第1章-激光的物理基础知识讲解
大学物理课件激光
半导体材料及器件结构
01 02 03
半导体材料
半导体材料是指导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。常 见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）以及砷化镓 （GaAs）等。这些材料具有独特的能带结构和电子特性， 使得它们能够用于制造各种电子器件和光电器件。
半导体器件结构
半导体器件结构是指利用半导体材料制成的各种电子器件的 结构形式。常见的半导体器件结构包括二极管、晶体管、场 效应管等。这些器件结构具有不同的工作原理和特性，可用 于实现放大、开关、调制等功能。
受激辐射
原子或分子在外界光场的作用下， 从高能级向低能级跃迁并发射出一 个与入射光子完全相同的光子的过 程。
激光产生条件
粒子数反转
谐振腔
高能级上的粒子数大于低能级上的粒 子数，这是产生激光的必要条件。
激光器中的谐振腔提供了正反馈机制， 使得受激辐射的光子能够在腔内多次 往返并被放大，最终形成稳定的激光 输出。
增益大于损耗
在激光器中，增益介质提供的增益必 须大于各种损耗（如反射、吸收、散 射等）的总和，才能实现光放大并产 生激光。
激光器基本结构增益介质来自提供粒子数反转和光放大的物质， 如气体、液体、固体或半导体等。
泵浦源
为增益介质提供能量，使其实现 粒子数反转的装置，如闪光灯、 激光二极管等。
谐振腔
由两个反射镜组成的光学腔体， 提供正反馈机制并决定激光的波 长、方向性和模式等特性。
激光束质量评价
01
光束发散角
指激光束在传播过程中的发散程度，通常以毫弧度（mrad）为单位。
发散角越小，激光束的准直性越好，能够保持更长的有效照射距离。
02
光束稳定性
指激光束在时间和空间上的稳定性。稳定性越好，意味着激光束在传播
激光入门知识讲解
激光入门知识一、激光产生原理1、普通光源的发光--受激吸收和自发辐射普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。
激发的过程是一个"受激吸收"过程。
处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。
辐射光子能量为hυ=E2-E1这种辐射称为自发辐射。
原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。
由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。
在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。
于是在上、下两个能级上的原子数密度比为N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。
因为E2>E1，所以N2《N1。
例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20℃时，kT≈0.025eV，则N2/N1∝exp（－400）≈0可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。
一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。
2、受激辐射和光的放大由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。
电子能量由主量子数n(n=1,2,…）决定。
但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。
大学物理激光课件讲义
受激辐射
发光前 发光后
。
受激辐射的光放 大示意图
表明 ，处于低能级的电子数大于高能级的电子数， 这种分布叫做粒子数的正常分布.
1 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布
二 激光原理
已知
叫做粒子数布居反转 , 简称粒子数反转或称布居反转.
1 自发辐射
原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级 自动跃迁到低能级 ，这种跃迁称为自发跃迁. 由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.
一 自发辐射 受激辐射
。
发光后
自发辐射
自发辐射
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2 光吸收
原子吸收外来光子能量 , 并从低能级 跃迁到高能级 , 且 , 这个过程称为光吸收.
2 单色性好
激光的单色性比普通光高 倍.
能量集中
END
相干性好 普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光 , 激光的发光过程是受激辐射, 它发出的光是相干光.
吸收后
。
吸收前
.
受激吸收
3 受激辐射
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
原子中处于高能级 的电子, 会在外来光子 (其频率恰好满足 ) 的诱发下向低能级 跃迁, 并发出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射.
红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石
。
。
全反射镜
半透射镜
红宝石棒
。
脉冲灯
红宝石激光示意图
。
01
02
03
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
04
激光器发展的主要方面
扩展了激光的波长范围.
激光的功率大大提高.
激光器能实现小型化.
激光原理知识点汇总201905
激光原理知识点汇总第一章电磁场和物质的共振相互作用1.相干光的光子描述，光的受激辐射基本概念1)1960年7月Maiman报道第一台红宝石固体激光器，波长694.3nm。
2)光的基本性质：能量ε=hνh: Planck常数，ν :光波频率运动质量m=ε/c2=hv/c2静止质量0动量knhnchnmcp=•===22λππν3)光子的相干性：在不同的空间点、不同时刻的光波场某些特性的相关性相干体积相干面积，相干长度，相干时间光源单色性越好，相干时间越长：相格空间体积以及一个光波摸或光子态占有的空间体积度等于相干体积属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的4)黑体辐射的planck公式在温度T的热平衡下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量1-=kThehEνν腔内单位体积、单位频率间隔内的光波摸式数338chnνπν=Planck公式：11833-==kThechνννπρ单色能量密度，k：Boltzmann常数Bohr定则：νhEE=-125)光的受激放大a.普通光源在红外和可见光波段是非相干光，黑体是相干光黑体辐射的简并度KTnmnmKTnmKTncmKTkThhEn50000,1,110,6.0,3001,60,30010,30,3001)exp(1353=≈=≈==≈==≈==→-==-μλμλμλλννb.让特定、少数模式震荡，获得高的光子简并度21212121338AWABchn===ννρνπρ6)光的自激振荡a.自激振荡概念分数单位距离光强衰减的百自损耗系数)(1)(zIdzzdI-=αdzzIIgzdI)(])([)(..α-=考虑增益和损耗])ex p[()(0zgIzIα-=αααsmsmIgIIIgIg)(1)(0-=→=+=光腔作用: (1)模式选择; (2）提供轴向光波摸的反馈；b.震荡条件等于号是阈值振荡ααα≥→≥-=000)(gIgI sm是工作物质长度llgL...........0δδα≥→=lg0单程小信号增益因子7)激光的特性：单色性、相干性、方向性、高亮性。
《激光》 讲义
《激光》讲义一、激光的基本概念激光，这个在现代科技中熠熠生辉的名词，想必大家都有所耳闻。
但它到底是什么呢？简单来说，激光是一种具有高度单色性、相干性和方向性的光。
我们先来说说单色性。
普通的光，比如太阳光，包含了各种波长，所以呈现出多种颜色。
而激光则几乎只有一个特定的波长，这就使得它的颜色非常纯粹。
相干性又是什么呢？想象一下很多人一起整齐划一地走路，步伐一致，这就是相干。
激光中的光波就像这样，它们的振动频率和相位都高度一致，这让激光具有非常稳定和强大的能量。
方向性就更好理解了。
普通的光源向四面八方发光，能量分散。
而激光几乎是沿着一条直线传播，就像一支笔直的箭，能够精准地到达目标。
二、激光的产生原理激光的产生依靠的是一种叫做“受激辐射”的过程。
在一个充满特定物质（称为“增益介质”）的容器中，这些物质的原子或分子处于不同的能量状态。
当外部能量（比如通过电流或光照）输入时，一些原子会被激发到高能态。
处于高能态的原子并不稳定，它们会想要回到低能态。
而在这个过程中，就会释放出光子。
如果这些光子在传播过程中，又碰到了其他处于高能态的原子，就会引发这些原子也以相同的频率、相位和方向释放出光子，从而实现光的放大。
为了让激光能够稳定地产生，还需要一些辅助的装置，比如谐振腔。
它就像是一个筛选器，只让特定方向和频率的光不断来回反射，增强，最终形成强大的激光束。
三、激光的特性激光具有很多独特的特性，这使得它在众多领域都有广泛的应用。
首先是高强度。
由于激光的能量高度集中，所以可以在很小的区域内产生极高的功率密度，能够用于切割、焊接等加工工艺。
其次是高方向性。
这使得激光可以传播很远的距离而不发散，被用于激光通信、测距等领域。
还有高相干性。
这一特性使得激光在干涉测量、全息摄影等方面发挥着重要作用。
另外，激光的单色性也很有价值。
在光谱分析、医学诊断等领域，能够提供非常精确的信息。
四、激光的应用领域1、工业领域在工业生产中，激光切割和焊接是常见的应用。
第一章 激光的基本原理及其特性
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。
（第一章）
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《激光原理与技术》
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： ∆Ed t 0
受激跃迁几 率
（第一章）
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《激光原理与技术》
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量密度有关
（第一章）
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《激光原理与技术》
光的受激辐射
入射光
h E 2 E 1
(t ) N u 0 e 1 Au 1 1
N u 0e
t
u
u u
Au i
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《激光原理与技术》
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。
原子数按能级分布
热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布
玻尔兹曼分布律:
N2 N1
e
( E 2 E1 ) kT
高 能 级 低 能 级
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激光物理学的基础知识
激光物理学的基础知识引言激光物理学是研究激光的发生、传输和相互作用过程的学科，是现代光学中的重要分支之一。
激光在现代科技和工业中有广泛的应用，如通信、医疗、制造等领域。
本文将介绍激光物理学的基础知识，包括激光的基本概念、激光的产生原理和特性等内容。
一、激光的基本概念1.1 激光的定义激光是指具有较高的单色性、方向性和相干性的电磁波。
它具有狭窄的频率谱宽度和小的发散角，能够进行远距离传输和聚焦。
1.2 激光的特点激光具有以下特点：•高亮度：激光的光强度高，激光束能够被聚焦成极小的点。
•单色性：激光的频率非常纯净，只有一个狭窄的频带。
•相干性：激光的波前相位具有高度的一致性，可以形成干涉和衍射效应。
•高直线度：激光束的传输路径非常直线，几乎没有散射和吸收损耗。
1.3 激光的分类根据激光的工作介质和工作原理，激光可以分为以下几类：•气体激光：利用气体分子的跃迁能级产生激光，如氦氖激光器、二氧化碳激光器等。
•固体激光：利用固体晶体或玻璃中的杂质离子或激活离子进行激光辐射，如氙灯激光、钕玻璃激光等。
•半导体激光：利用半导体材料的PN结或PN结与金属结合面，通过注入电流激发电子和空穴复合辐射光子，如激光二极管。
二、激光的产生原理2.1 需要的条件产生激光需要满足以下几个条件：•能级结构：激光工作介质中存在能级结构，可以通过能级跃迁来产生激光。
•反转粒子分布：工作介质中的粒子分布需要处于反转态，即高能级粒子数目大于低能级粒子数目。
•反馈机制：在工作介质中形成正反馈，使得光子在介质中多次来回传播，增强激光的放大效应。
2.2 激光的产生过程激光的产生过程包括以下几个步骤：1.激发产生：利用外部能量激发工作介质中的粒子，使其跃迁到高能级。
2.自发辐射：跃迁到高能级的粒子会自发辐射出光子。
3.反射反馈：反射光子返回工作介质中，使得自发辐射的光子受到激发而再次发射。
4.反复放大：光子在工作介质中来回传播，通过受激辐射逐渐增强，形成激光。
第一章 激光基本原理--Part1
• 在物质与辐射场的相互作用中，构成物质的原子 或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射 或吸收。 • 粒子数反转：能利用受激发射实现光放大 • 受激辐射光子与激励光子具有相同的频率、方向、 相位、偏振态，是相干光。
Einstein
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； "for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum" 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。 "for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms"
1966年研制成了固体锁模激光器获得了超短脉冲。 1970年研制成了准分子激光器。 1977年研制成了红外波段的自由电子激光器 （FEL） 1984年研制出光孤子激光器（SL） 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。
DARPA built the megawatt-class Alpha HF chemical laser during the 1980s
An electron-beam pumped ArF laser experiment at Sandia National Laboratories (1975, Courtesy Sandia National Labs)
激光原理第一章1.5
四、激光的时间相干性和单色性
1、时间相干性描述复习 相干时间 c 相干长度 Lc 线宽 (单色性)
1 Lc c c c 来自2、关系：单色性越好，则时间相干性越好。 3、单色性、时间相干性与激光模式的关系 (1)对单横模TEM00工作的激光器，激光的单色性和 时间相干性取决于纵模结构和模式的频带宽度。 纵模数越少，单模线宽越窄，则单色性和时间相 干性越好。
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TEM 00
基横模
三、激光的空间相干性和方向性
1、关系：方向性越好，则光束的空间相干性越好 。
方向性描述：用光束发散角。发散角越小，光束 方向性越好。 ①对普通光：只有当光束发散角小于某一限宽即：
x
时，光束才具有明显的空间相干性。
②对理想的平面波： 0 ，故具有完全的空间 相干性。 2、影响激光空间相干性和方向性的因素
B
2h
2
n
光源的单色亮度正比于光子简并度，而激光 具有极高的光子简并度。
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⑴横模的影响 ①基横模TEM00的发散角小，方向性好。高次横模 的发散角大，方向性差。 ②工作在单横模，则方向性好，同时，同一模式内 的光波场是空间相干的；工作在多横模，则方向性 差，同时，不同模式内的光波场是空间非相干的。 ⑵工作物质的均匀程度、光腔类型、腔长、激励方 式、激光器的工作状态的影响 ⑶光衍射效应的影响 激光所能达到的最小光束发 散角不能小于激光通过输出 孔径时的衍射极限角。
1.22 m 2a 2a
2a：光腔输出孔径
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激光物理基础
激光物理基础激光物理是研究激光的产生、传播和相互作用规律的学科。
激光作为一种特殊的光源，具有高亮度、高单色性、高方向性和高相干性等独特的特点，广泛应用于科学研究、医学、工业制造、通信等领域。
激光物理的研究涉及光的产生、放大、调制、激光器的工作原理等方面。
激光的产生是激光物理研究的核心内容之一。
激光的产生主要依赖于激活介质的存在。
激活介质可以是气体、固体或液体等物质。
通过施加一定的能量，激活介质中的原子或分子从低能级跃迁到高能级，形成激发态。
当激发态的粒子退激回到低能级时，会释放出光子，形成光子能量的集中放大。
经过光学谐振腔的增益介质放大，就可以得到高强度的激光光束。
激光的传播是激光物理研究的另一个重要方面。
激光的传播特点主要与激光的单色性和相干性有关。
激光的单色性指的是激光中的光子具有非常狭窄的能量范围，即具有高单色性。
而激光的相干性则是指激光中的光波具有一定的相位关系，即具有一定的相干性。
这种单色性和相干性使得激光能够在空间中以一定的传播方向传播，形成高方向性的光束。
激光的相互作用是激光物理研究的另一个重要方面。
激光与物质的相互作用可以产生一系列的物理效应。
例如，激光与物质的相互作用可以使物质发生光谱吸收、荧光发射、光解、电离等过程，这些过程在激光科学和激光技术中得到了广泛的应用。
此外，激光还可以通过与物质的相互作用来实现激光切割、激光焊接、激光打标等工业应用。
激光器是激光物理研究的重要研究对象之一。
激光器是产生和放大激光的装置，它由激活介质、光学谐振腔和泵浦源等组成。
激光器的工作原理是通过泵浦源向激活介质输入能量，激发介质中的原子或分子从低能级跃迁到高能级，形成激发态。
随后，激发态的粒子退激回到低能级，释放出光子，光子在光学谐振腔中来回多次反射放大，最终形成高强度的激光光束。
激光物理作为一门研究激光产生、传播和相互作用规律的学科，对于推动激光科学和激光技术的发展具有重要意义。
通过深入研究激光的产生、传播和相互作用等方面的基础知识，可以更好地理解和应用激光技术，为科学研究、医学诊断治疗、工业制造和通信等领域的发展做出贡献。
《激光基础知识》课件
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汇报人：PPT
原理：通过发射激 光束并接收反射信 号，测量距离和速 度
应用：自动驾驶、 机器人、测绘等 领域
优势：精度高、 速度快、抗干扰 能力强
发展趋势：小型 化、低成本、高 可靠性
激光手术：用于眼科、皮肤科、 牙科等手术
激光治疗：用于癌症、心血管 疾病等疾病的治疗
激光诊断：用于医学影像、病 理诊断等领域
激光美容：用于皮肤美容、整 形等领域
激光的产生：通过受激辐射产生光子，形成激光 激光的特性：单色性、相干性、方向性和亮度高 激光的应用：通信、医疗、工业、军事等领域 激光的安全：激光操作需要遵守安全规定，防止眼睛和皮肤受到伤害
方向性好：激光束在传播过程中几乎不发散，具有很高的方向性。 亮度高：激光的亮度比普通光源高出数亿倍，甚至更高。 单色性好：激光的波长非常单一，具有很高的单色性。 相干性好：激光的相干性非常好，可以产生干涉、衍射等光学现象。
工业领域：激光切割、激光 焊接、激光打标等
医疗领域：激光手术、激光 美容等
科研领域：激光测距、激光 雷达、激光通信等
娱乐领域：激光投影、激光 表演等
激光的产生与控制
激光的产生原理： 受激辐射
激光的产生过程： 原子或分子吸收 能量后，从低能 级跃迁到高能级， 再跃迁回低能级， 释放出光子
激光的波长：取 决于产生激光的 原子或分子的能 级差
激光对生物体的影响主要体现在热效应、光化学 效应和生物效应三个方面。
热效应：激光照射生物体时，生物体吸收激光能 量，产生热效应，导致生物体组织温度升高，甚 至烧伤。
光化学效应：激光照射生物体时，生物体 吸收激光能量，产生光化学效应，导致生 物体组织发生化学反应，甚至破坏生物体 组织。
物理电子学激光物理学知识点
光学章动如果以一个前沿上升时间极短的方形强激光脉冲入射到共振吸收介质时，发现经过介质后的透射光脉冲不再是简单的方形脉冲，而是在脉冲的前沿呈现出周期性的减幅振荡。
光学自感应衰减当某种介质受一恒定得共振激光场的作用，经过一段时间达到稳定状态后，突然终止这种作用，由于共振介质内的感应极化波场并不马上消失，而是继续辐射出相干波场，只是光强随时间衰减很快。
光子回波满足相干作用条件下，如果有两个强短光脉冲相继入射到共振吸收介质中，其中第一个脉冲为π/2脉冲，第二个脉冲为π脉冲，两个脉冲的间隔满足，，则在第二个脉冲通过介质后的一定时刻，介质将在空间确定方向上发射出第三个相干定向光脉冲。
频率牵引振荡频率向介质辐射频率ω方向移动旋波近似光频下，ω+ν非常大，忽略高频，仅保留共振项。
绝热近似若原子弛豫时间很短，对光场的技法是瞬时的。
二能级近似把所有能级之间的作用看做二能级之间等效的近似作用。
慢变振幅近似光场频率ν很大，可认为在一个光场周期内的电场为常数。
频率烧孔效应一般气体激光器采用驻波腔，光在腔内来回传播，原子的速度为±v，这样向+z方向传播的光子与速度为v的原子发生共振，使该群原子发生增益饱和；而同样频率的光经反射后沿-z 方向传播，与速度为-v的原子发生共振导致增益饱和。
从而在增益曲线上出现了频率烧孔。
空间烧孔由于受激辐射速率参数R是空间坐标z的周期的周期函数，而此时算的的粒子布居差方程为：，所以在驻波波腹处，光强最强，R最大粒子反转数下降的最多；在驻波波节处，光强为零，粒子数基本上没有变化，于是粒子反转数相对于z的变化曲线将出现周期性的凹陷，称为空间烧孔效应。
拉比振荡布洛赫矢量B绕β轴旋进，在k轴上的ω分量做周期性振荡，即翻转粒子数随时间周期变化。
自感应透明当入射光脉冲面积为π的偶数倍时，光脉冲在共振吸收介质吸收介质中传播其面积值不变，即介质对光脉冲呈现出完全透明的特点。
海森堡绘景、薛定谔绘景以及它们之间的关系海森堡绘景：固定态矢，是基矢运动的描述方式，即算符是运动的，而量子态不相依于时间。
4.1激光物理的各种基本理论
3、缺陷：数学处理也复杂。理论上还掩盖了光场的量子特性， 无法解释自发辐射的产生、线宽极限、振荡过程的量子起伏效 应(噪声和相干性)等。
四、速率方程理论——量子理论的简化形式
1、处理方法：从光子(即量子化的辐射场)与物质原子的相 互作用出发的。但是，忽略了光子的相位特性和光子数的 起伏特性。
2、作用和优势：简明性而诱人。能给出激光的强度特性。 对于烧孔效应、兰姆凹陷、多模竞争等，能给出粗略的近似 描述。
(4) 描述：平均碰撞时间 —统计方法
(5) 碰撞加宽线型函数
碰撞线宽
L 1
~ g L ,0
L 2 2 2 0 L 2
L
L 碰撞时间间隔一个原子与其它原子发生碰撞的平均时间间
隔-描述碰撞的频繁程度
在气压不太高时， 碰 撞线宽与气压成正比 例子：CO2 ： He3:Ne20(7:1)
结果：不会使激发态原子减少，却会使自发辐射波列 相位发生突变，波列长度，等效于激发态寿命 。
b、非弹性碰撞 无 辐射跃迁
激发态原子与其他原子或器壁碰掩使内能转换 为其他原子或器壁的动能，而自己回到基态。 结果：使激发态原子减少， 也使激发态寿命 。
(3) 结果：使激发态寿命 ，从而谱线加宽。
mv z2 / 2 KT e dvz
12
单位体积内,某能级上z向速度 分量在vz~vz+dvz的原子数。 n(v z )单位体积内,某能级上，z向 速度分量为vz附近，单位速度间 隔内内的原子数。
总原子数密度
n(vz)
n(vz)dvz
dvz 0 vz
m mv z2 / 2 KT dvz e E2能级上： n2 vz dvz n2 2KT
第一章-1 激光的物理基础
第一章-1 激光的物理基础
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• 二、光波模式和光子状态
• 按照量子电动力学概念，利用波动和粒子两 种观点，说明：光波的模式和光子的状态是 光波的模式和光子的状态是 等效的。 等效的
第一章-1 激光的物理基础
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（一）波动观点
• 光电磁波的运动规律由麦克斯韦方程决定 • 单色平面波是一种特解 • 麦克斯韦方程的通解可表示为一系列单色 平面波的线性叠加
∆θ ∆ν
ν ∆ν (∆θ )
• 如果要求传播方向限于张角∆θ之内并具有频 带宽度∆ν的光波相干，则光源应局限在空间 体积Vcs之内。
第一章-1 激光的物理基础
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• 从量子观点分析杨氏双缝干涉： • 由面积为(∆x)2的光源发出动量为P 的限于立体 角∆θ内的光子，因光子具有动量测不准量
π
∆y
n, k z =
π
∆z
q
每一组正整数m、n、q 对应腔内一种模式 （包含两个偏振）
第一章-1 激光的物理基础
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• 以kx、ky、kz为轴建立直角坐标系，即在波矢 空间中表示光波模，每个模对应波矢空间的 一点。每一模式在三个坐标轴方向与相邻模 的间隔为 π π π
∆k x = ∆x , ∆k y = ∆y , ∆k z = ∆z
第一章-1 激光的物理基础
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相格的空间体积和相干体积相等。如果光子属 相格的空间体积和相干体积相等 如果光子属 于同一光子态， 于同一光子态，则它们应该包含在相干体积之 即属于同一光子态的光子是相干的。 内。即属于同一光子态的光子是相干的
第一章激光的原理及技术基础
好，被誉为单色性之冠，但是他的波长仍有一 定的分布范围，若仔细辨认仍包含有几十种红 色 ?氦氖激光器的波长分布范围可窄到 2×10-9nm， 是氪灯的 2/10000 ? 激光器的单色性远远超过任何一种单色光源
普通光源是向四面八方发光的，如太阳光和灯光等。要让发射的光朝着 一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如探照灯和汽车的车 前灯都是安装有聚光作用的反光镜，使光汇集起来向一个方向射出。
激光器发出的激光，天生就是 朝一个方向射出，光速的发散 角度极小，大约只有0.001弧度， 接近平行。
? 例如：1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距 离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光 效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将 覆盖整个月球。
E2
E2
h ν 21
E1
h ν 21
h ν 21
E1
这个原子可能受到外来光子的“刺激” ,引起由高能级
E2向低能级 E1跃迁，同时发出一个光子，此时光子由一 个变成两个 ----“受激辐射”（ Stimulated radiation) 。
受激辐射的特点
1. 它不是自发产生的，必须有外来光子的“刺激”，它对外 来光子的频率有严格的要求。 即必须满足能级和频率的关系。
三能级系统 四能级系统 粒子数反转
三能级系统
如图为三能级的示意图。 E1为基态，E2和E3为激 发态。其中 E2是个特殊的能级，
原子在 E2能级上的寿命 要比在E3上长的多，一 般长达 10-3秒，比 E3稳 定多了，所以称 E2为亚 稳态能级。
10-8s
第1章-激光的物理基础
k 2z q 2
k q z
x
结论
z
(jiélù
y
n)
➢ 不同(bù tónɡ)的光波模式以不同(bù tónɡ)的波矢k来区分
➢同一波矢k对应着两个(liǎnɡ ɡè)具有不同偏振方向的模
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2.空腔内的光波(guāngbō)模式数
设空腔为V xyz的立方体,则波矢k的三个分量 应满足条件:
在六维相空间， 子一 态个 所光 占的体积元为：
xyzP xPyP zh3
一个光子态对应间 的体 相积 空元称为相格
一个光子态所占的坐标空间体积为：
xyz
h3
PxPyPz
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3.光子(guāngzǐ)状态数
计算 V 内 空， 间 P 动 ~ 体 P d 量 P 积 区处 间于 的
2 h
2 kn 0
n0为光子运动方向(平面光波传播方向)上的单位矢量。
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(4)光子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)光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。因此大量光子的 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(méi yǒu)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。
其中(qízhōng)， 为 光程差
频率在 0
/2～ 0
某一考察点处干涉的强度为
/2的非单色光在空间(kōngjiān)
I2I01sinccos2c0
c
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激光原理
高 低
h = E1 − E2 ν
辐射能量
1.2光的受激辐射的基本概念 光的受激辐射的基本概念
第1章 激光的基本原理概述 章
二、自发辐射、受激吸收和受激辐射 自发辐射、 1. 自发辐射（Spontaneous Emission）。
E2 E1
发光前 发光后
hν
hν = E 2 − E1
普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯） 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、 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。 振动方向、相位不一定相同 为非相干光。
1.2光的受激辐射的基本概念 光的受激辐射的基本概念
第1章 激光的基本原理概述 章
一、光的受激辐射概念的产生
普朗克——1900年，辐射量子化假设； 年 辐射量子化假设； 普朗克 波尔——1913年，原子中电子运动状态的量子化假设； 年 原子中电子运动状态的量子化假设； 波尔 爱因斯坦——1917年，提出受激辐射概念。 年 提出受激辐射概念。 爱因斯坦
E2 E1
发光前
hν
hν = E 2 − E1
发光后
hν hν
ν 当外来光子的频率满足 h = E2 − E1时，使原子中处于高 能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。 能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。
受激辐射跃迁几率： 受激辐射跃迁几率：
W21 = B21ρν
与原子本身性质和辐射场能量密度有关
n2 A21 + n2B21ρν = n1B12ρν
=
辐射场总光子数保持不变） 吸收率 （辐射场总光子数保持不变）
激光的基础物理知识
激光的基础物理知识激光的基础物理知识激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。
下面是小编为大家整理的激光的基础物理知识，仅供参考，欢迎阅读。
1、介绍为了理解本书中其他内容，首先你必须要理解光的一些基础性质。
你如果能更全面理解激光仪发射出的神奇激光的特点，你就越能够制定出更好的治疗方案并获得更好的治疗效果。
接下来的内容包括演示激光加强细胞功能的体外实验，以及更多来自真实世界的数据和各种临床用途。
基于这些大量证据，人们制定出有关治疗剂量、功率设置、脉冲频率特点和治疗周期的基础建议。
这些建议必须很广泛，包含各种动物和疾病，但也是因为一些个案报道和高质量对照试验使用的参数不一致。
本章我的目标是进行一场非正式的讨论（而不是一场百科全书似的详述），指出哪些可以调整，解释其重要性，帮助你洞察它的临床应用。
2、为什么使用光？简单点说，我们使用光，因为它可以穿透身体，而一旦进入身体中，它会引起生理学改变。
一名8年级的学生可能不同意，因为他看不到手里面在发生什么，而当一束光照到他的胳膊上，他也不会开始长出另一只手。
然而，你不像小学生一样天真，你曾看到过X光如何帮你看到身体内部的结构。
还有你能看到这些字，因此你会同意（其实下意识的）你眼睛中的视锥细胞会吸收光线，引起化学反应产生电信号，影响你的感官，甚至你的情绪、行为和健康。
Yes，当你看到棒球朝你头飞来时，你肯定要躲避，这就是光改变了你的行为，带来有益效应。
然而，可见光并不能很好的穿透进我们的身体中，你的眼睛也看不到X射线。
那么，这些光和你在这本书里要阅读到光有什么区别？3、光的特点尽管光与机体有很多的相互作用，还有很多的应用，任何两种光本质上只有一个区别：波长。
为了理解这点，我们首先要知道光是什么——一种沿直线以恒定速度（光速）传播的波动的电场和磁场。
这就是为什么它的术语叫“电磁辐射”。
光全部特性更加复杂，本章中我们会详细讲解其中某些，但光本质上就是电磁辐射。
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亮度：光源在传播方向上单位面积、单位立体角内发射的功率
截面为A的光源单色亮度可表示为
Bv
P
Av2
➢ 太阳的亮度：
2103W/(cm2·sr)
➢ 气体激光器的亮度：104～108W/(cm2·sr)
➢ 固体激光器的亮度：107～1011W/(cm2·sr)
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例 1. 为 使 He-Ne激 光 器 的 相 干 长 度 达 到 1km， 它 的 单 色 性
2
d
c
~ d 区间内的模式数为
N 1 4 2 2 2 d V
2 c2
c
8 2 c 3 Vd
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二、光子状态
1.光子的基本性质 光的量子学说(光子说)认为，光是一种以光速c运动的光
子流。光子（电磁场量子）和其它基本粒子一样，具有能量、 动量和质量等。它的粒子属性(能量，动量，质量等)和波动 属性(频率、波矢、偏振等)密切联系，并可归纳如下：
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以kx,ky,kz为 轴 建 立 坐 ,形标 成系 波 矢 空 间 ， 每个模对应波一 矢点 空， 间相 的邻模为 式: 的间
kx x ,
ky y ,
kz
z
kz
k
0
ky
kx
每 个 模 式 在 波 矢有空一间个占体:积 元
3
3
kxkykz
xy z
V
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在 波 矢 空 间 ，k的 绝 对 值 处 于k
~
k d
k的
体
积
是1
个
球
壳:
8
1
4
2 kd
k
8
kz
k
dk
所 以 在 此 体 积 内 的 模 式数 为 ：
0
ky
kx
N
π 2 k dk
2 π3 /V
2
2 k dk
π2 V
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以频率表示，
频率为
k
2
2
c
d
k
F [E (t) ]0 tcE 0 e i2 0 te i2 td E t00 tce i2 ( 0 )tdt
E0ei2 ( 0 )t
tc 0
i2( 0)
E0[ei2(0)tc 1]
i2(0)
ei(0)tc ei(0)tc
E0 i2(0)ei(0)tc
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E 0tcsi[ (n ( 0)0 t)ctc]ei(0)tc
（1）光子的能量ε与光波频率v对应
E 0 t c si( n 0 c ) t c ] e [ i( 0 ) t c
I(ν)I0 si2 n [(ν c ν0)tc]
(3) 线宽:光谱函数峰值一半所对应的两个频率之差
I(0)I0 sin2(c0.45)0.5
π(ν0)tc0.4 π5
0.45 ν1,2 ν0 tc
0.9 1
HeN:e 0.632μ8m 1011μm
1011
太阳光的相干长度：0.6m Kr86灯的相干长度：75cm He-Ne激光器的相干长度：30km
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二、方向性与空间相干性
P
S1
1.光源方向性的度量
Δ ——发散角
L
b
2.光源的空间相干性
R S2
✓ 描述某一时刻不同空间位置处的光波场之间的相关程度
tc tc
I() I0
0.5I0
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本质 反映光源的单色性
＝2- 1
1 0 2
4
4. 光源单色性能参数
1)定义
R
0 0
:光源谱线宽度, 0:光源中心频率
:光源波长范围, 0:光源中心波长
证
c
d d
c2
d d
0 0
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2、计算
R 0 1 Lc 0tc
第1章-激光的物理基础
3. 相干时间的大小
1 tc
：光源的谱线宽度(线宽)
证： (1)光场函数0<t<tc
0
其它
E E0
0
0：光源的中心频率
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tc t
2
(2)光谱函数:光强随光频变换的函数关系
IF[E(t)]2 F [E (t)]E (t)ei2td t 0
证 1
tc
c 0 0
tc
Lc c
R 0 0 1tcc0L ccL0 c
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两束频率为的单色光在空间某一考察点处干涉的强度为
I2I01cos2c
其中，为光程差
频率在0/2～ 0 /2的非单色光在空间某一考察点处 干涉的强度为
I2I01sincc
os2c0
c
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R bmax L Δ
Ac
bm2
ax
Δ
2
——能发生干涉的最大光源宽度 ——光源的相干面积
普通光源：向4立体角发射激光：发散角可达到10-3rad
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三、相干性
相干体积：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。
表达式： VcAcLcAcccΔ2c
四、高亮度
7
反衬度函数为
sin
V is
c
c
当 时
c
I 4I0
2I0
Vis 0
因此 c
0
——能发生干涉的最大光程差称为相干长度
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相干长度：Lc
c
ct
L
tc c
相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需的时间 tc t
Kr 86
0.605μ7m0.47106μm106
以沿z轴传播的平面波为例，则要求：
k 2z q 2 k q
z
结论
x y
➢ 不同的光波模式以不同的波矢k来区分
➢同一波矢k对应着两个具有不同偏振方向的模
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z
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2.空腔内的光波模式数
设空腔为V xyz的立方体,则波矢k的三个分量
应满足条件:
kx m x
ky
n
y
kz q z 每一组正整数m、n、q对应腔内的一种模式
0应 是 多 少 ？
解：根据相干长度定义，有
Lc
c
,因此
c Lc
。
另一方面，由于 c ,两边微分，
得
c
2
，因此有
c Lc
。
c
Lc
Lc
6.328107 1103
6.3281010
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第二节 光波模式和光子状态
一、光波模式：
1.定义：
广义定义：能代表光波场本征振动状态的场分布称为光波模 式，一种光波模式代表具有一定频率、一定偏振 方向、一定传播方向和一定寿命的光波
狭义定义：能够存在于腔内的驻波称为光波模式
单色平面波表示为：
E (r,t) E 0 e i( t k r )
其中
E0：光波电场的振幅
：单色平面波的角频率
k:
波矢量
r:
空间位置坐标
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在自由空间，具有任意波矢k的单色平面波均可存在。 问题：在有边界条件限制的空间，K的取值是否连续？