激光原理第二讲
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激光原理第二章_华中科技大学课件
2.1光线的传播
• 双周期透镜波导的光线稳定条件 • 当θ 为实数时，光线与光轴的距离在rmax和-rmax之间振荡； 即光线传播被约束在透镜孔径形成的波导之中，不会发生 溢出。 • θ 为实数等价于|b|≤1，即：
d d d2 1 1 1 f1 f 2 2 f1 f 2
d d 0 (1 )(1 ) 1 2 f1 2 f2
2.1光线的传播
• 在腔内经过N次往返之后的光线参数为：
rn n r0 T n 0
其中Tn为光线矩阵，可以按照矩阵理论求出：
A Bn 1 A sin sin(n 1) T C D C sin sin 其中： arccos A D / 2
1
rt,rt' ro,ro' ri,ri'
d
ro rt ro' rt rt ' f
ro ri dri ' ro' ri ( d 1)ri ' f f
1
2f 3
1 A B 1 C D f
r 3, 3
r1, 1
1 0 1 L 1 0 1 L r1 r5 2 2 2d 0 1 0 1 1 1 1 A 1 5 R1 R2 R2
2
2
2
d dr ds ds
•该式为决定光线在双周期透镜波导内传播规律的差分方程， 等价于微分方程：
r" Ar 0
•该方程具有 r ( z ) r (0) exp( i A z ) 的解，用 rs 作为试探解对差分方程进行试探，可得到：
激光原理第二讲2012
6.ABCD矩阵的应用－球面镜腔的往返矩阵 球面镜腔中往返一周的光线矩阵（简称往返矩阵）
⎛ r5 ⎞ ⎛ r1 ⎞ ⎜ ⎟ = T R1 T L T R 2 T L ⎜ ⎟ ⎝θ1 ⎠ ⎝θ5 ⎠ ⎛ r0 ⎞ ⎛ A B ⎞ ⎛ r0 ⎞ =T ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ ⎜θ ⎟ θ C D ⎠⎝ 0 ⎠ ⎝ 0⎠ ⎝
⎛A T =⎜ ⎝C
B⎞ ⎛ 1 ⎟ = ⎜− 2 D⎠ ⎜ R1 ⎝
0⎞⎛1 ⎟⎜ 1⎟⎝0 ⎠
L⎞⎛ 1 ⎟⎜− 2 1 ⎠⎜ R2 ⎝
0⎞⎛1 ⎟⎜ 1⎟⎝0 ⎠
L⎞ ⎟ 1⎠
A = 1−
2L R2 ⎞⎤ ⎟ ⎟⎥ ⎠⎦
⎛ L ⎞ ⎟ B = 2L⎜ 1 − ⎜ ⎟ R ⎝ 2 ⎠ ⎡2L ⎛ 2L D = −⎢ −⎜ 1 − ⎜ R R1 ⎝ 1 ⎣ ⎞⎛ 2L ⎟ ⎜ 1 − ⎟⎜ R2 ⎠⎝ ⎞⎤ ⎟ ⎟⎥ ⎠⎦
0
谐振腔损耗越小，腔内光子的平均寿命越长。
2.3.3 谐振腔的品质因数Q
谐振腔品质因数的定义：
ε Q = 2πν P ε为腔内储存的总能量，P为单位时间损耗的能量
设V为谐振腔的体积
ε = N (t )hν V dN ( t ) hν VN (t ) dε = − hν V = 单位时间消耗的能量 P = − dt dt τR L′ ⇒ Q = ωτ R = 2πν δc
1 讨论： φ = arccos ( A + D ) 2 1 ( A + D) 对于一定几何结构的球面腔是一个不变量，与光线 2 的初始坐标、出发位置及往返一次的顺序都无关
(1)
1 (A + D ) < 1 ⇒ φ 实数(≠kπ)，An, Bn, Cn, Dn有界⇒ 稳定腔 2
激光原理课件
吸收跃迁： 低 吸收能量 高 辐射跃迁： 高 辐射能量 低
（自发辐射）
h E1 E2
3. 受激辐射：
激光原理 . 第一章
爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁， 黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达 到热平衡，还必须存在受激辐射。
二、自发辐射、受激吸收和受激辐射
1. 自发辐射
E2
h
E1
发光前
发光后
h E2 E1
激光原理 . 第一章
普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程 为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、 振动方向、相位不一定相同——为非相干光。
A 自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）： 21
1
A21 S
原子在能级 E2 的平均寿命
只与原子本身性质有关，与辐射场无关
爱因斯坦——1917年，提出受激辐射概念。 1. 黑体辐射的Planck公式：
任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。
黑体：能够完全吸收任何波长 的电磁辐射的物体。
空腔辐射体
热平衡状态：
激光原理 . 第一章
黑体吸收的辐射能量 黑体发出的辐射能量
单色能量密度
：
dE
dVd
Planck辐射能量量子化假说：
激光原理 . 第一章
A21 B21
8 h 3
c3
n h
B12 f1 B21 f2
f1 f2
B12 B21 W12 W21
A21
8 h
c3
3
B21
结论：
激光原理 . 第一章
1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故 正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。
第二讲激光原理与选模
方向性很好的光.
选频--- 反射镜镀上多层膜,膜厚度λ/4, 使反射最强,形成稳定振荡并不断加强,
得到单色性好的激光
第23页，此课件共41页哦
典型的激光器镜面的安装
谐振腔的种类：
平行平面腔 同心球面腔 共焦谐振腔 长半径球面腔 半球型谐振腔 平凹稳定腔 非稳定腔
原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。
E3
E2
hv
E1
图1-2 自发辐射示意图
第10页，此课件共41页哦
自发辐射的特点： 这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因
而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波 列是不相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上 高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出 五颜六色的光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向都有，初位 相也各不相同。这正是普通光源的自发辐射。
E1
第8页，此课件共41页哦
原子吸收 E3
E3
E2
E2
hv
E1
E1
图1-1 原子吸收示意图
如图1-1所示，有一个原子开始时处于基态E1，若不存在任何外来影响
，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为hv，与该原子发生相
互态作—用—。激且发态。则原子就有可，能其吸中收：h 这E2为一v 原光E 子子2 的， 某而E 一被1 较激高发的到能高量能状态
第5页，此课件共41页哦
该领域的有关诺贝尔奖
❖ 1964: Townes, Basov, 微波激射器和激光器的发明 ❖ 1971: Dennis Gabor, 激光全息术
❖ 1981: 洛.布隆姆贝根, 激光光谱学 ❖ 1997: 朱隶文等三人, 激光冷却和陷俘原子
选频--- 反射镜镀上多层膜,膜厚度λ/4, 使反射最强,形成稳定振荡并不断加强,
得到单色性好的激光
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典型的激光器镜面的安装
谐振腔的种类：
平行平面腔 同心球面腔 共焦谐振腔 长半径球面腔 半球型谐振腔 平凹稳定腔 非稳定腔
原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。
E3
E2
hv
E1
图1-2 自发辐射示意图
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自发辐射的特点： 这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因
而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波 列是不相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上 高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出 五颜六色的光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向都有，初位 相也各不相同。这正是普通光源的自发辐射。
E1
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原子吸收 E3
E3
E2
E2
hv
E1
E1
图1-1 原子吸收示意图
如图1-1所示，有一个原子开始时处于基态E1，若不存在任何外来影响
，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为hv，与该原子发生相
互态作—用—。激且发态。则原子就有可，能其吸中收：h 这E2为一v 原光E 子子2 的， 某而E 一被1 较激高发的到能高量能状态
第5页，此课件共41页哦
该领域的有关诺贝尔奖
❖ 1964: Townes, Basov, 微波激射器和激光器的发明 ❖ 1971: Dennis Gabor, 激光全息术
❖ 1981: 洛.布隆姆贝根, 激光光谱学 ❖ 1997: 朱隶文等三人, 激光冷却和陷俘原子
激光原理
hν =E2 - E 1
dn2 = −A21n2 dt
自发跃迁爱因斯坦系数
− t
n2 = n20e− A21t = n20e τs 1 τs = A21
dn2 1 A21 = − dt n2
原子在E2能级上平均寿命
ns µs
如果某激发态能级的寿命相对其它能级长得多，则 称此能级为亚稳态能级。 10
(2.1.3)
8πν P = 3 Vdν ν c
黑体辐射普朗克公式-单色能量密度
8πhν3 ρν = nν E = c3 1 e
hν KT
(2.1.4)
−1
7
§2.1 激光的基本理论 光与物质相互作用的三个过程：
为简化问题， 为简化问题，我们只考虑原子的 两个能级E2和E 1并有 E2—E 1 = hν 两个能级 单位体积内处于两能级的原 子数分 别用n2和n1，如图所示。
26
§2.3 谱线加宽和线型函数 线型函数
为频率的函数。 自发辐射功率P (ν ) 为频率的函数。设总的辐射功率为P0,有：
+∞
P0 =
−∞
∫ P(v)dν
(2.3.1)
% 引入 线型函数 g (ν ,ν 0 ) (给定了光谱线的轮廓或形状) ： 给定了光谱线的轮廓或形状) P (ν ) % (ν ,ν 0 ) = g (2.3.2)
E2 − E1 ) KT
式中， 分别为能级E 式中，f2和f1分别为能级 1和E2的统计权重 3.在热平衡状态下 n1 （或 n2）应保持不变。
17
§2.1 激光的基本理论
4. A21 、B21 、B12 的相互关系：
爱因斯坦三系数之间的关系 B21f2 = B12f1
dn2 = −A21n2 dt
自发跃迁爱因斯坦系数
− t
n2 = n20e− A21t = n20e τs 1 τs = A21
dn2 1 A21 = − dt n2
原子在E2能级上平均寿命
ns µs
如果某激发态能级的寿命相对其它能级长得多，则 称此能级为亚稳态能级。 10
(2.1.3)
8πν P = 3 Vdν ν c
黑体辐射普朗克公式-单色能量密度
8πhν3 ρν = nν E = c3 1 e
hν KT
(2.1.4)
−1
7
§2.1 激光的基本理论 光与物质相互作用的三个过程：
为简化问题， 为简化问题，我们只考虑原子的 两个能级E2和E 1并有 E2—E 1 = hν 两个能级 单位体积内处于两能级的原 子数分 别用n2和n1，如图所示。
26
§2.3 谱线加宽和线型函数 线型函数
为频率的函数。 自发辐射功率P (ν ) 为频率的函数。设总的辐射功率为P0,有：
+∞
P0 =
−∞
∫ P(v)dν
(2.3.1)
% 引入 线型函数 g (ν ,ν 0 ) (给定了光谱线的轮廓或形状) ： 给定了光谱线的轮廓或形状) P (ν ) % (ν ,ν 0 ) = g (2.3.2)
E2 − E1 ) KT
式中， 分别为能级E 式中，f2和f1分别为能级 1和E2的统计权重 3.在热平衡状态下 n1 （或 n2）应保持不变。
17
§2.1 激光的基本理论
4. A21 、B21 、B12 的相互关系：
爱因斯坦三系数之间的关系 B21f2 = B12f1
激光原理第2章
初态： 初态：激发态原子
终态： 终态：基态原子
E2
外来光子 hν = E2 – E1
发射光子 hν = E2 – E1
E1 特点： 才能引起受激辐射； 特点：只有外来光子能量为 hv =E2-E1才能引起受激辐射； 受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同， 受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同，即具有相同的 频率、偏振方向、传播方向以及相同的位相；是相干光。 频率、偏振方向、传播方向以及相同的位相；是相干光。 受激辐射是激光器的物理基础
爱因斯坦A 5、 爱因斯坦A、B系数关系
在光和原子相互作用达到动平衡的条件下， (1) 在光和原子相互作用达到动平衡的条件下，
自发辐射、 自发辐射、受激辐射和受激吸收间关系
A21n2dt + B21ρ ν n2dt = B12 ρ ν n1dt
自发辐射光子数 受激辐射光子数 受激吸收光子数
n2 B12 ρ v = n1 A21 + B21ρ v
的光波， 的连续功率， 2、某激光器，输出波长500nm的光波，输出 某激光器，输出波长 的光波 输出1W的连续功率， 的连续功率 问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？ 问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？
2.3
光的受激辐射
1900年 1900年，普朗克利用辐射量子化假 设成功解释黑体辐射分布规律 1913年 1913年，波尔提出原子中电子运动状 态量子化假设
（2）自发辐射跃迁几率 设t 时刻 ，体系处于E2 的总粒子数密度为 n2(t)，从t ～t + dt 体系处于 正比于n ： 时间间隔内自发辐射粒子数密度 dn21 正比于 2(t)：
− dn2 = A21n2 (t )dt
2024年激光原理与技术课件课件
激光原理与技术课件课件激光原理与技术课件一、引言激光作为一种独特的人造光，自20世纪60年代问世以来，已经在众多领域取得了举世瞩目的成果。
激光原理与技术已经成为现代科学技术的重要组成部分，并在光学、通信、医疗、工业加工等领域发挥着重要作用。
本课件旨在阐述激光的基本原理、特性以及应用技术，使读者对激光有更深入的了解。
二、激光的基本原理1.光的粒子性与波动性光既具有粒子性，也具有波动性。
在量子力学中，光被视为由一系列光子组成的粒子流，光子的能量与频率成正比。
而在波动光学中，光被视为一种电磁波，具有频率、波长、振幅等波动特性。
2.光的受激辐射受激辐射是指处于激发态的原子或分子在受到外来光子作用后，返回基态并释放出一个与外来光子具有相同频率、相位、传播方向和偏振状态的光子。
这个过程是激光产生的核心原理。
3.光的放大与谐振在激光器中，通过光学增益介质实现光的放大。
当光在增益介质中往返传播时，不断与激发态原子或分子发生受激辐射，使光子数不断增加。
同时，通过谐振腔的选择性反馈，使特定频率的光得到进一步放大，最终形成激光。
三、激光的特性1.单色性激光具有极高的单色性，即频率单一。
这是由于激光器中的谐振腔对光的频率具有高度选择性，只有满足特定频率的光才能在谐振腔内稳定传播。
2.相干性激光具有高度的相干性，即光波的相位关系保持稳定。
相干光在传播过程中能形成稳定的干涉图样，广泛应用于光学检测、全息成像等领域。
3.方向性激光具有极高的方向性，即光束的发散角很小。
这是由于激光器中的谐振腔对光的传播方向具有高度选择性，只有沿特定方向传播的光才能在谐振腔内稳定传播。
4.高亮度激光具有高亮度，即单位面积上的光功率较高。
这是由于激光的单色性、相干性和方向性使其在空间上高度集中，从而具有较高的亮度。
四、激光的应用技术1.光通信激光在光通信领域具有广泛应用，如光纤通信、自由空间光通信等。
激光的高单色性、相干性和方向性使其在传输过程中具有较低的信号衰减和干扰，从而实现高速、长距离的数据传输。
激光原理(第2章)
三、光腔的损耗 损耗的大小是评价谐振腔的一个重要指标，也是腔模理论的重要研究 课题。光学的损耗大致包括如下几个方面： (1)几何偏折损耗。光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面偏折出 去，这种损耗为几何偏折损耗。其大小首先取决于腔的类型和几何尺寸。 例如，稳定腔内傍抽光线的几何损托应为各零，非稳腔则有较高的几何 损耗。以非稳腔而论，不同几何尺寸的非稳腔，其损耗大小亦各不相同。 其次，几何损耗的高低依模式的不同而异。比如同一平行平面腔内的高 阶横模由于其传播方向与轴的夹角较大，因而其几何损耗也比低阶横模 为大。 (2)衍射损耗。由于腔的反射镜片通常具有有限大小的孔径，因而当 光在镜面上发生衍射时，必将造成一部分能量损失。本节以及本书后面 几章的分析表明，衍射损耗的大小与腔的菲涅耳数 N＝a2/Ll有关，与 腔的几何参数g有关，而且不同横模的衍射损耗也将各不相同。
(3)腔镜反射不完全引起的损耗。它包括镜中的吸收、散射以及镜的 透射损耗，通常的光腔至少有一个反射镜是部分透射的，有时透射率还 可以很高(例如，某些固体激光器的轴输出透射率可以＞ 50％)，另一个 反射镜即使通常称为“全反射”镜，其反射率也不可能做到100％。 (4) 材料中的非激活吸收、散射，腔内插入物 ( 如布儒斯特窗、调 Q 元件、调制器等)所引起的损耗，等等。 上述 (1)(2) 两种损耗常常又称为选择损耗，因为不同模式的几何损 耗与衍射损耗各不相同。 (3)(4)两种损耗称为非选择损耗，在一般情况 下它们对各个模式都一样。 不论损耗的起源如何，我们都可以引进一个“平均单程损耗因子” d 来定量地加以描述。该因子的定义如下：如果初始出发时的光强为 I0， 在无源腔内往返一次后，光强衰减为I1，则
2.1 光腔理论的一般问题
一、光腔的构成和分类
在激活物质的两端恰当地放置两个反射镜片，就构成一个最简单的 光学谐振腔。
精简版---激光原理知识点+复习90题
因此，一次往返转换矩阵为
T
A C
1 2L
B D
2 R1
R2
2 R2
1
2L R1
2 L1
L R2
2L R1
1
2L R1
1
2L R2
把条件 R1 R2 R L 带入到转换矩阵 T，得到：
T
A C
B D
1 0
0 1
共轴球面腔的稳定判别式子 1 1 A D 1
2
如果 1 A D 1 或者 1 A D 1 ，则谐振腔是临界腔，是否是稳定腔要根据情况来定。本题中 ，
(1)判断腔的稳定性; (2)求输出端光斑大小； (3)若输出端刚好位于焦距 f=0.1m 的薄透镜焦平面上，求经透镜聚焦后的光腰大小和位置。
解: (1)如图所示，等效腔长
L
'
a
b
0.44
m
0.1 m 1.7
0.5m
由等效腔长可得
：
g1 g 2
1
L' R1
1
L' R2
1
0.5 1
1
0.5
2
1
1.52 1
1.52
要达到稳定腔的条件，必须是 1 1 A D 1，按照这个条件，得到腔的几何长度为：
2
1.17 L1 2.17 ，单位是米。（作图）
11
4.4（夏珉习题 2.19 数据有改变）如图 2.8 所示，波长 1.06m的钕玻璃激光器,全反射镜的曲率半径
R=1m，距离全反射镜 0.44m 处放置长为 b=0.1m 的钕玻璃棒，其折射率为 n=1.7。棒的右端直接 镀上半反射膜作为腔的输出端。
第三章
光学谐振腔
T
A C
1 2L
B D
2 R1
R2
2 R2
1
2L R1
2 L1
L R2
2L R1
1
2L R1
1
2L R2
把条件 R1 R2 R L 带入到转换矩阵 T，得到：
T
A C
B D
1 0
0 1
共轴球面腔的稳定判别式子 1 1 A D 1
2
如果 1 A D 1 或者 1 A D 1 ，则谐振腔是临界腔，是否是稳定腔要根据情况来定。本题中 ，
(1)判断腔的稳定性; (2)求输出端光斑大小； (3)若输出端刚好位于焦距 f=0.1m 的薄透镜焦平面上，求经透镜聚焦后的光腰大小和位置。
解: (1)如图所示，等效腔长
L
'
a
b
0.44
m
0.1 m 1.7
0.5m
由等效腔长可得
：
g1 g 2
1
L' R1
1
L' R2
1
0.5 1
1
0.5
2
1
1.52 1
1.52
要达到稳定腔的条件，必须是 1 1 A D 1，按照这个条件，得到腔的几何长度为：
2
1.17 L1 2.17 ，单位是米。（作图）
11
4.4（夏珉习题 2.19 数据有改变）如图 2.8 所示，波长 1.06m的钕玻璃激光器,全反射镜的曲率半径
R=1m，距离全反射镜 0.44m 处放置长为 b=0.1m 的钕玻璃棒，其折射率为 n=1.7。棒的右端直接 镀上半反射膜作为腔的输出端。
第三章
光学谐振腔
华科激光原理第2讲 激光产生机理与特性
dn 2 dn1 dt st dt st
– 则得到光放大的条件：
h KT
B 21n2 1 B12 n1
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。
e
1
– “不可能”的前提是原子数按照能级的分布服从玻耳兹曼分布，那么要 实现光放大，必须使原子数按能级的分布打破玻耳兹曼分布，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 18 负绝对温度状态。
E
h
eh / KT 1
(1)
8
2.1.2黑体辐射与普朗克公式
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： P 8 2 (2)
n
Vd
c3
所以可以得到黑体辐射的普朗克公式(单色能量密度)：
8h 3 1 c3 eh / KT 1
(3)
其中K为玻尔兹曼常数：
n2
h E 2 E1
n1
受激辐射跃迁几率W21:描述受激辐射过程中高能级原 st dt n2
受激辐射跃迁几率同样与外加电磁场和原子特性相关：
W 21 B 21
14
2.1.6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：
6
2.1.2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。
激光原理与技术完整ppt课件
1.1.1所示)。每一模式在三个坐标铀方向与相邻模的间隔为
Δkx=л/Δx，Δky=л/Δy，Δkz=л/Δy 因此，每个模式在波矢空间占有一个体积元
(1.1.6)
ΔkxΔkyΔkz =л3 /（ΔxΔyΔz）=л3 /V
(1.1. 7)
精选课件PPT
10
在k空间内，波矢绝对值处于|k|～|k|+d|k|区间的体积为(1／8)4л|k|2 d|k|，
可见，一个光波模在相空间也占有一个相格.因此，一个光波模等效于一个光子态。
一个光波模或一个光子态在坐标空间都占有由式(1.1.11)表示的空间体积。
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12
三、光子的相干性
为了把光子态和光子的相干性两个概念联系起来，下面对光源的相干性进行讨论。
在一般情况下，光的相干性理解为：在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某
4.4 典型激光器的速率方程
3.5 空心介质波导光谐振腔的反馈耦合损耗 4.5 均匀加宽工作物质的增益系数
4.6 非均匀加宽工作物质的增益系数
4.7 综合均匀加宽工作物质的增益系数
精选课件PPT
3
第五章 激光振荡特性
5.1 激光器的振荡阈值 5.2 激光器的振荡模式 5.3 输出功率和能量 5.4 弛豫振荡 5.5 单模激光器的线宽极限 5.6 激光器的频率牵引
ε=hv
（1.1.1）
式中 h＝6.626×10-34J．s，称为普朗克常数。
（2）光子具有运动质量m，并可表示为
（1.1.2）
光子的静止质量为零。
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7
（3）光子的动量P与单色平面光波的波矢k对应
（1
式中
n。为光子运动方向(平面光波传播方向)上的单位矢量。 4．光于具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。 5．光于具有自旋，并且自旋量子数为整数。因此大量光于的集合， 服从玻色—爱因斯坦统计规律。处于同一状态的光子数目是没有限制的， 这是光子与其它服从费米统计分布的 粒子(电子、质子、中子等)的重要区别。 上述基本关系式(1.1.1)相(1.1.3)后来为康普顿(Arthur Compton)散射实验所证实 (1923年)，并在现代量子电动力学中得到理论解释。量子电动力学从理论上把光的电磁 (波动)理论和光子(微粒)理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来，从而在理论上 阐明了光的波粒二象性。在这种描述中，
《激光原理》PPT课件
对未来学习建议
深入学习激光原理相关知识
包括激光器设计、激光光束质量控 制、非线性光学等，为从事激光相 关领域工作打下坚实基础。
关注前沿动态
及时了解激光领域的最新研究进展 和前沿动态，把握发展趋势。
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实践与应用
通过实验操作、项目实践等方式， 将所学知识应用于实际问题的解决 中，提升实践能力和创新能力。
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液体染料激光器技术特点
具有宽调谐范围、高转换效率、短脉冲输出等优点。同时 ，液体染料激光器也存在染料稳定性差、需要定期更换等 缺点。
液体染料激光器应用领域
广泛应用于光谱学、生物医学、光化学等领域。例如，可 用于荧光光谱分析、激光医疗、光动力疗法等。
半导体材料发光机制及器件结构
半导体材料发光机制
半导体材料中的电子在导带和价带之间跃迁时，会释放出能量并以光子的形式发出。通过 控制半导体材料的能带结构和载流子浓度，可以实现不同波长的激光输出。
量子点激光器优势
宽频带可调谐、低阈值电流、高稳定性等
其他新型激光器简介
表面等离激元激光 器
利用表面等离激元效应实现光放大和激光
微腔激光器
利用微纳加工技术实现高品质因子微腔，实现低阈值激光
生物激光器
利用生物组织或细胞中的荧光物质实现激光输出，具有生 物相容性和可降解性等优点。
06
激光调制、检测与应用 技术
典型案例分析：激光雷达测距系统
工作原理
激光雷达测距系统通过发射激光 束并接收目标反射回来的光信号 ，根据光信号的时间差或相位差 计算出目标距离。
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Journal of Applied physics (JAP) 2.281 IEEE Photonic technology Letters (PTL) Journal of Lightwave Technology (JLT)
IEEE Journal of Quantum Electronics (JQE)
§1.3 激光产生的基本原理（概述）
激光产生的条件: (1) 粒子数反转分布 (2) 增益 > 损耗 即自激振荡的阈值条件
以红宝石激光器 (Ruby Laser) 为例
Flash lamp External mirror External mirror Partly transmission
Output beam hn
21世纪是否会出现 第二个爱因斯坦？
物理宏观领域：宇宙学的一些基本问题，如暗物质、暗 能量的来源、组成和性质。 物理微观领域：人类对物质组成的认知还需要更为深入 物理学发挥“用”的功能：研究繁杂系统，让物理学为 能源、材料、信息和环境问题提出解决方案及与其他学 科的交叉和渗透。 《Nature》杂志社论： “在下一次(物理学理论)革命前 ，物理学的主要成就将出现在工程领域。正在从事这方 面工作的物理学家如果保持沉默，是可耻的……物理学
E2 and E1 表示两个激发态
一个光子的能量 hn E2 E1
辐射频率n E2 E1
h
• 自发辐射 （Spontaneous Emission）。
主要特征：无需外来光，随机发光，发出的光子不相关，
即相位、偏振态、传输方向是随机的；发出的光子能量分
布在许许多多个模式上。
E2 hn E1 E1 E2
h
E2
hn E1
受激辐射的光子具有完全相同的相位、偏振态和传输 方向 受激吸收几率 W12 受激辐射几率 W21
dn12 1 W12 dt sta n1
dn21 1 W21 dt ste n2
W12 B12 n
W21 B21n
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。
追寻成功者的足迹，给人必要的启迪
• 任何一项发明都是一批科学家前仆后继，大胆探索的结果,Байду номын сангаас
• 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
• 为激光发展进行探索的科学家
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
dn2 dn21 A21n2 dt dt sp
dn 1 A21 21 dt sp n2
n2 n20e t / s
A21 1
s
n2 n20e
A21t
• 在自发辐射过程中，E2 能级上粒子随时间按指数衰减 • 自发辐射几率A21与自发辐射（能级）寿命s呈倒数关系
Ruby laser 694.3nm
Flash lamp
发光粒子－铬离子 (Cr3+) 泵浦光源－闪光灯, 其作用是实现铬离子反转分布 光谐振腔－两平面反射镜，实现光反馈，使受激辐射 光放大形成激光
光电子学是汇集光子学、电子学、光子技术与电子技 术的一门学科
一些相关的重要学术刊物 (SCI收录期刊）
Nature Science
Physics Review Letters (PRL) 6.017
Applied Physics Letters (APL) 4.207
Optics Letters (OL) Optics Express (OE) 3.395 3.219 2.1
• 勤奋，善于学习，抓住机遇，把握科学前沿。 • 大胆设想, 勇于创新，勇于实践,锲而不舍。
激光的发明使光学领域的研究出现新的活力。激光一方面 为成熟的领域中现有的各种应用技术带来数量级的改善， 另一方面又开辟了一些新的领域和新的应用和新学科。
• 全息术－D.Gaber，不实用技术 成为可能
• 光通信－室温工作的双异质结半导体激光器和掺铒光纤 放大器带来了光通信的革命性变化 • 国防安全
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)
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)
不仅是要了解我们的宇宙，而且也致力于制造有用、有
时也是激动人心的事物。”
电子学－研究电子作为信息和能量载体的科学
光子学－研究光子作为信息和能量载体的科学 光子技术－ 相干光的产生
相干光的控制
激光原理 （48学时） (调制、偏转) 光电子技术
光频率（波长）变换
相干光的检测及应用
电子技术光与电是“兄弟”，光只是波长更短的电磁波
hn
自发辐射几率(Spontaneous transition rate) A21
－能级21 跃迁的特征参数
A 21
dn 21 1 dt sp n 2
A21 1
s
E2能级平均寿命
推导 A21 and s 的关系式
E2 hn E1
dn2 dn21 n2 dt dt s
3. 两种受激跃迁比较 (热平衡情况下) 单位时间STE增加的光子数密度 单位时间STA减少的光子数密度
W21n2 B21n n2 W12n1 B12 n n1
f2 热平衡时，n2 n1 f1
STA STE
(受激)吸收占主导
因此，当光在介质内传输时，光将被吸收而衰减。 4. 自发辐射光子可作为引起受激辐射的 外来光 起始阶段的受激辐射的外来光来自于介质的自发 辐射
英文参考书：
Amnon Yariv “Introduction to Optical Electronics ” Anthony E. Siegman “ Lasers” Orazio Svelto “Principles of Lasers” 1998年 （第四版） 中文参考书： 邹英华 孙陶亨 《激光物理学》北京大学出版社
• s 可以通过实验测得，由 A21 =1/s可获得自发辐射几率
• A21只决定于物质本身性质，与辐射场n无关
• 受激跃迁
受激吸收 stimulated absorption (STA) 受激发射 stimulated emission (STE) 受频率为 n E2 E1 的光场作用
1905年是科学史上较为特殊的一年，创造奇迹的一年。
当时默默无闻的爱因斯坦（26岁）发表的5篇论文（涉及
光电效应、布朗运动和狭义相对论）彻底改变了传统的物
理学，也为造福后世的诸多技术奠定了基础。
2005国际物理年的意义
－负有帮助物理学在21世纪重振雄风的重任
学好数理化，走遍天下全不怕
电子、生物和经济等新兴学科的吸引力 ↑ 主宰上世纪发展的科学界，正在缓慢而又令 人痛苦地衰落，有青黄不接的危机。(法新社)
n
能级21 and 12 的受激跃迁几率相等 即 W12 W21 受激跃迁与自发跃迁是本质不同的物理过程 A12 0
A21、B21和B12关系式（爱因斯坦关系式）推导
二、爱因斯坦关系式－ A21 、B21 和B12的关系
热平衡黑体 辐射公式
模密度nn
8n 2 n 3 c
第一讲 序言 激光发展历史 激光基本原理概述
光和物质相互作用的三种过程 光的受激辐射放大 自激振荡器
作业：1-2, 1-3, 1-6
2005年－国际物理年 World Physics of the year
（联合国通过大会决议）
“爱因斯坦年”（德、英等国直接命名）
恰逢爱因斯坦逝世50周年
W12 B12 n
W21 B21n
n
－单色能量密度 (J· -3·s) m
8n 2 hn n 3 hn c e KT 1
B12 and B21 为受激吸收和受激辐射跃迁系数，常数
B12和B21的大小只与物质本身性质有关，与外界辐射 场无关 受激辐射几率与辐射场的强度 成正比
§1.2 光的受激辐射（Stimulated Emission)
一、光和物质 (原子、分子、离子，统称粒子)
相互作用的三种过程
E2 hn E1 E2 hn E1 E2 hn E1 2hn
自发辐射(SP)
(Spontaneous Emission)
受激吸收(STA)
受激辐射(STE)
(Stimulated absorption) (Stimulated Emission)
※ 课堂纪律：上课时不准吃、喝；关闭手机;
上课期间不得随意离开教室 ※ 学风建设：主动积极听课，把心留在教室里， 认真独立完成作业 端正态度，不要有投机取巧的侥幸心理 处理好课程学习和出国准备的矛盾
※ 教师有关联系信息 姚敏玉 东主楼11区410 62772370 yaomy@ 张洪明 东主楼11区409 62772370 zhhm@
n2 f E E1 2 exp 2 n1 f1 KT