激光原理第一章

（2）矢量函数：
2 ( f ) ( f ) f
二、电磁波的波动方程 1、概念
（1）源：
（2）场：

电极化强度
( x , y , z , t ); j ( x , y , z , t )
E ( x , y , z , t ); B ( x , y , z , t ) （3）物： M P

)
（3）电磁波的赫姆霍兹方程式
2 c E ( x , y , z ) cos( t f ) ①方程的特解： E 0

② 特解的复数形式：
1i 2 c i cos ( e e ); t f 2
i i u u e ; u u e 设： 0 0
二、光波的模式与光子的量子态
1.何为光波模式？ 光纤：HE11模 平面波导：TE，TM模
光的模式表示麦克斯韦方程组的一个特解 代表具有一定偏振、一定传播方向、一定频率和 一定寿命的光波
金属空腔，能够稳定存在的光波应该 满足驻波条件：
y
x
x
x m, y n, z q
( f 第一级极小位置： asin 1)
f
衍射角与狭缝间距成反比 狭缝对光子进行测量 光子动量观点： 入射光子 P=Py,Px=0
射向中央亮纹的光子获得x方 P P s i n ( f ) 向的动量 0 x 1
穿过狭缝
光子的Px 值之间的最大差值：
P P s i n ( f ) x 1
2 2 0 W /m m 在强度为 1 情况下，激光持续时间大约 10ms，这时发生的主要过程是物质的快速加热，对于 钢铁等物质，可以作为表面淬火硬化。
2 4 2 功率密度在 1 范围内，物质会被快 0 1 0 W / m m 速熔化和汽化，这种激光的典型作用时间为4ms，主 要用于熔化，焊接和表面合金等。
1 E ( u u ); E u 0 0 2
③亥姆霍兹方程：将特解的复数形式代入得
2 2 2 2 式中， u k u 0 k 0 0

1 e
测不准原理：
单缝衍射公式：
a s i n ( ) K ( K 1 , 2 , 3 , . . . ) 1
8. 1966年研制成了固体锁模激光器获得了超短脉冲。 9. 1970年研制成了准分子激光器。 10. 1977年研制成了红外波段的自由电子激光器 （FEL） 11. 1984年研制出光孤子激光器（SL） 12、美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员于1992年 研制出当时世界上最小的固体激光器它在扫描电子显微 镜下看起来就像一个个微型图钉，其直径只有 2 至 10 微 米。在一个大头针的针头上，可以装下1万个这样的新型 半导体激光器。
神光-I 装置的两路激光系统
体积更小
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；
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。
更快
更高的调制频率：GHz； 更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecond Laser)；
2、在maser的启发下“laser”—光波放大器诞生了。 （1）1959年各种激光器的设计方案陆续出台 肖洛、汤斯提出用“F-P干涉仪”作谐振腔，钾灯泵 浦钾蒸汽的红外激光器； 贾迈提出用电流连续泵浦，制造“氦氖激光器”的方 案； 美国休斯公司的年轻工程师梅曼提出用掺钕红宝石、 脉冲氙灯泵浦的红宝石激光器方案； 前苏联的巴索夫提出以半导体为工作物质的半导体 激光器方案 （2）1960年7月，梅曼首先制成了红宝石激光器。
梅曼和他的红宝石激光器
3. 1961年
⑴ 2月（A.Javan）研制成了 He—Ne混合气体激光器。 ⑵ 有人提出了Q调制技术， 并制成第一台调Q激光器。
⑶ 制成了钕玻璃脉冲激光器。
4. 1962年美国三个研究小组几乎同时分别发布砷 化镓（GaAs）半导体激光器运转的报道。 仅1961—1962年间世界各国发表
激光原理及技术
Email:cjxuelaser@
第一部分
何为激光（laser）?
Light Amplification by StimuIated Emission of Radiation 受激辐射光放大 镭射：LASER的音译 高方向性 与普通光源相比 高亮度 高单色性和相干性
① 散度： ② 旋度：
i f x fx j y fy k z fz
fy fx fz f x y z
2、二阶作用：
（1）标量函数的拉普拉斯作用
2 2 2 2 ( ) 2 2 2 x y z
能量与时间的测不准关系 :
mv2 P2 E 2 2m P P E v P m
E x P x t Eh v
§1-2光波的模式和光子的量子态
一、光子的基本性质 1、能量： 2、质量： 3、动量：
h 3 4 h 6 . 6 2 4 1 0 J S h w ;( ) 2
发展
功率更大
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）。
( built in 1986 2beam /f200mm, 1.6KJ/1w/1ns )
为Px的测不准量
P P s in ( f ) x 1
中央条纹外还有光子
光子在狭缝中的位置坐标x之间的最大差值△x
△x=a
xPa P s i n () f P x 1
h P k
德布罗意公式
x P x h
测不准关系式的重要意义：缩小狭缝的宽度a，使得穿 过狭缝光子的位置测不准量△x缩小，则必定使得这些 光子的动量分量测不准量△Px增大
磁极化强度 电导率

2、关系 D E P ( 1 ) E E E 0 0 e 0 r B ( H M ) ( 1 ) H H H 0 0 m 0 r


3、方程
（1）麦克斯韦方程组
2 2 2
其中m、n、q为正整数，由波矢的 2 表达式 k n 可以得到波矢的三 个分量：
z
y
z
k m ,k n ,k q x y z x y z
每组不同的m、n、q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。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 3 3 kx
i j k 一、矢量算符及其应用： x y z
1、一阶作用： （1）标量函数的梯度
x ,y ,z )
i j k x y z
（2）矢量函数的散度和旋度
f x , y , z f x , y , z i f x , y , z j f x , y , z k ) ) ) ) x y z
h w m 2 2 c c
光子没有静止质量
r r h ˆ ˆ P m c n k h 0 n 0

4、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； 5、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。
4、军事：
（1）激光雷达； （2）激光武器
5、信息技术：
（1）全息照相；（2）光存储；（3）大屏幕显示
6、日常生活中的引用
参考书目：
《激光原理》，陈钰清、王静环等，浙江大学 出版社 《激光原理（第五版）》，周炳琨、高以智等， 国防工业出版社 《激光技术》，蓝信钜等，科学出版社 《固体激光工程》，W.克希耐尔等，科学出版 社 《激光原理教程》，沈柯，北京理工大学出版 社 《激光应用技术基础》，朱林泉等，国防工业 出版社
最小的固体激光器？ spaser surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation
目前最快的晶体管相比，spaser虽具有同等的纳米尺度，但其 速度要快上1000倍，这为制造速度超快的放大器、逻辑元件 和微处理器提供了可能。
激光束的特点
激光发展的历史
一、激光概念的产生 1900年普朗克用谐振子模型建立了黑体辐射的 理论。 1917年爱因斯坦根据黑体与空腔壁原子间的热 平衡条件，提出了原子的受激辐射； 1928年，Landenburg证实了受激辐射和“负吸收”的存 在。 二、激光器的发明及历史 1、maser的诞生：第二次世界大战因雷达分辨技术的需 要，促进了“微波激射放大器”的研究，并导致第一台 微波放大器“脉塞”（Micro-wave amplification by stimulated emission of radiation）的诞生。
B D D B 0 E H j t t （2）电磁波方程式：
2 2 B D E 2 ( 1 ) 2 0 2 0 0 e 1 E 2 t t t ( E ) E 2 2 v t 2 2 E E E
0 1 0 W / m m 当激光脉冲功率达到 1 的水平时， 以汽化为主要过程。由于这种激光的的典型作用时 间为，会由于快速加热导致激波和爆炸现象。
5 9 2
2.医学：
激光诊断：辨别人呼出气体的成分及各种成分的浓度。 眼科手术：视网膜焊接、近视治疗。 激光美容：祛除纹身和胎记
3.科学研究：
用高强度短脉冲激光轰击氘靶引起热核反应； 非线性光学研究上的应用，如倍频效应等； 拉曼散射的应用，可作测量。
第一章 激光的物理基础
§1-1 光的电磁波理论 §1-2 光波的模式和光子的量子状态 §1-3 光的相干性和相干体积 §1-4 光子简并度 §1-5 黑体辐射 §1-6 光的自发辐射、受激吸收和受激辐射 §1-7 激光的产生 §1-8 激光器和激光的特性
§1-1 光的电磁理论
光辐射场的性质描述： 光辐射场是各种不同频率电磁场的集合（波动观点） 光辐射场是数目不固定的光子（粒子的观点）



ky
2 / y
/ y
kz
/ z
2 / z
/ x
2 / x
k k k x y z x y z V
2、给定体积内，可能存在的光波模式数
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；
三、激光的应用
1.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。
的激光方面的论文达200篇以上。
5. 1963年建立了激光的半经典理论。 对激光的频率特性和功率特性进行了比较完
善的探讨。
6. 1964年研制成了 氩离子（A+r）离子气体激光器 二氧化碳气体激光器 化学激光器（HF氟化氢） 掺钕的钇铝石榴石固体激光器 7. 1965年实现了铌酸锂光学参量振荡 器，借助 半经典理论预言了锁模效 应的存在