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1、2023/10/21,1,激光原理The principle of Laser,周炳琨 主编,2023/10/21,2,教师信息 苏红办公室地点：科技楼5楼516-2室Tel:615090 Email:,2023/10/21,3,光电子学是汇集光子学、电子学、光子技术 与电子技术的一门学科。,光子学 研究光子作为信息、能量载体的科学光子技术 相干光的产生 激光原理（54学时）相干光的控制(调制、偏转)光频率（波长）变换 激光器件与原理（54学时）相干光的检测及应用光电探测,2023/10/21,4,教学大纲：第一章 第二章 第四章 第五章 第七章（自学）,2023/10/21,5,课程目标:掌
2、握产生激光的基本原理和处理激光问题的基本理论和方法。1.了解激光器的组成，掌握激光原理的基本知识、激光特性；。2.了解光谐振腔模式的波动理论，掌握共轴球面腔的稳定性条件；掌握对称共焦腔的基本特性，能利用等价共焦腔的概念分析一般稳定球面腔的模式特征；掌握高斯光束的基本性质与传输规律，分析高斯光束的聚焦和准直。,2023/10/21,6,3.掌握谱线加宽的机制和线型函数，掌握速率方程理论的分析方法，掌握均匀加宽和非均匀加宽工作物质的增益系数的特性。4.掌握激光振荡特性（阈值概念、激光器起振和维持稳定工作条件、模式特性和输出功率）；了解弛豫振荡、线宽极限和频率牵引概念。,2023/10/21,7,教
3、学手段：上课内容：演示文稿 课堂练习：课后作业：每人一个固定笔记本，周三上课前交 习题讲评&课堂讨论：3-4次 考试方式：闭卷 期末 成绩：作业考勤 30 期末考试 70,课堂纪律：上课时不准吃、喝；关闭手机;上课期间不得随意离开教室。学风建设：主动积极听课，把心留在教室里,认真独立完成作业，端正态度,不要有投机取巧的侥幸心理。,2023/10/21,8,答疑：时间：每周五下午14:30-16:30地点：科技楼5楼516-2室见学校网页精品课程网页：精品课程:/laser/,2023/10/21,9,专题研究或实验室参观：专题研究方式的内容主要包括激光器的腔型设计与参数测试、激光器的光束强度分
4、布及其发散角的测量与分析、调Q脉冲YAG激光器的调试与参数测试的研究。,2023/10/21,10,绪 论,序言 激光发展历史 激光基本原理概述 光和物质相互作用的三种过程 光的受激辐射放大 自激振荡器,2023/10/21,11,2023/10/21,12,（Laser_light amplification by stimulated emission of radiation）,激光又名镭射，全名是“受激辐射光放大”。,量子电子学,微观物理学与量子学相结合在所有波段研究激射原理、激射器件以及相干辐射与物质相互作用的一门边缘课程。,光电子学：在光频波段的电子学。对象：电磁波光子学 对象：光
5、子,一、序 言 what？,2023/10/21,13,二、激光发展历史 How？,科学技术发展规律 基础理论研究 新技术 产品开发 产业 基础理论研究是构筑科学大厦的基石 为激光发展进行探索的科学家,2023/10/21,14,1、激光器产生历史1917:爱因斯坦(A.Einstein)提出了受激辐射可实现光放大的概念，为激光发明奠定了理论基础。1917年以后近四十年内：量子理论的发展；粒子数反转的有效实现;电子学与微波技术的发展。1954：美国汤斯()前苏联巴索夫()普洛霍洛夫()第一次实现氨分子微波量子振荡器(MASER)。,通讯和雷达技术都希望将电磁波频率进一步提高。(微波-可见光波段
6、),2023/10/21,15,1958:美国汤斯(Towns)与肖洛()提出利用开放式光学谐振腔实现光振荡的新思想;布隆伯根(N.Bloembergen)提出利用光泵浦三能级系统实现粒子数反转分布的新构思。是非线性光学理论的奠基人。1958年12月:在Physics Review上发表。1960年3月：获专利。,2023/10/21,16,1960：美国休斯公司实验室梅曼()世界上第一台红宝石固态激光器诞生。,2007年5月5日：激光先驱梅曼去世。享年79岁。,2023/10/21,17,世界上第一台激光器诞生(1960),红宝石固体激光器,波长：6943A(694.3nm)，峰值功率：10
7、KW,2023/10/21,18,世界上第一台激光器模型：,固体激光器：红宝石，Nd:YAG，YVO4等。,2023/10/21,19,1961：中国第一台激光器,1961年8月，中国第一台激光器-小球照明红宝石激光器，在中国科学院长春光学精密机械研究所诞生了。这台激光器的设计师是王之江教授，他被称为中国激光之父。,2023/10/21,20,中国第一台激光器（1961）,2023/10/21,21,王大珩（），中国科学院、中国工程院院士中国光学之父 制成中国第一台激光器，第一台大型光测装备和许多国防光学仪器。20世纪70年代，主持制定了全国第一个遥感科学规划，领导了综合性的航空遥感试验。,2
8、023/10/21,22,1961：世界上A.贾文制成了第一台气体激光器He-Ne激光器1962：R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器1963：中国第一台He-Ne激光器 1997:朱棣文、菲利普(W.Phillips)和塔罗季（C.Tannoudi)利用激光冷却和钳制原子的研2000:赫伯特克雷歇尔（H.Pressel），提出了双异质结构，实现半导体激光器室温工作。2、激光技术1961：第一台调Q激光器(ns)1966：锁模激光器（ps）fs、as激光器,2023/10/21,23,3、激光应用器件发展概况,2023/10/21,24,2023/10/21,25,）,2023/10/21
9、,26,）,2023/10/21,27,）,）,）,）,）,2023/10/21,28,1）工作物质:固体，气体，液体，半导体，光纤 化学，离子，原子2）频谱范围：激光波长远紫外可见光亚毫米(100nm）（1.222mm）3）输出能量 微焦百万焦耳(脉冲 pulse laser）4）输出功率 毫瓦万瓦（连续 CW laser）,激光器件技术发展展望,2023/10/21,29,2023/10/21,30,4、涉及范围及内容,1）自然科学：一系列新的交叉学科应用技术领域：量子光学、非线性光学、激光原理（器件和技术）、超快光子学、信息光电子技术、激光全息技术、激光医疗与光子生物学、激光加工及检测，
10、激光武器等分支。,2023/10/21,31,激光的发明使光学领域的研究出现新的活力。激光一方面为成熟的领域中现有的各种应用技术带来数量级的改善，另一方面又开辟了一些新的领域和新的应用和新学科。,2023/10/21,32,2）,2023/10/21,33,2023/10/21,34,3）,2023/10/21,35,4）,2023/10/21,36,2023/10/21,37,2023/10/21,38,5）,2023/10/21,39,2023/10/21,40,2023/10/21,41,2023/10/21,42,2023/10/21,43,2023/10/21,44,2023/10/
11、21,45,2023/10/21,46,6）,2023/10/21,47,2023/10/21,48,2023/10/21,49,三、激光基本原理概述 1963：半经典理论1965：全量子理论 经典理论 速率方程组 光和物质相互作用的三种过程 光的受激辐射放大 自激振荡器,2023/10/21,50,1）Amnon Yariv“Introduction to Optical Electronics”“Optical Electronics in Modern Communication”1997年版(0463 FY281)2）Joseph T.Verdeyen“Laser Electronic
12、s”1995年版3)邹英华 孙陶亨 激光物理学北京大学出版社伍长征 王兆永等 激光物理学复旦大学出版社 王青圃等编著激光原理山东大学出版社李相银等编著激光原理技术及应用哈工大出版社,参考书,2023/10/21,51,Nature,Science Physics Review Letters 6.017Applied Physics Letters 4.207Journal of Applied physics 2.281IEEE Photonic technology Letters 2.1IEEE Journal of Quantum Electronics 2.097Optics Let
13、ters/Express 3.511Journal of Optical Society of America,Applied Optics,相关的重要学术刊物(SCI/EI收录期刊）,2023/10/21,52,内容：1.光的相干性和光波模式的联系 2.光的受激辐射 3.光的受激辐射放大 4.光的自激振荡 5.激光特性,1 激光的基本原理,2023/10/21,53,基本概念：光波模式 光子状态 相格 相干体积 光子简并度,1.1 相干性的光子描述,2023/10/21,54,2023/10/21,55,电磁波求解,2023/10/21,56,一、光子的基本性质,波粒二象性,能量运动质量动量
14、光子具有两种可能的独立偏振状态，对应两个独立偏振方向。光子具有自旋（自旋量子数为整数）不同于电子、质子、中子等粒子。（同一状态的光子数目无限制）,2023/10/21,57,3）具有基元能量，基元动量 的物质单元 第l个本征状态的光子。,1）任意电磁场可看作是一系列单色平面波(以波矢k为标志)的线性叠加，或一系列电磁波的本征模式（本征状态）的叠加。,2）每个本征模式可以是量子化的。基元能量和基元动量的整数倍。,2023/10/21,58,4）具有相同能量和动量的光子彼此间不可区分，处于同一模式（状态）。5）每个模式内光子数目是无限制的。,2023/10/21,59,1）波动观点光波模式,经典电
15、磁学理论中，电磁波的运动规律由麦克斯韦方程决定。其通解可表示为一系列单色平面波的线性叠加。,单色平面波,二、光波模式和光子状态相格,2023/10/21,60,在自由空间，具有任意波矢 单色平面波都可以存在。在一个有边界条件限制的空间V（谐振腔）内,只能存在一系列独立的具有特定波矢 的平面单色驻波。电磁波模式或光波模式,（1）一种模式是电磁波运动的一种类型；（2）以波矢 为标志，不同模式以不同的 区分；（3）同一波矢对应着两个不同偏振方向的模。,特点,2023/10/21,61,空腔V内的模式数目？,设空腔为V=的立方体 沿坐标轴传播驻波条件及波矢三个分量应满足条件：,则有：,在波矢空间，每个
16、模式占有的体积元：,2023/10/21,63,在波矢 空间中,每个模式占有的一个体积元,在 区间模式数：,在频率v附近频带dv内的模式数：,64,2）粒子观点光子状态,经典力学中，质点运动状态完全由其坐标和动量确定，这种空间称为相空间。,2023/10/21,65,经典力学中，质点运动状态完全由其坐标（x,y,z）和动量(Px,Py,Pz)确定，这种六维空间称为相空间。,（1）一个光子态所占有的相空间体积元：相格,（2）一个相格所占有的坐标空间体积（相格空间体积）：,在相空间中，一种光子状态占居一个相空间体积元为h3的相格来源于微观粒子的位置和动量满足测不准关系。,2023/10/21,66
17、,3）光波模式等效于光子状态？,（1）在波矢空间中，光波模所占体积元：,考虑一个光波模是由两列沿相反方向传输的行波的叠加，所以它在相空间中动量轴方向所占的线度：,（2）在相空间中，相格所占的坐标空间体积：,总结：一个光波模在相空间中也占有一个相格；一个光波模等效于一个光子态。,2023/10/21,67,相干体积在该体积内各点的光波场都具有明显的相干性。,相干面积Ac垂直于光传输方向的截面积,相干长度Lc光波的波列长度,相干时间：,三、光子的相干性不同空间点上、不同时刻的光波场的某些特性的相关性,2023/10/21,68,以杨氏双缝干涉为例，,距离光源R处的相干面积：,S1和S2两点的光波场
18、具有空间相干性条件：,光源的相干面积：,2023/10/21,69,光源的相干体积：,光子观点上分析，相格空间体积：,2023/10/21,70,总结：1）相格空间体积，一个光波模或光子态占有的空间体积都等于相干体积；2）属于同一光子态的光子或同一模式的光波是相干的。,2023/10/21,71,相干光强：描述光相干性的参量之一，决定于具有相干性的光子的数目或同态的光子数目。光子简并度：处于同一光子态的光子数；同一模式内的光子数；处于相干体积内的光子数；处于同一相格内的光子数。,四、光子简并度,2023/10/21,72,对普通光源，增大相干面积和相干时间，将导致相干光强的降低；激光是一种光强
19、和相干性二者统一起来的强相干光源。,2023/10/21,73,作业,怎样从波粒二象性出发，理解光子的相干性？,2023/10/21,74,激光器的物理基础：受激辐射过程（光与物质的共振相互作用）爱因斯坦提出了光与原子相互作用的量子论。,1.2 光的受激辐射基本概念,光和物质相互作用的三个基本过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射,2023/10/21,75,1）黑体辐射普朗克（Max Planck）,热辐射：,处于某一温度T的物体能够发出和吸收电磁辐射，发出的这种电磁辐射称为热辐射或温度辐射。,黑体：,能够完全吸收任何波长电磁辐射的物体。,在热平衡状态，黑体内存在一确定的辐射场，也叫平衡辐射。,
20、黑体辐射：,2023/10/21,76,黑体辐射：在热平衡状态，黑体内存在的某一确定的辐射场是温度T和频率v的函数。描述形式:单色能量密度（J.m-3.s）单位体积内，频率处于v附近单位频率间隔中的电磁辐射能量。,2023/10/21,77,腔内每个模式上的平均能量：,腔内单位体积单位频率间隔内的光波模式数：,黑体辐射普朗克公式：,单色能量密度：,玻耳兹曼常数,黑体辐射实质上是这个辐射场和黑体的物质原子（或分子或离子）相互作用的结果。,为了简化，物质的原子只考虑两个能级，这个物质简称为二能级系统。,E2-E1hv,2023/10/21,79,2）自发辐射跃迁,(spontaneous radi
21、ation transition),处于高能级E2的一个原子自发地向E1跃迁，并发射一个能量为hv的光子，该过程称为自发跃迁。由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。,E2-E1hv,2023/10/21,80,定义：A21单位时间内n2个高能态原子中发生自发跃 迁的原子数n21与n2的比值。,自发跃迁概率,2023/10/21,81,原子在上能级的平均寿命,推导如下：,A21也叫自发跃迁爱因斯坦系数,自发辐射概率值：,2023/10/21,82,特点：1）该跃迁与外界辐射场无关。是一种只与原子本身性质有关的自发过程自发跃迁概率（A21）；2）对一个粒子自发跃迁，只能发出一个光子（E2-E1hv
22、）；3）每个原子的跃迁是独立的、偶然的，自发辐射的光子在其位相、偏振状态、传播方向都是随机的，非相干的。,2023/10/21,83,3）受激吸收跃迁,(stimulated absorption transition),特点：hv=E2-E1,设处于E1、E2能级上的原子数分别为n1、n2,外来单色光能量密度为。,处于低能级E1 的一个原子，在频率为v的辐射场作用下，吸收一个能量为hv的光子并向E2跃迁，该过程称为受激吸收跃迁。,2023/10/21,84,受激吸收跃迁概率：,受激吸收过程与外场、原子本身性质有关。,B12受激吸收跃迁爱因斯坦系数，只与原子性质有关。,2023/10/21,8
23、5,4）受激辐射跃迁,（stimulated radiation transition）,特点：若入射光子的频率满足 hv=E2-E1，则处于激发态的原子放出一个频率为v的光子而跃迁到E1，出射光子与入射光子具有同频率、传播方向、位相、振动面（偏振）相干性。,有光的放大作用。,2023/10/21,86,21受激辐射跃迁爱因斯坦系数,受激辐射跃迁概率：,其中(,T)表示温度为T,频率为的辐射能量体密,度(外来光子密度)。,2023/10/21,87,A21、B21、B12相互关系,热平衡状态：1）原子数按能级分布玻耳兹曼分布律：2）n2或n1应保持不变,当 f1=f2,2023/10/21,8
24、8,5）,2023/10/21,89,2023/10/21,90,2023/10/21,91,作业,1、推导自发辐射跃迁爱因斯坦系数、受激吸收跃迁爱因斯坦系数和受激辐射跃迁爱因斯坦系数之间的关系；2、推导自发辐射跃迁概率与二能级系统上能级原子的平均寿命之间的关系。,2023/10/21,92,1.3 光的受激辐射放大,黑体辐射源的光子简并度：,例:,2023/10/21,93,例：T=300K，=600nm的红光=1000nm,可见：普通光源在可见光和红外光波段主要是自发辐射。,2023/10/21,94,黑体辐射源的光子简并度：,2023/10/21,95,2023/10/21,96,202
25、3/10/21,97,1）光波模式的选择光学谐振腔,2）光的受激辐射放大,一、光放大概念的产生,热平衡状态：E2E1，n2受激辐射光子数，所以处于热平衡状态下的物质只能吸收光子。,2023/10/21,98,二、实现光放大必要条件,2023/10/21,99,1）集居数反转：受激辐射受激吸收,n2n1,选择具有亚稳态能级结构的工作物质。,2）激光介质（激活物质或增益介质）：处于粒子数反转状态的物质,实现粒子数反转泵浦（激励）过程（必要条件）泵浦方式：电泵、光泵、化学泵、核泵,2023/10/21,100,二能级工作物质（半导体）,2023/10/21,101,三能级工作物质（红宝石）,2023
26、/10/21,102,四能级工作物质（Nd:YAG,He-Ne）,2023/10/21,103,光在介质中传播的物理图像,处于集居数反转状态的物质称为激活介质，也是一个光放大器。,2023/10/21,104,1）增益系数g 放大作用的大小,表示光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数。,三、光放大物质的增益系数与增益曲线,2023/10/21,106,2023/10/21,107,（1）小信号增益的情况，集居数差值为常数,增益介质,2023/10/21,108,当光强增大时，集居数差值随z增加而减少，增益g也随z的增加而减少。增益饱和效应,（2）大信号增益的情况,饱和光强，描述增益饱和效应而
27、引入的参量。,2023/10/21,109,2）增益曲线,增益系数随光波频率v的变化曲线。,g(v0)g(v0)/2,中心频率宽度(线宽),2023/10/21,110,1.4 光的自激振荡,损耗系数：光通过单位距离后光强衰减的百分比,一、自激振荡概念,同时考虑到增益和损耗时，,激光器都是激光自激振荡器,2023/10/21,111,当,I(z)达到一稳定的极大值:,注意：极大值只与放大器本身参数有关，与初始光强无关。只要放大器足够长，就会形成确定光强。,2023/10/21,112,光学谐振腔(optical cavity),组成：两块反射镜互相严格平行，且垂直于工作物质轴线。等效于增加放大
28、器长度。但对激光器的产生，这个腔并不是不可缺少的。,将放大器置于其中，增加了光的反馈，自发辐射光经过多次受激辐射放大而在轴向光波模上产生光的自激振荡。,激光器,2023/10/21,113,3）提供轴向光波模的反馈。,2）模式选择，保证激光器单模振荡，提高相干性；,谐振腔作用：,1）延长增益介质的作用来提高光能密度；,2023/10/21,114,二、振荡条件,激光器的振荡条件：,激活介质（放大器）的小信号增益系数包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数,当工作物质长度为l，光腔长度为L，单程小信号增益因子和光腔单程损耗因子为,2023/10/21,115,激光器的振荡阈值条件：,激活器特
29、性（输出功率、单色性、方向性等）、激光技术都与工作物质的增益、光腔的损耗特性有关。,2023/10/21,116,conclusion,光放大器和光学谐振腔,2产生激光的必要条件是：,激光工作物质；泵浦源。,1.激光器的基本结构包括：,2023/10/21,118,1.5 激光的特性,（The Characteristics of Laser）,“三好一高”很高的光子简并度,1.单色性好。（应用：光尺、激光测速）,2.相干性好。（应用：光信息处理）,3.方向性好。(应用：测距、定向、雷达）,4.高亮度。（应用：工业加工、激光手术、激光武器）,激光这一特性正是由于受激辐射的本性和光腔的选模作用得
30、以实现。,2023/10/21,119,一、空间相干性和方向性,光腔模式TEMmnq：纵模和横模,激光的方向性越好，空间相干性就越好。,TEM：transverse electromagnetic wave,2023/10/21,120,激光最小发散角（衍射极限角）：,He-Ne激光器,2023/10/21,121,不同类型激光器的方向性与工作物质类型和均匀性、光腔类型和腔长、激励方式和激光器工作状态有关。,气体激光器方向性最好固体激光器方向性较差半导体激光器方向性最差,2023/10/21,122,二、时间相干性和单色性,相干时间和单色性关系：,选模技术和稳频技术对提高相干性十分重要。,2023/10/21,123,三、激光的高亮度（强相干光）,亮度B：单色亮度：,2023/10/21,124,2023/10/21,125,作业,1、解释增益系数、吸收系数的概念；2、怎样理解激光器产生自激振荡的振荡条件？3、P23第一章习题1、4、5、8、9。(涉及到激光器的参数参见P338附录),
