激光原理_第一章

当激光脉冲功率达到 10 时 间为，会由于快速加热导致激波和爆炸现象。
5 9 2
2.医学：
激光诊断：辨别人呼出气体的成分及各种成分的浓度。 眼科手术：视网膜焊接、近视治疗。 激光美容：祛除纹身和胎记
3.科学研究：
用高强度短脉冲激光轰击氘靶引起热核反应； 非线性光学研究上的应用，如倍频效应等； 拉曼散射的应用，可作测量。

)
（3）电磁波的赫姆霍兹方程式
2c ①方程的特解： E E0 ( x, y, z ) cos( t )

② 特解的复数形式：
1 i 2c i cos (e e ); t 2
i i 设：u u 0 e ; u u 0 e
j k 一、矢量算符及其应用： i x y z
1、一阶作用： （1）标量函数的梯度
x, y, z )
i j k x y z
（2）矢量函数的散度和旋度 f x, y , z ) f x x, y , z ) i f y x , y , z ) j f z x , y , z ) k
P k
h
x Px h

德布罗意公式
测不准关系式的重要意义：缩小狭缝的宽度a，使得穿 过狭缝光子的位置测不准量△x缩小，则必定使得这些 光子的动量分量测不准量△Px增大
能量与时间的测不准关系 :
mv 2 P 2 E 2 2m PP E vP m
E x P x t E h v
其中m、n、q为正整数，由波矢的 2 表达式 k n 可以得到波矢的三 个分量：
z



y
z
kx

x
m, ky

y
n, kz

z
ky
q
2 / y
每组不同的m、n、q标识了不同的模式， 如果在由kx、ky、kz构成的空间中表示不 同的模式。每个不同的模式分别占据图中 的一个方格。可以求出在该空间中一个模 式占据的体积为 3 3 kx

电导率
电极化强度
磁极化强度
2、关系 D 0 E P 0 (1 e ) E 0 r E E B 0 ( H M ) 0 (1 m ) H 0 r H H 3、方程
激 光 原 理 及 技 术
陈
俊
学
Email:cjxuelaser@
西南科技大学理学院
第一部分
何为激光（laser）?
Light Amplification by StimuIated Emission of Radiation 受激辐射光放大 镭射：LASER的音译 高方向性 与普通光源相比 高亮度 高单色性和相干性
在强度为 10 W / mm 情况下，激光持续时间大约 10ms，这时发生的主要过程是物质的快速加热，对于 钢铁等物质，可以作为表面淬火硬化。
2 2
功率密度在 102 104W / mm2 范围内，物质会被快 速熔化和汽化，这种激光的典型作用时间为4ms，主 要用于熔化，焊接和表面合金等。
最小的固体激光器？ spaser surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation
目前最快的晶体管相比，spaser虽具有同等的纳米尺度，但其 速度要快上1000倍，这为制造速度超快的放大器、逻辑元件 和微处理器提供了可能。
（2）矢量函数： 2 ( f ) ( f ) f
二、电磁波的波动方程 1、概念
（1）源：
（2）场： （3）物：
( x, y, z, t );
E ( x, y, z, t );
P M
j ( x, y, z, t )
B( x, y, z, t )
发展
功率更大
为了进行高能物理、 热核聚变等方面的研 究工作，激光器产生 的能量密度和功率不 断提高。
现在世界上功率最 大的激光器是美国的 国家点火工程（NIF） 中使用的NOVA激光 系统，其峰值功率达 到1.3PW（1015W）。
( built in 1986 2beam /200mm, 1.6KJ/1w/1ns )
更多样化
多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵 浦、热泵浦等、磁泵浦； 多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体 （He-Ne、CO2）、液体、染料、半导体、自由电 子等；
三、激光的应用
1.工业应用：
切割：速度快、无接触、精度高、切缝光滑； 焊接：焊接点均匀、美观、精度高 表面处理； 芯片刻蚀等。
（1）麦克斯韦方程组
D
B 0
（2）电磁波方程式：
B E t
D H j t
2 2 B D E 0 2 0 0 (1 e ) 2 2 1 2 E t t t E 2 2 ( E ) v t 2 2 E E E
神光-I 装置的两路激光系统
体积更小
各种工业指示、标记、探测用的半 导体激光器或者半导体泵浦固体激 光器向着小型化方向发展；
更集成
各种通信用的激 光模块，往往包 含十几个甚至几 十个半导体激光 器，并且集成了 调制、功率检测、 温度监测等功能 模块。
更快
更高的调制频率：GHz； 更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecond Laser)；
8. 1966年研制成了固体锁模激光器获得了超短脉冲。 9. 1970年研制成了准分子激光器。 10. 1977年研制成了红外波段的自由电子激光器 （FEL） 11. 1984年研制出光孤子激光器（SL） 12、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。
第一章 激光的物理基础
§1-1 光的电磁波理论 §1-2 光波的模式和光子的量子状态 §1-3 光的相干性和相干体积 §1-4 光子简并度 §1-5 黑体辐射 §1-6 光的自发辐射、受激吸收和受激辐射 §1-7 激光的产生 §1-8 激光器和激光的特性
§1-1 光的电磁理论
光辐射场的性质描述： 光辐射场是各种不同频率电磁场的集合（波动观点） 光辐射场是数目不固定的光子（粒子的观点）
§1-2光波的模式和光子的量子态
一、光子的基本性质 1、能量： 2、质量： 3、动量：
h h 6.624 1034 J S h w; ( ) 2
r r h ˆ ˆ P mcn0 n0 k h
h w m 2 2 c c

光子没有静止质量
4、偏振态：光子有两个可能的独立偏振状态，对应于 光波的两个独立偏振方向； 5、自旋：光子具有自旋，其自旋量子数为整数，光子属 于玻色子，服从玻色爱因斯坦分布，即处于同一量子态的 全同粒子数目没有限制。
1 E (u u ); E0 u 0 2
③亥姆霍兹方程：将特解的复数形式代入得
2u0 2k 2u0 0
式中，
k
2

1 e
测不准原理：
单缝衍射公式：
a sin(1 ) K (K 1, 2,3,...)
第一级极小位置： a sin(1 ) 衍射角与狭缝间距成反比 狭缝对光子进行测量 光子动量观点： 入射光子 P=Py,Px=0
二、光波的模式与光子的量子态
1.何为光波模式？ 光纤：HE11模 平面波导：TE，TM模
光的模式表示麦克斯韦方程组的一个特解 代表具有一定偏振、一定传播方向、一定频率和 一定寿命的光波
金属空腔，能够稳定存在的光波应该 满足驻波条件：
y
x
x
x m , y n , z q 2 2 2
梅曼和他的红宝石激光器
3. 1961年
⑴ 2月（A.Javan）研制成了 He—Ne混合气体激光器。 ⑵ 有人提出了Q调制技术， 并制成第一台调Q激光器。
⑶ 制成了钕玻璃脉冲激光器。
4. 1962年美国三个研究小组几乎同时分别发布砷 化镓（GaAs）半导体激光器运转的报道。 仅1961—1962年间世界各国发表
射向中央亮纹的光子获得x方 向的动量 0 Px Psin(1 )
穿过狭缝
光子的Px 值之间的最大差值：
Px P sin(1 )
为Px的测不准量
Px P sin(1 )
中央条纹外还有光子
光子在狭缝中的位置坐标x之间的最大差值△x
△x=a
x Px aP sin(1 ) P
的激光方面的论文达200篇以上。
5. 1963年建立了激光的半经典理论。 对激光的频率特性和功率特性进行了比较完
善的探讨。
6. 1964年研制成了 氩离子（A+r）离子气体激光器 二氧化碳气体激光器 化学激光器（HF氟化氢） 掺钕的钇铝石榴石固体激光器 7. 1965年实现了铌酸锂光学参量振荡 器，借助 半经典理论预言了锁模效 应的存在
① 散度：
f x f y f f z x y z
② 旋度：
i f x fx j y fy k z fz
2、二阶作用： （1）标量函数的拉普拉斯作用
2 2 2 ( ) 2 2 2 2 x y z
2、在maser的启发下“laser”—光波放大器诞生了。 （1）1959年各种激光器的设计方案陆续出台 肖洛、汤斯提出用“F-P干涉仪”作谐振腔，钾灯泵 浦钾蒸汽的红外激光器； 贾迈提出用电流连续泵浦，制造“氦氖激光器”的方 案； 美国休斯公司的年轻工程师梅曼提出用掺钕红宝石、 脉冲氙灯泵浦的红宝石激光器方案； 前苏联的巴索夫提出以半导体为工作物质的半导体 激光器方案 （2）1960年7月，梅曼首先制成了红宝石激光器。