第一章激光基础知识 - 第19章激光和固体的量子理论
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激光基础知识
激光基础知识第一篇：激光基础知识激光基础知识听到激光这个词，大家可能有些害怕，因为它让人想起了星球大战中太空战士的利器，或者是手术台上医生的手术刀。
但是，激光并不总是伤人的武器，它也存在于我们的日常生活中。
比如说“镭射”（Laser），全息照片等都是激光技术在在现实中的应用，给我们的生活带来了极大的便利。
激光原来和我们如此的接近！激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。
意思是“受激辐射的光放大”。
什么叫做“受激辐射”？它基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。
这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。
这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
一个科学的理论从提出到实现，往往要经过一段艰难的道路。
爱因斯坦提出的这个理论也是如此。
它很长一段时间被搁置在抽屉里无人问津。
1950年，波尔多一所中学的教师阿尔弗雷德·卡斯特勒同让·布罗塞尔发明了“光泵激”技术。
这一发明后来被用来发射激光，并使他在1966年获得了诺贝尔物理学奖。
激光器的发明实际上提出了更多的问题。
它必须使反射谐振器适应极短的波长。
1951年，美国哥伦比亚大学的一位教授查尔斯·汤斯（Townes）对微波的放大进行了研究，经过三年的努力，他成功地制造出了世界上第一个“微波激射器”，即“受激辐射的微波放大”的理论。
汤斯在这项研究中花费了大量的资金，因此他的这项成果被人们起了个绰号叫做“钱泵”，说他的这项研究花了很多的钱。
后来汤斯教授和他的学生阿瑟·肖洛（Schawlow，诺贝尔物理奖的获得者）想，既然我们已经成功地研究了微波的放大，就有可能把微波放大的技术应用于光波。
激光和固体物理简介
14
八个量子态：(2 , 0 , 0 , ±½) (2 , 1 , 0 , ±½) (2 , 1 , 1 , ±½) (2 , 1 , -1 , ±½)
E
4f 4d ml = 0,±1, ±2, ±3 n = 4 l = 0,1,2,3 4p ms = ± ½ 3d 4s n = 3 l = 0,1,2 3p ml = 0,±1, ±2 ms = ± ½ 3s n = 2 l = 0,1 2p 2s ml = 0,±1 ms = ± ½
12
二.核外电子的壳层分布遵循两个原理
1. 泡利不相容原理 一个原子中不可能有2个 或2个以上的电子处于完全相同 的量子态。即原子中不可能有2 个或2个以上的电子具有完全相 同的量子数 (n l ml ms )
n 1,2,3,4
l 0,1,2, (n 1)
ml 0,1,2,l 1 ms 2 n l ml ms 确定，可能出现的量子态数——1
3. 磁量子数 ml ( 0，±1， ± 2，……. , ± l )
决定电子轨道角动量空间取向
4.自旋磁量子数 ms ( 1/2 , -1/2 )
决定电子自旋角动量空间取向
11
§16.8 原子的电子壳层结构
一. 壳层结构
壳层结构电子排布的规律如下： 1. 主量子数 n 相同的电子组成一个壳层（主壳层） n 越小，壳层半径越小，能量越低
即原子中不可能有2个或2个以上的电子具有完全相同的量子数1层上最多可容纳2n2层上最多可容纳2n012s2p3层上最多可容纳2n18个电子3d100123s3p3d01234s4p4d4f012s2p能量最低原理原子处于正常状态时每个电子首先占据可能的最低能级能级高低主量子数决定角量子数影响1s2s2p3s3p3d4salsiar4s能级低于3d能级
八个量子态：(2 , 0 , 0 , ±½) (2 , 1 , 0 , ±½) (2 , 1 , 1 , ±½) (2 , 1 , -1 , ±½)
E
4f 4d ml = 0,±1, ±2, ±3 n = 4 l = 0,1,2,3 4p ms = ± ½ 3d 4s n = 3 l = 0,1,2 3p ml = 0,±1, ±2 ms = ± ½ 3s n = 2 l = 0,1 2p 2s ml = 0,±1 ms = ± ½
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二.核外电子的壳层分布遵循两个原理
1. 泡利不相容原理 一个原子中不可能有2个 或2个以上的电子处于完全相同 的量子态。即原子中不可能有2 个或2个以上的电子具有完全相 同的量子数 (n l ml ms )
n 1,2,3,4
l 0,1,2, (n 1)
ml 0,1,2,l 1 ms 2 n l ml ms 确定，可能出现的量子态数——1
3. 磁量子数 ml ( 0，±1， ± 2，……. , ± l )
决定电子轨道角动量空间取向
4.自旋磁量子数 ms ( 1/2 , -1/2 )
决定电子自旋角动量空间取向
11
§16.8 原子的电子壳层结构
一. 壳层结构
壳层结构电子排布的规律如下： 1. 主量子数 n 相同的电子组成一个壳层（主壳层） n 越小，壳层半径越小，能量越低
即原子中不可能有2个或2个以上的电子具有完全相同的量子数1层上最多可容纳2n2层上最多可容纳2n012s2p3层上最多可容纳2n18个电子3d100123s3p3d01234s4p4d4f012s2p能量最低原理原子处于正常状态时每个电子首先占据可能的最低能级能级高低主量子数决定角量子数影响1s2s2p3s3p3d4salsiar4s能级低于3d能级
第1章激光理论概述
２、 半经典理论
在激光半经典理论中，辐射场的运动用经典电动力学的麦 克斯韦方程措述，而介质原子(或分子、离子)系统用量子力 学的方法描述，辐射场对原子的影响表现为原子系统的微 扰哈密顿量，场的扰动使得原子状态发生变化；原子系统 对辐射场的影响则归结为麦克斯韦方程中的极化强度项， 极化强度作为场源，使辐射场发生变化。由于激光介质是 由许多原子(或分子、离子)系统组成的系综，故以量子统计 中的系综密度矩阵来表示对各系统的平均。
教材
钱梅珍等编著，激光物理，电子工业出版社，2001年 钱梅珍等编著，激光物理，电子工业出版社，2001年 卢亚雄等,激光物理, 北京邮电大学出版社, 2005年 卢亚雄等,激光物理, 北京邮电大学出版社, 2005年 李福利,高等激光物理学, 高等教育出版社,2006年 李福利,高等激光物理学, 高等教育出版社,2006年(第 二版) 二版) 办公室:南五楼一楼 办公室 南五楼一楼114 南五楼一楼 小灵通:62303507 小灵通 电子邮件:xbwang@ 电子邮件
４、速率方程理论
可以认为，它是量子理论的一种简化形式，因为它是从光子(即 量子化的辐射场)与物质原子的相互作用出发的。但是，由于忽 略了光子的相位特性和光子数的起伏特性而使这种理论具有非 常简单的形式。特别是，如果沿用爱因斯坦的推导黑体辐射普 朗克公式时的唯象方法，则速率方程理论就更加简单明了。但 严格说来，它只能给出激光的强度特性，而不能揭示出色散(频 率牵引)效应，也不能给出与激光场的量子起伏有关的特性。对 于烧孔效应、兰姆凹陷、多模竞争等，则只能给出粗略的近似 描述。
2 ɺɺ(t ) + 2γx(t ) + ω 0 x(t ) = 0 ɺ x
eω ɺ F =− x 3 6πε 0 c
激光专业知识课件
我们远隔千里就可以同亲人朋友通话，也是激
光的功劳，因为光纤传送的正是激光。
而近年来兴起的激光美容更给越来越多的爱美
人士带来了更多便捷的美容手段。
激光/许本芳
3
第一章 激光的概述
第二节 激光简介
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之 后，人类的又一个重大发明，被称为“最快的刀”、“镭捷” 激光灯管、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。
第一节 激光器的结构图——内部结构图
全反射镜
激励源
工作物质
L
光学谐振腔
激光输出 部分反射镜
激光
激光/许本芳
18
第二章 激光的认识
第一节 激光器的结构图——内部结构图详解
激光/许本芳
19
第二章 激光的认识
第二节 激光器的结构功能——工作物质
激光作为光学家族的一员，具有波粒二相性，一方面激光是由无数光子组成，具有光的 粒子性；另一方面，其本身也是一种电磁波。
Eh
h
h
h
El
图三
激光/许本芳
25
第二章 激光的认识
第五节 激光产生的原理——光放大
光放大：若有一批原子处于高能态(Eh)，则 在一个入射光子(h=Eh-El)的作用下，
会通过一系列受激辐射产生不断倍增的完全相同的光子。
图四
激光/许本芳
26
第二章 激光的认识
第四节 激光产生的原理
工作物质在激励源的作用下发生粒子数反转，通过谐振腔内的振荡和放大，产生正反 馈式的连锁反应，从而发射出频率、方向、偏振状态、相位一致的光——激光。
选择适当的波长和脉宽小于目标组织的热弛豫时间就会使目标组织受到选择性的损害。
第一章激光基础
x y z
3
V
m,n,q为正整数，对应腔内一种模式(包含两 个偏振)。
激光原理与技术
在k空间内，波矢绝对值处于区间
Kz
k ～k d k
O
K Ky
1 2 体积为 4 k d k 8
Kx
波矢空间
1 V 2 该体积内的模式数为 4 k d k 3 8
低频与实验有明显偏移
激光原理与技术
黑体辐射的理论描述
2.瑞丽-金斯公式 热力学+电磁学
8 dv 3 k BTd c
3
高频发散-“紫外灾难”
激光原理与技术
黑体辐射的理论描述
3.普朗克公式
普朗克假设：金属空腔壁中电子的振动可看作一维谐振子， 它吸收或者发射电磁辐射能量时，不是经典物理认为的可以 连续吸收或者发射能量，而是以与振子的频率成正比的能量 子ε=hν为单元来吸收或者发射能量。
普朗克的量子论：物体吸收或者发射电磁辐射，只 能以“量子”的方式进行，每个“量子”的能量ε =hν。
激光原理与技术
二、光电效应
光电效应：光照在金属上，有电子从金属表面逸 出的现象。
激光原理与技术
光电效应的实验现象
1. 电流饱和值 im∝ I（光强） 单位时间逸出的电子数与光强成正 比 1 2 eU mv 2. 遏止电压 U0 0 2 e U0：电子从金属内逸出时的最大动能 电子从金属内部逸出时最大动能与频率成正比 3. 截止（红限）频率 ν0 仅当入射光子 ν> ν0时才发生光电效应， 截止频率与光强无关；截止频率 υ0对应克 服材料本身束缚所需的最小能量(逸出功) 4. 瞬时性 当光照射到金属表面上，几乎立即就有光电子逸出
h xyz px p y pz
3
V
m,n,q为正整数，对应腔内一种模式(包含两 个偏振)。
激光原理与技术
在k空间内，波矢绝对值处于区间
Kz
k ～k d k
O
K Ky
1 2 体积为 4 k d k 8
Kx
波矢空间
1 V 2 该体积内的模式数为 4 k d k 3 8
低频与实验有明显偏移
激光原理与技术
黑体辐射的理论描述
2.瑞丽-金斯公式 热力学+电磁学
8 dv 3 k BTd c
3
高频发散-“紫外灾难”
激光原理与技术
黑体辐射的理论描述
3.普朗克公式
普朗克假设：金属空腔壁中电子的振动可看作一维谐振子， 它吸收或者发射电磁辐射能量时，不是经典物理认为的可以 连续吸收或者发射能量，而是以与振子的频率成正比的能量 子ε=hν为单元来吸收或者发射能量。
普朗克的量子论：物体吸收或者发射电磁辐射，只 能以“量子”的方式进行，每个“量子”的能量ε =hν。
激光原理与技术
二、光电效应
光电效应：光照在金属上，有电子从金属表面逸 出的现象。
激光原理与技术
光电效应的实验现象
1. 电流饱和值 im∝ I（光强） 单位时间逸出的电子数与光强成正 比 1 2 eU mv 2. 遏止电压 U0 0 2 e U0：电子从金属内逸出时的最大动能 电子从金属内部逸出时最大动能与频率成正比 3. 截止（红限）频率 ν0 仅当入射光子 ν> ν0时才发生光电效应， 截止频率与光强无关；截止频率 υ0对应克 服材料本身束缚所需的最小能量(逸出功) 4. 瞬时性 当光照射到金属表面上，几乎立即就有光电子逸出
h xyz px p y pz
第1章_激光基础概述
E2
n2 n1 g 2 g1
满足上式得粒子数分布， 称为粒子数反转分布。
E1
粒子数反转分布（g2 g1 ）
3. 激光器的组成
一、基本结构
全反射镜 输出镜 激光工作物质 激光 输出
激 光 器 基 本 结 构
激光工作物质
泵浦源（激励源）
泵浦源
激光器示意图 光学谐振腔
谐振腔
作用：光学正反馈形成激光持续振荡；对振 荡光束的方向、频率形成限制，保证单色性 与方向性 类型：
iner
1 1 ln 2 L r1r2
反射镜不完全所致损耗
iner 为腔内其它损耗
光子在谐振腔给所获得的 增益只有大于或等于腔内总 损耗系数时，激光才能形成 振荡。以平行平面腔为例， 其阀值条件为
G iner
1 1 ln 2 L r1r2
谐振腔品质因子
人们常用品质因子来描述谐振腔的性能，并定义
0
t(
We 0
R
)e
t
R
dt R
如果腔内激光介质的增益为G，则振荡1次后腔内光子密度变化为
We We0 e2( G) L
如果腔内激光介质的增益为G，则振荡m次后腔内光子密度变化为
We We0 e2( G) mL
G
意味着光子数增加
激光振荡阈值条件
腔内总损耗（单程）：
相干
D相干
2 相干
D
2
相干
定义为相干截面
s相干 ，即
s相干 D
单色性和时间相干性
以激光辐射的谱线宽度表征辐射的单色性和激光的 相干时间。单色性和相干时间 之间存在简单关系， 相干 即
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
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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）。
1
第一章 激光的基本原理
第1章 激光的物理基础
Δ
普通光源：向4立体角发射激光：发散角可达到10-3rad
2012-6-29 11
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：
c V c Ac Lc Ac c c Δ
2012-6-29 12
例1 . 使 He - Ne激 光 器 的 相 干 长 度 达 到 1km， 它 的 单 色 性 为
0
应是多少？
解 ：根 据 相 干 长 度 定 义 ， 有 另一方面，由于 得 c c
Lc
c
,因 此
E0
e
i ( 0 ) t c i ( 0 ) t c
i 2 ( 0 )e
2012-6-29
4
E0 t c
sin[ ( 0 )t c ]
( 0 )t c
e
i ( 0 ) t c
E0 t c sinc[ ( 0 )t c ]e
x
y
z
每一组正整数 m 、 n 、 q 对应腔内的一种模式
2012-6-29
16
以 k x , k y , k z为 轴 建 立 坐 标 系 , 形 成 波 矢 空 间 ， 则 每个模对应波矢空间的 一点，相邻模式的间隔 为 :
k x ky kz
x
, ,
kz
k
在六维相空间，一个光 子态所占的体积元为：
x y z P x P y Pz h
3
一个光子态对应的相空 间体积元称为相格
一个光子态所占的坐标空间体积为： x y z h
《激光基础知识》课件
感谢您的观看
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。
大学物理激光和固体的量子理论
随着量子计算和量子信息技术的快速发展，激光和固体量子理论的结合将在实 现量子比特控制、量子通信和量子计算等方面发挥重要作用。
新材料和新器件
随着新材料的不断涌现和新器件的不断发展，激光与固体量子理论的结合将为 新材料的制备、新器件的设计和性能优化提供理论支持和技术指导。
04 实验研究与案例分析
激光实验技术
固体量子现象
量子霍尔效应
量子隧穿效应
量子霍尔效应是一种在低温强磁场下 的量子现象，表现为霍尔电阻与磁感 应强度无关，呈现量子化平台。
量子隧穿效应是指微观粒子能够穿越 能量势垒的奇异现象，是许多现代科 技应用的基础。
量子相干现象
量子相干现象是指微观粒子之间存在 相互关联和干涉的现象，如双缝干涉 实验等。
固体量子实验技术
固态量子比特
利用超导材料、拓扑绝缘体等固体材料中的电子、自旋等作为信息 载体，构建量子比特，实现量子计算和量子信息处理。
固态量子模拟
利用固体材料中的量子效应，模拟复杂的物理系统和现象，如高温 超导、拓扑物态等。
固态量子传感器
利用固体材料中的量子效应，开发高灵敏度、高分辨率的传感器，用 于测量磁场、温度、压力等物理量。
在激光器中，通过某种机制使高 能级上的粒子数多于低能级上的 粒子数，形成粒子数反转，这是
产生激光的必要条件。
相干光
激光器中的光子具有相同的频率、 相位和传播方向，形成相干光。
激光的特性
01
02
03
04
单色性
激光
激光的光束很窄，具有很好的 方向性。
高亮度
由于激光的能量高度集中，所 以具有很高的亮度。
大学物理激光和固体的量子理论
目 录
• 激光理论 • 固体量子理论 • 激光与固体量子理论的结合 • 实验研究与案例分析 • 结论与展望
新材料和新器件
随着新材料的不断涌现和新器件的不断发展，激光与固体量子理论的结合将为 新材料的制备、新器件的设计和性能优化提供理论支持和技术指导。
04 实验研究与案例分析
激光实验技术
固体量子现象
量子霍尔效应
量子隧穿效应
量子霍尔效应是一种在低温强磁场下 的量子现象，表现为霍尔电阻与磁感 应强度无关，呈现量子化平台。
量子隧穿效应是指微观粒子能够穿越 能量势垒的奇异现象，是许多现代科 技应用的基础。
量子相干现象
量子相干现象是指微观粒子之间存在 相互关联和干涉的现象，如双缝干涉 实验等。
固体量子实验技术
固态量子比特
利用超导材料、拓扑绝缘体等固体材料中的电子、自旋等作为信息 载体，构建量子比特，实现量子计算和量子信息处理。
固态量子模拟
利用固体材料中的量子效应，模拟复杂的物理系统和现象，如高温 超导、拓扑物态等。
固态量子传感器
利用固体材料中的量子效应，开发高灵敏度、高分辨率的传感器，用 于测量磁场、温度、压力等物理量。
在激光器中，通过某种机制使高 能级上的粒子数多于低能级上的 粒子数，形成粒子数反转，这是
产生激光的必要条件。
相干光
激光器中的光子具有相同的频率、 相位和传播方向，形成相干光。
激光的特性
01
02
03
04
单色性
激光
激光的光束很窄，具有很好的 方向性。
高亮度
由于激光的能量高度集中，所 以具有很高的亮度。
大学物理激光和固体的量子理论
目 录
• 激光理论 • 固体量子理论 • 激光与固体量子理论的结合 • 实验研究与案例分析 • 结论与展望
量子理论激光.ppt
由驻波条件知 往返光程
2nL kk ( k=1、2、3、…．)
n —谐振腔内工作物质的折射率
k—真空中的波长
k
2nL k
k=1 k=2
k=3 L
可以存在的纵模频率为
k
c
k
k c 2nL
相邻两个纵模频率的间隔为
k
c 2nL
数量级估计：
L～ 1 m n ～ 1.0 c = 3108 ms
k
c 2nL
I( 0 )
I ( 0 )
I( 0 )
2
0
例如Ne原子的0.6328 m谱线的频率宽度为
1.3 10 9 Hz
8
c
310
6 510 Hz
14
0.632810
Δ
1.3109 5 1 014
3106
而为什么He—Ne激光器输出激光的
Δ 会小到10 - 15 呢？
原因: 光在谐振腔两端来回反射要产生干涉
1.激活介质： 有合适的能级结构 能实现粒子数反转
2.激励能源： 使原子激发 维持粒子数反转
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
四、 激光的特点 1.相干性极好 •时间相干性好
相干长度可达几十公里
•空间相干性好 激光波面上各个点可以 做到都是相干的（如基横模）
2.方向性极好
第一节 激 光
激光又名莱塞 (Laser) 全名是 “辐射的受激发射光放大”
（Light amplification by stimulated emission of radiation）
世界上第一台激光器诞生于1960年 1954年制成了受激发射的微波放大器 ——梅塞（Maser） 它们的基本原理都是基于1916年爱因斯坦 提出的受激辐射理论
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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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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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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第一章激光基础知识 - 第19章激光和固体的量子理论
dN 21 ( , T ) N 2 dt 受激
受激辐射
dN 21 写成等式： B21 , T N 2 dt 受激
B21受激辐射系数
令 W21 = B21· （，T）则
dN 21 W21N 2 dt 受激
外来光子能量： h E2 E1
受激辐射
E2
各个原子受激辐射的 光是相干光
N2
h
N1
全同光子
如此下去可实现“光放 大”
E1
与外来光子全同：频率、相位、振动方向和 传播方向均相同
设 （，Ｔ）表示温度为Ｔ时, 频率为 = (E2 - E1) / h附近，单位频率间隔内外来光的能量密度，则： 单位体积中单位时间内，从E２ E１受激辐射的原子数密度
固体激光器 液体激光器
半导体激光器
自由电子激光器
连续输出 按输出方式分： 脉冲输出
2、激光器的分类
（按工作物质分类）
气体激光器
气体激光器，按工作物质的性质又分为 原子激光器、分子激光器和离子激光器。 波谱范围广，能连续输出，单、 成本低、可靠性高。
激 光 器
1m长
仅增10-2量级
怎么办？ 选频、选方向！（抑制其它频率、方向的光） 采用 光学谐振腔：
由激活介质（激励能源）和反射镜构成
要得到方向性和单色性很好的激光，还必须采 用光学谐振腔。
在激活介质的 两端安置两块反射 镜面，一个是全反 射镜，一个是部分 反射镜，这对反射 镜面及其间的空间 称为光学谐振腔。
通过给物质提供 能量，可以使较多的 原子跃迁到高能级， 如果物质具有亚稳态 能级，就能实现粒子 数反转。
粒子数反转
二、激光器的组成和常见激光器
激光基础知识
激光基础知识目录一、激光概述 (2)1.1 激光的定义 (3)1.2 激光的产生原理 (4)1.3 激光的特点与应用 (4)二、激光器的工作原理与结构 (5)2.1 激光器的基本构成 (6)2.2 激光器的类型 (7)2.2.1 固体激光器 (9)2.2.2 液体激光器 (10)2.2.3 气体激光器 (11)2.3 激光器的输出特性 (13)三、激光的发射与调控 (14)3.1 激光的发射过程 (15)3.2.1 脉宽调制 (17)3.2.2 频率调制 (18)3.2.3 相位调制 (19)四、激光的传输与耦合 (20)4.1 激光的传输介质 (21)4.2 激光的耦合方式 (22)4.3 激光的聚焦与散射 (23)五、激光的检测与测量 (24)5.1 激光的检测方法 (25)5.2 激光的测量技术 (27)5.2.1 功率测量 (29)5.2.2 频率测量 (30)5.2.3 相位测量 (31)六、激光的安全与防护 (32)6.2 激光的防护措施 (35)6.3 激光的正确使用与废弃处理 (36)七、激光新技术与发展趋势 (37)7.1 新型激光技术 (38)7.2 激光技术的应用领域 (40)7.3 激光技术的发展趋势 (41)一、激光概述激光（Laser）是一种受控能量释放过程，通过特定物质在受激发射过程中发射出高度集中、单一波长的光子束。
它是一种非传统光源，具有许多独特的特点和优势。
激光的原理起源于20世纪初，当时科学家们发现某些物质的电子在受到特定频率的光照射后，会吸收能量并跃迁到更高的能级。
当这些电子从高能级回落到低能级时，会以光的形式释放出能量。
这种跃迁过程使得特定波长的光被有效地放大和发射，从而产生了激光。
单色性：激光发射出的光子具有高度集中的单一波长，这使得激光在光谱分析、医疗、通信等领域具有广泛的应用价值。
直线性：激光的光束传播方向高度集中，几乎可以沿直线传播，这使得激光在切割、焊接等加工领域具有很高的精度。
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外来光子能量： h E2 E1
受激辐射
E2
各个原子受激辐射的 光是相干光
N2
h
N1
全同光子
如此下去可实现“光放 大”
E1
与外来光子全同：频率、相位、振动方向和 传播方向均相同
设 （，Ｔ）表示温度为Ｔ时, 频率为 = (E2 - E1) / h附近，单位频率间隔内外来光的能量密度，则： 单位体积中单位时间内，从E２ E１受激辐射的原子数密度
1m长
仅增10-2量级
怎么办？ 选频、选方向！（抑制其它频率、方向的光） 采用 光学谐振腔：
由激活介质（激励能源）和反射镜构成
要得到方向性和单色性很好的激光，还必须采 用光学谐振腔。
在激活介质的 两端安置两块反射 镜面，一个是全反 射镜，一个是部分 反射镜，这对反射 镜面及其间的空间 称为光学谐振腔。
488/514nm
531/568/647nm
633nm 10.6μm
染料激光器
二极管激光器 红宝石激光器 Nd: YLF
450~900nm
670~900nm 694nm 1053nm
连续或脉冲
连续或脉冲 1～250μs 100ns～250μs
Nd:YLF
Nd:YAG 自由电子激光 Ti:蓝宝石
1053nm
最常用的是平行平面腔。
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（延长了工作物质）； 3.使激光具有极好的单色性（选频）。
激励能源
激活介质 放大作用
激光
全反射镜
部分反射镜
正反馈作用 使光仅沿轴线方向振荡！
光学谐振腔对光的方向选择性
只有与反射镜轴向平行的一定波长（频率）的 光能在激活介质内来回反射（持续振荡），雪崩式 地放大，在一定条件下形成稳定的强光光束，从部 分反射镜面输出，得到激光。
利用有机染料分子独特的光谱结构，可以得到在一定范围 内连续可调的激光。
3、医用激光系统的主要特征
激光类型
氩离子 氪离子 氦－氖 二氧化碳
波
长
典型脉冲 持续时间
连续 连续 连续 连续或脉冲
激光类型
XeCI XeF KrF ArF
波
308nm 351nm 248nm 193nm
长
典型脉冲 持续时间
20~300ns 10~20ns 10~20ns 10~20ns
激发态
基态
二、光辐射及其三种基本形式
1916年爱因斯坦提出的“自发和受激辐射” 理论是现代激光系统的物理学基础。 原子中任何一个电子能量变化，原子就由一 个能级跳变到另一个能级，称为能级跃迁。
• 自发辐射
处于高能级的原子在不受外界影响的情况下完 全自发地向低能级跃迁同时释放光子的过程叫做 自发辐射。 特点：这类光源中各原子的跃迁是彼此独立 地、互不相干地进行的。
1064nm 800~6000nm 700~1000nm
30~100ps
30~100ps 2~10ps 10fs~100fs
Nd: YAG
Ho: YAG Er: YAG 变频晶体
1064nm
2120nm 2940nm 720~800nm
100ns～250μs
100ns～250μs 100ns～250μs 50ns～100μs
通过给物质提供 能量，可以使较多的 原子跃迁到高能级， 如果物质具有亚稳态 能级，就能实现粒子 数反转。
粒子数反转
二、激光器的组成和常见激光器
常用激光器由三部分组成：
工作物质 泵浦源 光学谐振腔
激励能源
工作物质
激光
M1
谐振腔
M2
激光器结构示意图
激光器的分类 气体激光器 按工作物质分 ：
N2
Ａ21 自发辐射系数
无外界影响
E2 E1
h
N1
自发辐射
Ａ21 的物理含义：
单位时间内发生自发辐射的原子数密度在 处于高能级E2的原子数密度中所占的比例
或每一个处于E2能级的原子在单位时间内 发生自发辐射过程的概率。
原子被外界激发后，自发辐射发出的光称为荧光 实验表明：外界激发停止荧光强度按指数规律衰减
受激吸收
外来光可以激发原子，也有可能被原子吸收，使 原子从E1E2
单位体积中单位时间内因吸收外来 光而从 E1E2 的原子数密度：
dN12 , T N1 dt 吸收
d N 12 写成等式： B12 , T N1 dt 吸收
E2
N2 h N1
B12 受激吸收系数
E1
受激吸收
令
d N 12 W12=Ｂ12 ( ，T) 则： W12 N1 dt 吸收
12 单个原子在单位时间内发生吸 其意义： W 收过程的概率
或：在能量密度为（，T）的光照射下，单位时间内产生受激吸收的原子 数密度在E1能级的总原子数密度中所占的比例。
c
引起谱线加宽的原因：
原子间碰撞引起
自然加宽、压力加宽、多普勒加宽 与机械波类似，波源运动，有多普勒效应 原子无规热运动，同时发光 对于He-Ne激光器： 632.8nm
10 2
光源运动 光的多普勒效应
9 9 1 . 5 10 MHz 或 1 . 3 10 MHz 室温时频率间隔： D
粒子数的正常分布
E2 E1
..... N 2
E2
E1
. . . . . . . . . N2 . . . .
E2 E1
。 。 N1 。 。 。
粒子数反转分布
产生激光的基本条件
为何要粒子数反转？
从 E2 E1 自发辐射的光，可能引起受激辐射 过程，也可能引起吸收过程。
dN 21 B21 , T N 2 W21 N 2 dt 受激
固体激光器 半导体激光器 染料激光器
常用的固体激光器为红宝石、钕玻璃、掺钕钇 铝石榴石。体积小、功率大、使用方便，但工 作物质较贵，结构制造复杂。
半导体激光器的种类很多。不同类型的工作 物质，不同方式的激励，以及提供振荡的不 同结构，都可构成不同类型的激光器。光谱 结构复杂，单色性差，但其重量轻、耗电省。
dN12 B12 , T N1 W12 N1 dt 吸收
产生激光必须：
dN 21 dN12 dt 受激 dt 吸收
因
B21=B12
W21=W12
必须 N2 >N1 （ 粒子数反转）
产生激光的基本条件
实现粒子数反转的必要条件
意义？
单位时间内在能量密度为（，T）的光照射下，跃迁到 低能级E1的原子数密度在E2能级总原子数密度中所占的比例。 或：W21 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。
Ａ21 与W21不同：某能级系统Ａ21为常数
W21与（、T）有关,不为常数
第二节
激光的产生
一、产生激光的基本条件
激光就是由受激辐射产生的被放大了的相干光。
2、激励系统
美国物理学家梅曼于1960年9月制成第一台红 宝石固体激光器. 从外界输入能量（如光照,放电等）,把低能级 上的原子激发到高能级上去, 这个过程叫做激励 （也叫泵浦）。
E3
。
激发态
. E
2
亚稳态
E1
.
。
基态
红宝石中铬离子能级示意图
原子激发的几种基本(激励)方式： 放电激励（气体激光器） 光激励（固、液体激光器）
为荧光寿命或能级 寿命 一般原子或离子： 分子：1ms
与跃迁概率成反比
• 受激吸收
原子吸收一个光子而实现从低能级到高能级跃 迁的过程称为受激吸收。 特点：不是自发产生的，必须有外来光子的 “激励”才会发生，并且外来光子的能量应等于原 子跃迁前后两个能级间的能量差（ hv = EH - EL ）， 才会发生受激吸收。
各个原子自发辐射的光是非相干光 自发辐射发出的光子的频率为：
v=
EH - EL h
式中h为普朗克常数6.624×10-３４J· s。
自发辐射
设 N1 、N2 — 单位体积中处于E1 、E2 能级的原子数 单位体积中dt时间内，从E2 E1自发辐射的原子数：
dN 21 A21N 2 dt 自发
第二章 激光的产生与特性
粒子的能级与能级跃迁 激光产生的条件 激光器 激光器的增益和损耗 激光的特性
第一节 粒子的能级与能级跃迁
一、原子能级
原子中所有电子的动能与势能之和就是原子 的能量.原子的能量也是量子化的。将原子可能具 有的不连续能量值按大小顺序排列，称为原子的 能级。
原子从一个能级跳到另 一个能级的过程称为原 子的跃迁。
dN 21 ( , T ) N 2 dt 受激
受激辐射
dN 21 写成等式： B21 , T N 2 dt 受激
B21受激辐射系数
令 W21 = B21· （，T）则
dN 21 W21N 2 dt 受激
固体激光器 液体激光器
半导体激光器
自由电子激光器
连续输出 按输出方式分： 脉冲输出
2、激光器的分类
（按工作物质分类）
气体激光器
气体激光器，按工作物质的性质又分为 原子激光器、分子激光器和离子激光器。 波谱范围广，能连续输出，单色性、方向 性比其它类型的激光器好。且制造方便、 成本低、可靠性高。
激 光 器
(10-3s)
E3 E2
h
E1
E1
E1
氦氖激光器（四能级系统）
E4 E3 E2
(10-8s) (10-3s)