性，则Vc称为相干体积。相干面积:RS1S2Lx实例:双缝干涉实验中的条纹可见度要高,必须要求光波有明显的相干性,即要满足:物理意义:光源的线度不能大于!1/16/202326则相干面积为：说明：R、固定时，越大，则相干面积Ac越小。则光源面积为：

物理意义：要使传播方向（波矢）限于张角的光波具有明显的相干性，则光源面积必须小于，此即为光源的相干面积。则光源的相干体积满足：物理意义:要使传播方向限于以内并有频带宽度的光波明显相干，则光源的体积应限制在以内。1/16/202327

1.激光光源：是把大的相干光强与好的相干性结合起来的强相干光源。

2.相干光强：是描述光的相干性的参量之一，其大小取决于具有相干性的光子数的数目或同态光子的数目。

4.相干光强与光子简并度的关系：相干光强的大小取决于光子简并度的大小，光子简并度越大，则相干光强越大。

3.光子简并度：处于同一光子状态的光子数目，用表示。1/16/202328自旋只是一种物理性质，就好像质量、速度一样，但它不是自转的意思，自旋的说法不过是借用一个比喻.粒子的自旋真正告诉我们:从不同的方向看粒子是什么样子的!自旋为1/2的粒子组成宇宙的一切，而自旋为0，1，2的粒子产生物质体之间的力。物质体子服从泡利不相容原理。

一个自旋为0的粒子像一个圆点:从任何方向看都一样！认识:1/16/202329自旋为1的粒子像一个箭头：从不同方向看是不同的。只有把当它转过完全的一圈（360°）时，这粒子才显得是一样；自旋为2的粒子像个双头的箭头：只要转过半圈（180°），看起来便是一样的