第一章激光的基本特性

第一章激光的基本特性第1頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月教師信息

蘇紅辦公室地點：科技樓5樓516-2室Tel:26534230(O)M)/615090

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第2頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/173光電子學是匯集光子學、電子學、光子技術與電子技術的一門學科。光子學

——研究光子作為信息、能量載體的科學光子技術—

相干光的產生

激光原理

（54學時）

相干光的控制(調制、偏轉)

光頻率（波長）變換

激光器件與原理

（54學時）

相干光的檢測及應用——光電探測第3頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月※

教學大綱：

第一章第二章第四章第五章

第七章（自學）第4頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月※課程目標:

掌握產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與傳輸規(guī)律，分析高斯光束的聚焦和準直。第5頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1763.掌握譜線加寬的機制和線型函數，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的增益系數的特性。

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。

第6頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月※

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

習題講評&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％

※課堂紀律：上課時不準吃、喝；關閉手機;

上課期間不得隨意離開教室。

※學風建設：主動積極聽課，把心留在教室里,

認真獨立完成作業(yè)，端正態(tài)度,

不要有投機取巧的僥幸心理。第7頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月※答疑：時間：每周五下午14:30-16:30地點：科技樓5樓516-2室※見學校網頁精品課程網頁：精品課程:///laser/第8頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月※專題研究或實驗室參觀：專題研究方式的內容主要包括激光器的腔型設計與參數測試、激光器的光束強度分布及其發(fā)散角的測量與分析、調Q脈沖YAG激光器的調試與參數測試的研究。第9頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月緒論序言激光發(fā)展歷史激光基本原理概述

光和物質相互作用的三種過程光的受激輻射放大自激振蕩器第10頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月（Laser__lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）激光又名鐳射，全名是“受激輻射光放大”。量子電子學微觀物理學與量子學相結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相互作用的一門邊緣課程。光電子學：在光頻波段的電子學。對象：電磁波光子學

對象：光子一、序言what？第12頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月二、激光發(fā)展歷史How？

科學技術發(fā)展規(guī)律

基礎理論研究新技術產品開發(fā)產業(yè)

基礎理論研究是構筑科學大廈的基石

為激光發(fā)展進行探索的科學家第13頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1、激光器產生歷史1917:

愛因斯坦(A.Einstein)

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

量子理論的發(fā)展；粒子數反轉的有效實現;電子學與微波技術的發(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(A.M.Prokhorov)第一次實現氨分子微波量子振蕩器(MASER)。通訊和雷達技術都希望將電磁波頻率進一步提高。(微波-可見光波段)第14頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1958:

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

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

在PhysicsReview上發(fā)表。1960年3月：獲專利。第15頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月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：激光先驅梅曼去世。享年79歲。第16頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月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：10KW第17頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月

世界上第一臺激光器模型：

固體激光器：紅寶石，Nd:YAG，YVO4等。第18頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月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，在中國科學院長春光學精密機械研究所誕生了。這臺激光器的設計師是王之江教授，他被稱為"中國激光之父"。第19頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月中國第一臺激光器（1961）第20頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月王大珩（1915.2.26─2011.7.21），中國科學院、中國工程院院士中國光學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儀器。

20世紀70年代，主持制定了全國第一個遙感科學規(guī)劃，領導了綜合性的航空遙感試驗。

第21頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月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），提出了雙異質結構，實現半導體激光器室溫工作。2、激光技術1961：第一臺調Q激光器(ns)1966：鎖模激光器（ps）——fs、as激光器第22頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月3、激光應用器件發(fā)展概況第23頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月）第25頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月）第26頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月）））））第27頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1）工作物質:固體，氣體，液體，半導體，光纖化學，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）激光器件技術發(fā)展展望第28頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第29頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月4、涉及范圍及內容1）自然科學：一系列新的交叉學科應用技術領域：量子光學、非線性光學、激光原理（器件和技術）、超快光子學、信息光電子技術、激光全息技術、激光醫(yī)療與光子生物學、激光加工及檢測，激光武器等分支。第30頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月

激光的發(fā)明使光學領域的研究出現新的活力。激光一方面為成熟的領域中現有的各種應用技術帶來數量級的改善，另一方面又開辟了一些新的領域和新的應用和新學科。第31頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月2）第32頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第33頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月3）第34頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月4）第35頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月5）第38頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第40頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第42頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第43頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第45頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月6）第46頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第47頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第48頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月三、激光基本原理概述1963：半經典理論1965：全量子理論經典理論速率方程組

光和物質相互作用的三種過程光的受激輻射放大自激振蕩器第49頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月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》北京大學出版社伍長征王兆永等《激光物理學》復旦大學出版社王青圃等編著《激光原理》山東大學出版社李相銀等編著《激光原理技術及應用》哈工大出版社參考書第50頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月Nature,SciencePhysicsReviewLetters6.017AppliedPhysicsLetters4.207JournalofAppliedphysics2.281IEEEPhotonictechnologyLetters2.1IEEEJournalofQuantumElectronics2.097OpticsLetters/Express3.511JournalofOpticalSocietyofAmerica,AppliedOptics相關的重要學術刊物(SCI/EI收錄期刊）第51頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月內容：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★★★第52頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月基本概念：光波模式光子狀態(tài)相格相干體積光子簡并度§1.1相干性的光子描述第53頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第54頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁波求解第55頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月一、光子的基本性質波粒二象性能量運動質量動量光子具有兩種可能的獨立偏振狀態(tài)，對應兩個獨立偏振方向。光子具有自旋（自旋量子數為整數）不同于電子、質子、中子等粒子。（同一狀態(tài)的光子數目無限制）第56頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月3）具有基元能量，基元動量的物質單元——

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獎恿康恼麛当?。第57頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月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）

每個模式內光子數目是無限制的。第58頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1）波動觀點——光波模式經典電磁學理論中，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)相格第59頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月在自由空間，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,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）以波矢為標志，不同模式以不同的區(qū)分；（3）同一波矢對應著兩個不同偏振方向的模。

特點第60頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月空腔V內的模式數目？設空腔為V=

的立方體沿坐標軸傳播駐波條件及波矢三個分量應滿足條件：則有：ΔxΔyΔz第61頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月ΔxΔyΔz在波矢空間，每個模式占有的體積元：第62頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1763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：在頻率v附近頻帶dv內的模式數：第63頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月2）粒子觀點——光子狀態(tài)經典力學中，質點運動狀態(tài)完全由其坐標和動量確定，這種空間稱為相空間。第64頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1765經典力學中，質點運動狀態(tài)完全由其坐標（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關系。第65頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月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的行波的疊加，所以它在相空間中動量軸方向所占的線度：（2）在相空間中，相格所占的坐標空間體積：總結：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)。第66頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月相干體積——在該體積內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性第67頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月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：第68頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月光源的相干體積：光子觀點上分析，相格空間體積：第69頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月總結：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。第70頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月相干光強：描述光相干性的參量之一，決定于具有相干性的光子的數目或同態(tài)的光子數目。光子簡并度：處于同一光子態(tài)的光子數；同一模式內的光子數；處于相干體積內的光子數；處于同一相格內的光子數。四、

光子簡并度第71頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1772對普通光源，增大相干面積和相干時間，將導致相干光強的降低；激光是一種光強和相干性二者統(tǒng)一起來的強相干光源。第72頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月作業(yè)

怎樣從波粒二象性出發(fā)，理解光子的相干性？第73頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月激光器的物理基礎：受激輻射過程（光與物質的共振相互作用）——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第74頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月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)，黑體內存在一確定的輻射場，也叫平衡輻射。黑體輻射：第75頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月黑體輻射：在熱平衡狀態(tài)，黑體內存在的某一確定的輻射場是溫度T和頻率v的函數。描述形式:單色能量密度（J.m-3.s）——單位體積內，頻率處于v附近單位頻率間隔中的電磁輻射能量。

第76頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月腔內每個模式上的平均能量：腔內單位體積單位頻率間隔內的光波模式數：黑體輻射普朗克公式：單色能量密度：玻耳茲曼常數第77頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月黑體輻射實質上是這個輻射場和黑體的物質原子（或分子或離子）相互作用的結果。為了簡化，物質的原子只考慮兩個能級，這個物質簡稱為二能級系統(tǒng)。E2、n2E1、n1E2-E1＝hv第78頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月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＝hv第79頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月定義：A21——單位時間內n2個高能態(tài)原子中發(fā)生自發(fā)躍遷的原子數n21與n2的比值。自發(fā)躍遷概率第80頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月——原子在上能級的平均壽命推導如下：A21也叫自發(fā)躍遷愛因斯坦系數自發(fā)輻射概率值：第81頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1782E2、n2E1、n1

特點：1）該躍遷與外界輻射場無關。是一種只與原子本身性質有關的自發(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。第82頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月3）受激吸收躍遷(stimulatedabsorptiontransition)特點：hv=E2-E1E2、n2E1、n1設處于E1、E2能級上的原子數分別為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。第83頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月受激吸收躍遷概率：受激吸收過程與外場、原子本身性質有關。B12——受激吸收躍遷愛因斯坦系數，只與原子性質有關。

第84頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第85頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月Ｂ21——受激輻射躍遷愛因斯坦系數

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)。第86頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月A21、B21、B12相互關系熱平衡狀態(tài)：1）

原子數按能級分布——玻耳茲曼分布律：2）n2或n1應保持不變當f1=f2,第87頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月

5）

第88頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第89頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第90頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月作業(yè)1、推導自發(fā)輻射躍遷愛因斯坦系數、受激吸收躍遷愛因斯坦系數和受激輻射躍遷愛因斯坦系數之間的關系；2、推導自發(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系。第91頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.3光的受激輻射放大黑體輻射源的光子簡并度：例:第92頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例：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。第93頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/1794黑體輻射源的光子簡并度：第94頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第95頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第96頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1）光波模式的選擇——光學諧振腔2）光的受激輻射放大一、光放大概念的產生第97頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月熱平衡狀態(tài)：E2>E1，n2<n1

光通過物質時，受激吸收光子數>受激輻射光子數，所以處于熱平衡狀態(tài)下的物質只能吸收光子。二、實現光放大必要條件第98頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/17991）集居數反轉：受激輻射>受激吸收

n2>n1

選擇具有亞穩(wěn)態(tài)能級結構的工作物質。2）激光介質（激活物質或增益介質）：

處于粒子數反轉狀態(tài)的物質實現粒子數反轉——泵浦（激勵）過程（必要條件）泵浦方式：電泵、光泵、化學泵、核泵第99頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月二能級工作物質（半導體）受激吸收受激輻射自發(fā)輻射E2E1第100頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月三能級工作物質（紅寶石）第101頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月四能級工作物質（Nd:YAG,He-Ne）第102頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/17103光在介質中傳播的物理圖像處于集居數反轉狀態(tài)的物質稱為激活介質，也是一個光放大器。第103頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1）增益系數g——放大作用的大小,表示光通過單位長度激活物質后光強增長的百分數。三、光放大物質的增益系數與增益曲線第104頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第105頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第106頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）小信號增益的情況，集居數差值為常數增益介質第107頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月當光強增大時，集居數差值隨z增加而減少，增益g也隨z的增加而減少?！鲆骘柡托?）大信號增益的情況——飽和光強，描述增益飽和效應而引入的參量。第108頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月2）增益曲線增益系數隨光波頻率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)第109頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.4光的自激振蕩損耗系數：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第110頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月當,I