激 光 原 理

1. 激 光 原 理 Principles of Laser

2. 激光原理 内 容 概 要 第一章：概述激光器基本原理 第二章：开放式光谐振腔理论 与高斯光束 第四章：阐明光和物质相互作用的基本物理过程 第五章、第六章：激光振荡和放大理论 第七章：介绍控制和改善激光器特性的基本技术 第九章：介绍典型激光器的工作原理及特性 目标 对激光技术中的物理问题有较系统全面的认识； 建立正确的基本概念； 掌握一定的有关激光器技术方面的知识。

3. 激光原理. 绪论 绪 论 一、激光的特性 1. 方向性好

4. 激光原理. 绪论 2. 单色性好

5. 激光原理. 绪论 空间高度集中：亮度比太阳表面高 倍。 时间高度集中：功率峰值为 瓦。 3. 能量集中 4. 相干性好

6. 激光原理. 绪论 二、激光的应用 1. 工业应用 精密测量(距离、位移) 激光加工(切割、焊接、打孔、雕刻) 光谱分析 2. 医学应用 眼科 普通外科 牙科 皮肤科

7. 激光原理. 绪论 3. 军事应用 大气激光通信 激光侦察 激光测距 激光制导

8. 激光原理. 绪论 激光武器

9. 激光原理. 绪论 4. 日常应用 激光打印机 条形码扫描器 电脑光驱 激光霓虹灯 激光防伪 CD/VCD

10. 激光原理. 绪论

11. 激光原理. 绪论 5. 通信领域的应用 （1）空间激光通信

12. 激光原理. 绪论 短距离通信用0.85um； 长距离通信用1.31um，1.55um 光纤通信用光源： 光纤放大器： 1.55um波段的掺铒光纤放大器（EDFA）； 1.31um的掺镨光纤放大器（PDFA）； 1.27～1.67um全光波段的拉曼放大器（RFA） （2）光纤通信 光纤的优越性： • 宽带 • 不受电磁干扰 • 重量轻 • 低损耗 1480nm和980nm波长的半导体激光器是EDFA的泵浦光源

13. 激光原理. 绪论 三、激光技术发展史 1.1917年：爱因斯坦在《关于辐射的量子力学»一文预言了 原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性; 2.20世纪50年代：汤斯和肖洛的光激射器理论； 激光器方案的提出； 3.1960年：梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器； 4.1960年至今：激光技术飞速发展。 四、 Laser －“激光” Laser Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation “通过受激辐射实现光放大”

14. 激光原理. 绪论 五、激光器种类 根据工作物质 ：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃 固体激光器 气体激光器 ：He—Ne，CO2，离子激光器 液体激光器 ：染料激光器 半导体激光器

15. 激光原理. 第一章 波动说 第一章 激光的基本原理 §1.1 相干性的光子描述 光波模式、光子状态、相格、相干体积 一、光波模式与光子态 －波动属性： －电磁理论 光波模式 光的波粒二象性 微粒说 －光子理论 －粒子属性： 光子态

16. 激光原理. 第一章 波矢： ：波的传播方向 1. 光波模式（用波动观点求光波模式数） 一个波矢对应两个光波模式

17. 激光原理. 第一章 存在具有特定波矢的单色平面驻波。 有限空间V内： m、n、q为正整数 自由空间中：具有任意波矢的单色平面波都可能存在； 驻波条件

18. 激光原理. 第一章 每组m、n、q对应一种光波模式（含两个偏振态）

19. 激光原理. 第一章 相邻模间隔： 第一象限中 区间体积： V体积空腔内， 频率 内 光波模式数： 波矢空间中每个光波模式所占体积： 此体积内光波模式数：

20. 激光原理. 第一章 相空间： 测不准关系： 结论2：一个光波模式 一个光子态。 2. 光子（状）态： 空间坐标 动量 相空间内一点表示质点的一个运动状态。 相格：同一光子态的光子所占的相空间体积元。 结论1：同一相格中的光子运动状态无法区分， 它们属于同一光子态。

21. 激光原理. 第一章 空间相干性 相干体积：空间体积 内各点的光波场都具有明显 的相干性，则 为相干体积。 二、光子的相干性 相干光波：频率相同、振动方向一致、位相差恒定的两束光波。 相干长度：沿传播方向的相干长度。 相干面积：垂直于光传播方向截面上的相干面积。

22. 激光原理. 第一章 相干时间：光沿传播方向通过相干长度 所需的时间。 单色性越好，相干性就越好

23. 激光原理. 第一章 两光波场具有明显相干性的条件： 光源的相干面积 由杨氏双缝干涉实验讨论光波的相干体积：

24. 激光原理. 第一章 结论3：相格的空间体积 相干体积。 光源的相干体积：

25. 激光原理. 第一章 一个光波模式所占空间体积 同一光子态所占空间体积 相干体积 三、光子简并度 结论： 相格空间体积 处于同一相格中的光子数， 处于同一模式中的光子数， 处于相干体积内的光子数， 处于同一光子态的光子数。 决定了相干光强，反映光源的单色亮度。

26. 激光原理. 第一章 空腔辐射体 §1.2 光的受激辐射基本概念 一、光的受激辐射概念的产生 普朗克——1900年，辐射量子化假设； 波尔——1913年，原子中电子运动状态的量子化假设； 爱因斯坦——1917年，提出受激辐射概念。 1. 黑体辐射的Planck公式： 任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。 黑体：能够完全吸收任何波长 的电磁辐射的物体。

27. 激光原理. 第一章 黑体吸收的辐射能量 黑体发出的辐射能量 单色能量密度 ： 热平衡状态下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量 腔内单位体积中频率处于 附近单位频率间隔内的光波模式数 黑体辐射Planck公式： 热平衡状态： Planck辐射能量量子化假说：

28. 激光原理. 第一章 吸收能量 低 吸收跃迁： 高 辐射能量 辐射跃迁： 高 低 （自发辐射） 2. 跃迁： 跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。

29. 激光原理. 第一章 发光前 发光后 3. 受激辐射： 爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。 二、自发辐射、受激吸收和受激辐射 1. 自发辐射

30. 激光原理. 第一章 自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）： 原子在能级 的平均寿命 普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同——为非相干光。 只与原子本身性质有关，与辐射场无关

31. 激光原理. 第一章 吸收后 吸收前 受激吸收跃迁几率： ：受激吸收跃迁爱因斯坦系数 2. 受激吸收 与原子本身性质和辐射场能量密度有关 只与原子本身性质有关

32. 激光原理. 第一章 当外来光子的频率满足 时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。 发光后 受激辐射跃迁几率： 与原子本身性质和辐射场能量密度有关 ：受激辐射跃迁爱因斯坦系数 发光前 只与原子本身性质有关 3. 受激辐射 当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程

33. 激光原理. 第一章 三、爱因斯坦三系数 的相互关系 热平衡状态： （辐射场总光子数保持不变） 辐射率 吸收率 ——各能级上的原子数密度（集居数密度） 玻尔兹曼统计分布： ——能级 和 的简并度， 或称统计权重

34. 激光原理. 第一章 与Planck公式比较

35. 激光原理. 第一章 3.自发辐射的出现随 而增大，故波长越短， 自发辐射几率越大。 结论： 1.其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。 2.热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故 正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。 四、受激辐射的相干性 不相干 自发辐射：相互独立、互不相关。 受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的 外来光子具有相同的特征（频率、相 位、振动方向及传播方向均相同）。 相干光 受激辐射光子与入射光子属同一光子态。

36. 激光原理. 第一章 总结 掌握： 激光特性 光波模式、光子状态、相格、相干体积 概念及相互关系 光子简并度概念 自发辐射、受激吸收、受激辐射 含义、特点、相互区别、相互关系 爱因斯坦三系数的相互关系及所得结论 受激辐射的相干性

37. 激光原理. 第一章 理解： 光波模式数、光子状态、相格空间体积、相干体积相互关系的推导过程 黑体辐射的Planck公式 玻尔兹曼统计分布 爱因斯坦三系数的相互关系的推导过程 了解： 激光的应用 受激辐射概念的产生