第一章激光的基本特性

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蘇紅辦公室地點：科技樓5樓516-2室Tel:615090

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2023/4/81現(xiàn)在是1頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/82光電子學(xué)是匯集光子學(xué)、電子學(xué)、光子技術(shù)與電子技術(shù)的一門學(xué)科。光子學(xué)

——研究光子作為信息、能量載體的科學(xué)光子技術(shù)—

相干光的產(chǎn)生

激光原理

（54學(xué)時）

相干光的控制(調(diào)制、偏轉(zhuǎn))

光頻率（波長）變換

激光器件與原理

（54學(xué)時）

相干光的檢測及應(yīng)用——光電探測現(xiàn)在是2頁\一共有121頁\編輯于星期四※

教學(xué)大綱：

第一章第二章第四章第五章

第七章（自學(xué)）2023/4/83現(xiàn)在是3頁\一共有121頁\編輯于星期四※課程目標(biāo):

掌握產(chǎn)生激光的基本原理和處理激光問題的基本理論和方法。1.了解激光器的組成，掌握激光原理的基本知識、激光特性；。

2.了解光諧振腔模式的波動理論，掌握共軸球面腔的穩(wěn)定性條件；掌握對稱共焦腔的基本特性，能利用等價共焦腔的概念分析一般穩(wěn)定球面腔的模式特征；掌握高斯光束的基本性質(zhì)與傳輸規(guī)律，分析高斯光束的聚焦和準(zhǔn)直。2023/4/84現(xiàn)在是4頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/853.掌握譜線加寬的機制和線型函數(shù)，掌握速率方程理論的分析方法，掌握均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)的特性。

4.掌握激光振蕩特性（閾值概念、激光器起振和維持穩(wěn)定工作條件、模式特性和輸出功率）；了解弛豫振蕩、線寬極限和頻率牽引概念。

現(xiàn)在是5頁\一共有121頁\編輯于星期四※

教學(xué)手段：上課內(nèi)容：演示文稿課堂練習(xí)：課后作業(yè)：每人一個固定筆記本，周三上課前交

習(xí)題講評&課堂討論：3-4次考試方式：閉卷期末※

成績：作業(yè)＋考勤

30％

期末考試

70％

※課堂紀(jì)律：上課時不準(zhǔn)吃、喝；關(guān)閉手機;

上課期間不得隨意離開教室。

※學(xué)風(fēng)建設(shè)：主動積極聽課，把心留在教室里,

認(rèn)真獨立完成作業(yè)，端正態(tài)度,

不要有投機取巧的僥幸心理。2023/4/86現(xiàn)在是6頁\一共有121頁\編輯于星期四※答疑：時間：每周五下午14:30-16:30地點：科技樓5樓516-2室※見學(xué)校網(wǎng)頁精品課程網(wǎng)頁：精品課程2023/4/87現(xiàn)在是7頁\一共有121頁\編輯于星期四※專題研究或?qū)嶒炇覅⒂^：專題研究方式的內(nèi)容主要包括激光器的腔型設(shè)計與參數(shù)測試、激光器的光束強度分布及其發(fā)散角的測量與分析、調(diào)Q脈沖YAG激光器的調(diào)試與參數(shù)測試的研究。2023/4/88現(xiàn)在是8頁\一共有121頁\編輯于星期四緒論序言激光發(fā)展歷史激光基本原理概述

光和物質(zhì)相互作用的三種過程光的受激輻射放大自激振蕩器2023/4/89現(xiàn)在是9頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/810現(xiàn)在是10頁\一共有121頁\編輯于星期四（Laser__lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）激光又名鐳射，全名是“受激輻射光放大”。量子電子學(xué)微觀物理學(xué)與量子學(xué)相結(jié)合在所有波段研究激射原理、激射器件以及相干輻射與物質(zhì)相互作用的一門邊緣課程。光電子學(xué)：在光頻波段的電子學(xué)。對象：電磁波光子學(xué)

對象：光子一、序言what？2023/4/811現(xiàn)在是11頁\一共有121頁\編輯于星期四二、激光發(fā)展歷史How？

科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)律

基礎(chǔ)理論研究新技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)產(chǎn)業(yè)

基礎(chǔ)理論研究是構(gòu)筑科學(xué)大廈的基石

為激光發(fā)展進行探索的科學(xué)家2023/4/812現(xiàn)在是12頁\一共有121頁\編輯于星期四1、激光器產(chǎn)生歷史1917:

愛因斯坦(A.Einstein)

提出了受激輻射可實現(xiàn)光放大的概念，為激光發(fā)明奠定了理論基礎(chǔ)。1917年以后近四十年內(nèi)：

量子理論的發(fā)展；粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的有效實現(xiàn);電子學(xué)與微波技術(shù)的發(fā)展。1954：美國湯斯(C.H.Townes)

前蘇聯(lián)巴索夫(N.G.Basov)

普洛霍洛夫()第一次實現(xiàn)氨分子微波量子振蕩器(MASER)。通訊和雷達技術(shù)都希望將電磁波頻率進一步提高。(微波-可見光波段)2023/4/813現(xiàn)在是13頁\一共有121頁\編輯于星期四1958:

美國湯斯(Towns)與肖洛(A.L.Schawlow)提出利用開放式光學(xué)諧振腔實現(xiàn)光振蕩的新思想;

布隆伯根(N.Bloembergen)提出利用光泵浦三能級系統(tǒng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的新構(gòu)思。是非線性光學(xué)理論的奠基人。1958年12月:

在PhysicsReview上發(fā)表。1960年3月：獲專利。2023/4/814現(xiàn)在是14頁\一共有121頁\編輯于星期四1960：美國休斯公司實驗室梅曼(T.H.Maiman)

世界上第一臺紅寶石固態(tài)激光器誕生。2007年5月5日：激光先驅(qū)梅曼去世。享年79歲。2023/4/815現(xiàn)在是15頁\一共有121頁\編輯于星期四世界上第一臺激光器誕生(1960)紅寶石固體激光器波長：6943A(694.3nm)，峰值功率：10KW2023/4/816現(xiàn)在是16頁\一共有121頁\編輯于星期四

世界上第一臺激光器模型：

固體激光器：紅寶石，Nd:YAG，YVO4等。2023/4/817現(xiàn)在是17頁\一共有121頁\編輯于星期四1961：中國第一臺激光器1961年8月，中國第一臺激光器--"小球照明紅寶石"激光器，在中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所誕生了。這臺激光器的設(shè)計師是王之江教授，他被稱為"中國激光之父"。2023/4/818現(xiàn)在是18頁\一共有121頁\編輯于星期四中國第一臺激光器（1961）2023/4/819現(xiàn)在是19頁\一共有121頁\編輯于星期四王大珩（），中國科學(xué)院、中國工程院院士中國光學(xué)之父制成中國第一臺激光器，第一臺大型光測裝備和許多國防光學(xué)儀器。

20世紀(jì)70年代，主持制定了全國第一個遙感科學(xué)規(guī)劃，領(lǐng)導(dǎo)了綜合性的航空遙感試驗。

2023/4/820現(xiàn)在是20頁\一共有121頁\編輯于星期四1961：世界上A.賈文制成了第一臺氣體激光器－He-Ne激光器1962：R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導(dǎo)體激光器1963：中國第一臺He-Ne激光器1997:

朱棣文、菲利普(W.Phillips)和塔羅季（C.Tannoudi)

利用激光冷卻和鉗制原子的研2000:赫伯特·克雷歇爾（H.Pressel），提出了雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器室溫工作。2、激光技術(shù)1961：第一臺調(diào)Q激光器(ns)1966：鎖模激光器（ps）——fs、as激光器2023/4/821現(xiàn)在是21頁\一共有121頁\編輯于星期四3、激光應(yīng)用器件發(fā)展概況2023/4/822現(xiàn)在是22頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/823現(xiàn)在是23頁\一共有121頁\編輯于星期四）2023/4/824現(xiàn)在是24頁\一共有121頁\編輯于星期四）2023/4/825現(xiàn)在是25頁\一共有121頁\編輯于星期四）））））2023/4/826現(xiàn)在是26頁\一共有121頁\編輯于星期四1）工作物質(zhì):固體，氣體，液體，半導(dǎo)體，光纖化學(xué)，離子，原子2）頻譜范圍：激光波長遠紫外——可見光——亞毫米

(100nm）（1.222mm）3）輸出能量微焦——百萬焦耳(脈沖pulselaser）4）輸出功率毫瓦——萬瓦（連續(xù)CWlaser）激光器件技術(shù)發(fā)展展望2023/4/827現(xiàn)在是27頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/828現(xiàn)在是28頁\一共有121頁\編輯于星期四4、涉及范圍及內(nèi)容1）自然科學(xué)：一系列新的交叉學(xué)科應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域：量子光學(xué)、非線性光學(xué)、激光原理（器件和技術(shù)）、超快光子學(xué)、信息光電子技術(shù)、激光全息技術(shù)、激光醫(yī)療與光子生物學(xué)、激光加工及檢測，激光武器等分支。2023/4/829現(xiàn)在是29頁\一共有121頁\編輯于星期四

激光的發(fā)明使光學(xué)領(lǐng)域的研究出現(xiàn)新的活力。激光一方面為成熟的領(lǐng)域中現(xiàn)有的各種應(yīng)用技術(shù)帶來數(shù)量級的改善，另一方面又開辟了一些新的領(lǐng)域和新的應(yīng)用和新學(xué)科。2023/4/830現(xiàn)在是30頁\一共有121頁\編輯于星期四2）2023/4/831現(xiàn)在是31頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/832現(xiàn)在是32頁\一共有121頁\編輯于星期四3）2023/4/833現(xiàn)在是33頁\一共有121頁\編輯于星期四4）2023/4/834現(xiàn)在是34頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/835現(xiàn)在是35頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/836現(xiàn)在是36頁\一共有121頁\編輯于星期四5）2023/4/837現(xiàn)在是37頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/838現(xiàn)在是38頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/839現(xiàn)在是39頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/840現(xiàn)在是40頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/841現(xiàn)在是41頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/842現(xiàn)在是42頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/843現(xiàn)在是43頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/844現(xiàn)在是44頁\一共有121頁\編輯于星期四6）2023/4/845現(xiàn)在是45頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/846現(xiàn)在是46頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/847現(xiàn)在是47頁\一共有121頁\編輯于星期四三、激光基本原理概述1963：半經(jīng)典理論1965：全量子理論經(jīng)典理論速率方程組

光和物質(zhì)相互作用的三種過程光的受激輻射放大自激振蕩器2023/4/848現(xiàn)在是48頁\一共有121頁\編輯于星期四1）AmnonYariv“IntroductiontoOpticalElectronics”“OpticalElectronicsinModernCommunication”1997年版(0463FY281)2）JosephT.Verdeyen“LaserElectronics”1995年版3)鄒英華孫陶亨《激光物理學(xué)》北京大學(xué)出版社伍長征王兆永等《激光物理學(xué)》復(fù)旦大學(xué)出版社王青圃等編著《激光原理》山東大學(xué)出版社李相銀等編著《激光原理技術(shù)及應(yīng)用》哈工大出版社參考書2023/4/849現(xiàn)在是49頁\一共有121頁\編輯于星期四Nature,SciencePhysicsReviewLetters6.017AppliedPhysicsLetters4.207JournalofAppliedphysics2.281IEEEPhotonictechnologyLetters2.1IEEEJournalofQuantumElectronics2.097OpticsLetters/Express3.511JournalofOpticalSocietyofAmerica,AppliedOptics相關(guān)的重要學(xué)術(shù)刊物(SCI/EI收錄期刊）2023/4/850現(xiàn)在是50頁\一共有121頁\編輯于星期四內(nèi)容：1.光的相干性和光波模式的聯(lián)系

2.光的受激輻射

3.光的受激輻射放大

4.光的自激振蕩

5.激光特性§1激光的基本原理★★★2023/4/851現(xiàn)在是51頁\一共有121頁\編輯于星期四基本概念：光波模式光子狀態(tài)相格相干體積光子簡并度§1.1相干性的光子描述2023/4/852現(xiàn)在是52頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/853現(xiàn)在是53頁\一共有121頁\編輯于星期四電磁波求解2023/4/854現(xiàn)在是54頁\一共有121頁\編輯于星期四一、光子的基本性質(zhì)波粒二象性能量運動質(zhì)量動量光子具有兩種可能的獨立偏振狀態(tài)，對應(yīng)兩個獨立偏振方向。光子具有自旋（自旋量子數(shù)為整數(shù)）不同于電子、質(zhì)子、中子等粒子。（同一狀態(tài)的光子數(shù)目無限制）2023/4/855現(xiàn)在是55頁\一共有121頁\編輯于星期四3）具有基元能量，基元動量的物質(zhì)單元——

第l個本征狀態(tài)的光子。1）任意電磁場可看作是一系列單色平面波(以波矢k為標(biāo)志)的線性疊加，或一系列電磁波的本征模式（本征狀態(tài)）的疊加。2）每個本征模式可以是量子化的?！芰亢突獎恿康恼麛?shù)倍。2023/4/856現(xiàn)在是56頁\一共有121頁\編輯于星期四4）具有相同能量和動量的光子彼此間不可區(qū)分，處于同一模式（狀態(tài)）。5）

每個模式內(nèi)光子數(shù)目是無限制的。2023/4/857現(xiàn)在是57頁\一共有121頁\編輯于星期四1）波動觀點——光波模式經(jīng)典電磁學(xué)理論中，電磁波的運動規(guī)律由麥克斯韋方程決定。其通解可表示為一系列單色平面波的線性疊加。單色平面波二、光波模式和光子狀態(tài)相格2023/4/858現(xiàn)在是58頁\一共有121頁\編輯于星期四在自由空間，具有任意波矢單色平面波都可以存在。在一個有邊界條件限制的空間V（諧振腔）內(nèi),只能存在一系列獨立的具有特定波矢的平面單色駐波。

——電磁波模式或光波模式（1）一種模式是電磁波運動的一種類型；（2）以波矢為標(biāo)志，不同模式以不同的區(qū)分；（3）同一波矢對應(yīng)著兩個不同偏振方向的模。

特點2023/4/859現(xiàn)在是59頁\一共有121頁\編輯于星期四空腔V內(nèi)的模式數(shù)目？設(shè)空腔為V=

的立方體沿坐標(biāo)軸傳播駐波條件及波矢三個分量應(yīng)滿足條件：則有：ΔxΔyΔz2023/4/860現(xiàn)在是60頁\一共有121頁\編輯于星期四ΔxΔyΔz在波矢空間，每個模式占有的體積元：現(xiàn)在是61頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/862在波矢空間中,每個模式占有的一個體積元在~區(qū)間模式數(shù)：在頻率v附近頻帶dv內(nèi)的模式數(shù)：現(xiàn)在是62頁\一共有121頁\編輯于星期四2）粒子觀點——光子狀態(tài)經(jīng)典力學(xué)中，質(zhì)點運動狀態(tài)完全由其坐標(biāo)和動量確定，這種空間稱為相空間。63現(xiàn)在是63頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/864經(jīng)典力學(xué)中，質(zhì)點運動狀態(tài)完全由其坐標(biāo)（x,y,z）和動量(Px,Py,Pz)確定，這種六維空間稱為相空間。（1）一個光子態(tài)所占有的相空間體積元：——相格（2）一個相格所占有的坐標(biāo)空間體積（相格空間體積）：在相空間中，一種光子狀態(tài)占居一個相空間體積元為h3的相格——來源于微觀粒子的位置和動量滿足測不準(zhǔn)關(guān)系?，F(xiàn)在是64頁\一共有121頁\編輯于星期四3）光波模式等效于光子狀態(tài)？（1）在波矢空間中，光波模所占體積元：考慮一個光波模是由兩列沿相反方向傳輸?shù)男胁ǖ寞B加，所以它在相空間中動量軸方向所占的線度：（2）在相空間中，相格所占的坐標(biāo)空間體積：總結(jié)：一個光波模在相空間中也占有一個相格；一個光波模等效于一個光子態(tài)。2023/4/865現(xiàn)在是65頁\一共有121頁\編輯于星期四相干體積——在該體積內(nèi)各點的光波場都具有明顯的相干性。相干面積Ac——垂直于光傳輸方向的截面積相干長度Lc——光波的波列長度相干時間：三、光子的相干性－不同空間點上、不同時刻的光波場的某些特性的相關(guān)性2023/4/866現(xiàn)在是66頁\一共有121頁\編輯于星期四以楊氏雙縫干涉為例，距離光源R處的相干面積：S1和S2兩點的光波場具有空間相干性條件：光源的相干面積：2023/4/867現(xiàn)在是67頁\一共有121頁\編輯于星期四光源的相干體積：光子觀點上分析，相格空間體積：2023/4/868現(xiàn)在是68頁\一共有121頁\編輯于星期四總結(jié)：1）相格空間體積，一個光波?；蚬庾討B(tài)占有的空間體積都等于相干體積；2）屬于同一光子態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的。2023/4/869現(xiàn)在是69頁\一共有121頁\編輯于星期四相干光強：描述光相干性的參量之一，決定于具有相干性的光子的數(shù)目或同態(tài)的光子數(shù)目。光子簡并度：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)；同一模式內(nèi)的光子數(shù)；處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)；處于同一相格內(nèi)的光子數(shù)。四、

光子簡并度2023/4/870現(xiàn)在是70頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/871對普通光源，增大相干面積和相干時間，將導(dǎo)致相干光強的降低；激光是一種光強和相干性二者統(tǒng)一起來的強相干光源?，F(xiàn)在是71頁\一共有121頁\編輯于星期四作業(yè)

怎樣從波粒二象性出發(fā)，理解光子的相干性？2023/4/872現(xiàn)在是72頁\一共有121頁\編輯于星期四激光器的物理基礎(chǔ)：受激輻射過程（光與物質(zhì)的共振相互作用）——愛因斯坦提出了光與原子相互作用的量子論?！?.2光的受激輻射基本概念光和物質(zhì)相互作用的三個基本過程：

自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射2023/4/873現(xiàn)在是73頁\一共有121頁\編輯于星期四1）黑體輻射——普朗克（MaxPlanck）熱輻射：

處于某一溫度T的物體能夠發(fā)出和吸收電磁輻射，發(fā)出的這種電磁輻射稱為熱輻射或溫度輻射。黑體：

能夠完全吸收任何波長電磁輻射的物體。在熱平衡狀態(tài)，黑體內(nèi)存在一確定的輻射場，也叫平衡輻射。黑體輻射：2023/4/874現(xiàn)在是74頁\一共有121頁\編輯于星期四黑體輻射：在熱平衡狀態(tài)，黑體內(nèi)存在的某一確定的輻射場是溫度T和頻率v的函數(shù)。描述形式:單色能量密度（J.m-3.s）——單位體積內(nèi)，頻率處于v附近單位頻率間隔中的電磁輻射能量。

2023/4/875現(xiàn)在是75頁\一共有121頁\編輯于星期四腔內(nèi)每個模式上的平均能量：腔內(nèi)單位體積單位頻率間隔內(nèi)的光波模式數(shù)：黑體輻射普朗克公式：單色能量密度：玻耳茲曼常數(shù)2023/4/876現(xiàn)在是76頁\一共有121頁\編輯于星期四黑體輻射實質(zhì)上是這個輻射場和黑體的物質(zhì)原子（或分子或離子）相互作用的結(jié)果。為了簡化，物質(zhì)的原子只考慮兩個能級，這個物質(zhì)簡稱為二能級系統(tǒng)。E2、n2E1、n1E2-E1＝hv現(xiàn)在是77頁\一共有121頁\編輯于星期四2）自發(fā)輻射躍遷(spontaneousradiationtransition)處于高能級E2的一個原子自發(fā)地向E1躍遷，并發(fā)射一個能量為hv的光子，該過程稱為自發(fā)躍遷。由原子自發(fā)躍遷發(fā)出的光波稱為自發(fā)輻射。E2、n2E1、n1E2-E1＝hv2023/4/878現(xiàn)在是78頁\一共有121頁\編輯于星期四定義：A21——單位時間內(nèi)n2個高能態(tài)原子中發(fā)生自發(fā)躍遷的原子數(shù)n21與n2的比值。自發(fā)躍遷概率2023/4/879現(xiàn)在是79頁\一共有121頁\編輯于星期四——原子在上能級的平均壽命推導(dǎo)如下：A21也叫自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)自發(fā)輻射概率值：2023/4/880現(xiàn)在是80頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/881E2、n2E1、n1

特點：1）該躍遷與外界輻射場無關(guān)。是一種只與原子本身性質(zhì)有關(guān)的自發(fā)過程—自發(fā)躍遷概率（A21

）；2）對一個粒子自發(fā)躍遷，只能發(fā)出一個光子（E2-E1＝hv）；3）每個原子的躍遷是獨立的、偶然的，自發(fā)輻射的光子在其位相、偏振狀態(tài)、傳播方向都是隨機的，非相干的?，F(xiàn)在是81頁\一共有121頁\編輯于星期四3）受激吸收躍遷(stimulatedabsorptiontransition)特點：hv=E2-E1E2、n2E1、n1設(shè)處于E1、E2能級上的原子數(shù)分別為n1、n2,外來單色光能量密度為。處于低能級E1

的一個原子，在頻率為v的輻射場作用下，吸收一個能量為hv的光子并向E2躍遷，該過程稱為受激吸收躍遷。2023/4/882現(xiàn)在是82頁\一共有121頁\編輯于星期四受激吸收躍遷概率：受激吸收過程與外場、原子本身性質(zhì)有關(guān)。B12——受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)，只與原子性質(zhì)有關(guān)。

2023/4/883現(xiàn)在是83頁\一共有121頁\編輯于星期四4）受激輻射躍遷（stimulatedradiationtransition）特點：若入射光子的頻率滿足hv=E2-E1

，則處于激發(fā)態(tài)的原子放出一個頻率為v的光子而躍遷到E1，出射光子與入射光子具有同頻率、傳播方向、位相、振動面（偏振）——相干性。E2E1——有光的放大作用。2023/4/884現(xiàn)在是84頁\一共有121頁\編輯于星期四Ｂ21——受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)

受激輻射躍遷概率：其中(,T)表示溫度為T頻率為的輻射能量體密度(外來光子密度)。2023/4/885現(xiàn)在是85頁\一共有121頁\編輯于星期四A21、B21、B12相互關(guān)系熱平衡狀態(tài)：1）

原子數(shù)按能級分布——玻耳茲曼分布律：2）n2或n1應(yīng)保持不變當(dāng)f1=f2,2023/4/886現(xiàn)在是86頁\一共有121頁\編輯于星期四

5）

2023/4/887現(xiàn)在是87頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/888現(xiàn)在是88頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/889現(xiàn)在是89頁\一共有121頁\編輯于星期四作業(yè)1、推導(dǎo)自發(fā)輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)、受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)和受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系；2、推導(dǎo)自發(fā)輻射躍遷概率與二能級系統(tǒng)上能級原子的平均壽命之間的關(guān)系。2023/4/890現(xiàn)在是90頁\一共有121頁\編輯于星期四§1.3光的受激輻射放大黑體輻射源的光子簡并度：例:2023/4/891現(xiàn)在是91頁\一共有121頁\編輯于星期四例：T=300K，λ=600nm的紅光λ=1000nm可見：普通光源在可見光和紅外光波段主要是自發(fā)輻射。2023/4/892現(xiàn)在是92頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/893黑體輻射源的光子簡并度：現(xiàn)在是93頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/894現(xiàn)在是94頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/895現(xiàn)在是95頁\一共有121頁\編輯于星期四1）光波模式的選擇——光學(xué)諧振腔2）光的受激輻射放大一、光放大概念的產(chǎn)生2023/4/896現(xiàn)在是96頁\一共有121頁\編輯于星期四熱平衡狀態(tài)：E2>E1，n2<n1

光通過物質(zhì)時，受激吸收光子數(shù)>受激輻射光子數(shù)，所以處于熱平衡狀態(tài)下的物質(zhì)只能吸收光子。二、實現(xiàn)光放大必要條件2023/4/897現(xiàn)在是97頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/8981）集居數(shù)反轉(zhuǎn)：受激輻射>受激吸收

n2>n1

選擇具有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)。2）激光介質(zhì)（激活物質(zhì)或增益介質(zhì)）：

處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的物質(zhì)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)——泵浦（激勵）過程（必要條件）泵浦方式：電泵、光泵、化學(xué)泵、核泵現(xiàn)在是98頁\一共有121頁\編輯于星期四二能級工作物質(zhì)（半導(dǎo)體）受激吸收受激輻射自發(fā)輻射E2E12023/4/899現(xiàn)在是99頁\一共有121頁\編輯于星期四三能級工作物質(zhì)（紅寶石）2023/4/8100現(xiàn)在是100頁\一共有121頁\編輯于星期四四能級工作物質(zhì)（Nd:YAG,He-Ne）2023/4/8101現(xiàn)在是101頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/8102光在介質(zhì)中傳播的物理圖像處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的物質(zhì)稱為激活介質(zhì)，也是一個光放大器?，F(xiàn)在是102頁\一共有121頁\編輯于星期四1）增益系數(shù)g——放大作用的大小,表示光通過單位長度激活物質(zhì)后光強增長的百分?jǐn)?shù)。三、光放大物質(zhì)的增益系數(shù)與增益曲線2023/4/8103現(xiàn)在是103頁\一共有121頁\編輯于星期四現(xiàn)在是104頁\一共有121頁\編輯于星期四2023/4/8105現(xiàn)在是105頁\一共有121頁\編輯于星期四（1）小信號增益的情況，集居數(shù)差值為常數(shù)增益介質(zhì)2023/4/8106現(xiàn)在是106頁\一共有121頁\編輯于星期四當(dāng)光強增大時，集居數(shù)差值隨z增加而減少，增益g也隨z的增加而減少?！鲆骘柡托?yīng)（2）大信號增益的情況——飽和光強，描述增益飽和效應(yīng)而引入的參量。2023/4/8107現(xiàn)在是107頁\一共有121頁\編輯于星期四2）增益曲線增益系數(shù)隨光波頻率v的變化曲線。g(v0)g(v0)/2中心頻率寬度(線寬)g(v0)g(v0)/2g(v)2023/4/8108現(xiàn)在是108頁\一共有121頁\編輯于星期四§1.4光的自激振蕩損耗系數(shù)：光通過單位距離后光強衰減的百分比一、自激振蕩概念同時考慮到增益和損耗時，——激光器都是激光自激振蕩器2023/4/8109現(xiàn)在是109頁\一共有121頁\編輯于星期四當(dāng),I(z)達到一穩(wěn)定的極大值:注意：極大值