第1讲激光产生的基本原理概论
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《激光的基本原理》课件
利用光子学技术，可以实现高灵敏度、高分辨率的医学成 像和诊断。同时，光子学技术还可以用于生物科学研究， 如荧光共振能量转移等技术可以用于研究生物分子间的相 互作用和动力学过程。此外，光子学技术还可以用于光热 治疗、光动力治疗等领域，为癌症治疗等提供新的手段。
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详细描述
超快激光技术可以用于超快光谱学、 超快成像等领域，为物质科学研究提 供新的工具。同时，超快激光技术还 可以用于微纳加工、光刻等领域，提 高加工精度和效率。
光子晶体激光器的研究与应用
总结词
光子晶体激光器是一种新型的激光器件，具 有高效率、高稳定性等优点，在光通信、光 计算等领域具有广阔的应用前景。
随着技术的进步和应用需求的不断增长，激光技术逐渐拓展 到工业、医疗、通信、军事等领域，成为现代科技的重要组 成部分。
激光的重要性和应用领域
激光具有高亮度、高方向性、高单色 性和高相干性等优点，因此在科学研 究、工业生产、医疗卫生、军事等领 域有广泛的应用。
此外，激光还在通信、测量、军事等 领域中发挥着重要的作用，有力地推 动了科学技术的发展和社会进步。
1960年，美国物理学家梅曼发明了第一台红宝石激光器，标志着激光技 术的诞生。
激光的英文名称是“Laser”，是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的缩写，意为“受激发射光放大”。
激光的发展历程
激光技术经历了从初步实现到逐步成熟的发展过程，各种不 同类型的激光器也不断涌现，如气体激光器、固体激光器、 液体激光器和半导体激光器等。
例如，在工业领域中，激光可以用于 打标、切割、焊接、热处理等；在医 疗领域中，激光可以用于治疗眼科疾 病、皮肤病、口腔疾病等。
第一章 激光原理概论
激光产生的物质基础
黑体辐射的普朗克公式
黑体辐射大小
u dE v dVdv
（1）
uv单色能量密度，指在单位体积V内处于频率 v 处单位频率间隔内的
电磁辐射能量E。实验证明 uv 的大小 v与和温度T有关。
普朗克能量量子化假说
普朗克认为，原子中运动的电子可以视为一维的谐振子，它所吸收 或发射的电磁辐射能量不能连续化，只能以与振子的振动频率成正 比的能量作为基元，取它的整数倍。能量大小为：
主要是指电光变换器件，分成相非干线性 光光源学器和件非光 激参 光相量 产振 干生荡 高光次谐源波
光源器件的分类
激光的和频与差频
相干光源非激照线光明性固半等 染气光光体导 料 离体源学激体激 子 激器白光气激光 体 光件炽器体光器 激 器灯放光 器 激 激光电参光 光器灯量的 产光、振和 生源着性荧荡频 高光与 次重和器灯差 谐光高件性频 波的速非相 单脉干色冲光源显 照 信示 明 息光 光 处源 源 理着用白 对阴发 荧 液 等 本 场 气重光炽极光 光 晶 离 征 致 体比源显灯射二 显 显 子 场 发 放度线极 示 示 体 致 光 电 发 各 示、管管 器 器 管 发 灯 光 (种图E色(光 、 二 小 LL象)显 E灯 荧 极 型彩D的示（ 光 管 光)饱器固 灯 （ 源清和体 L晰E灯 度D度)）等、
激光产生的物质基础
爱因斯坦关系
则原子系统从吸收能量E2-E1后，单位时间内从E1 跃迁到E2 能级
的原子数为：
n B u n
12
12 v 1
处于E2上的原子，单位时间通过自发辐射与受激辐射跃迁至E1上
的原子数为：
n A u B n
21
激光的基本原理
激光的基本原理
激光的基本原理是通过激励介质中的原子发生受限电子跃迁，产生光的辐射，而这种辐射是具有高度相干性、单色性和定向性的。
其原理可以分为三个基本步骤：激励、发射和增强。
首先，通过外界的能量输入，激励介质中的原子处于一个高能级。
当原子处于这个高能级时，它们变得不稳定且容易被激发。
然后，在激励介质中的某个原子受到外界的刺激时，它会回到低能级并释放出能量。
这个能量以光子的形式释放出来，光子的特性决定了激光的特性。
最后，原子释放的光子通过受到激励的其他原子的促进作用，导致其他原子也被激发并释放更多的光子。
这种光子的相互作用导致了光子的增强，形成了一束高度相干和单色的光，即激光。
激光的基本原理在于通过三个步骤：激励、发射和增强，使得激光具有高度相干性、单色性和定向性。
这个原理的应用范围非常广泛，包括医疗、通信、测量、材料加工等领域。
激光原理(第1章)
由面积为dx的光源发出动量p限于立体角dq内的光子因此光子具有动量测不准量在dq很小的情况下其各分量为dppdqhndq1122因为dq很小故有1123如果具有上述动量测不准量的光子处于同一相格之内即处于一个光子态则光子占有的相格空间体积即光子的坐标测不准量可根据111111221123以及1121式求得1124上式表明相格的空间体积和相干体积相等
位置测得越准确，动量就越测不准。对于一维运动情况．测不 准关系表示为
Dx· DPx ≈ h (1.1.9)
上式意味着处于二维相空间面积元Dx· DPx ≈ h 之内的粒子运动 状态在物理上是不可区分的，因而它们应属于同一种状态。
在三维运动情况下，测不准关系为 DxDyDzDPxDPyDPz ≈h3 故在六维相空间中，一个光子态对应 (或占有 ) 的相空间体积元
于是，式(1.1.7)在相空间中可改写为 DPxDPyDPz DxDyDz≈h3
(1.1.12)
(1.1.13)
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。
三、光子的相干性 为了把光子态和光子的相干性联系起来，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 刻的光波场的某些特性（例如光波场的相位）的相关性。在相干性的经典 理论中引入光场的相干函数作为相干性的度量。但是，作为相干性的一种 粗略描述，常常使用相干体积的概念。如果在空间体积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。Vc 又可表示为垂直于光传播方 向的截面上的相干面积 Ac 和沿传播方向的相干长度Lc的乘积
式中
(1.1.3)
位置测得越准确，动量就越测不准。对于一维运动情况．测不 准关系表示为
Dx· DPx ≈ h (1.1.9)
上式意味着处于二维相空间面积元Dx· DPx ≈ h 之内的粒子运动 状态在物理上是不可区分的，因而它们应属于同一种状态。
在三维运动情况下，测不准关系为 DxDyDzDPxDPyDPz ≈h3 故在六维相空间中，一个光子态对应 (或占有 ) 的相空间体积元
于是，式(1.1.7)在相空间中可改写为 DPxDPyDPz DxDyDz≈h3
(1.1.12)
(1.1.13)
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。
三、光子的相干性 为了把光子态和光子的相干性联系起来，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 刻的光波场的某些特性（例如光波场的相位）的相关性。在相干性的经典 理论中引入光场的相干函数作为相干性的度量。但是，作为相干性的一种 粗略描述，常常使用相干体积的概念。如果在空间体积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。Vc 又可表示为垂直于光传播方 向的截面上的相干面积 Ac 和沿传播方向的相干长度Lc的乘积
式中
(1.1.3)
第1章 激光的基本原理 PPT课件
§5 光的自激振荡
损耗系数 振荡条件
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§5 光的自激振荡
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电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
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第1章 激光的基本原理 PPT课件
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§2 相干性的光子描述
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§2 相干性的光子描述
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§3 光的受激辐射的基本概念
黑体辐射的普朗克公式 光与物质相互作用的三
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§3 光的受激辐射的基本概念
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§4 光的受激辐射放大
激光器的基本思想 集居数反转
增益系数
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§4 光的受激辐射放大
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§4 光的受激辐射放大
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激光产生基本原理
激光根本原理一、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那么的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不一样。
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X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，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，那么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。
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1章_激光的基本理论
2.简并度f——同一能级所对应的不同电子运动状态 的数目(单个状态内的平均光子数)。
3.简并态—— 同一能级的各状态称简并态 例：计算1s和2p态的简并度
原子状态 n l
ml ms 简并度
1s
1
00
f1=2
1
2p
21
0
f2=6
-1
18
第一章 激光的基本原理
二、玻耳兹曼分布及粒子数反转
1. 玻耳兹曼分布(热平衡分布)
(19.77eV) 10-6 S
23
四、黑体辐射及其公式 1、描述黑体辐射的典型物理量
①单色能量密度 ,T：单位体积内，频率处于 附近
单位频率间隔内的电磁辐射能量，它是频率和温度的函 数。
注：寻求 的,T 函数形式进而确定单色辐出度的形式是当
时黑体辐射研究者们的一大目标！
②单光位波频模率密间度隔内n的：光腔波内模单式位数体。积中频率处于 附 近
n f e 2
2 (E2 E1 ) / kbT
讨论(设f i= f j) :
n1 f1
(1)如果E2 - E1很小,且满足 △E = E2 - E1＜＜kbT,则
n2 e (E2 E1 ) / kbT 1
n1
19
第一章 激光的基本原理
n f e 2
2 ( E2 E1 ) / kbT
第一章 激光的基本原理
前言
光具有波粒二象性，在描述光的性质是，可 以从其粒子性和光的波动性两个方面来描述光的 性质，进而引入了光波模式和光子模式来描述；
在激光产生的过程中，受激辐射和自发辐射 是其产生的基本原理，同时分析要实现光的受激 辐射放大需要满足集居数反转（粒子数反转）。
1
第一章 激光的基本原理
3.简并态—— 同一能级的各状态称简并态 例：计算1s和2p态的简并度
原子状态 n l
ml ms 简并度
1s
1
00
f1=2
1
2p
21
0
f2=6
-1
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第一章 激光的基本原理
二、玻耳兹曼分布及粒子数反转
1. 玻耳兹曼分布(热平衡分布)
(19.77eV) 10-6 S
23
四、黑体辐射及其公式 1、描述黑体辐射的典型物理量
①单色能量密度 ,T：单位体积内，频率处于 附近
单位频率间隔内的电磁辐射能量，它是频率和温度的函 数。
注：寻求 的,T 函数形式进而确定单色辐出度的形式是当
时黑体辐射研究者们的一大目标！
②单光位波频模率密间度隔内n的：光腔波内模单式位数体。积中频率处于 附 近
n f e 2
2 (E2 E1 ) / kbT
讨论(设f i= f j) :
n1 f1
(1)如果E2 - E1很小,且满足 △E = E2 - E1＜＜kbT,则
n2 e (E2 E1 ) / kbT 1
n1
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第一章 激光的基本原理
n f e 2
2 ( E2 E1 ) / kbT
第一章 激光的基本原理
前言
光具有波粒二象性，在描述光的性质是，可 以从其粒子性和光的波动性两个方面来描述光的 性质，进而引入了光波模式和光子模式来描述；
在激光产生的过程中，受激辐射和自发辐射 是其产生的基本原理，同时分析要实现光的受激 辐射放大需要满足集居数反转（粒子数反转）。
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第一章 激光的基本原理
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3.受激辐射
若入射光子的能量h 等于原子高、低能级的能量差E2 E1
且高能级上有原子存在时
E2
●
N2
h
E1
●
N1
入射光子的电磁场就会诱发原子从高能级跃迁到低能级 同时，放出一个与入射光子完全相同的光子
全同光子:频率 相位 振动方向 传播方向 相同
单位时间内从E2 E1的受激辐射的原子数为
E2
d N 21 B21v N2 d t
2、按工作方式分： 连续式 脉冲式
3、按波长分： 极紫外──可见光──红外/远红外
六、应用
★ 军事：激光制导、激光武器 ★ 加工：光刻、焊接、切割、打孔、雕刻 ★ 医疗：美容、手术 ★ 核技术：核聚变点火 ★ 生活：光纤通讯、激光笔、光盘存储 ★ 科技：光源、激光冷却、全息、激光光解
激光核聚变
这是激光核聚变靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生 核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。
4.相干性好
由于激光具有高单色性和高定向性，决定了激光具有极好 的时间相干性和空间相干性。
特制的氦 氖激光器输出的光束，相干长度达2107km。 氪灯只有38.5cm。
五、激光器种类：
1、按工作物质分： 固体（如红宝石Al2O3:Cr，YAG:Nd) 液体（如染料激光器） 气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓、GaAs、InGaN）
1 P1 P3
0,1,2
1 P1 P3
0,1,2
2 p53p
自发辐射
3 P2 3 S1
1 S01P11D2
3
S1
P3 0,1,2
D 3 0,1,2
管壁效应 电子碰撞激发
1s1s1S0 He
2 p6
Ne
氖原子 在 2 p55s
间2 p5 3 p
实现粒子数反转
四、激光的特点
1.方向性极好
激光束发散角小，接近衍射极限，约为10-3rad量级 普通光源发出的光辐射沿4立体角分布，比激光束大106倍。 激光束是高度平行的光束。
2.单色性好
Δ
小到10 - 15
3. 强度极高
激光器能产生宽度极窄的光脉冲， 使用调Q技术的激光器，可输出脉宽10-9s左右的光脉冲，使用 锁模技术，可产生10-14s的光脉冲。 由于能量被集中在极短的时间内发射出来，因此光功率极高。
聚焦状态可达到
I 1017 W/cm2
脉冲瞬时功率可达～10 14 W 可产生108K的高温 引起核聚变
v
8 h 3
c3
1 ehv / kT
1
普朗克黑体辐射公式
二、粒子数反转
1. 为何要粒子数反转
由大量原子组成的系统, 在平衡态, 原子数目按能级的分布服从 玻耳兹 曼统计分布
En
Nn
N2
N1
En
Nn e kT
N2 < N1
• 能量为 E2 E1 的入射光可引起两种过程
受激辐射 受激吸收
d N 21 B21v N2 d t d N 12 B12v N1 d t
世界上第一台激光器诞生于1960年，红宝石激光器 中国1961年 基本原理是基于1917年爱因斯坦提出的受激辐射理论
一、原子的激发和辐射
1. 自发辐射
原子处于激发态是不稳定的 会自发跃迁到低能级 同时放出一个光子 这个过程叫自发辐射
E2
N2
h
E1
N1
设 N1 、N2 为处于E1 、E2能级的原子数
要产生光放大必须 d N21 d N12
因为 B21=B12 必须 N2 > N1 —— 粒子数布居反转
2. 实现粒子数反转的必备条件
1) 依靠泵浦源激发原子
粒子数反转态是非热平衡态 为了促使粒子数反转的出现 必须用一定的手段去激发原子体系
这称为“泵浦”或“抽运” 激发的方式可以有光激发和原子碰撞激发等
2) 合适能级分布的工作物质
•有三能级或三能级以上的能级系统 E3 •上能级应为“亚稳态”
激发态
E2
亚稳态
（自发辐射系数小）
E1
基态
红宝石中铬离子能级示意图
•下能级不应是基态 而且对下下能级的自发辐射要大
三、光学谐振腔
为了强化光放大，应使受激辐射光反复多次通过工作物质 实现这一目的的装置是光学谐振腔 在激活物质两侧配置两个反射镜，就构成了一个“光学谐振腔”
第1讲:激光的产生基本原理
沈阳工业大学理学院 杨玉东
§1.1 激光原理简介
一、原子的激发和辐射 二、粒子数反转 三、光学谐振腔 四、激光的特点 五、激光器种类 六、应用
Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 激光：受激辐射的光放大
3.光学谐振腔： 保证光放大 使激光有良好的方向性和单色性
工作物质
激励系统
例： He — Ne 气体激光器的工作原理
He是辅助物质 Ne是工作物质 He与 Ne之比为5∶1 10∶1
氦氖气体激光器是四能级系统
1s2s1S0 1s 2 s 3S1
共 2 p55s
振
传 递
2 p5 4s
2 p53s
E2
●
h
N2
E1
●
N1
设 N1 、N2 分别为处于E1 、E2能级的原子数
则单位时间内因吸收光子而从 E1E2
的原子数为
E2
●
N2
h
d N 12 B12v N1 d t
E1
●
N1
B12 ---- 吸收系数
是频率 = (E2 – E1) / h附近单位频率间隔内辐射场的能量密度
B12 ---单个原子在单位时间内发生受激吸收过程的概率
E1
●
N2
h
●
N1
B21--- 受激辐射系数
是频率 = (E2 – E1) / h附近单位频率间隔内辐射场的能量密度
B21 ---单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率
A21 、B21 、B12 统称为爱因斯坦系数 1917年，爱因斯坦从理论上得出：
B21 = B12
A21
8 h 3
c3
B12
则在单位时间内从E2 E1自发辐射的原 子数为
d N21 A21N2 d t
E2
N2
h
E1பைடு நூலகம்
N1
Ａ21 自发辐射系数
---- 单个原子在单位时间内发生自发辐射的概率
2. 受激吸收
若原子处在某个能量为E1的低能级 另有某个能量为E2的高能级
当入射光子的能量h 等于E2 E1时
原子就可能吸收光子 而从低能级跃迁到高能级 这个过程叫受激吸收
激光
全反射镜
激励能源
部分反射镜
光学谐振腔的作用 1 )使激光具有极好的方向性（沿轴线） 2 )增强光放大作用（相当于延长了工作物质） 3 )使激光具有极好的单色性（选频）
小结: 激光器的三个主要组成部分
1.工作物质： 有合适的能级结构
2.激励能源：
能实现粒子数反转 谐振腔
使原子激发 维持粒子数反转