绪论 激光的物理基础

主讲教师：陈建新、朱莉莉、陈荣福建师范大学物理与光电信息科技学院激光原理与技术LasersPrinciplesandTechnologies

《激光原理与技术》是为光信息科学与技术专业开设的专业基础课，在教学培养计划中被列为核心必修课程。激光原理与技术是光学的一个重要分支，在现代信息科学特别是光电信息科学中占有重要地位，具有较强的理论性、前沿性和探讨性。激光的产生具有划时代的意义，无论在科学发展还是技术应用上都有广阔的应用前景。为什么学习《激光原理与技术》？

《激光原理与技术》课程目标是：通过本课程的学习，使学生掌握激光产生和形成的基本原理，培养学生的理论思维能力，训练学生分析和解决实际问题的能力。学完本课程，使学生能较全面地掌握激光器的基本原理和理论，学会基本激光技术，既为光电器件、光电探测、光纤通信等后继课程打下基础，也为学生将来成为光电方面的管理、开发和设计的高级人才打下必要的专业理论基础。学习《激光原理与技术》的目标

《激光原理与技术》课程的对象是光信息科学与技术专业的大三学生，学习本课程之前，要先修高等数学、数理方法、大学物理、电磁理论、量子力学、统计物理学等一些基础课程，学习本课程之后，可以为本专业的后续课程：光电子检测技术、光通信技术和光信息综合实验等课程打下基础。《激光原理与技术》与其他课程的关联

关于教材与学习参考书的建议

中文参考书的建议：陈钰清和王静环，（新世纪高等院校精品教材）《激光原理》，浙江大学出版社2004年1月第八次印刷出版周炳琨等，《激光原理》

第四版，国防工业出版社，2000沈柯，《激光原理教程》

北京工业出版社，1986邹英华等，激光物理学，北京大学出版社，1991

伍长征等，激光物理学，复旦大学出版社，1989关于教材与学习参考书的建议

英文参考书的建议：ChristopherC.Davis.《LasersandElectro-Optics》(激光与电光学).1996,CambridgeUniversityPress.(1998授权世界图书出版公司北京分公司独家重印发行)J.WilsonandJ.F.B.Hawkes.《LasersPrinciplesandApplications》.1987,PrenticeHallInternationalLimited

理论学习内容(共36学时)第一部分激光原理概述（1）第二部分讲授光谐振腔理论、及高斯光束（2、3）第三部分激光振荡和激光放大理论（4、5）第四部分介绍控制与改善激光器特性的原理与技术（6）第五部分介绍典型的激光器及其应用实验学习内容(共12学时)实验一双折射造成氦氖激光器频率分裂、偏振及模竞争的JX-1型教学实验系统制造厂商：清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室和北京拓达激光器械有限责任公司联合制造可以进行的实验内容可以观测激光模式，可观察到激光的纵模、横模分布出光带宽;观察到频率分裂现象;激光偏振态的观察;激光模竞争实验实验学习内容(共12学时)实验二

HNCH氦氖激光器参数测量仪制造厂商：北京大学物理系工厂一台激光器的小信号增益系数G0，腔内损耗a，饱和光强Is及最佳透过率是重要的激光参数，直接影响着激光器的输出功率。本实验在外腔激光器中用全反射腔镜，激光输出是通过在腔内插入可旋转平行板，利用平行板的反射率与入射角的关系，使激光的输出功率随平行板的旋转角而改变。旋转平行板等效于可变透射率的输出镜。通过测量激光输出功率与等效透射率的关系，用作图法获得以上参数．实验学习内容(共12学时)实验三HNVT可调多谱线氦氖激光器制造厂商：北京大学物理系工厂氦氖激光器可以实现激光跃迁的谱线是很丰富的，在增益管长为1m的外腔式He—Ne激光器中，用腔内插入色散棱镜选择谱线的方法，在可见光区可分别使氖原子的九条谱线产生激光振荡。本实验可以实现红、橙、黄色多条激光输出。实验要求掌握He—Ne多谱线激光线器的工作原理及腔型结构的特点；学习外腔式激光器及腔内带棱镜激光器的调节方法；测量各条激光谱线的波长；找出各条谱线的最佳放电电流及测量最大输出激光功率。本课程的每一章将布置适量的作业，以基本概念和原理的理解为主要内容。本课程总评成绩由期末考试和平时作业成绩两部分构成，采用百分制。期末考试成绩占总评成绩的70%，平时成绩占总评成绩的30%。课程作业与考核评价的说明

绪论问题1世界上第一台激光器的成功演示的时间？问题2你能举例说明激光的具体应用领域吗？绪论：激光的发展简史激光发明的理论基础可以追溯到1917年，著名的物理学家爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用的时候发现，除了受激吸收和自发辐射跃迁过程外，还存在受激辐射跃迁过程。在能量相应于两个能级差的外来光子作用下，会诱导处在高能态的原子向低能态跃迁，并同时辐射出相同能量的光子。利用受激辐射实现光放大LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLaser通过辐射的受激发射实现光放大绪论：激光的发展简史理论物理学家证明了受激辐射跃迁所产生的光子与诱导产生这种跃迁的光子相同。频率、位相、传播方向、偏振方向受激辐射具有很好的相干性和方向性绪论：激光的发展简史20世纪50年代初，电子学和微波技术的应用提出了将无线电技术从微波推向光波的要求。从微波振荡器到光波振荡器(激光器laser)。微波振荡器的实现原理：

一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔；利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡。绪论：激光的发展简史1954年，美国的汤斯(CharlesH.Towns)、苏联的巴索夫(NikolaiG.Basov)和普洛霍洛夫(AleksanderM.Prokhorov)第一次实现了氨分子微波量子振荡器(Maser),抛弃了利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡，利用原子或分子中的束缚电子与电磁场的相互作用来放大电磁波。1958年，汤斯和肖洛(ArthurL.Schawlow)抛弃了一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔，提出了利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔，实现了激光器的新思想。布隆伯根(NicolaasBloembergen)提出了利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反转分布的新构想。绪论：激光的发展简史1960年7月，世界第一台红宝石固态激光器问世，标志了激光技术的诞生。美国休斯公司实验室梅曼演示的。波长为694.3nm的激光绪论：激光的发展简史1961年8月，中国第一台红宝石激光器问世。中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。1987年6月，10^12W的大功率脉冲激光系统－－－神光装置，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功。神光I、神光II、神光III？绪论：激光的应用激光与普通光源相比较有三个特点：方向性好、相干性好、亮度高各种不同类型的激光器和激光控制技术：

半导体激光器、固体激光器、气体激光器、气体离子激光器、气体准分子激光器、金属蒸汽激光器、可调谐染料激光器、钛宝石激光器、激光二极管泵浦激光器、光纤放大器、光学参量振荡放大器、超短脉冲激光器、自由电子激光器、极紫外和X射线激光器。绪论：激光的应用各种科学和技术领域应用激光形成了一系列新的交叉学科和应用技术领域：

信息光电子技术、激光医疗与光子生物学、激光加工、激光检测与计量、激光全息技术、激光光谱分析技术、非线性光学、超快光子学、激光化学、量子光学、激光雷达、激光制导、激光分离同位素、激光可控核聚变、激光武器等等。激光已经成为信息时代的心脏！激光已经成为社会进步的推动力！激光已经成为人类现代生活的重要组成部分！绪论：医学光电科学与技术教育部

重点实验室的激光器绪论：医学光电科学与技术教育部

重点实验室的激光器绪论：医学光电科学与技术教育部

重点实验室的激光器绪论：医学光电科学与技术教育部

重点实验室的激光器绪论：医学光电科学与技术教育部

重点实验室的激光器

超脉冲CO2激光治疗系统（以色列，10.6μm,30w）医用外科激光实验室绪论：医学光电科学与技术教育部

重点实验室的激光器脉冲Ho:YAG激光治疗仪（德国,0.8μm,3J,20Hz,光纤输出）医用外科激光实验室绪论：医学光电科学与技术教育部

重点实验室的激光器

脉冲Er:YAG激光治疗仪（美国,2.94μm,30w,2J,七关节输出）医用外科激光实验室绪论：医学光电科学与技术教育部

重点实验室的激光器

Nd:YAG激光治疗仪（1341nm,100w,光纤输出，偏振光）医用外科激光实验室绪论：医学光电科学与技术教育部

重点实验室的激光器

IPLQueenPremium

以色列设备，国内组装波长560～1200nm

能量密度10～45J/cm2

脉宽300ms强脉冲光源/光子嫩肤实验室绪论：医学光电科学与技术教育部

重点实验室的激光器激光波长为670±5nm，功率连续可调，最大光纤末端输出功率2瓦。医用半导体激光实验室第一章激光的物理基础问题

学习激光原理与技术，首先应该从什么内容开始学习？第一章激光的物理基础研究激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激光器内产生并占主导地位而抑制自发辐射的。首先从光的辐射原理出发，讨论与激光的发明和激光技术的发展有关的物理基础及产生激光的条件。第一章激光的物理基础光的电磁波理论光波的模式和光子的量子状态光的相干性和相干体积光子简并度黑体辐射光的自发辐射、受激吸收和受激辐射激光的产生激光器和激光的特性光具有波粒二像性：把光辐射场看作各种不同频率的电磁场的集合把光辐射场看作是数目不固定的光子光的电磁波理论光的一个基本性质就是具有波粒二像性。光是电磁波，具有波动性，有一定的频率和波长光是光子流，光子是具有一定能量和动量的物质粒子光的电磁波理论光是一种电磁波，即变化的电场和变化的磁场相互激发，形成变化的电磁场在空间的传播。光和电磁波是统一的：光的反射与折射方程与电磁波的反射与折射方程有相同形式；光速与电磁波的传播速度相同；光的很多现象与电有关。电磁波频谱图麦克斯韦方程组物质方程光在非磁性的、各向同性的极化介质中传播的波动方程式：光是一定频率范围内的电磁波，其运动服从电磁波理论光波电磁场随时间和空间的变化规律：光波在介质中传播还应该满足：在真空中，波动方程的特解为：00220=+Dukurrrh赫姆霍茨方程忽略矢量特性真空中光波的模式和光子的量子状态按照光的量子理论，光是一种以光速C运动的光子组成的在稳态情况下：nhE=22/chmhmcEnn===kknPp20hmc===h光子的基本性质光子的能量与光波频率之间的关系：光子具有运动质量m:光子的动量P:光子具有两种独立的偏振状态光子的集合服从玻色－爱因斯坦统计规律Planck'sconstanth=6.626*10-34[Joule-sec]光波模式在体积内，沿三个坐标轴方向传播的波应分别满足驻波条件：

其中，m,n,q为非负整数且不全为零求解体积V内的模式数目单色平面波：

存在谐振腔内的一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波，称为光波的模式每个波矢在波矢空间占据体积元：在波矢空间中，每一波矢在三个坐标轴方向与相邻波矢的间隔为：波矢空间内，数值大小在k~k+dk内的光波矢所占的体积为：波矢k的三个分量应满足：每个光波矢在波矢空间所占有的体积元k~k+dk区间内的光波矢量在波矢空间所占的体积在此体积内，光波矢量模数为：式中：由于因此，空腔体积V内，处于频率内的波矢数为：光波模式数为：测不准关系：

一维运动情况：三维运动情况：相格：一个光子态占有的相空间体积元为：一个相格占有的空间体积为：光子的量子态动量空间的体积元为：式中是光子运动的体积。在到频率间隔内，因光子的动量不同，所可能存在的的状态数：从波动的观点得到光的模式数，与从光子的观点得到光子的量子状态数是相同，两者在概念上是等效的。光源的相干性不同时刻或不同空间位置的光场之间的相关性。若两束光在空间某一点叠加，若可以形成干涉条纹，则两束光相干，否则为非相干光；时间相干性空间相干性相干性时间相干性某一空间点在不同时刻光波场之间的相干性；光源的时间相干性经傅立叶变换，可以得到光源频谱：光传播方向上，任一点光场可以表示为：光源的时间相干性结论：单色性越好，谱线线宽越窄；相干时间越长，相干性越好；频谱线宽光源频谱图激光光源的单色性实际情况理论激光辐射带宽光源的空间相干性纵向空间相干性相干长度、相干时间、频谱线宽的关系：横向空间相干性在垂直于光传播方向的平面上不同空间点光波场之间的相干性某一时刻不同空间点光波场之间的相干性纵向相干性横向相干性空间相干性横向空间相干性杨氏双缝实验示意图由光源S照明的双缝P具有明显的相干性的条件为：可以证明，当D>>a+b时，有：及横向空间相干性

光源的相干面积：结论：当光源面积一定时，距光源D处，在与光的传播方向垂直的、面积小于：的平面范围内的光场具有相干性，称为相干面积令：可以得到：相干体积定义：相干面积与相干长度的乘积为相干体积，即：光源的相干体积：由：可以得到：定义：处于同一相格（模式、相干体积、量子态）中的光子数定义为光子的简并度。光子简并度光源的光子简并度反映光源辐射能量的情况，也反映出光源的单色亮度。单色定向亮度激光的受激辐射和自发辐射概念的提出问题激光的受激辐射和自发辐射概念是谁在哪一年提出的？激光的受激辐射和自发辐射概念的提出1900年普朗克用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射分布规律。1913年波尔提出了原子中电子运动状态量子化假设。1917年爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射的普朗克公式，在推导中提出了两个极为重要地概念：受激辐射和自发辐射。绝对黑体示意图黑体(绝对黑体)：指入射到该物体面上各种波长的能量都能完全吸收的物体，即。黑体辐射理论：描述物体处于热平衡状态时吸收和辐射能量的宏观特征及其规律。黑体辐射吸收系数：物体在温度T时，入射到物体的表面上的波长为的电磁辐射能量中，有部分被吸收了。热辐射：任何物质在一定温度下都要辐射(也要吸收)能量的现象),(Tal),(Tall根据Stefem定律，黑体发出的总辐射为：只与温度有关实验结果维恩线瑞利－金斯线图1黑体辐射黑体平衡辐射能量：118),(33-·=KTheChTnnpnr经典的统计理论得出的结论（如瑞利－金斯公式和维恩经验公式）与实验结果不符，所以引入了量子统计的方法。黑体辐射的普朗克公式（量子统计）：118),(33-·=KTheChTnnpnr单位体积和单位频宽的黑体辐射能量，即单位频率间隔的能量密度黑体辐射的普朗克公式（量子统计）原子的玻耳模型原子的能级基态激发态

电子只能处于分立的能级，电磁辐射与物质的相互作用将导致物质中电子能级的变化，当吸收或辐射能量时，可在特定的能级间跃迁；该能量为这两个能级的能量差，并且该能量差唯一地决定了电磁辐射的频率：∆E=E2-E1=hn与其他原子相碰撞电磁辐射的吸收与发射原子吸收、释放能量的方法光的自发辐射在没有外界作用的情况下，原子从高能级E2向低能级E1的跃迁方式有两种：无辐射跃迁和自发辐射跃迁。自发辐射跃迁自发辐射光辐射出的光子能量：自发辐射爱因斯坦系数爱因斯坦在光量子理论的基础上，考虑了光和物质相互作用的模型(原子的两个能级)，引入了两个重要概念，同样得出了普朗克公式光的自发辐射、受激辐射、受激吸收自发辐射的特点原子的自发辐射与原子的本身性质有关，与外界辐射场无关自发辐射的随机性，自发辐射光的相位、偏振态和传播方向杂乱无章光源发出的光的单色性、定向性很差。没有确定的偏振状态。光的受激吸收受激吸收跃迁示意图入射光当原子系统受到外来的能量为的光子作用下，如果，则处于低能级上的原子由于吸收一个能量为的光子而受到激发，跃迁到高能级上去的过程。受激吸收的特点原子的受激吸收几率与外界辐射场的频率有关原子的受激吸收几率与受激爱因斯坦系数有关原子的受激吸收几率与外来光辐射能力密度有关光的受激辐射光的受激辐射：当原子受外来的能量为的光子激励下，从高能级跃迁到低能级，原子发射一个与外来光子一模一样的光子的过程。受激辐射跃迁示意图入射光受激辐射光入射光原子受激辐射的光与外来的引起受激辐射的光有相同的频率、位相、偏振及传播方向。光的受激辐射和自发辐射的区别通过受激辐射，可以实现同态光子数放大从而得到光子简并度极高的相干光。激光器发光，正是利用受激辐射的上述特点。光的受激辐射的特点LASER：LightAmplificationbyStimulated

EmissionofRadiation光的受激辐射放大称为激光有一束能量为的入射光子通过激活物质，光的受激辐射过程超过受激吸收过程，受激辐射占主导地位，光在激活物质内部将越走越强，使该激光工作物质输出的光能量超过入射光的能量，这就是光的放大过程。爱因斯坦三系数的相互关系热平衡情况下，辐射率和吸收率是相等的根据各能级的原子密度服从玻尔兹曼统计分布黑体辐射能量密度与普朗克公式比较光与物质相互作用的三种处理方法经典理论：用经典的麦克斯韦方程描述电磁场，将原子看作经典的电偶极子。半经典理论：用经典的麦克斯韦方程描述电磁场，而物质原子的内部能量运动用量子力学的薛定鄂方程描述。速率方程理论：把光频电磁场看成量子化的光子，把物质体系描述成具有量子化能级的粒子体系。严格的激光物理模型是用量子电动力学来描述激光的产生问题

当光与物质相互作用时，自发辐射、受激辐射和受激吸收这三个过程是同时出现的，如何实现大量原子的受激辐射产生激光?激光产生必须具备的前提条件：有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质；有外界激励源,使激光上下能级之间产生集居数反转；形成激光的内在依据有激光谐振腔，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。形成激光的外部条件激光的产生ni=C*ex