激光原理课件1-1[wsg]

受激辐射和自发辐射概念
受激吸收
hv
E1
E0
受激吸收跃迁几率W12
dn12 1 W12 = ( ) St dt n1
W12 = B12 ρυ
受激辐射和自发辐射概念
受激辐射 光的受激吸收跃迁的反过程就 是受激辐射跃迁
hv
E1
hv
E0
受激辐射和自发辐射概念
受激辐射跃迁几率W21
dn21 1 W21 = ( ) St dt n2
激光与自然光有什么区别？它与通常 意义上的普通光源发出的光有什么区别？
第一章 激光的基本原理
§1.1 相干性的光子描述
光子的基本性质
光的量子学说（光子说） 光是一种以光速c 光是一种以光速c运动的光子流。光子 和其它基本粒子一样，具有能量、动量和 质量等，并且粒子属性和波动属性（频率、 波矢、偏振等）密切相关。
而一个光波模在相空间的P 而一个光波模在相空间的Px,Py和Pz轴上所占的绝 对值线度为
∆Px = 2h∆k x
∆Py = 2h∆k y
∆Pz = 2h∆k z
也就是一个光波模在相空间也占有一个相格：
∆x∆y∆z∆Px ∆Py ∆Pz ≈ h
3
所以，光波的模式和光子的状态是等效的。 所以，光波的模式和光子的状态是等效的。
在波矢空间内，每个光波模式在三个坐 标轴方向上与相邻模的间隔为 π π π
∆k x = ∆x , ∆k y = ∆y , ∆k z = ∆z
每个模式在波矢空间占有的一个体积元
∆kx ∆k y ∆kz =
π
3
∆x∆y∆z
=
π
3
V
光波模式和光子状态相格
在体积V的空腔内，处在频率υ 附近频带 dυ 内的模式数为
绪论
“勤学多问” 勤学多问”
认真听讲，做好笔记 独立思考，举一反三 课前预习，课后温习 认真、独立完成作业 有问题不放过，多讨论
绪论
激光的产生与发展（LASER) 激光的产生与发展（LASER)
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 理论基础 爱因斯坦（1917） 爱因斯坦（1917） 在物质与辐射场的相互作用下，构成物质的原子 或分子可以在光子的激励下产生光子的受激吸收或 受激辐射。
n
i
= e
g
hυ k bT
i
− 1
光子简并度
光子简并度具有以下含义： 同态光子数、同一模式内的光子数、 同态光子数、同一模式内的光子数、处于 相干体积内的光子数、 相干体积内的光子数、处于同一相格内的光 子数。 子数。
第一章 激光的基本原理
§1.2 光的受激辐射基本概念
黑体辐射的普朗克公式
受激辐射概念的提出 1917年 爱因斯坦的 光量子学说（普朗克因提出辐射场能量的量子化而获得1918年诺贝尔
物理学奖。）
热辐射（温度辐射）：物体除吸收电磁辐 射外，在一定温度下还会发射出电磁辐射。 黑体：处于某一温度T下能够完全吸收任何 波长的电磁辐射的物体。 黑体辐射（平衡辐射）
黑体辐射的普朗克公式
E= e hυ
hυ kbT
−1
P 8πυ 2 nυ = = 3 Vdυ c
8πhυ ρυ = E ⋅ nυ = 3 ⋅ c
绪论
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 激光的基本原理 开放式光腔与高斯光束 空心介质波导光谐振腔 电磁场和物质的共振相互作用 激光振荡特性 激光放大特性 激光器特性的控制与改善 激光振荡的半经典理论 典型激光器和激光放大器 半导体二极管激光器和放大器
绪论
在工业领域的应用 1、激光切割、焊 接及打标等 2、激光快速成型
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景：
在照明和装饰、娱乐领域(激光地标、激光水幕等）
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景：
在环境监测及预警领域
气体校准池
地下管道泄漏的 气体
气体泄漏遥测系统
激光束扫描区域
泄漏到地面的气体
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景：
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景：
方向性好 单色性好 亮度高 相干性好( 相干性好(空间相干性、时间相干性）
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景：
在信息技术领域的应用 1、全息照相 2、全息激光防伪标签 3、多路合成角度全息展示艺术品 4、激光全息存储
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景：
光波模式和光子状态相格
自由空间里，具有任意波矢的单色平面波都 可以存在。 在有边界条件限制的空间V(谐振腔）内，只 在有边界条件限制的空间V(谐振腔）内，只 V( 能存在一系列独立的具有特定波矢的平面单 色驻波，称为电磁波的模式或光波模。 色驻波，称为电磁波的模式或光波模。 同一波矢对应着两个具有不同偏振方向的模。
hv
E1
hv
E0
绪论
激光的产生与发展（LASER) 激光的产生与发展（LASER)
量子电子学（1954） 量子电子学（1954） 开放式光谐振腔与光泵浦（1958） 开放式光谐振腔与光泵浦（1958） 红宝石固态激光器（1960） 红宝石固态激光器（1960） 不同类型的激光器和激光控制技术（至今） 因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理 学奖的科学家共有10位 学奖的科学家共有10位.
3
1 e
hυ kbT
−1
单色能量密度：单位体积 内频率处于v附近的单位频 率间隔中的电磁辐射能量
受激辐射和自发辐射概念
自发辐射 由原子自发跃迁发出的光波
E1
hv
E0
受激辐射和自发辐射概念
自发跃迁几率A21
dn21 1 A21 = ( ) SP dt n2
A 21 =
自发辐射光强
1
τs
I = A21n2 hυ
参考书目： 参考书目：
1、《激光原理》，陈钰清等编著，浙江大学 激光原理》 出版社 2、《激光原理与激光技术》，俞宽新编著， 激光原理与激光技术》 北京工业大学出版社 3、《激光原理及应用》，陈家璧，电子工业 激光原理及应用》 出版社 4、《激光束传输与变换技术》，卢亚雄，电 激光束传输与变换技术》 子科技大学出版社
光子的基本性质
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 光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。光 子的集合服从玻色 爱因斯坦统计规律： 子的集合服从玻色－爱因斯坦统计规律： 玻色－ 具有相同能量和动量的光子彼此不可区 分，处于同一模式。每个模式内的光子数目 没有限制。
光子的基本性质
光子的基本性质
光子的能量与光波频率对应
ε = hυ
其中，普朗克常数 h ≈ 6.63 ×10 −34 J ⋅ s
光子的基本性质
光子具有运动质量m 光子具有运动质量m
hυ m= 2 = 2 c c v 光子的动量 P 与单色平面光波的波 r
矢 k 对应
ε
r r r hυ r h 2π r P = mcn0 = n0 = × n0 = hk c 2π λ
光波模式和光子状态相格
在空腔 V = ∆ x ∆ y ∆ z 的立方体内，沿三个坐 标轴方向传播的波分别满足的驻波条件：
∆x = m , ∆y = n , ∆z = q 2 2 2
而波矢的三个分量应满足以下条件： π π π
kx = ∆x m, k y = ∆y n, k z = ∆z q
λ
λ
λ
光波模式和光子状态相格
8πυ P = 3 Vdυ c
2
光波模式和光子状态相格
2、粒子性 在经典力学中，三维运动情况下的测不准关系为
∆x∆y∆z∆Px ∆Py ∆Pz ≈ h
3
也就是一个光子态在六维相空间中所对应的相空间 体积元，称为相格。其所占有的坐标空间体积为
h ∆x∆y∆z ≈ ∆Px ∆Py ∆Pz
3
光波模式和光子状态相格
玻色－爱因斯坦凝聚：
光波模式和光子状态相格
从量子电动力学的概念出发，可以得到： 光波的模式和光子的状态是等效的。 光波的模式和光子的状态是等效的。
光波模式和光子状态相格
1、波动性
按照经典电磁理论，光电磁波的运动规律 由麦克斯韦方程决定。单色平面波是一种 特解。
v v v i 2πυt −ikv⋅rv E (r , t ) = E0e
激 光 原 理
主讲：涂兴华
2008/2009学年 第二学期
主要内容
1、课程介绍 2、绪论 3、相干性的光子描述 4、光的受激辐射基本概念
绪论
《激光原理》是现代信息类学科特别是光电 激光原理》 信息学科的一门重要的基础课。 它是进一步学习《集成光电子器件》 它是进一步学习《集成光电子器件》、《光 电检测与信号处理》 电检测与信号处理》、《光电成像原理》、《光 光电成像原理》 纤通信原理与系统》 纤通信原理与系统》和《光纤传输技术》等专业 光纤传输技术》 课程的先修基础课程。 课程的先修基础课程。
在科学研究领域
激光“束缚”原子——冷却和陷俘原子 激光“束缚”原子——冷却和陷俘原子
（1997，诺贝尔物理奖，朱棣文） 1997，诺贝尔物理奖，朱棣文）
惯性约束聚变——人造小太阳 惯性约束聚变——人造小太阳
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景：
在军事领域
激光高能武器、激光相控阵列雷达等
绪论
思考： 思考：
在光通讯技术领域的应用 1、光纤通讯（激光作为载波） 2、自由空间光通信（FSO） 、自由空间光通信（FSO） “大气窗”——850nm和1550nm 大气窗”——850nm和
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景：
在医学领域的应用 1、激光眼科手术 2、激光牙科手术
绪论
激光在各领域中的 广泛应用及发展 前景：
自发辐射光功率与 受激辐射光功率
I自 = n 2 A 21 h υ
I 激 = n2 B21 ρυ hυ
3 I 激 B21ρυ c ρυ = = = 3 I自 A21 8πhυ
1 e
hυ k bT
−1
光子的相干性
相干体积：如果在空间体积Vc内各点的光波 相干体积 场都具有明显的相干性，则称Vc为相干体积 Vc = Ac ⋅ Lc = Ac ⋅τ c ⋅ c
1 τ c = ∆t ≈ ∆υ
光源单色性越好，则相干时间越长， 光源单色性越好，则相干时间越长，即相干性 越好。 越好。
光子的相干性
光子的相干性
f2 = e f1
−
hυ k bTห้องสมุดไป่ตู้
n2 A21 + n2 B21ρυ = n1B12 ρυ
A21 8πhυ = = nυ hυ 3 B21 c
3
B12 f1 = B21 f 2
受激辐射的相干性
受激辐射光子与入射光子属于同一光子态； 受激辐射场与入射辐射场属于同一模式，具 有相同的频率、相位、波矢和偏振； 激光其实就是一种受激辐射相干光。
W21 = B21ρυ
受激辐射与自发辐射的区别在于，它是在辐射 它是在辐射 受激辐射 场的作用下产生的。 场的作用下产生的。
受激辐射和自发辐射概念
思考： 思考： 三种跃迁过 程从本质上来说 有什么相同点和 本质区别？
三种跃迁几率的相互关系
n2 f2 = e n1 f1
− ( E 2 − E1 ) k bT
思考： 思考： 为什么具有有限线度的光源通过杨 氏双缝干涉能够形成稳定的干涉条纹？
光子的相干性
相格空间体积以及一个光波模或光子态占 有的空间体积都等于相干体积。 属于同一状态的光子或同一模式的光波是 相干的，不同状态的光子或不同模式的光波 是不相干的。
光子简并度
从相干性的光子描述出发，相干光强决定 于具有相干性的光子数目或同态光子数目。 激光是一种把光强和相干性统一起来的强 相干光源。 光子简并度 根据玻色－爱因斯坦统计规律， 由体系的温度和光子的能量决定。