周炳坤激光原理与技术课件第一章 激光的基本原理

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周炳坤激光原理与技术课件光与物质相互作用

周炳坤激光原理与技术课件光与物质相互作用

η
=1+
χ ′ (ω )
2
=1+
ne2
mε 0ω0γ

1
(ω0 − ω)γ −1
+
4(ω
− ω0 γ2
)2
β
=
χ′′(ω )
2
=

ne2
2mε 0ω0γ
⋅ 1+
1
4(ω − ω0 )2 γ2
折射率虚部与吸收相关,β 也称为消光系数
(4.2.24)
(4.2.25) (4.2.26) (4.2.32) (4.2.27)
电子的运动方程为:
mx + kx = 0
(4.2.1)
x + ω02 x = 0
式中: ω 0 =
k m
固有振动频率
(4.2.3)
其解为:
x ( t ) = x 0 e iω 0 t ——电子作简谐振动
(4.2.2)
电偶极子振荡时发出的电磁辐射场 E ∝ ex 即: E (t ) = E 0ei(ω0t +ϕ )
Δν = ΔE2 − ΔE1
h
这种加宽是由于量子力学效应产生的,称为自然加宽。相应为自然宽度、
自然轮廓
• 经典理论
辐射原子——电子阻尼振子
E (t) =
x e e −γ t 2
i 2πν0 ⋅t
0
t≥0
其中
−γ
x0e 2
t
0
为振幅,对
x(t)
t<0
作傅立叶变换:
(4.2.10)
∫ x (t ) = +∞ x (ν )e i 2πν t dν −∞
τs
=

激光原理(周炳琨)

激光原理(周炳琨)

激光原理(周炳琨)激光(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,即激发辐射的光放大)是一种特殊的电磁辐射,它的特点是具有高度的方向性、高度的空间和频率的纯度、高度的能量聚集度以及高度的能量稳定性。

激光是由一个叫做激光源的装置产生的,它是一种特殊的电磁辐射,它的特点是具有高度的方向性、高度的空间和频率的纯度、高度的能量聚集度以及高度的能量稳定性。

激光源的工作原理是通过利用激发辐射的原理来产生激光,它是一种特殊的电磁辐射,它的特点是具有高度的方向性、高度的空间和频率的纯度、高度的能量聚集度以及高度的能量稳定性。

激发辐射的原理是一种物理现象,它指的是一个原子或分子在受到外部光激发作用时,在其能级之间跃迁时发射出跟外部激发光一样频率的光,这种光称为激发辐射。

激发辐射的原理是激光源的基本工作原理,它的特点是具有高度的方向性、高度的空间和频率的纯度、高度的能量聚集度以及高度的能量稳定性。

激光源的结构一般包括激光器件、激光器件驱动电路、激光调谐电路、激光调制电路以及激光输出系统等组成部分。

激光器件是激光源的核心部件,它决定了激光源的性能。

激光器件分为半导体激光器件、离子激光器件、气体激光器件和激光晶体等类型。

激光器件的工作原理是在激光器件内部,电路设计的特殊形式和特殊的结构,使得原子或分子在受到外部光激发作用时,发生激发辐射,从而产生激光。

激光器件驱动电路是激光器件的基本组成部分,它的作用是将外部的电源转换成激光器件所需的电压和电流,从而使激光器件能够正常工作。

激光调谐电路是激光器件驱动电路的基本组成部分,它的作用是通过调节电路中的参数,使激光器件能够输出一定的频率和能量,从而使激光器件能够正常工作。

激光调制电路是激光调谐电路的基本组成部分,它的作用是通过调节电路中的参数,使激光器件能够输出一定的频率和能量,从而使激光器件能够正常工作。

激光输出系统是激光器件的基本组成部分,它的作用是将激光器件输出的激光聚焦到一个特定的位置,从而使激光器件能够正常工作。

激光原理(周炳琨)

激光原理(周炳琨)

激光原理(周炳琨)概述激光(Laser)是指由物质在受到外界能量激发时,通过放射出的光束具有高度的单色性、相干性和方向性的一种光源。

激光原理是指实现激光的产生以及激光的特性与作用的基本原理。

激光技术已经广泛应用于科学研究、医疗、通信、材料加工等领域。

激光产生原理1. 激光器的构成激光器通常由激活介质、光腔和泵浦三部分构成。

其中,激活介质是激光的源头,光腔用于放大激光信号,而泵浦则用于向激活介质输送能量。

2. 激活介质激活介质是产生激光所必需的物质,它具有可以被激活、通过受激辐射放出高度单色的光等特性。

常见的激活介质有气体、固体和液体。

2.1 气体激光气体激光器是使用气体作为激活介质的激光器,常见的气体激光器有CO2激光器、氦氖激光器等。

它们的激活介质分别是二氧化碳和氦氖气体,通过电子激活气体分子,使其达到受激辐射的能级,从而产生激射。

2.2 固体激光固体激光器是使用固体晶体作为激活介质的激光器,常见的固体激光器有Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器等。

它们的激活介质通常是镨钇掺杂的钇铝石榴石晶体,通常使用光泵或电泵的方式来激发晶体。

2.3 液体激光液体激光器是使用液体作为激活介质的激光器,常见的液体激光器有染料激光器、红宝石激光器等。

它们的激活介质通常是含有染料的溶液,通过外界刺激能激活染料分子,产生激射。

3. 光腔光腔是激光器中光信号的放大装置,其作用类似于谐振腔。

光腔有两端透明的镜子,称为半反射镜和全透射镜。

其中,半反射镜只透过一部分光,而全透射镜使光完全透过。

4. 泵浦泵浦是为激活介质提供能量的装置,通过各种能量输入方式将能量输入到激活介质中。

常用的泵浦方式有光泵和电泵两种。

光泵是指通过光能量向激活介质输送能量,而电泵则是指通过电流向激活介质输送能量。

激光特性与应用1. 激光特性激光具有以下几个独特的特性:•高度单色性:激光光束的频率很单一,其波长非常狭窄,通常只有几个纳米的范围。

•相干性:激光具有相位高度一致的性质,可以保持光束的干涉性质,实现干涉光的实验和应用。

激光原理与技术完整ppt课件

激光原理与技术完整ppt课件

够存在于腔内的驻波(以某一波矢k为标志)称为电磁被的模式或光波模。一种模式是电
磁波运动的一种类型,不同模式以不同的k区分。同时,考虑到电磁波的两种独立的偏振,
同一波矢k对应着两个具有不同偏振方向的模。
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9
下面求解空腔v内的模式数目。设空腔为V=ΔxΔyΔz的立方体,则沿三个
坐标轴方向传播的波分别应满足的驻波条件为
第八章 激光器特性的控制和改善
8.1 模式选择 8.2 频率稳定 8.3 Q调制 8.4 注入锁定 8.5 锁模
精选ppt
5
第九章 激光器件
9.1 固体激光器 9.2 气体激光器 9.3 半导体激光器 9.4 染料激光器
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6
第一章 激光的基本原理
本章概激光器基本原理。讨论的重点是光的相干性和光波模式的联系、光的受激辐
(1.1.4)
式中E0为光波电场的振幅矢量,ν为单色平面波的频率,r为空间位置坐标矢量,k为波
矢。而麦克斯韦方程的通解可表为一系列单色平面波的线性叠加。
在自由空间,具有任意波矢k的单色平面波都可以存在。但在一个有边界条件限制的
空间V(例如谐振腔)内,只能存在一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波。这种能
第六章 激光器的放大特性
6.1 激光放大器的分类 6.2 均匀激励连续激光放大器的增益特性 6.3 纵向光均匀激励连续激光放大器
的增益特性 6.4 脉冲激光放大器的增益特性 6.5 放大的自发辐射(ASE) 6.6 光放大的噪声
精选ppt
4
第七章 激光振荡的半经典理论
7.1 激光振荡的自洽方程组 7.2 原子系统的电偶级距 7.3 密度距阵
二、光波模式和光子状态相格 从上面的叙述已经可以看出,按照量子电动力学概念,光波的模式和光子的状态是等

《激光原理与技术》课件 (3)

《激光原理与技术》课件 (3)

现在求P—P+dP中的光子态数 P h , dP h d
Px
c
c
dVP 4πP2dP
P
Nl
4πP 2dP
δV p
4π (h
/ c)2 (hd
h3 /V
/ c)
4π 2
c3
V
d
M

c3
2
V
d
2

c3
2
V
d
n
V
d
o Py
dP Pz
nv
8π 2
c3
单位体积单位频率间隔的光子态数—光子谱密度
结论: 光波模 等价 光子态
即:属于一个模式的光子处于相同的量子状态
一个光波模对应一个光子态
1.1 相干性的光子描述(光波模式与光子态)
3. 光子简并度 n
n
光子总数 光子态数
一个光子态中平均光子数
=同态光子数
=同模光子数
=同相格光子数
在给定的体积内,一般存在大量光波模式。因而每个模式的光波能 量很小,或者说同态的光子数很很少,或者说光子简并度很小。
y,
z)和动量(
P
—Px,
Py,
Pz)
以(x, y, z, Px, Py, Pz)构成描述粒子运动状态的相宇空间。
经典(牛顿)粒子的状态 与相宇中的一个点对应
而光子的状态遵从测不准关系,即
x
x

Px Px
ΔxΔPx h
ΔyΔPy h ΔxΔyΔzΔPxΔPyΔPz h3
ΔzΔPz
h
x
x
h3
对于单电子原子,组态与状态是一致的;而对于多电 子原子则完全不同, 状态的推求可以采用角动量耦合。

激光原理与技术 第一章 激光技术

激光原理与技术 第一章 激光技术
上述相空间体积元称为相格,相格是相空间中任意实验 所能分辨的最小尺度。光子的某一运动状态只能定义在 一个相格中,而不能确定它在相格中的对应位置。
证明:一个电磁波模式,在相空间占一个光子态 考虑到一个光波模是由两列相向传播的行波组成的驻波,
所以它的动量和波矢的关系应为
Px 2kx,Py 2k y,Pz 2kz
则4立体角内模式数为
4
d
4 2
传播方向一定,频率不同,在~+范围内可能存在 的模式数。
由波列长度 l 决定不 可分辨的光谱宽度
1 c
t l
两个光波的频率差大 于时才能分辨出来
因此~+范围应给
存在的模式数为l/c,
当波列为单位长度,则
模式数约为/c。
t l / c
l c
令l=1有
要有合适的能级结构,如三能级
激励
或四能级结构
E3
抽运
E2
E1
从外界输入能量(Pump): 泵浦,抽运,激励,光泵。
光激励; 热激励;
电激励; 化学激励
E4
E3
激励 抽运
E2
E1
光学谐振腔
引入正反馈: 产生受激辐射光放大
构成: 两个放置在工作物质两边的反射镜 组成,一个是全反射镜,一个是部 分反射镜。
p
8
C3
2
Vd,正比于
V
2
可以定性判断增益线宽 内的激光模式数
光子的状态——相格
粒子性 h
x
h
m
c
2
c2
P K
经典粒子:
(x, y, z); (Px, Py, Pz)
一维运动测不准关系: (x; Px) xPx h
px

周炳坤激光原理与技术课件新型激光器

周炳坤激光原理与技术课件新型激光器
§10 新型激光器
• • • • §10.1光纤激光器 §10.2自由电子激光器 §10.3孤子激光器 §10.导体激光器泵浦,实 质上是一个将某一波长的泵浦光转化成另一 波长的激光的波长转换器,但其光束质量大 大优于半导体激光器。 • 光纤激光器可分为基于非线性效应的光纤拉 曼激光器和基于受激辐射的掺杂光纤激光器。 下面仅讨论掺杂光纤激光器。 • 与掺杂光纤放大器类似,掺杂光纤激光器的 增益介质是掺有稀土元素的光纤。光纤激光 器实质上是一种特殊形态的固体激光器。
§10.1.1优势
• 与传统的块状固体激光器相比,优势如下: a)泵浦光被束缚在光纤中,可实现高能量密度泵浦, 故泵浦阈值较低,可获得块状激光介质难以实现 的激光辐射; b)低损耗的长光纤,即使单位长度的增益低,也能 获得大的单程增益; c)单模光纤激光器的谐振腔具有波导的特点,容易 实现模式控制,获得高质量的激光束; d)光纤介质具有很大的表面积/体积比,散热好,无 需配备水冷、风冷等设施。 • 光纤激光器可用于光通信、光传感、激光加工、 激光医疗、激光印刷等领域。
§10.2.2优点
• 高功率
一般激光通过工作物质的受激放大来逐步增大功率。当激光功率高到 一定程度后就会与工作物质发生相互作用,使工作物质的受激状态受 到破坏,从而使激光失去放大的作用,这种现象称为工作物质的“击 穿”。自由电子激光的工作物质就是电子束本身,不存在击穿的问题。 而技术上制造高功率电子加速器并不是困难的事,故实现高功率自由 电子激光器原则上不成问题。
§10.1.2波长范围及谐振腔类型
• 掺杂光纤激光器家族的运转波长可覆盖 (0.4~4)μm的范围。 • 谐振腔类型 1)图9.5.4 (a)、(b)、(c)均为两端有反射镜的 F-P型腔 2)分布反馈型光纤激光器。(c)光纤DBR激光 器;(d)光纤DFB激光器 3)环形光纤激光器

激光原理第1章

激光原理第1章

激光原理与器件第一章激光的基本原理华南师范大学信息光电子科技学院教材与参考书周炳琨,“激光原理”,国防工业出版社俞宽新,“激光原理与激光技术”,北京工业大学出版社 伍长征,“激光物理学”复旦大学出版社激光的理论基础激光的发明激光的特性激光的应用一、激光的理论基础:爱因斯坦的受激辐射理论二、第一台激光器:1960年梅曼发明的红宝石激光器三、激光的特性:单色性好方向性好亮度高(或者说激光具有很高的梁子简并度)四、应用1、工业加工2、军事上的应用3、医学上的应用4、信息存储5、光通信6、科学研究工业应用医学美容航天军事测距,敌我识别,通信,制导科研光纤激光精密加工设备心血管支架的切割喷墨机喷嘴的打孔手机面板的切割§1相干性的光子概述光子的基本性质光波模式,光子态和相格光子的相干性光子的简并度一、光子——比电子更优越的信息载体,光子和电子的特性速度运动质量静止质量能量电子光子SJ h hv•×==−3410626.6ε2142022)(c m c p +=εkgm 31010109534.9−×=22c hv cm ==ε2201/cv m m −=sm c /1038×=cv <粒子参数光子的粒子属性(能量、动量、质量等)和波动属性(频率、波矢、偏振等)之间的联系在现代量子电动力学中得到解释。

hv=ε22chvcm ==εkn mc P h ==0ε:光子能量,v :光波频率,m :光子质量,:光子动量,P :平面波矢。

k 任意电磁场可看作是一系列具有基元能量和基元动量的单色平面电磁波的线性叠加,或一系列电磁波的本征模式(或本征状态)的叠加。

二、光波模式、光子态、相格1、光波模式:在一个有边界条件限制的空间V内,具有特k定波矢的平面驻波。

(1)一维驻波的形成过程行波遇到障碍物后返回与原行波叠加。

tTx A y y y πλπ2cos 2cos 221=+=可以得到:一维驻波形成一维驻波须满足条件2λmx =Δ同理可得二维驻波的条件为:在x 、y 方向上满足公式αλcos /2mx =Δβλcos /2ny =Δ三维驻波2、波矢空间和几何空间在空腔为的立方体内,x 、y 、z 三个方向满足驻波条件。

yz第一章_激光的基本原理

yz第一章_激光的基本原理

二.光波模式和光子状态(相格)
光波模式:在一个有边界条件限制的空间V内,存在的 一系列具有特定波矢 k 的平面驻波。
1.1
19
相 干 性 的 光 子 描 述
1.从波动性描述光波模式 求体积为V的空腔内模式数目。 设空腔为V=Δ xΔ yΔ z的立方体,则沿三个坐标轴方 向传播的波分别应满足的驻波条件为:
4
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
1954:美国汤斯(C.H.Townes)
前苏联巴索夫(N.G.Basov) 与
普洛霍洛夫 (A.M.Prokhorov)
第一次实现氨分子微波量子振荡器(MASER)
由于在量子电子学方面的卓越成就和激光器发展上的 突出贡献,普罗霍罗夫,巴索夫和美国物理学家汤斯一
单位体积内处于两能级的原子数分别用n2和n1表示,如 P10图 (1.2.2)所示。
1.自发辐射
处于高能级E2的一个原子自发地向E1跃迁,并发射 一个能量为 hv 的光子。这种过程称为自发跃迁。由原 子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。
光 的 受 激 辐 射 基 本 概 念
1.2
33
自发跃迁过程用自发跃迁几率A21描述。A21定义为: 单位时间内n2个高能态原子中发生自发跃迁的原子数与 n2的比值:
zhangyuscaueducn电子科学与技术教研室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激光原理激光原理48学时相干光的控制调制偏转光频率波长变换相干光的检测及应用光电子技术电子技术光与电是兄弟光是波长更短的电磁波lightamplificationstimulatedemission科学技术发展规律基础理论研究新技术产品开发产业激光是一批科学家集体智慧的发明激光受激辐射光放大改变世界的光二十世纪对世界文明最有影响的发明之一1917

激光原理与技术第一章

激光原理与技术第一章
ຫໍສະໝຸດ t sA21
s
1
A21 : 原子在能级 E2上的平均寿命S 的倒数
激光原理与技术
设高能级En跃迁到Em的跃迁几率为Anm,则 激发态En的自发辐射平均寿命为:
1 Anm
m

激光原理与技术
四、受激辐射的相干性
自发辐射是原子在不受外界辐射场控制情况 下的自发过程。大量原子的自发辐射场的相 位是无规则分布的.因而是不相干的。此外, 自发幅射场的传播方向和偏振方向也是无规 则分布的,自发辐射平均地分配到腔内所有 模式上。
一、黑体辐射的普朗克公式
绝对黑体(简称黑体):处于温度T的物体能 够发出和吸收电磁辐射。如果某一物体能够完 全吸收任何波长的电磁辐射,则称此物体为绝 对黑体。(空腔即为绝对黑体) 热辐射(温度辐射): 物体除吸收电磁辐射外, 还会发出电磁辐射,这种 电磁辐射称为热辐射 .
激光原理与技术
黑体辐射或平衡辐射: 黑体处于某一温度T 的热平衡情况下,则它所吸收的辐射能量应 等于发出的辐射能量,即黑体与辐射场之间 应处于能量 ( 热 ) 平衡状态。显然,这种平衡 必然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。
h3 xyz px p y pz
又px 2k x , py 2k y pz 2kz
则xyzpxpy pz h
3
一个光波模在相空间也占有一个相格,一个光波 模等效于一个光子态。
激光原理与技术
三、光子的相干性
光的相干性: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。
激光原理与技术
二、光波模式和光子状态相格
按照量子电动力学概念,光波的模式和光子的状态 是等效的概念。

激光原理与技术PPT(很全面)

激光原理与技术PPT(很全面)

04
激光与物质相互作用
激光与物质相互作用的基本过程
激光束在物质中的传播
包括反射、折射、吸收和散射等现象。
激光与物质相互作用的机理
包括光热作用、光电效应、光化学效应等。
激光与物质相互作用的特点
如高能量密度、高亮度、高方向性等。
激光加工原理及应用
1 2
激光加工的基本原理
通过高能激光束对材料进行加热、熔化、汽化或 达到其他物理或化学变化,以实现加工目的。
应用领域
适用于气体、液体和固体等多种介质的流速测量,如风速测量、 血流速度测量等。
激光光谱分析技术
光谱原理
不同物质具有不同的光谱特征,通过测量物质的光谱信息可以分析 其成分和性质。
分析方法
包括激光拉曼光谱分析、激光荧光光谱分析等,可用于物质的定性、 定量分析。
应用领域
广泛应用于化学、生物、医学、环境等领域,如药物分析、环境监测 等。
液体激光器
染料激光器
使用有机染料作为增益介质,通过 泵浦光激发染料分子产生激光,具 有宽调谐范围和短脉冲输出能力。
液体激光核聚变
利用高功率激光束照射含有氘、氚 等聚变燃料的靶丸,实现核聚变反 应,是惯性约束聚变研究的重要手 段。
半导体激光器
边发射半导体激光器
电流注入半导体PN结,电子与空穴复 合释放能量形成激光输出,具有体积 小、效率高、寿命长等优点。
特性
方向性好,亮度高,单色 性好,相干性好。
应用领域
激光加工、激光测距、激 光雷达、激光通信、激光 治疗等。
02
激光器类型及技术
固体激光器
晶体激光器
使用掺杂稀土元素的晶体 作为增益介质,如Nd:YAG 激光器。

激光原理 全套课件

激光原理   全套课件

1.1 激光简史
– 1963年,Herbert Kroemer和 Rudolf Kazarinov、Zhores Alferov的团队独立的提出了利 用异质结构造半导体激光器的 思路,这一工作使得他们获得 了2000年的诺贝尔物理学奖。
– 1964年,C. K. N. (Kumar) Patel研制了第一台CO2激光器;
1.1 激光简史
– 1965年,Anthony J.DeMaria, D. A. Stetser和H. A. Heynau报道了 第一台利用钕玻璃激光器和饱和吸 收器产生皮秒级脉冲的激光器。
– 1965年,George C. Pimentel和 Jerome V. V. Kasper 研制了第一 台化学激光器;
1.1 激光简史
– 1959年,Gordon Gould 发表论文“The LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”,这是 LASER这一术语第一次被提出。
– 1960年5月,休斯实验室的Maiman和Lamb 共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的 红色激光,这是公认的世界上第一台激光器。
激光原理与技术·原理部分
第一讲 激光简史、发展与应用
课程简介
– 先修科目
• 几何光学 • 物理光学 • 量子力学 • 数学物理方法
– 参考书目
• 激光原理 国防工业出版社 2000年版 周炳琨等编 • 量子电子学 科学技术出版社 1983年版 Amnon Yariv,刘
颂豪等翻译 • Lasers, Anthony E. Siegman, Maple-Vail Book Manufacturing
1.1 激光简史

激光原理第一讲

激光原理第一讲

n p im ,n , pt x sin y cos z e b l
麦克斯韦方程本征解的电场分量 模式:满足边界条件的麦克斯韦方 程的一个本征解,谐振腔中可以稳 定存在的电磁场分布。 矩形三维空腔 模式正交:全空间积分为零,模式 之间没有能量交换。
激光原理与技术
课程主要内容-激光原理
相干光的产生
光学谐振腔理论
参考资料: 《光电子技术》,余学才
高斯光束
《激光原理》,周炳坤, 高以智,国防工业出版社 《Quantum Electronics》, A. Yariv, John Wiley & Sons
光与原子的相互作用
课程主要内容-激光技术
波矢: k kxex k y ey kz ez kx m / a, k y n / b, kz p / l m, n, p 0,1,2,3,
谐振角频率: m,n, p ck c
1.1 光学谐振腔概论
m / a n / b p / l
激光发展简史
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)
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
dVk1 4 k d k / 8
2
abl

激光原理与技术 第一章 激光技术

激光原理与技术 第一章 激光技术
c
再考虑偏振方向还可以分辨出两个模式,进而可得出, 在单位体积内在~+范围内可能存在的模式数。
p V
4 2
c
2
在体积V内,频率间隔~+范围内 可能存在的模式数
p 8 2 V
C3
8
C3
2
Vd
光子的相干性
相干性:电磁场中不同空间点、不同时 间点的场之间的关联特性。
时间相干性:波列不是无限长的,只有在相干时间t内从光源发出的 光才是相干的, 越小、 t 越大时间相干性就越好。
光放大来产生一个相干性好的,光子简并度高 的优质光源。就是要通过激光的方法,使大量 的光子集中于一个或少数的指定的光子态中。
1.1 光的相干性和光子简并度
(一)光子的基本性质
1. 光子的能量与光波频率 相对应
2. 光子具有动质量m 3. 光子动量 p
4. 光子具有两种独立偏振状 态
5. 光子具有自旋,自旋量子 数为整数,属于波色子
P1
x
P2
Lx
O
S2
xLx
R
R 距离光源R处的相干面积
A
L2
R
2
x x
x
( x )2 ( )2
光源面积越小, 具有空间相干性 的张角就越大
相干体积
V C R 2 x
为激光线宽
光源的相干体积
由于:
( x )2 ( )2
如果要求张角内的光都是相干的则有:
光源相干面积
结论
(1)光波模式(占有的空间体积) =相格空间体积=相干体积
空间相干性:光源发出的不是单色平面波,在一个截面上通过的光, 只有在有限范围内才是相干的,光源发出的光越接近单 色平面波,相干面积就越大,空间相干性就越好。

周炳坤激光原理与技术课件第一章 激光的基本原理

周炳坤激光原理与技术课件第一章 激光的基本原理

1 Lc = cΔt = cτ c = c Δν
τ c 即相干时间。对波列进行
频谱分析的频带宽度:
I (ν0 )
I (ν )
1 Δν = Δt
I (ν 0 ) 2
Δν
Δν 是光源单色性的量度: 1 Lc = cΔt = c Δν
相干时间与频带宽度的关系为:
ν0
ν
(1.1.16)
τ c = Δt =
1 2
cπ ⎛ m 2 n2 q 2 ⎞ ωmnq = ⎜ 2 + 2 + 2 ⎟ η ⎝ 4a 4b l ⎠ 结论:不考虑偏振态的情况下,一组(m、n、q)值 对应一个模,求出(m、n、q)值的数目就可以得到 空腔中的模数
1 2
(二)、波矢空间和模密度 1、波矢空间 ——用 k x 、 y 、 z 作为坐标建立的空间称为波矢空间 k k
2
ν
k=

λ
=
2πνη c
2πη dk = dν c
模密度 nν ——单位体积内在频率ν 处单位频率间隔内的模式数:
Nν 8πν 2η 3 = nν = Vdν c3
(*)
(三)、光子状态相格
光子的运动状态,受量子力学测不准关系制约——微观粒子 的坐标和动量不能同时准确测定,遵循测不准关系:
一维: 三维:
Δk z =
π
l
⎛ 2π ⎞ 且有: k = k + k + k = ⎜ ⎟ ⎝ λ ⎠ 2 ⎛ 2 ⎞ m2 n2 q2 = + 2 + 2 ⎜ 2 ⎜ λ mnq ⎟ ⎟ 4a 4b l ⎝ ⎠
2 2 2 x 2 y 2 z
ν mnq
c ⎛ m2 n2 q 2 ⎞ = ⎜ 2+ 2+ 2 ⎟ l ⎠ 2η ⎝ 4a 4b

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。

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ΔxΔPx ≈ h ΔxΔPx ΔyΔPy ΔzΔPz ≈ h 3
(1.1.9)
在六维相空间中,一个光子态占有的相空间体积元为:
ΔV相 = ΔxΔPx ΔyΔPy ΔzΔPz ≈ h3
(1.1.10)
这一相空间体积元就称为光子状态相格或相格 三点结论: 1、每个光子都应属于一个相格,但不能确定光子在该相格 中的精确位置 2、同一个相格中具有相同偏振态的光子属于同一光子态 3、同一光子态的光子数称为光子简并度
4、光子态的相干性 2 Δx ) 的光源发出动量为P 的局限于立体 如图(1.1.4),由面积( 角Δθ 内的光子,在 Δθ 很小时,光子动量各测不准量为: ΔPx = ΔPy = P Δθ = hνΔθ (1.1.22) c
ΔPz ≈ Δ P = hΔν c
(1.1.23)
再由(1.1.10)式和上述两式可得相格空间体积
若 τ s → 10 s 或更长,则该能态称为亚稳态
2、受激吸收(Stimulated Absurption)
E2 E1 E2 E1
吸收后

E2 − E1 处于低能级E1的原子在频率为 ν = 的外场作用下,跃 h 迁到高能级E2上并吸收能量:
hν = E2 − E1
单位时间内E1能级上减少的粒子数为:
吸收前
dn1 = −W12 n1 dt
W12 ——受激吸收几率,且有:
W12 = B12 ρ (ν )
(1.2.7)
B12 ——爱因斯坦受激吸收系数
ρ (ν ) ——外辐射场的能量密度
3、 受激辐射(Stimulated Radiation)
E2 E1

激励前
光子,新发射的光子态与激励的光子态相同,即受激辐射与 激励光子是相干光,单位时间内因受激辐射E2能级上减少的 粒子数:
4、一定种类的光子具有一定的偏振态,对应光波场的 偏振方向 5、光子有自旋,自旋量子数为整数,属于玻色子,服 从玻色——爱因斯坦统计,同态光子数不受限制,光 子简并度可以很大
二、光波模式和光子状态相格 (一)、光波的模式 1、自由空间中光波的模式 波动方程的特解之一:单色平面波
E ( r , t ) = E 0 e i 2 πν t − ikr
η 介质折射率
k 不确定值,测不准值,是量子化的
(2)、三维腔
k x = k cos α1
kx = m
π
2a
k y = k cos α 2
ky = n
kz = q
Δk x =
π
k z = k cos α 3
kz
α3 α2
π
l
2b
(1.1.5)
π
2a
k
ky
kx
α1
不确定值: Δk y = 2b
π
(1.1.6)
π π
Δ 相格: k x Δk y Δk z 为基元的小格,即每个模(不考虑偏振态) 所占的波矢空间体积元 空间体积 3 3
Δ k x Δ k y Δk z =
( 2a )( 2b ) l
=
V
(1.1.7)
k 格点:各种可能的k x 、 y 、k z 点
——不考虑偏振态时的模 ① 各个格点与腔内可能存在的 驻波一一对应 ② 坐标原点到各格点的矢量即 为各种可能的 k
ρ (ν ) ——外辐射场的能量密度
三、爱因斯坦关系式
问题:当粒子之间和粒子与腔壁之间的碰撞达到热平衡时,光 场与粒子系统的自发辐射、受激吸收、受激辐射三种过程的能 量交换也达到了平衡,上述各物理量之间的关系如何?怎样建 立能量平衡关系式? 考虑以下两种平衡:
2
光子群对应的状态数
V相 4π P 2 ΔPV 4πν 2 = = 3 Δν V 3 ΔV相 c
考虑到同一相格内有两个可能的独立偏振态,则总光子态数为:
8πν 2 Nν = 3 ⋅ V ⋅ Δν c
与上节中(1.1.8)式表示的总模数完全一样( η = 1)由此可知 光子态与光波模是等价的
三、光子简并度
1 Δν
(1.1.17)
2、空间相干性
S1、S2两点的光波场具有 相干性的条件为:
A
P
Δθ
R
S1
L x ΔPz z
ΔxLx ≤λ R
(1.1.18)
Δx
S2
距离光源R处屏上的相干面积: 2 Rλ ⎞ ⎛ (1.1.19) Ac = L2 = ⎜ x ⎟ ⎝ Δx ⎠ L Δθ = x ,由(1.1.18)式得光源的相干面积: 双缝对光源的张角 R 2 2 ⎛ λ ⎞ ( Δx ) = ⎜ ⎟ (1.1.20) ⎝ Δθ ⎠ 结论:要求传播方向(波矢 k )限于Δθ 内的光波相干,则光源面 2 积必须小于相干面积 ⎛ λ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ Δθ ⎠
n2 随时间变化的规律:
− t
n2 (t ) = n20 e
式中:
− A21t
= n20 e
τs
A21——自发辐射爱因斯坦系数,表征原子的自发辐射几率。
1 τs = A21
−7
(1.2.5)
τs
——自发辐射的平均寿命也是能级E2的寿命 时称系统能态是稳定的,一般为 10
−4
τs → ∞
∼ 10−8 s
以跃迁几率不为0的二能级系统为例子说明辐射与粒子系统相 互作用的三种过程
1、 自发辐射(Spontaneous Radiation)
处于高能级E2 (激发态)上的原子在没有外场作用时也会 自发地跃迁到低能级E1上,同时释放出能量为 hν = E2 − E1 的光子。 由于自发辐射时单位时间内E2上 减少的粒子与E2能级上的粒子数 n2成正比
由于光子态与光波模等价,因此(*)式表示的光波模密度也 适用于光子态:单位体积内在频率ν 处单位频率间隔内的光子 数等价于模密度:
8πν 2η 3 nν = c3
由黑体辐射的普朗克公式:
8πν 2η 3 1 ⋅ hν ⋅ hν ρ (ν ) = c3 e k BT − 1
k B =1.38062 × 10-23 J / K ——玻耳兹曼常数
1 2
cπ ⎛ m 2 n2 q 2 ⎞ ωmnq = ⎜ 2 + 2 + 2 ⎟ η ⎝ 4a 4b l ⎠ 结论:不考虑偏振态的情况下,一组(m、n、q)值 对应一个模,求出(m、n、q)值的数目就可以得到 空腔中的模数
1 2
(二)、波矢空间和模密度 1、波矢空间 ——用 k x 、 y 、 z 作为坐标建立的空间称为波矢空间 k k
2
ν
k=

λ
=
2πνη c
2πη dk = dν c
模密度 nν ——单位体积内在频率ν 处单位频率间隔内的模式数:
Nν 8πν 2η 3 = nν = Vdν c3
(*)
(三)、光子状态相格
光子的运动状态,受量子力学测不准关系制约——微观粒子 的坐标和动量不能同时准确测定,遵循测不准关系:
一维: 三维:
kz
Δk x
(m、n、q)
Δk y
q
π
l
m
Δk z
n
ky
π
2a
kx
π
2b
2、模密度
在第一卦限内,以 k 为半径、 为厚度的壳层内总模数为: dk
⎛ 2πνη ⎞ 2πη dν 1 2个偏振态 2 π⎜ 4π k dk ⎟ 8πη 3ν 2 c ⎠ c Nν = 2 ⋅ 8 Vdν (1.1.8) = ⎝ = 3 3 π c Δk x Δk y Δk z
(1.2.2)
η =1
光子简并度
n= e
1
hν k BT
−1
(1.3.1)
——处于同一状态的光子数 即同一模式的光子数 也即处于同一相格偏振态相同的光子数 光子简并度表示了光的相干性, 越大,相干性越好 n
四、光子的相干性 1、时间相干性
振子(发光原子)发光时间Δt 即激发态寿命,波列长度即相干 长度
3、相干体积
相干面积与相干长度的乘积即为相干体积。光源的相干体积为:
c3 ⎛ λ ⎞ c = 2 Vcs = ⎜ ⎟ 2 ⎝ Δθ ⎠ Δν ν Δν ( Δθ )
2
(1.1.21)
意义:在空间体积 Vc 内各点的光波场都具有相干性。或者说: Δθ Δν 如要求传播方向限于 内并具有频带宽度 的光波相干,则 光源应局限于空间体积 内 Vos
2πν k = ek = ek c λ 2π
(1.1.4)
波矢 k 是该单色平面波的特征矢量:反映光波的传播方向和频率
一个传播方向、一个频率、一个偏振态确定一个光波模式
结论:自由空间中任意模式的光波均可以存在
2、空腔中的模式 矩形腔:
2a × 2b × l
腔内能存在的电磁波必须满足: ① 波动方程 ② ∇i E = 0 ③ 边界条件切向分量为0:y
§1 激光的基本原理
§1 激光的基本原理
§1.1 相干性的光子描述 §1.2 光的受激辐射概念 §1.3 光的受激辐射放大 §1.4 光的自激振荡 §1.5 激光的特性
§1.1 相干性的光子描述
一、光子的基本性质 光具有波粒二象性,光在传播时显示波动特性 (频率、波矢、偏振等);光与物质相互作用 时显示粒子特性,光子与其它粒子一样具有质 量、动量、能量等。光的波动性与粒子性有着 密切的联系 1、光子的能量:与频率相对应
hν W21 ——受激辐射几率,且有: hν
E2 − E1 ν= 处于高能级E2的原子在频率为 的外场作用下, h 跃迁到低能级E1上,同时发射出一个能量为 hν = E2 − E1 的
E2 E1
激励后
dn2 = −W21n2 dt
(1.2.8)
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