第一章激光的基本特性文稿演示
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第一章 光波与光源 光的电磁理论 激光的原理、特性和应用 发概要
五、激光器的种类 种类分固体激光器、气体激光器、染料激光器。 固体激光器：以绝缘晶体或玻璃为工作物质。 少量的过渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃， 经光泵激励后产生受激辐射作用。主要有红宝石激 光器、钛宝石激光器、半导体激光器。 气体激光器：如He-Ne激光器、氩离子激光器、 CO2激光器、N2分子激光器等。 染料激光器：采用在适当的溶剂中溶入有机染 料作为激光器的工作物质。
3 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的 激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图 受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质 原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足 两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受 激辐射和受激吸收过程同时存在。当吸收过程占优 势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。
2、N2/ N1>1时，高能级E2上原子数大于低能级E1 上原子数，称粒子数反转分布，有dN21 > dN12，表 明光经介质传播的过程中受激辐射的光子数大于受 激吸收的光子数，宏观效果表现为光被放大，或称 光增益。能引起粒子数反转分布的介质称为激活介 质或增益介质。实现粒子数反转分布是产生激光的 必要条件。 设增益介质的增益系数为G，在此介质z处的光强 为I(z),经dz距离后光强改变dI，则dI=GIdz ，积分得 I ( z) I 0eGz I0为z=0处的光强
E2 E1 h
光发射的三种跃迁过程
1 自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低 能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图； 2 受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下， 处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时 发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图； 两种辐射过程特点的比较： 自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播 方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光； 受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向 均与外来的光波相同， 辐射的光波是相干光。
最新1 激光基本性质PPT课件PPT课件
B21 c3
A21 8 h 3
§1.4 激光基本知识
1.4.1激光产生的基本原理
光放大的条件:
（1）实现粒子数反转 （2）增益>损耗
1.4.2 激光器构造
1、激光工作物质：提供放大作用 (1)激活粒子(分子、原子、离子) 发光
(2)基质 寄存激活粒子的材料 2、泵浦源
对激光工作物质进行激励以形成粒子数反转
（不同光子态的光子是不相干的 ）
5、光子简并度 (1)同一光子态的光子数
(2)同一光波模式中的光子数
§1.3 自发辐射、受激辐射与受激吸收
1.3.1黑体辐射的普朗克公式
– 黑体：一个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或黑体。自然界中不存在绝 对黑体，而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近 似。
– 黑体辐射：当黑体处于某一恒定温度的热平衡状态， 它吸收的电磁辐射和发射的电磁辐射 完全相等，即处于能量平衡状态，这 将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。
空腔辐射体
1.3.1黑体辐射的普朗克公式
普朗克公式：
• 黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率的函数，并
可以用单色能量密度u 描述，u 表示单位体积内，
kxxm kyyn kzzq
k x
x
ky y
kz
z
每个模式在k空间第一卦限内对应一个点
每个模式在k空间占据体积为
kz
k
3 kxkykzxyzV
kx
ky
k-k+dk内的模式数：dM 81k4x kk2y dkzk814k32dkk22d 2kV
k 2 2 c
dk 2 d c
dk 2d c
h=6.6310-34Js：普朗克常数
A21 8 h 3
§1.4 激光基本知识
1.4.1激光产生的基本原理
光放大的条件:
（1）实现粒子数反转 （2）增益>损耗
1.4.2 激光器构造
1、激光工作物质：提供放大作用 (1)激活粒子(分子、原子、离子) 发光
(2)基质 寄存激活粒子的材料 2、泵浦源
对激光工作物质进行激励以形成粒子数反转
（不同光子态的光子是不相干的 ）
5、光子简并度 (1)同一光子态的光子数
(2)同一光波模式中的光子数
§1.3 自发辐射、受激辐射与受激吸收
1.3.1黑体辐射的普朗克公式
– 黑体：一个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或黑体。自然界中不存在绝 对黑体，而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近 似。
– 黑体辐射：当黑体处于某一恒定温度的热平衡状态， 它吸收的电磁辐射和发射的电磁辐射 完全相等，即处于能量平衡状态，这 将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。
空腔辐射体
1.3.1黑体辐射的普朗克公式
普朗克公式：
• 黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率的函数，并
可以用单色能量密度u 描述，u 表示单位体积内，
kxxm kyyn kzzq
k x
x
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每个模式在k空间第一卦限内对应一个点
每个模式在k空间占据体积为
kz
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3 kxkykzxyzV
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k-k+dk内的模式数：dM 81k4x kk2y dkzk814k32dkk22d 2kV
k 2 2 c
dk 2 d c
dk 2d c
h=6.6310-34Js：普朗克常数
激光基本概述范文
激光基本概述范文激光是一种特殊的光辐射，具有单色性、相干性和方向性等特点。
激光器是一种能产生激光的装置，通常由激发源、增益介质和光腔三部分组成。
激光由于其特殊的性质，在科研、医疗、通信、材料加工等多个领域有着广泛的应用。
激光的单色性是指激光具有极窄的频率谱线，一般能够达到很高的频率稳定性。
这是由于激光的产生依赖于特定的能级跃迁，因此能够产生具有固定频率的光波。
与其他光源相比，激光的单色性使得其具有更强的穿透力和辨识能力。
激光的相干性是指激光光束中的光波具有非常好的相位关系。
这种相位关系使得激光光束能够形成明亮、锐利、高对比度的干涉条纹。
相干性使得激光在干涉、衍射和散射等方面有着独特的应用，例如激光干涉测量和激光全息术等。
激光的方向性是指激光光束能够在相当长的距离上保持较小的光束发散角度。
这是由于激光的光波具有在空间上高度一致的波前形状，能够通过适当设计的光学系统将光束聚焦成较小的点。
激光的方向性使得其在光通信、激光雷达等领域有着广泛的应用。
激光器是产生激光的装置，根据辐射介质的不同，可分为气体激光器、固体激光器和半导体激光器等。
气体激光器利用气体放电产生激发能级，再通过受激辐射过程产生激光。
常见的气体激光器包括氦氖激光器、二氧化碳激光器等。
固体激光器利用固体增益介质，通过光泵浦方式产生激发能级，再进行受激辐射过程得到激光。
常见的固体激光器有Nd:YAG激光器、激光二极管等。
半导体激光器是利用半导体材料的特殊性质产生激光，这类激光器尺寸小、功耗低，广泛应用于光通信和激光打印等领域。
激光的应用十分广泛，其中激光切割是一种主要的激光材料加工方法，广泛应用于金属、塑料、木材等材料的切割和雕刻领域。
激光打印技术利用激光的单色性和方向性，可以高速、高质量地实现文件和图像的打印。
此外，激光还在医疗领域有着广泛的应用，例如激光治疗和激光手术等。
总之，激光作为一种特殊的光辐射，具有单色性、相干性和方向性等特点。
激光器是产生激光的装置，根据辐射介质的不同有气体激光器、固体激光器和半导体激光器等。
激光原理与激光技术完整演示文稿
主动稳频方法大致可分为两类： 1. 利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳频，如兰姆凹陷稳频法； 2. 利用外界参考频率作为鉴别器进行稳频，如饱和吸收稳频。
第5页，共48页。
对参考标准频率的要求： （１）谱线中心频率的稳定性和复现性要好。 （２）线宽要窄。 （３）有足够的信噪比。 （４）谱线频率与受控激光器频率要匹配。
兰姆凹陷稳频利用激光本身的原子跃迁中心频率作为参考点，而原子跃 迁的中心频率易受放电条件等影响而发生变化，所以频率稳定性和复现性受 到局限。
饱和吸收稳频：采用外界参考频率标准进行稳频，如在谐振腔中放入一 个低气压的原子（分子）吸收管，气压很低，碰撞加宽很小，吸收线中心频率 的压力位移也很小，吸收管无放电作用，故谱线中心频率比较稳定，谱线宽度 较窄，所以在吸收线中心处形成一个位置稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为频 率的参考点，频率稳定性和复现性得到很大提高。
激光原理与激光技术完整演示 文稿
第1页，共48页。
激光原理与激光技术完整
第2页，共48页。
二、影响激光频率稳定的因素
激光振荡频率决定于原子跃迁中心频率 m 谐振频率 c ，谐
，谱线宽度 m ，谐振腔
通常情况下有： m c ，上式可简化为：
第11页，共48页。
基本思想：将传播方向相反而路径基本重合的两束泵浦光（或饱和光）与 探测光、穿过气体样品，当激光频率扫描到原子或分子的超精细能级的共振频 率时，根据多普勒效应，只有在探测光路径上速度分量为零的那部分原子或分 子由于其多普勒频移为零，才能同时与泵浦光和探测光发生共振相互作用，由 于较强的泵浦光使这部分原子在基态的数目减少，所以对探测光的吸收减少， 因而谱线呈吸收减弱的尖峰即超精细跃迁峰。
若激光器１相对于激光器２的稳定性很高，可以认为 1 0 （参考
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对参考标准频率的要求： （１）谱线中心频率的稳定性和复现性要好。 （２）线宽要窄。 （３）有足够的信噪比。 （４）谱线频率与受控激光器频率要匹配。
兰姆凹陷稳频利用激光本身的原子跃迁中心频率作为参考点，而原子跃 迁的中心频率易受放电条件等影响而发生变化，所以频率稳定性和复现性受 到局限。
饱和吸收稳频：采用外界参考频率标准进行稳频，如在谐振腔中放入一 个低气压的原子（分子）吸收管，气压很低，碰撞加宽很小，吸收线中心频率 的压力位移也很小，吸收管无放电作用，故谱线中心频率比较稳定，谱线宽度 较窄，所以在吸收线中心处形成一个位置稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为频 率的参考点，频率稳定性和复现性得到很大提高。
激光原理与激光技术完整演示 文稿
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二、影响激光频率稳定的因素
激光振荡频率决定于原子跃迁中心频率 m 谐振频率 c ，谐
，谱线宽度 m ，谐振腔
通常情况下有： m c ，上式可简化为：
第11页，共48页。
基本思想：将传播方向相反而路径基本重合的两束泵浦光（或饱和光）与 探测光、穿过气体样品，当激光频率扫描到原子或分子的超精细能级的共振频 率时，根据多普勒效应，只有在探测光路径上速度分量为零的那部分原子或分 子由于其多普勒频移为零，才能同时与泵浦光和探测光发生共振相互作用，由 于较强的泵浦光使这部分原子在基态的数目减少，所以对探测光的吸收减少， 因而谱线呈吸收减弱的尖峰即超精细跃迁峰。
若激光器１相对于激光器２的稳定性很高，可以认为 1 0 （参考
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）
物理与电子工程学院
《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
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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）。
1
第一章 激光的基本原理
激光的特性与应用(共8张PPT)实用资料
移动工件或者移动激光束，使钻出的孔洞连成线， 即为激光切割。不论是什 么样的材料，如钢板、钛板、陶瓷、石英、橡胶、塑料、皮革、化纤、木材等， 激光都像一柄削铁如泥的光剑，而且，切割的边缘非常光洁。下图所示为激光切 割机正在切割钢板。
四是相干性好。普通光源发出的光杂乱无章，不能发生干涉一致的相干光，具有高 度的相干性，能像无线电波那样进行调制，用来传递信息。
三、激光的应用
由于激光具有突出的特性，因此自诞生以来，激光技术得到了飞速发展，它使人们获得了空 前的效益和成果，极大地促进了生产力的发展。目前激光几乎是无处不在，它已经被用在生活、 生产的方方面面：激光通信、激光光盘、激光照排、激光手术刀、激光钻孔、激光切割、激光焊 接、激光淬火、激光热处理等。
激光的特性与应用
二、激光的特性
一是亮度高。激光是现代最亮的光源，它可以在很小的空间和很短的时间内集中 很大的能量。如果把强大的激光束会聚起来照射到物体上，可以使物体的被照部分在 不到千分之一秒的时间内产生几千万度的高温，最难熔化的物质在这一瞬间也要汽化 二、激光的了特性。
一是亮度高。 现在，激光器的尺寸大至几个足球场，小至一粒稻谷。
拿氦－氖气体激光二器是来说单，色它性射出好的。波太长宽阳度光不是到1复0-色10 光nm，，完由全成可千以视上为万单种一的不波同长波，是长极的纯光的单组色合光而。成。在自然界中几 普通光源发乎出的找光不杂到乱无波章长，纯不能粹发的生光干涉，，各不种是相波干长光的。光总是混杂在一起。激光却是一种理想的单色光源。拿
激光通信是把激光作为信息载体实现通信的一种方式，可取代或补偿目前的微波通信。它包 括激光大气传输通信、卫星激光通信、光纤通信和水下激光通信等多种方式。激光通信具有信息 容量大、传送线路多、保密性强、可传送距离远、设备轻便、费用低廉等优点。
四是相干性好。普通光源发出的光杂乱无章，不能发生干涉一致的相干光，具有高 度的相干性，能像无线电波那样进行调制，用来传递信息。
三、激光的应用
由于激光具有突出的特性，因此自诞生以来，激光技术得到了飞速发展，它使人们获得了空 前的效益和成果，极大地促进了生产力的发展。目前激光几乎是无处不在，它已经被用在生活、 生产的方方面面：激光通信、激光光盘、激光照排、激光手术刀、激光钻孔、激光切割、激光焊 接、激光淬火、激光热处理等。
激光的特性与应用
二、激光的特性
一是亮度高。激光是现代最亮的光源，它可以在很小的空间和很短的时间内集中 很大的能量。如果把强大的激光束会聚起来照射到物体上，可以使物体的被照部分在 不到千分之一秒的时间内产生几千万度的高温，最难熔化的物质在这一瞬间也要汽化 二、激光的了特性。
一是亮度高。 现在，激光器的尺寸大至几个足球场，小至一粒稻谷。
拿氦－氖气体激光二器是来说单，色它性射出好的。波太长宽阳度光不是到1复0-色10 光nm，，完由全成可千以视上为万单种一的不波同长波，是长极的纯光的单组色合光而。成。在自然界中几 普通光源发乎出的找光不杂到乱无波章长，纯不能粹发的生光干涉，，各不种是相波干长光的。光总是混杂在一起。激光却是一种理想的单色光源。拿
激光通信是把激光作为信息载体实现通信的一种方式，可取代或补偿目前的微波通信。它包 括激光大气传输通信、卫星激光通信、光纤通信和水下激光通信等多种方式。激光通信具有信息 容量大、传送线路多、保密性强、可传送距离远、设备轻便、费用低廉等优点。
激光原理第一章1.5
太原理工大学物理与光电工程学院
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。
太原理工大学物理与光电工程学院
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太原理工大学物理与光电工程学院
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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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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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
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2
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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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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=
2π
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(第1章)
tc ＝ Dt ＝ 1/Dv
上式说明，光源单色性越好，则相干时间越长。
物理光学中曾经证明：在图1.1.4中，由线度为Dx的光源A照明的
S1和S2两点的光波场具有明显空间相干性的条件为 DxLx/R ≤ (1.1.18) (1.1.19) (1.1.20)
式中 为光源波长。距离光源R处的相干面积 Ac 可表示为
上 述 基 本 关 系 式 (1.1.1) 和 (1.1.3) 后 来 为 康 普 顿 (Arthur Compton)散射实验所证实(1923年)，并在现代量子电动力学中 得到理论解释。量子电动力学从理论上把光的电磁(波动)理论 和光子(微粒)理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来， 从而在理论上阐明了光的波粒二象性。在这种描述中，任意电 磁场可看作是一系列单色平面电磁波(它们以波矢k为标志)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。但 每个本征模式所具有的能量是量子化的，即可表为基元能量hv 的整数倍。本征模式的动量也可表为基元动量 hkl 的整数倍。 这种具有基元能量hvl和基元动量hkl的物质单元就称为属于第 l 个本征模式(或状态)的光子。具有相同能量和动量的光子彼此 间不可区分，因而处于同一模式(或状态)。每个模式内的光子 数目是没有限制的。
空间称为相空间，相空间内的一点表示质点的一个运动状态。
当宏观质点沿某一方向(例如：x轴)运动时，它的状态变化对应 于二维相空间(x, Px)的一条连续曲线，如图1.1.2 所示。但是，
光子的运动状态和经典宏观质点有着本质的区别，它受量子力
学测不准关系的制约。
测不准关系表明：微观粒子的坐标和动量不能同时准确测定，
hv
式中 h＝6.626×10-34Js，称为普朗克常数。
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
2022/1/22
15
第十五页，共76页。
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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第二十四页，共76页。
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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第二十一页，共76页。
(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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制成中国第一台激光器，第一台大 型光测装备和许多国防光学仪器。
20世纪70年代，主持制定了全国第 一个遥感科学规划，领导了综合性的航 空遥感试验。
1961：世界上A.贾文制成了第一台气体激光器 －He-Ne激光器 1962：R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器 1963：中国第一台He-Ne激光器
1960：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。
2007年5月5日：激光先驱梅曼去世。 享年79岁。
世界上第一台激光器诞生(1960)
红宝石固体激光器
波长：6943A (694.3nm)，峰值功率：10KW
世界上第一台激光器模型： 固体激光器：红宝石，Nd:YAG，YVO4等。
激光发明奠定了理论基础。
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) 普洛霍洛夫 (A.M.Prokhorov)
第一次实现氨分子微波量子振荡器(MASER)。
通讯和雷达技术都希望将电磁波频率进一步提高。(微波-可见光波段)
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
2000: 赫伯特·克雷歇尔（H.Pressel），提出了 双异质结构，实现半导体激光器室温工作。
2、激光技术
1961：第一台调Q激光器(ns) 1966：锁模激光器（ps）——fs、as激光器
1961：中国第一台激光器
1961年8月，中国第一台激光器--"小球照明红 宝石"激光器，在中国科学院长春光学精密机械 研究所诞生了。这台激光器的设计师是王之江 教授，他被称为"中国激光之父"。
中国第一台激光器（1961）
王大珩（1915.2.26─2011.7.21）， 中国科学院、中国工程院院士 中国光学之父
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。是 非线性光学理论的奠基人。
1958年12月: 在Physics Review上发表。 1960年3月：获专利。
一、 序 言 what ？
激光又名镭射，全名是“受激辐射光放大”。
（Laser__light amplification by stimulated emission of radiation）
量子电子学
微观物理学与量子学相结合在所有波段研究激 射原理、激射器件以及相干辐射与物质相互作 用的一门边缘课程。
精品课程:///laser/
※专题研究或实验室参观：
专题研究方式的内容主要包括激光器的腔型 设计与参数测试、激光器的光束强度分布及其 发散角的测量与分析、调Q脉冲YAG激光器的 调试与参数测试的研究。
绪论
❖ 序言
❖ 激光发展历史
❖ 激光基本原理概述
光和物质相互作用的三种过程 光的受激辐射放大 自激振荡器
4、涉及范围及内容
1）自然科学：一系列新的交叉学科应用技术领域： 量子光学、非线性光学、激光原理（器件和技术）、 超快光子学、信息光电子技术、激光全息技术、激 光医疗与光子生物学、激光加工及检测，激光武器 等分支。
激光的发明使光学领域的研究出 现新的活力。激光一方面为成熟的领 域中现有的各种应用技术带来数量级 的改善，另一方面又开辟了一些新的 领域和新的应用和新学科。
3、激光应用器件发展概况
）
）
） ） ） ） ）
激光器件技术发展展望
1）工作物质: 固体，气体，液体，半导体，光纤
化学，离子Байду номын сангаас原子
2）频谱范围：激光波长远紫外——可见光——亚毫米
(100nm）
（1.222mm）
3）输出能量 微焦——百万焦耳(脉冲 pulse laser）
4）输出功率 毫瓦——万瓦 （连续 CW laser）
3. 掌握谱线加宽的机制和线型函数，掌握速率方 程理论的分析方法，掌握均匀加宽和非均匀加宽工 作物质的增益系数的特性。
4. 掌握激光振荡特性（阈值概念、激光器起振和 维持稳定工作条件、模式特性和输出功率）；了解 弛豫振荡、线宽极限和频率牵引概念。
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※ 教学手段：
上课内容：演示文稿 课堂练习： 课后作业：每人一个固定笔记本，周三上课前交 习题讲评&课堂讨论：3-4次 考试方式：闭卷 期末
第一章激光的基本特性文稿演示
优选第一章激光的基本特性
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。
光子学 —— 研究光子作为信息、能量载体的科学 光子技术— 相干光的产生 激光原理 （54学时）
相干光的控制 (调制、偏转) 光频率（波长）变换
激光器件与原理 （54学时） 相干光的检测及应用——光电探测
光电子学：在光频波段的电子学。 对象：电磁波
光子学
对象：光子
二、激光发展历史 How？
• 科学技术发展规律
基础理论研究 新技术 产品开发 产业
• 基础理论研究是构筑科学大厦的基石 • 为激光发展进行探索的科学家
1、激光器产生历史
1917: 爱因斯坦(A.Einstein) 提出了受激辐射可实现光放大的概念，为
※ 成绩：作业＋考勤 30％ 期末考试 70％
※课堂纪律：上课时不准吃、喝；关闭手机;
上课期间不得随意离开教室。
※学风建设：主动积极听课，把心留在教室里,
认真独立完成作业，端正态度, 不要有投机取巧的侥幸心理。
※答疑：
时间：每周五下午14:30-16:30 地点：科技楼5楼516-2室
※见学校网页精品课程网页：
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3
※ 教学大纲：
第一章 第二章 第四章 第五章
第七章（自学）
※课程目标:
掌握产生激光的基本原理和处理激光问题的基 本理论和方法。
1. 了解激光器的组成，掌握激光原理的基本知识、 激光特性；。
2. 了解光谐振腔模式的波动理论，掌握共轴球面腔 的稳定性条件；掌握对称共焦腔的基本特性，能利 用等价共焦腔的概念分析一般稳定球面腔的模式特 征；掌握高斯光束的基本性质与传输规律，分析高 斯光束的聚焦和准直。
20世纪70年代，主持制定了全国第 一个遥感科学规划，领导了综合性的航 空遥感试验。
1961：世界上A.贾文制成了第一台气体激光器 －He-Ne激光器 1962：R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器 1963：中国第一台He-Ne激光器
1960：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。
2007年5月5日：激光先驱梅曼去世。 享年79岁。
世界上第一台激光器诞生(1960)
红宝石固体激光器
波长：6943A (694.3nm)，峰值功率：10KW
世界上第一台激光器模型： 固体激光器：红宝石，Nd:YAG，YVO4等。
激光发明奠定了理论基础。
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) 普洛霍洛夫 (A.M.Prokhorov)
第一次实现氨分子微波量子振荡器(MASER)。
通讯和雷达技术都希望将电磁波频率进一步提高。(微波-可见光波段)
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
2000: 赫伯特·克雷歇尔（H.Pressel），提出了 双异质结构，实现半导体激光器室温工作。
2、激光技术
1961：第一台调Q激光器(ns) 1966：锁模激光器（ps）——fs、as激光器
1961：中国第一台激光器
1961年8月，中国第一台激光器--"小球照明红 宝石"激光器，在中国科学院长春光学精密机械 研究所诞生了。这台激光器的设计师是王之江 教授，他被称为"中国激光之父"。
中国第一台激光器（1961）
王大珩（1915.2.26─2011.7.21）， 中国科学院、中国工程院院士 中国光学之父
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。是 非线性光学理论的奠基人。
1958年12月: 在Physics Review上发表。 1960年3月：获专利。
一、 序 言 what ？
激光又名镭射，全名是“受激辐射光放大”。
（Laser__light amplification by stimulated emission of radiation）
量子电子学
微观物理学与量子学相结合在所有波段研究激 射原理、激射器件以及相干辐射与物质相互作 用的一门边缘课程。
精品课程:///laser/
※专题研究或实验室参观：
专题研究方式的内容主要包括激光器的腔型 设计与参数测试、激光器的光束强度分布及其 发散角的测量与分析、调Q脉冲YAG激光器的 调试与参数测试的研究。
绪论
❖ 序言
❖ 激光发展历史
❖ 激光基本原理概述
光和物质相互作用的三种过程 光的受激辐射放大 自激振荡器
4、涉及范围及内容
1）自然科学：一系列新的交叉学科应用技术领域： 量子光学、非线性光学、激光原理（器件和技术）、 超快光子学、信息光电子技术、激光全息技术、激 光医疗与光子生物学、激光加工及检测，激光武器 等分支。
激光的发明使光学领域的研究出 现新的活力。激光一方面为成熟的领 域中现有的各种应用技术带来数量级 的改善，另一方面又开辟了一些新的 领域和新的应用和新学科。
3、激光应用器件发展概况
）
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） ） ） ） ）
激光器件技术发展展望
1）工作物质: 固体，气体，液体，半导体，光纤
化学，离子Байду номын сангаас原子
2）频谱范围：激光波长远紫外——可见光——亚毫米
(100nm）
（1.222mm）
3）输出能量 微焦——百万焦耳(脉冲 pulse laser）
4）输出功率 毫瓦——万瓦 （连续 CW laser）
3. 掌握谱线加宽的机制和线型函数，掌握速率方 程理论的分析方法，掌握均匀加宽和非均匀加宽工 作物质的增益系数的特性。
4. 掌握激光振荡特性（阈值概念、激光器起振和 维持稳定工作条件、模式特性和输出功率）；了解 弛豫振荡、线宽极限和频率牵引概念。
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※ 教学手段：
上课内容：演示文稿 课堂练习： 课后作业：每人一个固定笔记本，周三上课前交 习题讲评&课堂讨论：3-4次 考试方式：闭卷 期末
第一章激光的基本特性文稿演示
优选第一章激光的基本特性
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。
光子学 —— 研究光子作为信息、能量载体的科学 光子技术— 相干光的产生 激光原理 （54学时）
相干光的控制 (调制、偏转) 光频率（波长）变换
激光器件与原理 （54学时） 相干光的检测及应用——光电探测
光电子学：在光频波段的电子学。 对象：电磁波
光子学
对象：光子
二、激光发展历史 How？
• 科学技术发展规律
基础理论研究 新技术 产品开发 产业
• 基础理论研究是构筑科学大厦的基石 • 为激光发展进行探索的科学家
1、激光器产生历史
1917: 爱因斯坦(A.Einstein) 提出了受激辐射可实现光放大的概念，为
※ 成绩：作业＋考勤 30％ 期末考试 70％
※课堂纪律：上课时不准吃、喝；关闭手机;
上课期间不得随意离开教室。
※学风建设：主动积极听课，把心留在教室里,
认真独立完成作业，端正态度, 不要有投机取巧的侥幸心理。
※答疑：
时间：每周五下午14:30-16:30 地点：科技楼5楼516-2室
※见学校网页精品课程网页：
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※ 教学大纲：
第一章 第二章 第四章 第五章
第七章（自学）
※课程目标:
掌握产生激光的基本原理和处理激光问题的基 本理论和方法。
1. 了解激光器的组成，掌握激光原理的基本知识、 激光特性；。
2. 了解光谐振腔模式的波动理论，掌握共轴球面腔 的稳定性条件；掌握对称共焦腔的基本特性，能利 用等价共焦腔的概念分析一般稳定球面腔的模式特 征；掌握高斯光束的基本性质与传输规律，分析高 斯光束的聚焦和准直。