緒論激光的物理基礎(chǔ)

1、P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）主講教師：陳主講教師：陳 建建 新新 、朱莉莉、陳榮、朱莉莉、陳榮 福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院Lasers Principles and TechnologiesP物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）為什么學(xué)習(xí)為什么學(xué)習(xí)激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)？ P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)的目標(biāo)的目標(biāo) P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)與其他課程的關(guān)聯(lián)與其他課程的關(guān)聯(lián) P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）關(guān)于教材與學(xué)習(xí)參考書(shū)的建議

2、關(guān)于教材與學(xué)習(xí)參考書(shū)的建議 中文參考書(shū)的建議：中文參考書(shū)的建議：v陳鈺清和王靜環(huán)，（新世紀(jì)高等院校精品教材）陳鈺清和王靜環(huán)，（新世紀(jì)高等院校精品教材）激光原理激光原理， 浙江大學(xué)出版社浙江大學(xué)出版社2004年年1月第八次印刷出版月第八次印刷出版v周炳琨等，周炳琨等，激光原理激光原理 第四版，國(guó)防工業(yè)出版社，第四版，國(guó)防工業(yè)出版社，20002000v沈柯，沈柯，激光原理教程激光原理教程 北京工業(yè)出版社，北京工業(yè)出版社，1986 1986 v鄒英華等，激光物理學(xué)，北京大學(xué)出版社，鄒英華等，激光物理學(xué)，北京大學(xué)出版社，1991 v伍長(zhǎng)征等，激光物理學(xué)，復(fù)旦大學(xué)出版社，伍長(zhǎng)征等，激光物理學(xué)，復(fù)旦大學(xué)出

3、版社，1989P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）關(guān)于教材與學(xué)習(xí)參考書(shū)的建議關(guān)于教材與學(xué)習(xí)參考書(shū)的建議 英文參考書(shū)的建議：英文參考書(shū)的建議：vChristopher C. Davis. Christopher C. Davis. Lasers and Electro-OpticsLasers and Electro-Optics( (激光與電光學(xué)激光與電光學(xué)).1996, Cambridge University ).1996, Cambridge University Press.(1998Press.(1998授權(quán)世界圖書(shū)出版公司北京分公司獨(dú)家重印發(fā)授權(quán)世界圖書(shū)出版公司北京分公

4、司獨(dú)家重印發(fā)行行) )v J. Wilson and J.F.B. Hawkes. J. Wilson and J.F.B. Hawkes. Lasers Principles Lasers Principles and Applicationsand Applications. . 1987, Prentice Hall 1987, Prentice Hall International LimitedInternational Limited P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）理論學(xué)習(xí)內(nèi)容理論學(xué)習(xí)內(nèi)容(共共36學(xué)時(shí)學(xué)時(shí))第一部分第一部分 激光原理概述（激光原理概述（1 1）第

5、二部分第二部分 講授光諧振腔理論、及高斯光束（講授光諧振腔理論、及高斯光束（2 2、3 3）第三部分第三部分 激光振蕩和激光放大理論（激光振蕩和激光放大理論（4 4、5 5）第四部分第四部分 介紹控制與改善激光器特性的原理與技術(shù)（介紹控制與改善激光器特性的原理與技術(shù)（6 6）第五部分第五部分 介紹典型的激光器及其應(yīng)用介紹典型的激光器及其應(yīng)用P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容(共共12學(xué)時(shí)學(xué)時(shí))實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)一雙折射造成氦氖激光器頻率分裂、偏振及模競(jìng)爭(zhēng)雙折射造成氦氖激光器頻率分裂、偏振及模競(jìng)爭(zhēng)的的JX-1型教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)型教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 制造廠商：清華大學(xué)精密測(cè)試技

6、術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)制造廠商：清華大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京拓達(dá)激光器械有限責(zé)任公司聯(lián)合制造室和北京拓達(dá)激光器械有限責(zé)任公司聯(lián)合制造 可以進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以觀測(cè)激光模式，可觀察到激光的縱模、橫模分布可以觀測(cè)激光模式，可觀察到激光的縱模、橫模分布出光帶寬出光帶寬;觀察到頻率分裂現(xiàn)象觀察到頻率分裂現(xiàn)象;激光偏振態(tài)的觀察激光偏振態(tài)的觀察 ;激光模競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)激光模競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容(共共12學(xué)時(shí)學(xué)時(shí))實(shí)驗(yàn)二實(shí)驗(yàn)二 HNCH氦氖激光器參數(shù)測(cè)量?jī)x氦氖激光器參數(shù)測(cè)量?jī)x 制造廠商：北京大學(xué)物理系工廠制造廠商：北京大學(xué)

7、物理系工廠 一臺(tái)激光器的小信號(hào)增益系數(shù)G0，腔內(nèi)損耗a，飽和光強(qiáng)Is及最佳透過(guò)率是重要的激光參數(shù)，直接影響著激光器的輸出功率。本實(shí)驗(yàn)在外腔激光器中用全反射腔鏡，激光輸出是通過(guò)在腔內(nèi)插入可旋轉(zhuǎn)平行板，利用平行板的反射率與入射角的關(guān)系，使激光的輸出功率隨平行板的旋轉(zhuǎn)角而改變。旋轉(zhuǎn)平行板等效于可變透射率的輸出鏡。通過(guò)測(cè)量激光輸出功率與等效透射率的關(guān)系，用作圖法獲得以上參數(shù)P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容(共共12學(xué)時(shí)學(xué)時(shí))實(shí)驗(yàn)三實(shí)驗(yàn)三HNVT可調(diào)多譜線氦氖激光器可調(diào)多譜線氦氖激光器 制造廠商：北京大學(xué)物理系工廠制造廠商：北京大學(xué)物理系工廠氦氖激光器可以實(shí)現(xiàn)激光

8、躍遷的譜線是很豐富的，在增益管長(zhǎng)為氦氖激光器可以實(shí)現(xiàn)激光躍遷的譜線是很豐富的，在增益管長(zhǎng)為1m的外腔的外腔式式HeNe激光器中，用腔內(nèi)插入色散棱鏡選擇譜線的方法，在可見(jiàn)光區(qū)可分激光器中，用腔內(nèi)插入色散棱鏡選擇譜線的方法，在可見(jiàn)光區(qū)可分別使氖原子的九條譜線產(chǎn)生激光振蕩。本實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)紅、橙、黃色多條激別使氖原子的九條譜線產(chǎn)生激光振蕩。本實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)紅、橙、黃色多條激光輸出。光輸出。實(shí)驗(yàn)要求掌握實(shí)驗(yàn)要求掌握HeNe多譜線激光線器的工作原理及腔型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；學(xué)多譜線激光線器的工作原理及腔型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；學(xué)習(xí)外腔式激光器及腔內(nèi)帶棱鏡激光器的調(diào)節(jié)方法；測(cè)量各條激光譜線的波長(zhǎng)；習(xí)外腔式激光器及腔內(nèi)帶棱鏡激光

9、器的調(diào)節(jié)方法；測(cè)量各條激光譜線的波長(zhǎng)；找出各條譜線的最佳放電電流及測(cè)量最大輸出激光功率。找出各條譜線的最佳放電電流及測(cè)量最大輸出激光功率。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）本課程的每一章將布置適量的作業(yè)，以基本概念本課程的每一章將布置適量的作業(yè)，以基本概念和原理的理解為主要內(nèi)容。和原理的理解為主要內(nèi)容。本課程總評(píng)成績(jī)本課程總評(píng)成績(jī)由期由期末考試和平時(shí)作業(yè)成績(jī)兩部分構(gòu)成末考試和平時(shí)作業(yè)成績(jī)兩部分構(gòu)成，采用百分制。，采用百分制。期末考試成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的期末考試成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的70%70%，平時(shí)成績(jī)占總評(píng)，平時(shí)成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的成績(jī)的30%30%。課程作業(yè)與考核評(píng)價(jià)的說(shuō)明課程作業(yè)與考核評(píng)

10、價(jià)的說(shuō)明P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒緒 論論問(wèn)題問(wèn)題1世界上第一臺(tái)激光器的成功演示的時(shí)間？問(wèn)題問(wèn)題2你能舉例說(shuō)明激光的具體應(yīng)用領(lǐng)域嗎？P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：激光的發(fā)展簡(jiǎn)史緒論：激光的發(fā)展簡(jiǎn)史v激光發(fā)明的理論基礎(chǔ)可以追溯到激光發(fā)明的理論基礎(chǔ)可以追溯到1917年年，著名的，著名的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦在研究光輻射與原子相互作用物理學(xué)家愛(ài)因斯坦在研究光輻射與原子相互作用的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，除了的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，除了受激吸收和自發(fā)輻射躍遷受激吸收和自發(fā)輻射躍遷過(guò)程過(guò)程外，還存在外，還存在受激輻射躍遷受激輻射躍遷過(guò)程。過(guò)程。v在能量相應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)差的外來(lái)光子作用下，會(huì)在

11、能量相應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)差的外來(lái)光子作用下，會(huì)誘導(dǎo)處在高能態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷，并誘導(dǎo)處在高能態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷，并同時(shí)輻同時(shí)輻射出相同能量的光子射出相同能量的光子。v利用受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大利用受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLaser通過(guò)輻射的受激發(fā)射實(shí)現(xiàn)光放大通過(guò)輻射的受激發(fā)射實(shí)現(xiàn)光放大P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：激光的發(fā)展簡(jiǎn)史緒論：激光的發(fā)展簡(jiǎn)史理論物理學(xué)家證明了受激輻射躍遷所產(chǎn)生的光理論物理學(xué)家證明了受激輻射躍遷所產(chǎn)生的光子與誘導(dǎo)產(chǎn)生這種躍遷的光子相同。子與誘導(dǎo)產(chǎn)生這種

12、躍遷的光子相同。頻率、位相、傳播方向、偏振方向頻率、位相、傳播方向、偏振方向受激輻射具有很好的相干性和方向性受激輻射具有很好的相干性和方向性P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：激光的發(fā)展簡(jiǎn)史緒論：激光的發(fā)展簡(jiǎn)史20世紀(jì)世紀(jì)50年代初，年代初， 電子學(xué)和微波技術(shù)的應(yīng)用電子學(xué)和微波技術(shù)的應(yīng)用提出了將無(wú)線電技術(shù)從微波推向光波的要求。提出了將無(wú)線電技術(shù)從微波推向光波的要求。從微波振蕩器到光波振蕩器從微波振蕩器到光波振蕩器(激光器激光器laser)。微波振蕩器的實(shí)現(xiàn)原理：微波振蕩器的實(shí)現(xiàn)原理： 一個(gè)尺度和波長(zhǎng)可比擬的封閉的諧振腔；一個(gè)尺度和波長(zhǎng)可比擬的封閉的諧振腔； 利用自由電子與電磁

13、場(chǎng)的相互作用實(shí)現(xiàn)電磁波利用自由電子與電磁場(chǎng)的相互作用實(shí)現(xiàn)電磁波的放大和振蕩。的放大和振蕩。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：激光的發(fā)展簡(jiǎn)史緒論：激光的發(fā)展簡(jiǎn)史 1954年，美國(guó)的湯斯年，美國(guó)的湯斯(Charles H.Towns)、蘇聯(lián)的巴、蘇聯(lián)的巴索夫索夫(Nikolai G.Basov)和普洛霍洛夫和普洛霍洛夫(Aleksander M.Prokhorov)第一次實(shí)現(xiàn)了氨分子微波量子振蕩器第一次實(shí)現(xiàn)了氨分子微波量子振蕩器(Maser), 拋棄了拋棄了 利用自由電子與電磁場(chǎng)的相互作用實(shí)利用自由電子與電磁場(chǎng)的相互作用實(shí)現(xiàn)電磁波的放大和振蕩，現(xiàn)電磁波的放大和振蕩，利用原子或分

14、子中的束縛電利用原子或分子中的束縛電子與電磁場(chǎng)的相互作用來(lái)放大電磁波子與電磁場(chǎng)的相互作用來(lái)放大電磁波。 1958年，湯斯和肖洛年，湯斯和肖洛(Arthur L.Schawlow)拋棄了拋棄了一一個(gè)尺度和波長(zhǎng)可比擬的封閉的諧振腔，個(gè)尺度和波長(zhǎng)可比擬的封閉的諧振腔，提出了利用尺提出了利用尺度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的開(kāi)放式光諧振腔，實(shí)現(xiàn)了激光器的新度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的開(kāi)放式光諧振腔，實(shí)現(xiàn)了激光器的新思想。思想。 布隆伯根布隆伯根(Nicolaas Bloembergen) 提出了利用光泵浦提出了利用光泵浦三能級(jí)原子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的新構(gòu)想。三能級(jí)原子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的新構(gòu)想。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原

15、理與技術(shù)（第一章）緒論：激光的發(fā)展簡(jiǎn)史緒論：激光的發(fā)展簡(jiǎn)史1960年年7月，世界第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激月，世界第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激光器問(wèn)世，標(biāo)志了激光技術(shù)的誕生。光器問(wèn)世，標(biāo)志了激光技術(shù)的誕生。美國(guó)休斯公司實(shí)驗(yàn)室美國(guó)休斯公司實(shí)驗(yàn)室梅曼梅曼演示的。演示的。波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為694.3nm的激光的激光P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：激光的發(fā)展簡(jiǎn)史緒論：激光的發(fā)展簡(jiǎn)史1961年年8月，中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世。月，中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世。中國(guó)科學(xué)院中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功。研制成功。1987年年6月，月，1012W的大功率脈沖激光系統(tǒng)的大功率脈沖

16、激光系統(tǒng)神光裝置，在中國(guó)科學(xué)院神光裝置，在中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密上海光學(xué)精密機(jī)械研究所機(jī)械研究所研制成功。研制成功。神光神光I、神光、神光II、神光、神光III？P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：激光的應(yīng)用緒論：激光的應(yīng)用激光與普通光源相比較有三個(gè)特點(diǎn)：激光與普通光源相比較有三個(gè)特點(diǎn)： 方向性好、相干性好、亮度高方向性好、相干性好、亮度高各種不同類型的激光器和激光控制技術(shù)：各種不同類型的激光器和激光控制技術(shù)： 半導(dǎo)體激光器、固體激光器、氣體激光器、氣體離子半導(dǎo)體激光器、固體激光器、氣體激光器、氣體離子激光器、氣體準(zhǔn)分子激光器、金屬蒸汽激光器、可調(diào)激光器、氣體準(zhǔn)分子激光器、金

17、屬蒸汽激光器、可調(diào)諧染料激光器、鈦寶石激光器、激光二極管泵浦激光諧染料激光器、鈦寶石激光器、激光二極管泵浦激光器、光纖放大器、光學(xué)參量振蕩放大器、超短脈沖激器、光纖放大器、光學(xué)參量振蕩放大器、超短脈沖激光器、自由電子激光器、極紫外和光器、自由電子激光器、極紫外和X射線激光器。射線激光器。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：激光的應(yīng)用緒論：激光的應(yīng)用各種科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用激光形成了一系列新各種科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用激光形成了一系列新的交叉學(xué)科和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域：的交叉學(xué)科和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域： 信息光電子技術(shù)、激光醫(yī)療與光子生物學(xué)、激光加工、信息光電子技術(shù)、激光醫(yī)療與光子生物學(xué)、激光加工、激

18、光檢測(cè)與計(jì)量、激光全息技術(shù)、激光光譜分析技術(shù)、激光檢測(cè)與計(jì)量、激光全息技術(shù)、激光光譜分析技術(shù)、非線性光學(xué)、超快光子學(xué)、激光化學(xué)、量子光學(xué)、激非線性光學(xué)、超快光子學(xué)、激光化學(xué)、量子光學(xué)、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)、激光分離同位素、激光可控核聚光雷達(dá)、激光制導(dǎo)、激光分離同位素、激光可控核聚變、激光武器等等。變、激光武器等等。激光已經(jīng)成為信息時(shí)代的心臟！激光已經(jīng)成為信息時(shí)代的心臟！激光已經(jīng)成為社會(huì)進(jìn)步的推動(dòng)力！激光已經(jīng)成為社會(huì)進(jìn)步的推動(dòng)力！激光已經(jīng)成為人類現(xiàn)代生活的重要組成部分！激光已經(jīng)成為人類現(xiàn)代生活的重要組成部分！P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部緒論：醫(yī)學(xué)光

19、電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)

20、驗(yàn)室的激光器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器 超脈沖超脈沖COCO2 2激光治療系統(tǒng)激光治療系統(tǒng)（以色列，（以色列，10.610.6m,30wm,30w）醫(yī)用外科激光實(shí)驗(yàn)室醫(yī)用外科激光實(shí)驗(yàn)室P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器脈沖脈沖Ho:YAGHo:YAG激光治療儀激光治療儀（德國(guó)（德國(guó),0.8,0.8m,3J,20Hz,m,3J,20Hz,光纖輸出）光纖輸出）醫(yī)用外科激光實(shí)驗(yàn)室醫(yī)用外科激光實(shí)驗(yàn)室P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教

21、育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器 脈沖脈沖Er:YAGEr:YAG激光治療儀激光治療儀（美國(guó)（美國(guó),2.94,2.94m,30w,2J,m,30w,2J,七關(guān)節(jié)輸出）七關(guān)節(jié)輸出）醫(yī)用外科激光實(shí)驗(yàn)室醫(yī)用外科激光實(shí)驗(yàn)室P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器 Nd:YAGNd:YAG激光治療儀激光治療儀（1341nm,100w,1341nm,100w,光纖輸出，光纖輸出，偏振光）偏振光）醫(yī)用外科激光實(shí)驗(yàn)室醫(yī)用外科激光實(shí)驗(yàn)室P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)

22、與技術(shù)教育部緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器 IPL Queen Premium 以色列設(shè)備，國(guó)內(nèi)組裝以色列設(shè)備，國(guó)內(nèi)組裝 波長(zhǎng)波長(zhǎng)5601200nm 能量密度能量密度1045J/cm2 脈寬脈寬300ms強(qiáng)脈沖光源強(qiáng)脈沖光源/光子嫩膚實(shí)驗(yàn)室光子嫩膚實(shí)驗(yàn)室P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部緒論：醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光器激光波長(zhǎng)為激光波長(zhǎng)為6705nm，功率連續(xù)，功率連續(xù)可調(diào)，最大光纖末端輸出功率可調(diào)，最大光纖末端輸出功率2瓦。瓦。醫(yī)用半導(dǎo)體激光實(shí)驗(yàn)室醫(yī)用半導(dǎo)體激光實(shí)驗(yàn)室P物理與光電

23、信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）第一章第一章 激光的物理基礎(chǔ)激光的物理基礎(chǔ)問(wèn)問(wèn) 題題 學(xué)習(xí)激光原理與技術(shù)，首先應(yīng)該從什么內(nèi)容開(kāi)學(xué)習(xí)激光原理與技術(shù)，首先應(yīng)該從什么內(nèi)容開(kāi)始學(xué)習(xí)？始學(xué)習(xí)？P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）第一章第一章 激光的物理基礎(chǔ)激光的物理基礎(chǔ) 研究激光原理就是要研究光的受激輻射是如何在研究激光原理就是要研究光的受激輻射是如何在激光器內(nèi)產(chǎn)生并占主導(dǎo)地位而抑制自發(fā)輻射的。激光器內(nèi)產(chǎn)生并占主導(dǎo)地位而抑制自發(fā)輻射的。首先從首先從光的輻射原理光的輻射原理出發(fā)，討論出發(fā)，討論與激光的發(fā)明和與激光的發(fā)明和激光技術(shù)的發(fā)展有關(guān)的物理基礎(chǔ)及產(chǎn)生激光的條激光技術(shù)的發(fā)展有關(guān)的物理基礎(chǔ)

24、及產(chǎn)生激光的條件。件。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）第一章第一章 激光的物理基礎(chǔ)激光的物理基礎(chǔ)p光的電磁波理論光的電磁波理論p光波的模式和光子的量子狀態(tài)光波的模式和光子的量子狀態(tài)p光的相干性和相干體積光的相干性和相干體積p光子簡(jiǎn)并度光子簡(jiǎn)并度p黑體輻射黑體輻射p光的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射光的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射p激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生p激光器和激光的特性激光器和激光的特性P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）光具有波粒二像性：光具有波粒二像性：把光輻射場(chǎng)看作各種把光輻射場(chǎng)看作各種不同頻率的電磁不同頻率的電磁場(chǎng)場(chǎng)的集合的集合把光輻射場(chǎng)看作是把光輻射場(chǎng)看作是

25、數(shù)目不固定的光子數(shù)目不固定的光子p光的電磁波理論光的電磁波理論光的一個(gè)基本性質(zhì)就是具有波粒二像性。光的一個(gè)基本性質(zhì)就是具有波粒二像性。光是電磁波，具有波動(dòng)性，有一定的頻率和波長(zhǎng)光是電磁波，具有波動(dòng)性，有一定的頻率和波長(zhǎng)光是光子流，光子是具有一定能量和動(dòng)量的物質(zhì)粒子光是光子流，光子是具有一定能量和動(dòng)量的物質(zhì)粒子P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）p光的電磁波理論光的電磁波理論光是一種電磁波，即變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互光是一種電磁波，即變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互激發(fā)，形成變化的電磁場(chǎng)在空間的傳播。激發(fā)，形成變化的電磁場(chǎng)在空間的傳播。光和電磁波是統(tǒng)一的：光和電磁波是統(tǒng)一的： 光的反射與

26、折射方程與電磁波的反射與折射方光的反射與折射方程與電磁波的反射與折射方程有相同形式；程有相同形式； 光速與電磁波的傳播速度相同；光速與電磁波的傳播速度相同； 光的很多現(xiàn)象與電有關(guān)。光的很多現(xiàn)象與電有關(guān)。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組0BJtDHDtBE物質(zhì)方程物質(zhì)方程EJMHBPED)(000, 0, 0M光在非磁性的、各向同性的極光在非磁性的、各向同性的極化介質(zhì)中傳播的波動(dòng)方程式：化介質(zhì)中傳播的波動(dòng)方程式：2220222211tPCtECE光是一定頻率范圍內(nèi)的電磁波，其運(yùn)動(dòng)服從電磁波理論光是一定頻率

27、范圍內(nèi)的電磁波，其運(yùn)動(dòng)服從電磁波理論光波電磁場(chǎng)隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律：光波電磁場(chǎng)隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律：光波在介質(zhì)中傳播還應(yīng)該滿足：光波在介質(zhì)中傳播還應(yīng)該滿足：P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）在真空中在真空中 ，波動(dòng)方程的特解為：，波動(dòng)方程的特解為：0P)cos(0zktEEtieuu000220Dukuh0020Duku赫姆霍茨方程忽略矢量特性忽略矢量特性1h真空中真空中光波的模式和光子的量子狀態(tài)光波的模式和光子的量子狀態(tài)按照光的量子理論，光是一種以光速按照光的量子理論，光是一種以光速C運(yùn)動(dòng)的光子組成的運(yùn)動(dòng)的光子組成的在穩(wěn)態(tài)情況下：在穩(wěn)態(tài)情況下：P物理與光電信息科技學(xué)院激光原

28、理與技術(shù)（第一章）nhE 22/chmhmcEnnkknPp20hmch光子的基本性質(zhì)光子的基本性質(zhì)光子的能量與光波頻率之間的關(guān)系：光子具有運(yùn)動(dòng)質(zhì)量m:光子的動(dòng)量P:光子具有兩種獨(dú)立的偏振狀態(tài)光子的集合服從玻色愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)規(guī)律P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）光波模式)2(0),(rkrEtieEtpn在體積 內(nèi)，沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向傳播的波應(yīng)分別滿足駐波條件： 其中，m,n,q為非負(fù)整數(shù)且不全為零222qznymxDDD、求解體積求解體積V內(nèi)的模式數(shù)目?jī)?nèi)的模式數(shù)目zyxVDDD單色平面波： 存在諧振腔內(nèi)的一系列獨(dú)立的具有特定存在諧振腔內(nèi)的一系列獨(dú)立的具有特定波矢波矢k的平面單色駐波

29、，稱為光波的模式的平面單色駐波，稱為光波的模式P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）Vzyxkkkzyx33ppDDDDDD每個(gè)波矢在波矢空間占據(jù)體積元：在波矢空間中，每一波矢在三個(gè)坐標(biāo)軸方向與相鄰波矢的間隔為：zkykxkzyxDDDDDDppp,波矢空間內(nèi)，數(shù)值大小在kk+dk內(nèi)的光波矢所占的體積為：dkkdkk2221481ppqzknykmxkzyxDDDppp,波矢k的三個(gè)分量應(yīng)滿足：P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）VdkkVdkkH22/121232pppck/2pn在此體積內(nèi)，光波矢量模數(shù)為：式中：npdcdk2由于npnVdcH324因此，空腔體積V內(nèi)

30、，處于頻率 內(nèi)的波矢數(shù)為：nnndnpnVdcM328光波模式數(shù)為：P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）hpxxDD3hpppzyxzyxDDDDDD測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系： 一維運(yùn)動(dòng)情況： 三維運(yùn)動(dòng)情況：相格：一個(gè)光子態(tài)占有的相空間體積元為：3hpppzyxzyxDDDDDDzyxppphzyxDDDDDD3一個(gè)相格占有的空間體積為：光子的量子態(tài)光子的量子態(tài)P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）動(dòng)量空間的體積元為：動(dòng)量空間的體積元為：VhPPPpzyx3DDD式中式中 是光子運(yùn)動(dòng)的體積。是光子運(yùn)動(dòng)的體積。zyxVDDD在在 到到 頻率間隔內(nèi)，因光子的動(dòng)量不同，頻率間隔內(nèi)，因光子的動(dòng)

31、量不同，所可能存在的的狀態(tài)數(shù)：所可能存在的的狀態(tài)數(shù)：vvvD2*42*4322VcvvpdppgDpp從波動(dòng)的觀點(diǎn)得到從波動(dòng)的觀點(diǎn)得到光的模式數(shù)光的模式數(shù)，與從光子的觀點(diǎn)得，與從光子的觀點(diǎn)得到到光子的量子狀態(tài)數(shù)光子的量子狀態(tài)數(shù)是是相同相同，兩者在概念上是等效兩者在概念上是等效的。的。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）光源的相干性不同時(shí)刻或不同空間位置的光場(chǎng)之間的相關(guān)性。 若兩束光在空間某一點(diǎn)疊加，若可以形成干涉條紋，則兩束光相干，否則為非相干光；時(shí)間相干性空間相干性相干性ct時(shí)間相干性某一空間點(diǎn)在不同時(shí)刻光波場(chǎng)之間的相干性；P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）光源的時(shí)

32、間相干性)(sin)()(022022020cttititcdteeEtEFIcnnpnpnpn經(jīng)傅立葉變換，可以得到光源頻譜：其它00)(020ctitteEtEpn光傳播方向上，任一點(diǎn)光場(chǎng)可以表示為：P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）光源的時(shí)間相干性結(jié)論： 單色性越好， 譜線線寬越窄； 相干時(shí)間越長(zhǎng)， 相干性越好；頻譜線寬光源頻譜圖nDct1DnP物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）激光光源的單色性 實(shí)際情況 理論 激光輻射帶寬P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）光源的空間相干性clnDcctlcc 縱向空間相干性相干長(zhǎng)度、相干時(shí)間、頻譜線寬的關(guān)系： 橫

33、向空間相干性cA在垂直于光傳播方向的平面上不同空間點(diǎn)光波場(chǎng)之間的相干性某一時(shí)刻不同空間點(diǎn)光波場(chǎng)之間的相干性縱向相干性橫向相干性 空間相干性P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）cA橫向空間相干性)()(12221121PSPSPSPS楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)示意圖由光源S照明的雙縫P具有明顯的相干性的條件為：可以證明，當(dāng)Da+b時(shí)，有：DabDabDPSPS2)()(221221221DabDPSPS2)(22211及P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）橫向空間相干性22)2()2(aAbAsc、22DAAscscADA22csADA22光源的相干面積：scADA22cA結(jié)論：當(dāng)光源

34、面積一定時(shí)，距光源D處，在與光的傳播方向垂直的、面積小于：的平面范圍內(nèi)的光場(chǎng)具有相干性，稱為相干面積令：可以得到：P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）相干體積cVccclAV 定義：相干面積與相干長(zhǎng)度的乘積為相干體積，即：nnDDccsADccADV2222光源的相干體積：csclADV22nDclcnnDDsscADccADV2222由： 可以得到：scADA22P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）定義：處于同一相格（模式、相干體積、量子態(tài)）定義：處于同一相格（模式、相干體積、量子態(tài)）中的光子數(shù)定義為光子的簡(jiǎn)并度。中的光子數(shù)定義為光子的簡(jiǎn)并度。hvBgnv22p光子簡(jiǎn)

35、并度光子簡(jiǎn)并度光源的光子簡(jiǎn)并度反映光源輻射能量的情況，也反光源的光子簡(jiǎn)并度反映光源輻射能量的情況，也反映出光源的單色亮度。映出光源的單色亮度。DDDvSPBv單色定向亮度單色定向亮度P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）激光的受激輻射和自發(fā)輻射概念的提出激光的受激輻射和自發(fā)輻射概念的提出問(wèn)問(wèn) 題題激光的受激輻射和自發(fā)輻射概念是激光的受激輻射和自發(fā)輻射概念是誰(shuí)在哪一年提出的？誰(shuí)在哪一年提出的？P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）激光的受激輻射和自發(fā)輻射概念的提出激光的受激輻射和自發(fā)輻射概念的提出1900年普朗克用年普朗克用輻射量子化輻射量子化假設(shè)成功地解釋了黑體輻假設(shè)成功地

36、解釋了黑體輻 射分布規(guī)律。射分布規(guī)律。1913年波爾提出了年波爾提出了原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量子化原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量子化假設(shè)。假設(shè)。1917年愛(ài)因斯坦從年愛(ài)因斯坦從光量子概念光量子概念出發(fā)，重新推導(dǎo)了黑體出發(fā)，重新推導(dǎo)了黑體輻射的普朗克公式，在推導(dǎo)中提出了兩個(gè)極為重要地概輻射的普朗克公式，在推導(dǎo)中提出了兩個(gè)極為重要地概念：受激輻射和自發(fā)輻射。念：受激輻射和自發(fā)輻射。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）絕對(duì)黑體示意圖絕對(duì)黑體示意圖1),(Ta指入射到該指入射到該物體面上各種波長(zhǎng)的能量都能完物體面上各種波長(zhǎng)的能量都能完全吸收的物體，即全吸收的物體，即 。描述物體處于描述物體處于熱平衡熱平

37、衡狀態(tài)時(shí)狀態(tài)時(shí)吸收吸收和和輻射輻射能量的宏觀特征及其規(guī)律。能量的宏觀特征及其規(guī)律。黑黑 體體 輻輻 射射物體在溫度物體在溫度T時(shí)，入時(shí)，入射到物體的表面上的波長(zhǎng)為射到物體的表面上的波長(zhǎng)為 的電磁輻的電磁輻射能量中，有射能量中，有 部分被吸收了。部分被吸收了。 任何物質(zhì)在一定溫度下都要輻射任何物質(zhì)在一定溫度下都要輻射(也要吸收也要吸收)能量的現(xiàn)象能量的現(xiàn)象),(Ta),(TaP物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）根據(jù)根據(jù)Stefem定律，黑體發(fā)出的總輻射為：定律，黑體發(fā)出的總輻射為：只與溫度有關(guān)只與溫度有關(guān)4)(TTI4212/106697. 5度厘米瓦)(vp實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果維恩線維

38、恩線瑞利金斯線瑞利金斯線圖圖1 黑體輻射黑體輻射P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）黑體平衡輻射能量：黑體平衡輻射能量：23181hvKTvvWghvhvCepD118),(33KTheChTnnpn經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)理論得出的結(jié)論（如瑞利金斯公式和維恩經(jīng)經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)理論得出的結(jié)論（如瑞利金斯公式和維恩經(jīng)驗(yàn)公式）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符，所以引入了量子統(tǒng)計(jì)的方法。驗(yàn)公式）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符，所以引入了量子統(tǒng)計(jì)的方法。黑體輻射的黑體輻射的普朗克公式普朗克公式（量子統(tǒng)計(jì)）：（量子統(tǒng)計(jì)）：P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）118),(33KTheChTnnpn單位體積和單位頻寬的黑體輻射能量，即單

39、位頻率間隔的單位體積和單位頻寬的黑體輻射能量，即單位頻率間隔的能量密度能量密度黑體輻射的黑體輻射的普朗克公式普朗克公式（量子統(tǒng)計(jì)）（量子統(tǒng)計(jì)）P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）原子的玻耳模型原子的玻耳模型P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）原子的能級(jí)原子的能級(jí) 基態(tài) 激發(fā)態(tài) 電子只能處于分立的能級(jí)，電子只能處于分立的能級(jí)，電磁輻射與物質(zhì)的相互作用將 導(dǎo)致物質(zhì)中電子能級(jí)的變化，當(dāng)吸收或輻射能量時(shí)，當(dāng)吸收或輻射能量時(shí)，可在 特 定的能級(jí)間躍遷；該能量為這兩個(gè)能級(jí)的能量差，并且 該能量差唯一地決定了電磁輻射的頻率： E = E2-E1 = hn與其他原子相碰撞電磁輻射的吸收

40、與發(fā)射 原子吸收、釋放能量的方法P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）在沒(méi)有外界作用的情況下，在沒(méi)有外界作用的情況下，原子從高能級(jí)原子從高能級(jí)E E2 2向低能級(jí)向低能級(jí)E E1 1的躍遷方式有兩種：無(wú)輻射的躍遷方式有兩種：無(wú)輻射躍遷和自發(fā)輻射躍遷。躍遷和自發(fā)輻射躍遷。自發(fā)輻射躍遷自發(fā)輻射躍遷自發(fā)輻射光自發(fā)輻射光輻射出的光子能量：輻射出的光子能量：1221EEhndtnAdn22121221211ndtdnA自發(fā)輻射愛(ài)自發(fā)輻射愛(ài)因斯坦系數(shù)因斯坦系數(shù)愛(ài)因斯坦在光量子理論的基礎(chǔ)上，愛(ài)因斯坦在光量子理論的基礎(chǔ)上，考慮了光和物質(zhì)相互作用考慮了光和物質(zhì)相互作用的模型的模型(原子的兩個(gè)能級(jí)原子的

41、兩個(gè)能級(jí))，引入了兩個(gè)重要概念，同樣得出了，引入了兩個(gè)重要概念，同樣得出了普朗克公式普朗克公式p光的自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收光的自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）自發(fā)輻射的特點(diǎn)自發(fā)輻射的特點(diǎn)原子的自發(fā)輻射與原子的本身性質(zhì)有關(guān)，與外界輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)自發(fā)輻射的隨機(jī)性，自發(fā)輻射光的相位、偏振態(tài)和傳播方向雜亂無(wú)章光源發(fā)出的光的單色性、定向性很差。沒(méi)有確定的偏振狀態(tài)。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）受激吸收躍遷示意圖受激吸收躍遷示意圖入射光入射光當(dāng)原子系統(tǒng)受到外來(lái)的當(dāng)原子系統(tǒng)受到外來(lái)的能量為能量為 的光子作用的光子作用下，如果下，如果 ，則，則處

42、于低能級(jí)處于低能級(jí) 上的原上的原子由于吸收一個(gè)能量為子由于吸收一個(gè)能量為 的光子而受到激發(fā)，躍的光子而受到激發(fā)，躍遷到高能級(jí)遷到高能級(jí) 上去的上去的過(guò)程。過(guò)程。21hn21hn1E1221EEhn2EdtnTvBdn11212),(1212121( , )dnWBv Tn dtP物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）受激吸收的特點(diǎn)受激吸收的特點(diǎn)原子的受激吸收幾率與外界輻射場(chǎng)的頻率有關(guān)原子的受激吸收幾率與受激愛(ài)因斯坦系數(shù)有關(guān)原子的受激吸收幾率與外來(lái)光輻射能力密度有關(guān)P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）光的受激輻射：當(dāng)原子受光的受激輻射：當(dāng)原子受外來(lái)的能量為外來(lái)的能量為 的光子

43、的光子激勵(lì)下，從高能級(jí)激勵(lì)下，從高能級(jí) 躍躍遷到低能級(jí)遷到低能級(jí) ，原子發(fā)射，原子發(fā)射一個(gè)一個(gè)與外來(lái)光子一模一樣與外來(lái)光子一模一樣的光子的過(guò)程。的光子的過(guò)程。21hn2E1E受激輻射躍遷示意圖受激輻射躍遷示意圖入射光入射光受激輻射光受激輻射光12EEhn入射光入射光dtnTvBdn22121),(2121212( , )dnWBv Tn dtP物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）原子受激輻射的原子受激輻射的光與外來(lái)的引起光與外來(lái)的引起受激輻射的光有受激輻射的光有相同的相同的頻率、位頻率、位相、偏振及傳播相、偏振及傳播方向。方向。光的受激輻射和自發(fā)輻射的區(qū)別光的受激輻射和自發(fā)輻射的區(qū)別

44、P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）通過(guò)受激輻射，可以實(shí)現(xiàn)同態(tài)光子數(shù)放大從而得到通過(guò)受激輻射，可以實(shí)現(xiàn)同態(tài)光子數(shù)放大從而得到光子簡(jiǎn)并度極高的相干光。激光器發(fā)光，正是利用光子簡(jiǎn)并度極高的相干光。激光器發(fā)光，正是利用受激輻射的上述特點(diǎn)。受激輻射的上述特點(diǎn)。光的受激輻射的特點(diǎn)光的受激輻射的特點(diǎn)P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）：光的受激輻射放大稱為激光光的受激輻射放大稱為激光1221EEhn有一束能量為有一束能量為 的入射光子通的入射光子通過(guò)激活物質(zhì)，光的受激輻射過(guò)程超過(guò)受激吸過(guò)激活物質(zhì)，光的受激輻射過(guò)程超過(guò)受激吸收過(guò)程，受激輻射占主導(dǎo)地位，光在激活物收過(guò)程，受激輻射占主導(dǎo)

45、地位，光在激活物質(zhì)內(nèi)部將越走越強(qiáng)，使該激光工作物質(zhì)輸出質(zhì)內(nèi)部將越走越強(qiáng)，使該激光工作物質(zhì)輸出的光能量超過(guò)入射光的能量，這就是光的放的光能量超過(guò)入射光的能量，這就是光的放大過(guò)程。大過(guò)程。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）愛(ài)因斯坦三系數(shù)的相互關(guān)系愛(ài)因斯坦三系數(shù)的相互關(guān)系熱平衡情況下，輻射率熱平衡情況下，輻射率和吸收率是相等的和吸收率是相等的根據(jù)根據(jù)各能級(jí)的原子密度服從各能級(jí)的原子密度服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布黑體輻射黑體輻射能量密度能量密度),( Tv與普朗克公與普朗克公式比較式比較18211221332121BBggChvBApP物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一

46、章）光與物質(zhì)相互作用的三種處理方法光與物質(zhì)相互作用的三種處理方法1. 經(jīng)典理論：用經(jīng)典的麥克斯韋方程描述電磁場(chǎng)，將原經(jīng)典理論：用經(jīng)典的麥克斯韋方程描述電磁場(chǎng)，將原子看作經(jīng)典的電偶極子。子看作經(jīng)典的電偶極子。2. 半經(jīng)典理論：用經(jīng)典的麥克斯韋方程描述電磁場(chǎng)，而半經(jīng)典理論：用經(jīng)典的麥克斯韋方程描述電磁場(chǎng)，而物質(zhì)原子的內(nèi)部能量運(yùn)動(dòng)用量子力學(xué)的薛定鄂方程描物質(zhì)原子的內(nèi)部能量運(yùn)動(dòng)用量子力學(xué)的薛定鄂方程描述。述。3. 速率方程理論：把光頻電磁場(chǎng)看成量子化的光子，把速率方程理論：把光頻電磁場(chǎng)看成量子化的光子，把物質(zhì)體系描述成具有量子化能級(jí)的粒子體系。物質(zhì)體系描述成具有量子化能級(jí)的粒子體系。嚴(yán)格的激光物理模型

47、是用量子電動(dòng)力學(xué)來(lái)描述嚴(yán)格的激光物理模型是用量子電動(dòng)力學(xué)來(lái)描述P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生問(wèn)問(wèn) 題題 當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，自發(fā)輻射、受激輻射和受激當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收這三個(gè)過(guò)程是同時(shí)出現(xiàn)的，如何實(shí)現(xiàn)大量原子的吸收這三個(gè)過(guò)程是同時(shí)出現(xiàn)的，如何實(shí)現(xiàn)大量原子的受激輻射產(chǎn)生激光受激輻射產(chǎn)生激光? ?P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）激光產(chǎn)生必須具備的前提條件：激光產(chǎn)生必須具備的前提條件：v 有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)；有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)；v 有外界激勵(lì)源有外界激勵(lì)源,使激光上下能級(jí)

48、之間產(chǎn)生集居數(shù)反轉(zhuǎn)；使激光上下能級(jí)之間產(chǎn)生集居數(shù)反轉(zhuǎn)； 形成激光的內(nèi)在依據(jù)形成激光的內(nèi)在依據(jù)v 有激光諧振腔，使受激輻射的光能夠在諧振腔內(nèi)維有激光諧振腔，使受激輻射的光能夠在諧振腔內(nèi)維持振蕩。持振蕩。 形成激光的外部條件形成激光的外部條件激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）ni = C * exp (-Ei/kT) 處于熱平衡狀態(tài)下個(gè)能級(jí)的粒子數(shù)分布示意圖集居數(shù)反轉(zhuǎn)分布集居數(shù)反轉(zhuǎn)分布(粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布)在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)，各能級(jí)上的集居數(shù)服從波耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)，各能級(jí)上的集居數(shù)服從波耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第一章）由玻耳茲曼方程得到：kTEEnn1212exp正常粒子狀態(tài)與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)對(duì)比示意圖正常粒子狀態(tài)下光的吸收總是大