激光物理学
高等激光物理学第一章
光能密度
A21, B21与B12统称为爱因斯坦系数
1. 激光器的产生条件
爱因斯坦系数的关系 (A21, B21与B12)
考虑一个达到热平衡的空腔系统 组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数相等 各能级粒子数符合玻尔兹曼分布 空腔中的辐射场将有一个稳定的分布
T
组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数相等
受激辐射强于自发辐射
增大 （谐振腔）
dN 21 B21 N 2 dt B21 c3 3 dN 21 A21 N 2 dt A21 8 hv
激光是远离热平衡的系统
2.激光器的基本结构
工作物质
激光输出
反射镜 激励装置 反射镜
2. 激光器的基本结构
激光器的分类： 工作物质：固体激光器，气体激光器，半导体激光器… 运转方式：连续激光器和脉冲激光器 激励方式：光激励，放电激励…
L/c
称为腔的寿命
平均单位时间内的光强损耗 c(1 R) / L
tc 1/ L / c(1 R)
谐振腔的 Q 值为
Q tc /
（品质因数）
5.光的振荡
自激条件
令工作物质长度等于腔长，即
lL
反射镜 M 1 M 2 的反射率为 R1 R2
M1
4.激光的纵模
纵模
腔长L
驻波
Lq
q
2
q qc / 2L
c q q 1 q 2L
腔的损耗、Q值、寿命
光子数随时间的变化
dn n dt
n n0e t n0et / tc
其中 若二反射镜的反射率为 单程时间为
tc 1/ R1 R2 R
激光物理学2
（不需开胸，不住院） 照明束…照亮视场 纤维镜激光光纤……成象 有源纤维强激光 ……使堵塞物熔化
附属通道 （可注入气或液） ……排除残物以明视线 套环 ……（可充、放气） 阻止血流或使血流流通
30
内容小结
一、产生激光的必要条件 1、激励能源（使原子激发） 2、 粒子数反转（有合适的亚稳态能级） 3、光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）
E2 N2
h
E1 N1
全同光子
6
E2 N2
h
N1 E1
全同光子
设 （、Ｔ）……温度为Ｔ 时, 频率为 = (E2 - E1) / h 附
近，单位频率间隔 的 外来光的能量密度。
单位体积中单位时间内，从E２ E１ 受激辐射的原子数：
写成等式
B21受激辐射系数
7
令 W21 = B21·（、T） 则
时间相干性好（～10 - 8埃）， 相干长度可达几十公里。
1
空间相干性好，激光波面上 各个点都是相干光源。
2、方向性极好（发散角～10 –4 弧度）
3、脉冲瞬时功率大（可达～10 14瓦）。 4、亮度极高。
二 . 激光的种类 按工作物质分 固体（如红宝石Al2O3） 液体（如某些染料） 气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs）
2
按工作方式分 连续式（功率可达104 W）， 脉冲式（瞬时功率可达1014 W ） 按波长：极紫外(100 n m ）─可见光─亚毫米（1.222 m m ） 三、激光的发光机理 1、 粒子数按能级的统计分布
由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡 态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布：
§20-2 激 光( Laser ) ----神奇之光
激光物理学与各领域应用相关性
激光物理学与各领域应用相关性激光物理学是研究激光产生、传播和作用的科学，其广泛的应用领域涵盖了医学、通信、材料加工、科学研究等多个领域。
激光技术的快速发展和广泛应用，既推动了激光物理学的深入研究，也吸引了越来越多的科学家和工程师投身于相关的研究和应用领域。
首先，医学是激光技术最为重要的应用领域之一。
激光器可产生高强度，聚焦性好的激光束，用于医疗诊断和治疗。
例如，激光刀技术通过高能激光束准确切割组织，广泛应用于眼科手术、皮肤整形等。
此外，激光手术在癌症治疗、牙科手术以及各种内窥镜手术中也被广泛应用。
激光显微镜技术则可提供高分辨率，非侵入式的皮肤和细胞成像，用于皮肤疾病的诊断和研究。
激光在医学领域的应用，大大提高了精确性和治疗效果，为医学研究和诊疗带来了革命性变革。
其次，通信领域是另一个重要的激光应用领域。
激光通信利用激光的高频率和方向性传输信息，近年来已成为主流的高速、高带宽远距离通信技术。
激光器可产生稳定、窄带宽的光信号，通过光纤传输信号，在全球范围内实现高速数据传输。
激光通信技术可实现庞大数据容量的远距离传输，广泛应用于互联网、手机通信、卫星通信等领域。
激光通信技术的不断发展，推动了数字信息化和网络化的快速发展。
此外，激光物理学的应用还涉及材料加工和制造领域。
激光切割、焊接和打孔技术能够实现精密而高效的材料加工，广泛应用于汽车、电子、航空航天等行业。
与传统加工方法相比，激光加工技术具有更小的热影响区、更高的加工速度和更好的加工质量。
激光制造技术还被应用于3D打印，通过激光束的精确控制，可实现复杂形状的快速打印，推动了制造业的革新。
最后，激光物理学在科学研究中也扮演着重要角色。
激光在光谱学、原子物理学、量子光学等领域的应用不断拓展。
激光束的高准直性和高聚焦性使其成为研究微观粒子和原子结构的理想工具。
例如，激光冷却技术能够将气体冷却到极低的温度，用于研究量子行为和玻色-爱因斯坦凝聚等现象。
激光技术还可用于高分辨率成像、拉曼光谱和光激发发射等技术，为科学研究提供了强大的工具。
激光物理学的基本理论与应用
激光物理学的基本理论与应用激光物理学是一门研究激光的生成、传输、放大、调制和控制等基本理论及应用的学科。
激光技术的成功应用广泛地改变了人类的生活和工作方式，被誉为二十世纪最重要的科学技术进步之一。
这篇文章将介绍激光物理学的基本理论和应用。
一、激光物理学的基本理论1.激光的基本概念激光是一种具有高度定向性、高强度和窄带宽的电磁波。
激光的特点有相干性、单色性、选择性和聚焦性等，是由于激光与其他光源不同的特点。
2.激光的产生原理激光的产生原理是基于电子从低能级到高能级跃迁的过程，形成了一种能量超过发射阈值的光子。
在激光器中，常用的产生激光的方法有：光泵浦，电子束激活，化学反应激发和光化学反应激发。
其中最常用的是光泵浦激光器。
3.激光的放大原理放大即是将激光产生的辐射能量增强，激光的功率输出与放大器的尺寸和材料的物理特性等密切相关。
激光放大原理主要有三种：受激辐射放大、提高光场强度耦合放大和多光子效应放大。
4.激光作用机制激光的作用机制包括：热效应、电离效应、激光微切割、激光微加工和激光光化学等。
其中电离效应可应用于激光制导、光谱分析和人工宝石生长等领域；激光微切割和激光微加工可用于制造薄膜电路、内脏手术和焊接工艺等领域；激光光化学可用于光化学反应器制造和光解腐蚀等领域。
二、激光物理学的应用1.医疗领域激光在医疗领域的应用十分广泛。
手术激光器可用于眼科手术、皮肤美容、血管手术和泌尿科手术等；诊断激光器包括激光血流仪和激光显微镜等；治疗激光器包括激光低能量疗法、激光曝光疗法和激光消毒技术等。
这些激光技术已经极大地改善了医学的治疗效果和患者的生活质量。
2.工业制造激光技术在工业领域的应用十分广泛。
激光切割机可用于金属、木材和塑料等材料的切割和雕刻；激光焊接机可用于制造汽车、电子产品和航空器件；激光三维打印技术可用于制造家具、艺术品和建筑构件等。
这些激光技术已经极大地改善了工业的制造效率和产品的质量。
3.通信技术激光技术在通信领域的应用也十分广泛。
激光基本功——激光物理学
激光基本功——激光物理学激光作为现代科技中的重要一环，在医疗、制造、通信等多个领域都有广泛应用。
激光的发明和发展一直以来都离不开对其物理原理的深入研究。
本文将介绍激光的基本物理原理、激光的特性以及激光在现代科技中的应用。
一、激光的物理原理激光的物理原理是基于被激辐射的原理产生的，即原子（或分子）受到电磁波的激励后，会发生一个电子跃迁的过程，从而放出一束能量与入射光同相且具有高度相干性的光束。
相比于其他光源，激光可以产生高达数兆（10^6 千瓦）以上的功率，其光束也有非常强的指向性和集中性。
这些特性使得激光在科技、制造、医疗等领域中得到了广泛应用。
二、激光的特性1. 相干性相干性是指激光的光子之间存在定向关系，具有单色性和方向性。
由于只存在某一波长的光子，这使得激光光束的色散极小，能够高效地传输。
2. 指向性激光光束的指向性非常强，即将几乎所有的光能量都聚集在光束中心。
这是因为激光光束的裸眼可见性很低，但可以通过特殊的仪器来观察和控制。
3. 谐振腔激光的发射需要通过谐振腔。
谐振腔是由两个镜子组成的，分别为反射镜和输出镜，通过使光在两个镜子之间反复反射，形成谐振振荡，从而产生激光束。
4. 发射频率激光的频率非常高，一般在数百万到数千亿赫茨之间，因此激光能够产生极高的分辨率。
三、激光在科技中的应用1. 制造业激光在制造工业中得到广泛应用。
激光能够在非常精细和狭窄的地方进行切割、焊接和打孔等高度精密的加工操作。
比如，激光切割在金属加工、皮革和木材加工等应用领域具有广泛的应用。
2. 医疗激光技术在医疗领域中也得到了广泛的应用，如激光治疗癌症、激光近视手术等等。
由于激光光束的集中性和高精度，激光手术技术已经成为了一种安全而有效的方法。
3. 通信激光作为一种高度集中、高密度和高速度的信息传输介质，被广泛应用于通讯领域。
激光通信技术在未来有望替代传统的有线和无线通信方式，成为更快、更安全的传输方式。
总的来说，激光作为一种现代科技中的重要组成部分，对人类社会的发展做出了巨大贡献。
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。
激光物理学LaserPhysics
1985年，Migdall：实现17mK;
(Stenwen Chu):用不同的方法实现240uk
激光物理学LaserPhysics
➢ 1988年： （Aspect）速度选择相干捕陷 2μK
➢ 1992年: (Kasevech): Raman冷却 100nK ➢ 1995年 至今： (Anderson )：磁光量子阱+
蒸发冷却 20nK
激光物理学LaserPhysics
各向同性激光辐射与具有热速度分布原子气体冷却
激光物理学LaserPhysics
实验由三对相向、频率满足Δω=ω-ω0 = K · v < 0 ，即多普勒线型低频 端（红移）。
激光物理学LaserPhysics
ห้องสมุดไป่ตู้
激光扫频法：(Frequency Chirping) 基本思想是让冷却激 光的频率连续跟随原子多普勒频移的变化，持续保持共振。
光照射原子，可使其损失动量而减速；
激光物理学LaserPhysics
巴里克恩（Balykin）、里特考夫（Letokhov）首 次观察到激光减速原子效应；
激光物理学LaserPhysics
1980~1981年 ，米纳根(Minogin)用激光扫描法比较 显著的实现原子束减速达：1.5K 1982年 ，菲里普斯（Philips）显著的原子减速 100mk
激光物理学LaserPhysics
激光冷却原子在科学上的意义
➢ 3):激光冷却原子使原子钟的精度提高2~3个 量级。
激光物理学LaserPhysics
总结
➢ 第一、激光冷却原子最基本的思想是：原子对光子 吸收再 发射，动量守恒和能量守恒。
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。
激光物理学研究
激光物理学研究激光（Laser）是一种以强度极高、相干性极好的光束为基础的光学器件，它成为了现代科技中一项重要的研究课题。
激光在许多领域中都有着广泛的应用。
如在工业上的激光打印、激光加工，医学上的激光治疗等都有所应用。
而在激光的应用中，物理学研究则成为了未来激光发展的重要方向。
激光的物理学研究涉及到众多的领域。
包括激光的产生、放大、调制、成像等。
其中最为重要的研究方向则是激光的产生。
激光产生的基本原理是由激光器内的激光介质通过吸收能量而被激发，从而产生了光子。
这个光子在受到激发后它会经过能级的转化，从而发出光子，在这个发出的光子之中有一部分强度足够的光子就会在激光介质之间来回反弹，这就形成了光的增强。
激光器中的激光介质有很多种，如气体、液体、晶体等。
不同种类的激光介质所产生的激光波长也是不同的。
激光器的种类也有很多，相互之间存在着很大的差异。
例如，在激光产生后，还有需要对激光进行放大操作，这时激光通过激光放大器被反复的放大，从而产生高强度的光束。
激光放大器的种类也有很多，如CO2激光放大器、Nd:YAG激光放大器等。
除了激光的产生和放大，还有激光的调制。
激光调制是指对激光波的幅度、频率、相位进行调整的过程。
这种调制是对激光的波特性进行改变，使之符合特定的应用。
例如，对激光进行振荡调制，可使之显示出非常高速、连续的波形。
而对激光进行脉冲调制，则可以用来进行高速传输等。
在激光的应用中，除了医学、工业、军事等领域，还有激光在通信上的应用。
光通信是指通过光信号进行通信的传输方式。
激光的冷却效应可以使得电子器件得以进行高效的工作，而超大功率激光器则可以用来替代传统的化学火花器，以进行材料加工等。
总而言之，激光物理学研究是一个日益重要的领域。
它与激光器的生产制造、激光器的运行等多个领域息息相关。
激光物理学研究的进展将会极大地推动激光器的发展，使之在各种领域中得到广泛的应用。
随着时代的发展，我们相信激光物理学研究的未来将会更为美好。
高等激光物理学第九章
d 2k k d 2
0
d 1 ( ) d vg
0
1 dvg 2 vg d
0
k 0
dvg d dvg d
0
d 2n 0 2 d
d 2n 0 2 d
正常色散
k 0
0
反常色散
d 2k k d 2
对于
dA 1 sin A dz 2
A (2n 1)
稳定
双曲正割函数
9.3 光纤中孤立子的形成机理
色散 非线性效应 平衡
k n
脉冲展宽 脉冲压缩 光纤孤子
c 1 k k0 k ( 0 ) k ( 0 ) 2 L 2 dk 1 k d 0 vg
克尔效应
n n0 n2 I
n0 n2
2
线性折射率 克尔系数
设光脉冲在光纤中传播长度为l ，则由克尔效应引起的相位移动为
0
n2 Il
自相位调制
附加相位引起的频移
2 I n2l t 0 t
附加相位引起的频移
2 I n2l t 0 t
0
3 d 2n 2 c 2 d 2
群延时
1 dk g vg d
dk constant d
群延时差
总的群延时差
m n w
m n
w
多模色散 光纤材料色散 光纤波导结构色散引起
m n w
l LNL
对于
LD l LNL
对于
LNL l LD
色散与非线性效应平衡时
LD LNL
T0 2 1 k P0
激光物理学中的相干光与非相干光区别分析
激光物理学中的相干光与非相干光区别分析相干光与非相干光在激光物理学中扮演着重要角色。
在这篇文章中，我们将深入探讨相干光和非相干光的区别，并解释它们的应用和影响。
相干光是指光波之间存在相位关联，而非相干光则是指光波之间没有明显的相位关联。
这种相位关联对光的干涉现象至关重要。
当两束相干光发生干涉时，它们的相位差会导致干涉图样的增强或抵消。
这种相位关联可以由同一光源产生的两束光实现，或者通过干涉装置来实现。
在实际应用中，相干光常常用于干涉测量、干涉显微镜以及激光干涉仪等。
通过利用相干光的干涉现象，可以实现高精度的测量和成像。
干涉技术在科学研究和工程应用中具有广泛的应用，例如测量对象的形状、表面质量、薄膜厚度等。
与相干光相反，非相干光是指光波之间没有相位关联，它们的光强波动是完全随机的。
由于没有相位关联，非相干光不存在干涉现象。
非相干光的光强波动在时间和空间上是不相关的。
非相干光在一些应用中更为常见。
例如，日光、白炽灯以及荧光灯等都是非相干光源。
这些光源的光波之间的相位关系是无规律的，因此它们不会产生干涉图样。
虽然非相干光无法实现干涉测量和成像等应用，但在其他领域中起到了重要作用。
光学通信就是一个很好的例子。
由于信号传输时需要考虑噪声的影响，非相干光作为信号载体可以避免相位相关的问题，从而提高通信的可靠性。
此外，相干光和非相干光对于激光器的性能和应用也有一定影响。
激光器是一种产生被放大的相干光的光源。
相干性可以保证激光器输出的光具有高方向性、窄谱宽和高亮度等特性。
然而，激光器的非线性效应和噪声会导致激光的相干度下降。
由于这些影响，激光器输出的光在某些情况下可能会变得非相干。
因此，为了保持激光器的相干性，需要采取一系列措施，例如使用稳定的激光谐振腔、降低激光器的噪声等。
对于激光的应用来说，相干性和非相干性的性质对于激光技术的研究和发展具有重要意义。
例如，激光干涉仪利用激光的相干性实现高精度测量，而激光成像技术则利用激光的非相干性来获取物体的表面形状和质量。
激光物理学复习提纲
《激光物理学》复习提要1、激光的应用有哪些？举出实际例子，并说明运用了激光的那些特性？2、按工作物质来分，激光器的种类主要有哪些？激光器的基本结构由哪几部分组成？3、激光为什么具有很好的单色性、相干性、方向性和高亮度的特点? 试分别阐述激光具有以上这些优越特性的缘故。
为什么说普通光源是非相干光源？激光是相干光源？4、激光器激励能源（泵浦源）最常见的激励方式有哪些？氦氖激光器所采用的是那种激励方式？红宝石所采用的是那种激励方式？5、光学谐振腔对激光形成起到了什么作用？6、形成稳定输出激光的内在条件是什么（激活介质）？外在条件是什么（谐振腔、与激活介质和谐振腔相匹配的激励能源）？7、原子所发射的每一条光谱线的频率（或波长）并不是单一的，实际的光谱线都具有一定的宽度，造成光谱线自然增宽的原因是什么？造成光谱线碰撞增宽原因是什么？造成光谱线多普勒增宽的原因是什么？某原子的某条光谱线的谱线宽度又称为荧光线宽，激光物理学∆=1500MHz 中称为光谱线的增益宽度，比如:氖原子632.8nm谱线的增益宽度ν8、爱因斯坦辐射理论：光与物质相互作用三个基本过程？9、为什么把基模激光束称为高斯光束？试描述高斯光束的光束特性：（1）波阵面上（通常指光束横截面）的振幅（或光强）分布特点？（2）光束传播特点？（提示：从光束的发散情况说明，是平行、发散还是汇聚，光束传播的规律？）（3）该光束波阵面的形状与分布情况？并且画出高斯光束横截面的光强I按光斑半径r的分布曲线（原点o为圆形光斑的中心）。
10、在实际应用激光时，需要了解激光器的模式状态。
例如，在全息照相实验中所使用的激光器的模式状态必须是怎样的？（单纵模输出？基横模输出？）11、在激光模谱分析实验中，如果我们观察到激光的模式谱线不稳定，说明其输出谱线的频率不稳定，试说明造成这种现象的主要因素是什么？12、要获得单色性和相干性良好的激光，这就要求激光器必须是单纵模并且是稳定输出。
激光物理学与非线性光学
激光物理学与非线性光学激光物理学是光学领域中的一个重要分支，研究激光器的理论、设计和应用。
非线性光学则是指光在非线性介质中传播时所表现出的非线性效应。
本文将探讨激光物理学和非线性光学之间的关系，以及它们在科学研究和实际应用中的重要性。
激光物理学是研究激光器的基本原理和特性的学科，它涉及到激光的产生、放大、调制、控制和测量等方面。
激光器是一种将能量转化为光能的装置，它能够产生一种高强度、单色、相干、方向性好的光束。
激光具有许多独特的特性，例如光束的聚焦能力强、能量密度高、波长短等，这些使得激光在科学研究、医学、工业生产等领域有着广泛的应用。
非线性光学则是研究光在介质中传播时所表现出的非线性效应的学科。
在非线性介质中，光波的传播会受到介质非线性极化效应的影响，导致光的频率、相位和振幅等发生变化。
非线性光学研究的对象包括非线性折射、自聚焦、光学非线性显微镜等现象，这些现象在科学研究和信息通信领域具有重要意义。
激光物理学和非线性光学之间有着紧密的联系和互相影响。
激光器通常使用非线性晶体或非线性光纤等非线性介质来实现光的频率倍频、调制和调谐等功能，非线性效应可以改变光的特性，使得激光器的输出更加丰富多样。
同时，激光器也为非线性光学研究提供了强大的光源，使得研究人员能够观测和探索更多非线性效应，推动非线性光学领域的发展。
在实际应用中，激光物理学和非线性光学有着广泛的应用。
激光器被应用于医学诊断、激光治疗、精密加工、通信技术等领域；非线性光学则被应用于光通信、光计算、光存储、光传感等领域。
两者的结合将为光学技术的发展带来更多的可能性和机遇，促进科学研究和工业生产的进步。
总之，激光物理学和非线性光学作为光学领域中的两大重要分支，它们之间有着密切的联系和相互促进的关系。
随着科学技术的不断发展和进步，激光物理学与非线性光学的研究将继续深入，为人类社会的发展和进步注入新的活力和动力。
愿激光物理学与非线性光学的研究者们不断探索，不断创新，为光学领域的发展贡献自己的力量。
激光物理学分解
第一章激光的基本概念§1.1时间相干性和空间相干性１．相干时间２．相干面积３．相干体积§1.2光波模式和光子状态１．光波模式２．光子及其状态§1.３光与物质的相互作用１．光与物质相互作用的三过程(自发辐射受激吸收受激辐射)２．爱因斯坦系数间的关系３．光子简并度４．激光器与起振条件第二章腔模理论的一般问题§2.1变换矩阵１．变换矩阵的基本性质２．变换矩阵各元素的意义§2.2腔的稳定性问题１．稳定性条件２．等效方法§2.3腔的本征模式§2.4腔的损耗1. 平均单程损耗因子2．光子在腔内平均寿命3．无源谐振腔的品质因数Q4．本征振荡模式带宽第三章稳定球面腔§3.1共焦腔的振荡模§3.2光斑尺寸和等价共焦腔§3.3衍射损耗及横模选择§3.4谐振频率，模体积和远场发散角第四章高斯光束§4.1 厄米高斯光束和拉盖尔高斯光束§4.2 高斯光束的q参数第五章非稳定腔§5.1 非稳定腔的谐振模§5.2 几何放大率和功率损耗率§5.3 单端输出虚共焦腔的设计第六章电磁场和物质相互作用§6.1 线性函数1. 定义2.自然加宽和碰撞加宽N3. 多普勒加宽4. 综合加宽§6.2 速率方程组1.三能级系统2.四能级系统第七章增益饱和与光放大§7.1 发射截面和吸收截面§7.2 小信号增益系数§7.3 均匀加宽工作物质的增益饱和1. 反转集居数的饱和2. 均匀加宽大信号增益系数§7.4 非均匀加宽工作物质的增益饱和1. 加宽大信号增益系数2. 强光作用下弱光的增益系数第八章激光振荡理论§8.1激光器的振荡阈值,阈值反转集居数密度§8.2连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率§8.3多模激光器§8.4 频率牵引第九章激光的半经典理论§9.1处理方法§9.2 密度矩阵1.定义2.性质§9.3 集居数运动方程迭代解1. 静止原子的单模理论2. 运动原子的单模理论3. 静止原子的多模理论4. 环形激光器5. 塞曼激光器第十章激光的量子理论§10.1 辐射场的量子化§10.2 相干态§10.3 相干态的几个性质§10.4 约化密度矩阵§10.5 原子和辐射场的相干作用§10.6 主方程§10.7 振荡阈值和增益饱和§10.8 光子统计§10.9 内禀线宽§10.10 激光场的光强涨落第十一章相干光学瞬态效应§11.1 二能级系统和辐射场相互作用§11.2 相干瞬态光学过程§11.3 相干双光子过程激光物理(Laser Physics)021-专课程代码:319.005.1共济网课程性质:专业选修课院学分数: 3 周学时: 3200092同济大学四平路教学目的：同济激光是继电光源、X光以后，人类在上世纪六十年代发明的，又一种对人类社会进步带来革命性影响的光源。
激光物理学
激光 是20 世纪 的四 项重 大的 发明 之一
1：激光的发展史
1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了
关于激光器的经典论文，奠定了激光发展 的基础。 1960年，美国加利福尼亚州休斯航空公司 实验室的研究员梅曼发明了世界上第一台 红宝石激光器。 1965年，第一台可产生大功率激光的器件-二氧化碳激光器诞生。 1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。
形形色色的激光武器
机载激光武器
激光在信息技术领域的应用
全息照相
光存储
大屏幕显示
(1) 全息照相
激光束用分光镜一分为二，其中一束照到
被拍摄的景物上，称为物光束；另一束直 接照到感光胶片即全息干板上，称为参考 光束。当光束被物体反射后，其反射光束 也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄 制过程 全息照片和普通照片截然不同
激光全息存储的优点
信息存储容量大---可达1Tb/cm3 记录速度快 记录信息不易丢失---寿命可达数百年
便于长期保存---每一碎片都包含完整信息
便于拷贝、复制
体全息信息存储
体全息信息存储原理
（3）DPL大屏幕显示
采用二极管泵浦的固体激光器，
倍频输出 红绿蓝三基色的 激光全色显示具有色彩十 分丰富多彩，亮度高、 清晰度高等优点预 计未来10年内在计算机投影仪、 大屏幕高 清晰显示和数字电视 方面得到广泛应用
速率，传输距离2-4公里 4）安全保密性强 5）协议透明 6）成本低—是光纤到楼的1/10到1/3 7）便 携性
的通信系统，即以大气为媒介的激光通信 系统 两种工作波长：850纳米 1550纳米 850纳米设备便宜，应用于传输距离短的场 合 1550纳米红外光波可被视角膜吸收，照不 到视网膜，可增大传输功率，适用于传输 距离远的场合
第一章 激光光束 激光物理(研究生)
定律有 电 2 Cr1 D1 Dr2 r1 2 子 B 1 科 L( r , r ) L Ar 2 Dr 2 2r r 1 2 0 1 2 1 2 (1.2.17) 2B 技 大 若参考平面RP1及RP2处的折射率分别为n1和 学 n2，则(1.2.17)修改为
一、自由空间传播L距离
θ2
电 θ1 r2 2 1 子 r1 科 z L 技 大 近轴光线，θ1很小，有tgθ1＝θ1 。故有 学
写成矩阵表 达形式为
r2 1 L r1 0 1 1 2
r2 r1 L tg1 1
1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器
电 子 科 技 大 学
第一台红宝石激光器的拆卸图 电 子 科 技 大 学
Laser 突破了非相干光源单色亮度低、在介质
中中传播时因吸收而不断减弱的缺陷,当泵浦光
电 子 科 技 大 学
通过激光介质并有适当的谐振腔时,发生受激发 射,形成出射光强远大于人射光强、相位整齐、 亮度高、方向性好、强度高的相干光,为信息处 理提供了稳定的载息媒介。
r2 Ar1 B1
r2 Ar1 1 B
1 2 2 L( r1 , r2 ) L0 An1r1 Dn2 r2 2n1r1r2 2B (1.2.18)
假设RP1上场分布A1(r1)，RP2上场分布A2(r2)， 根据菲涅耳衍射积分，有
电 子 二维场，有 2 i 科 A x , y i A x , y e L x ,y ,x ,y dx dy 1 1 1 2 2 2 1 1 B 技 0 (1.2.20) 式中 大 L( x1 , y1, x2 , y 2 ) L0 学
激光物理学及其应用
激光物理学及其应用激光是一种高度纳秒脉冲的光束，可以用于许多应用。
激光物理学是一门涉及激光的光学分支学科，对激光的产生，传播和相互作用进行了深入研究。
本文将介绍激光及其物理原理，并探讨一些激光的应用。
一、激光的产生激光的发明起源于1960年代，是由于物理学家使用各种手段来产生可控制的一种光束。
激光的产生过程是将电能、热能或另一种能量形式通过某些方式输入光频外的介质来刺激电子的激发。
这些激发的电子从一个能级跃迁到另一个能级，释放出一个光子，即光子受到激发。
这些激发的光子先储存在光共振腔中形成光场，然后被光束所异芽，从而产生激光。
激光在激光共振腔中反复往复，形成激光输出。
二、激光的特点激光的特点是呈高亮光源，单频性高，方向性好，耐振动，高能量紧凑，能够传输到长距离。
这些特点使得激光得到了许多应用，比如在医学、通信、仪器制造和军事等领域。
三、激光的应用（一）激光切割加工激光切割技术是利用激光束的高能量密度，将材料加热达到熔点或高于熔点，然后通过气流、水流等传导方式将熔融区从材料上剥离下来。
这种切割技术无需接触材料，可以避免刀具和工件之间的磨损。
在工业生产中，激光切割技术已经广泛使用，如汽车制造、电子设备加工等领域。
（二）激光医学激光医学是一种应用激光进行治疗、美容和诊断的医学技术。
激光医学的一些应用包括：激光美容、白内障手术、疣和瘤的减少、减少血管畸变、切除肿瘤等。
（三）激光测量激光测量是一种利用激光进行物理量测量的技术。
激光测量具有测量精度高、分辨率高、可重复测量等优点，并且不受其他光影响，可以获得准确的测量结果。
激光测量广泛应用于工程、宇航、机械等领域，如3D扫描、激光雷达、物体识别等领域。
（四）激光通信激光通信是利用激光代替无线电波进行高速数据传输的技术。
激光通信的数据传输速度远高于无线电波技术，可以达到100Gb/s 以上的传输速度。
由于激光能够很好地抑制环境噪音，激光通信还可以在安全通信、防窃听等领域得到应用。
激光物理学
激光物理学
激光物理学是一门复杂的应用物理学，涉及到激光原理、激光器工作原理，以及激光对材料、生物等与之相关联的应用研究，该学科主要阐述激光产生与特性、激光材料及激光机械、激光处理技术等内容。
因此，激光物理学在学术界有较高的价值，一些高校也致力于培养合格的激光物理学类的学生。
在高校的激光物理学学习中，学生要掌握激光物理学的基础知识，包含物理学的基本知识、激光仪器的制作原理，以及激光指导的实验操作精要等。
这种知识具有技术性，需要学生熟悉实验室操作，以及数学、物理学知识和技巧，这有助于学生为实际应用做准备。
此外，高校还提供各类型的激光物理学课程，结合实验教学，让学生了解激光物理学的最新发展情况，掌握近几年内实验室的发展状况，以便学生更好地使用激光物理学知识和技术，从而为学术研究提供依据。
激光物理学学习在高校不仅要求学生掌握相关求解方法，更要养成灵活运用知识的习惯，加强计算机与信息技术的应用，提高学生的实际运用能力。
多学科跨学科合作，快速解决工程问题，探索、开发新材料，掌握最新的高新技术，从而使学生在激光物理学学科方面更上一个新台阶，助力更大的学术突破与技术进步。
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第一章激光的基本概念§1.1时间相干性和空间相干性１．相干时间２．相干面积３．相干体积§1.2光波模式和光子状态１．光波模式２．光子及其状态§1.３光与物质的相互作用１．光与物质相互作用的三过程(自发辐射受激吸收受激辐射)２．爱因斯坦系数间的关系３．光子简并度４．激光器与起振条件第二章腔模理论的一般问题§2.1变换矩阵１．变换矩阵的基本性质２．变换矩阵各元素的意义§2.2腔的稳定性问题１．稳定性条件２．等效方法§2.3腔的本征模式§2.4腔的损耗1. 平均单程损耗因子2．光子在腔内平均寿命3．无源谐振腔的品质因数Q4．本征振荡模式带宽第三章稳定球面腔§3.1共焦腔的振荡模§3.2光斑尺寸和等价共焦腔§3.3衍射损耗及横模选择§3.4谐振频率，模体积和远场发散角第四章高斯光束§4.1 厄米高斯光束和拉盖尔高斯光束§4.2 高斯光束的q参数第五章非稳定腔§5.1 非稳定腔的谐振模§5.2 几何放大率和功率损耗率§5.3 单端输出虚共焦腔的设计第六章电磁场和物质相互作用§6.1 线性函数1. 定义2.自然加宽和碰撞加宽N3. 多普勒加宽4. 综合加宽§6.2 速率方程组1.三能级系统2.四能级系统第七章增益饱和与光放大§7.1 发射截面和吸收截面§7.2 小信号增益系数§7.3 均匀加宽工作物质的增益饱和1. 反转集居数的饱和2. 均匀加宽大信号增益系数§7.4 非均匀加宽工作物质的增益饱和1. 加宽大信号增益系数2. 强光作用下弱光的增益系数第八章激光振荡理论§8.1激光器的振荡阈值,阈值反转集居数密度§8.2连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率§8.3多模激光器§8.4 频率牵引第九章激光的半经典理论§9.1处理方法§9.2 密度矩阵1.定义2.性质§9.3 集居数运动方程迭代解1. 静止原子的单模理论2. 运动原子的单模理论3. 静止原子的多模理论4. 环形激光器5. 塞曼激光器第十章激光的量子理论§10.1 辐射场的量子化§10.2 相干态§10.3 相干态的几个性质§10.4 约化密度矩阵§10.5 原子和辐射场的相干作用§10.6 主方程§10.7 振荡阈值和增益饱和§10.8 光子统计§10.9 内禀线宽§10.10 激光场的光强涨落第十一章相干光学瞬态效应§11.1 二能级系统和辐射场相互作用§11.2 相干瞬态光学过程§11.3 相干双光子过程激光物理(Laser Physics)021-专课程代码:319.005.1共济网课程性质:专业选修课院学分数: 3 周学时: 3200092同济大学四平路教学目的：同济激光是继电光源、X光以后，人类在上世纪六十年代发明的，又一种对人类社会进步带来革命性影响的光源。
由于激光的亮度高、单色性好、相干性好、方向性强等特点，已广泛应用于材料科学、生命科学和信息科学等众多领域的基础和应用基础研究，在医学、工业、信息、军事等领域也都起到不可或缺的作用。
本课程将重在基本概念、物理图象，重在理解和运用；学习以后，得到学以致用的开阔思路，得到不仅知其然，而且知其所以然的乐趣。
33623 037同济大学四平路教学内容：336260 37·激光的基础理论336 26038·激光的产生和基本原理021-·谐振腔48号·激光器件共济·锁模激光器彰武·自由电子激光专·X光激光彰武·相干光学瞬态过程3362 3039·激光光谱网络督察课教学和考核方式：采用多媒体课件教学方法，每周3学时讲课，有些课后将留下若干作业，学期期中和期末进行开卷测验，评定考核成绩。
参考教材：1．[美] W. 克希耐尔著，孙文等译，《固体激光工程》，科学出版社，20022．彭惠民等主编，《X射线激光》，国防工业出版社，19973．黄世华编著，《激光光谱学原理和方法》，吉林大学出版社，2001编写者：周映雪（复旦大学物理系教授）编写时间：2003年11月激光原理》课程教学大纲课程编码：5010205学分：4学分总学时：64学时适用专业：光信息科学与技术一、课程的性质、目的与任务：《激光原理》是光信息科学与技术专业的主干专业课，本课程向学生教授激光器的基本原理，培养学生分析解决激光物理问题的能力，特别强调物理概念的深入理解，为今后从事光信息技术科研及开发工作打下良好的专业基础。
二、先修课程：量子力学、电动力学、热学与统计力学光学原理电子技术基础三、教学基本要求：了解激光的发现、量子电子学的诞生、激光科学的创立。
光的模式及等价概念，光与物质相互作用过程的几种理论描述方法以及辐射量子理论的主要结论；激光物理的理论形式及适用范围。
理解光的自发辐射、受激辐射和受激吸收的爱因斯坦理论，光谱线的形状和加宽机理，粒子数反转分布，增益特性和速率方程理论，激光器的工作过程，谐振腔的光场运动方程及高斯光束特性，等价共焦腔理论，调Q及锁模原理。
掌握辐射半经典理论，激光阈值条件，连续激光器稳定状态的建立，模式竞争，根据激光工作物质的增益特性分析激光器的震荡条件、模式竞争效应、输出功率及激光放大器增益特性，具有均匀加宽和非均匀加宽谱线工作物质增益饱和行为的差别以及相应的激光器工作特性的差别，腔的稳定条件，腔的衍射理论对共焦腔解析解的结果——高斯光束的性质。
四、教学内容：（一）辐射理论 16学时1、光的模式、光子的量子状态3学时2、辐射的经典理论4学时3、辐射的半经典理论4学时4、辐射的量子理论2学时5、光谱线形式及加宽3学时（二）激光器基本原理 21学时1、粒子数反转分布 4学时2、工作物质增益特性及饱和效应 4学时3、激光器的阈值条件 4学时4、连续运转激光器稳定状态的建立 3学时5、激光器的速率方程理论 3学时6、激光器的频率特性 3学时（1）激光器的频宽（2）频率牵引效应（三）光学谐振腔 14学时1、光学谐振腔的稳定条件 4学时2、光学谐振腔的衍射理论 6学时3、等价共焦腔4学时（四）激光理论简介 5学时1、激光理论的结构和分类 1学时2、拉姆自洽场方程 2学时3、宏观电极化强度与密度矩阵的关系 2学时（五）调Q及锁模原理 8学时1、调Q原理4学时2、锁模原理4学时五、教学参考书1、沈柯编．激光原理教程．第一版.北京：北京理工大学出版社出版.1986年2、周炳琨等编．激光原理．第一版，北京：国防工业出版社出版.1983年3、邹英华、孙陶亨编著．激光物理学．第一版．北京：北京大学出版社．1991年4、Orazio Svelto，Principles of lasers，New York：Plenum Press，19895、Jeff Hecht, Understanding lasers:an entry-level guide,New York:IEEE press,1994北京工业大学“激光原理”课程教学大纲英文名称：Principle of laser课程编号：0000246课程类型：学科基础必修课学时：56 学分：3.5适用对象：本科生先修课程：《高等数学(I)-1》、《高等数学(I)-2》、《普通物理I-1》、《普通物理I-2》、《光学I》使用教材：《激光原理与激光技术》，俞宽新等编著，北京工业大学出版社，1998年3月参考书：《激光原理》（第五版），周炳琨等编著，国防工业出版社，2004年8月一、课程性质、目的和任务《激光原理》是应用物理专业（光通信与光电子技术）本科生的学科基础必修课，在学习过公共基础必修课《高等数学(I)-1》、《高等数学(I)-2》、《普通物理I-1》、《普通物理I-2》和学科基础必修课《光学I》等课程以后开设。
它又是本专业限选课《晶体光学》、《光电子学》、《光纤通信原理》、《信息光学》和实践环节课程《专业物理实验-1》、《专业物理实验-2》等所必须的先修课。
本课程旨在使学生掌握激光器发光的机理、条件及性质；光学谐振腔及其产生的高斯光束的基本性质；激光巨脉冲技术如调Q技术和锁模技术等基本理论与基本技术。
通过课堂教学和课外作业培养学生分析和解决实际问题的能力，为后续专业课程的学习打下必须的基础，并为学生将来从事光通信与光电子技术的科研、教学和生产等任务打下坚实的基础。
二、课程教学内容及要求第一章激光基本原理内容与要求：光相干性：理解光源的时间、空间相干性的概念[2]；掌握相干长度、相干时间、相干面积与光源单色性参数的计算[1]。
无源腔损耗：掌握无源腔平均单程损耗率包括输出、衍射损耗的计算[1]；掌握腔寿命的计算[1]；掌握腔Q值的计算[1]；掌握无源腔内光强的计算[1]。
本征纵模线宽：掌握无源腔本征纵模的频率间隔与线宽的计算[1]。
菲涅耳数：掌握谐振腔菲涅耳数计算方法与意义[1]。
光波模式：理解单色模式密度的概念[2]；理解光波纵模与横模的物理意义[2]；理解光子态与光波模式的关系[2]。
跃迁：理解自发辐射、受激辐射、受激吸收跃迁的概念及跃迁几率的意义[2]；理解爱因斯坦系数与跃迁几率间的关系[2]。
激光基本知识：理解激光产生的条件[2]；掌握激光器结构[1]；理解三能级和四能级系统[2]。
激光特性：理解激光的单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特性[2]。
重点：光相干性、无源腔损耗、本征纵模线宽、菲涅耳数。
难点：光相干性、光波模式、无源腔损耗。
第二章辐射场与物质的相互作用内容与要求：光学多普勒效应：掌握多普勒效应的频移计算[1]；掌握表观中心频率与共振速度的计算[1]。
谱线加宽：理解自然加宽、碰撞加宽、多普勒加宽的机理[2]；均匀加宽和非均匀加宽：理解均匀加宽与非均匀加宽概念上的区别[2]。
线型函数：理解线型函数的概念[2]；掌握均匀加宽的洛伦兹型线型函数与非均匀加宽的高斯线型函数[1]。
速率方程：理解三能级与四能级系统的速率方程[2]。
激光理论：了解激光器机理的经典理论、半经典理论、量子理论、速率方程理论[3]。
重点：表观中心频率、共振速度、线型函数。
难点：共振速度、线型函数、速率方程第三章介质对光的增益内容与要求：发射截面：掌握激光介质的发射截面的物理意义与计算方法[1]；掌握有源腔光强计算[1]。
小信号反转粒子数：理解小信号反转粒子数的意义与计算方法[2]。