激光原理與技術(shù)：第一章 激光的基本原理

激光原理與技術(shù)課程主要內(nèi)容-激光原理高斯光束光學(xué)諧振腔激光的基本原理參考資料（任選其一）：《激光原理》，余學(xué)才《激光原理》，周炳坤，高以智，國防工業(yè)出版社相干光的產(chǎn)生激光器的工作特性課程主要內(nèi)容-激光技術(shù)非線性光學(xué)鎖模技術(shù)調(diào)Q技術(shù)激光的調(diào)制與偏轉(zhuǎn)參考資料（任選其一）：《激光技術(shù)》，余學(xué)才《激光技術(shù)》，藍(lán)信鋸，科學(xué)出版社相干光的控制引言LASER--LightAmplification

byStimulatedEmission

ofRadiation

科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)律

基礎(chǔ)理論研究應(yīng)用技術(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)大廈的基石上世紀(jì)與激光基礎(chǔ)研究相關(guān)的諾獎30項激光發(fā)展簡史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（A.M.Prokhorov)第一次實現(xiàn)氨分子微波量子振蕩器(MASER)激光發(fā)展簡史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1960.7：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究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。激光發(fā)展簡史21世紀(jì)激光技術(shù)高功率固體激光器高能量激光器fs(10-15)和as(10-18)超短脈沖激光THz（1012）波深紫外、X射線…激光應(yīng)用工業(yè)加工與測量光纖與空間通信激光顯示與表演航天測距激光探測、制導(dǎo)與定向能武器激光醫(yī)療激光核聚變科研應(yīng)用工業(yè)加工-激光切割工業(yè)加工-車身焊接工業(yè)加工-車身焊接激光鉆孔激光標(biāo)記激光快速成形(3D打印)微納米加工激光通訊激光照明、顯示與表演激光測距激光制導(dǎo)與定向能武器激光醫(yī)療激光受控核聚變LIGO系統(tǒng)飛秒化學(xué)---通過“慢動作”觀察處于化學(xué)反應(yīng)過程中的原子與分子的轉(zhuǎn)變狀態(tài)澤維爾（AhmedH.Zewail，美國）1999年，諾貝爾化學(xué)獎激光器的分類和基本構(gòu)成

按激光工作物質(zhì)分類：固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、液體（有機(jī)染料）激光器一般激光器的三個主要組成部分：激光工作物質(zhì)、激勵能源、光學(xué)諧振腔紅寶石激光器氦氖激光器激光基本特性亮度高單色性好方向性好基本特性：相干性好1960-5-17，TedMaiman發(fā)明第一臺激光器第一臺紅寶石激光器拆卸圖第一章激光的基本原理激光振蕩的過程與條件受激輻射、吸收與自發(fā)輻射黑體輻射激光與普通光源的區(qū)別微波的產(chǎn)生：封閉式諧振腔中自激振蕩激光：諧振腔？自激振蕩？長、寬、高分別為a，b，l的矩形諧振腔中的本征模式：矩形三維空腔麥克斯韋方程本征解的電場分量模式：滿足邊界條件的麥克斯韋方程的一個本征解，諧振腔中可以穩(wěn)定存在的電磁場分布。模式正交：全空間積分為零，模式之間沒有能量交換。引：光學(xué)諧振腔概述波矢：波矢空間中的相鄰兩個模每個模式的體積：諧振角頻率：（m,n,p）表征一種空間駐波分布，代表一個模式，稱為模指數(shù)代表一個模式，相鄰模式波矢間距范圍內(nèi)的Ⅰ象限球殼體積：波矢：波矢空間中的相鄰兩個模范圍內(nèi)的模式數(shù)目：考慮每個模式存在兩個獨立的偏振方向，單位體積、單位頻率間隔內(nèi)的模式數(shù)目，模式密度*：模式數(shù)目與頻率的平方成正比，這個現(xiàn)象稱為頻譜濃縮λ=633nm，在1cm3體積內(nèi)，1MHz頻率范圍內(nèi)，模式數(shù)目：2×105兩維矩形諧振腔的模式密度：兩維矩形諧振腔一維矩形諧振腔一維矩形諧振腔的模式密度：λ=633nm，在1cm長度內(nèi)，1MHz頻率范圍內(nèi)，模式數(shù)目：0.000133，模式間隔7.5GHzλ=633nm，在1cm2面積內(nèi)，1MHz頻率范圍內(nèi)，模式數(shù)目：6.6174橫向邊界開放的諧振腔第一節(jié)黑體輻射(光量子起源）黑體輻射是上世紀(jì)初的物理難題之一，是誘發(fā)普朗克光量子假設(shè)的物理現(xiàn)象。絕對黑體：能夠完全吸收所有波長的電磁輻射的物體，簡稱黑體。模擬黑體黑體輻射：處于平衡狀態(tài)的黑體有完全確定的輻射場，稱為黑體輻射。黑體輻射源不同溫度下的輻射譜線科學(xué)家試圖從熱力學(xué)統(tǒng)計物理和經(jīng)典電磁場理論解釋所測得的曲線，只能在長波端或短波端與實驗數(shù)據(jù)吻合。普朗克假設(shè)：空腔中某模式的電磁波，其能量為某一最小值的整數(shù)倍：能量最小值正比于光頻率根據(jù)玻爾茲曼分布，在熱平衡狀態(tài)下，該模式的電磁波具有n能量的幾率常數(shù)C由歸一化條件求出黑體輻射平均分配到每個模式上的平均能量為：根據(jù)得到黑體輻射平均分配到每個模式上的平均能量為腔內(nèi)單位體積、單位頻率間隔內(nèi)的光波模式密度為黑體普朗克公式（單位頻率間隔的能量密度）：太陽輻射地球輻射宇宙輻射高溫爐輻射m=7cm,3Km=0.475m,6000Km=9~10mm=~10m第二節(jié)光的受激輻射、受激吸收和自發(fā)輻射獨立進(jìn)行,無關(guān)聯(lián);相位,偏振,方向隨機(jī);能量平均分布在所有模式，是光放大的源受外來光擾動=(E2-E1)/h

光子能量轉(zhuǎn)化為原子的勢能，能量儲存過程受外來光擾動產(chǎn)生與入射光子屬同一狀態(tài)的光子,輻射光同相疊加到入射場上，是激光具有宏觀相干性的根本原因1.2.1光和物質(zhì)相互作用的三種過程自發(fā)輻射(SP)

E1E2hn(SpontaneousEmission)受激吸收(STA)hnE1E2(Stimulatedabsorption)受激輻射(STE)hnE1E22hn(StimulatedEmission)同一光子態(tài)（模式）的光子是不可區(qū)分的－單位頻率能量密度受激吸收速率W12受激輻射速率W21自發(fā)輻射速率A21受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)E2能級上的粒子隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減

自發(fā)輻射速率A21與自發(fā)輻射（能級）壽命ts

呈倒數(shù)關(guān)系（ts可實驗測量）

A21只決定于物質(zhì)本身性質(zhì)，與輻射場無關(guān)自發(fā)輻射壽命1.2.2愛因斯坦關(guān)系式－A21

、B21

和B12的關(guān)系愛因斯坦關(guān)系熱平衡黑體輻射公式玻爾茲曼分布模密度n黑體輻射分配到腔內(nèi)每個模式的平均能量g1=g2能級簡并度沒有自發(fā)輻射就沒有受激輻射產(chǎn)生與黑體輻射公式比較說明：三種過程同時存在，只是有強(qiáng)弱差別；單位時間STE增加的光子數(shù)單位時間STA減少的光子數(shù)T=1500K,l=500nm空腔4.自發(fā)輻射光子可作為受激輻射或受激吸收的外來光子單位時間自發(fā)輻射產(chǎn)生的能量，自發(fā)輻射功率2.熱平衡情況下兩種輻射比較:自發(fā)輻射占絕對優(yōu)勢3.熱平衡情況下兩種受激躍遷過程比較：STA為主一、產(chǎn)生光放大的條件：

受激輻射占優(yōu)勢－粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布En常溫下，Bolzman分布反轉(zhuǎn)分布（populationinversion）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布受激輻射占主導(dǎo)光放大實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)稱為增益(或激活)介質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？只有依靠外界向物質(zhì)提供能量(泵浦或稱激勵)才能打破熱平衡，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)不是充分條件第三節(jié)激光振蕩條件激光器的泵浦二極管端面泵浦二極管側(cè)面泵浦燈泵浦r1r2增益介質(zhì)激勵能源光源氣體放電電注入化學(xué)增益介質(zhì)的光增益系數(shù)：增益介質(zhì)的光損耗系數(shù)：同時存在增益和損耗：經(jīng)過增益介質(zhì)l

，電場為：二、自激振蕩條件往返n周后的輸出光場總輸出光場的疊加公比自激振蕩意味著對于極其微弱的場E01，會產(chǎn)生有限輸出場E上式可分解為兩個條件：第一式表示平面波從腔內(nèi)任意位置出發(fā)，在腔內(nèi)往返一周后，相位滯后為2π的整數(shù)倍，形成最大相干增長，這個條件稱為光學(xué)正反饋條件（駐波條件）。頻率表達(dá)式*①頻率（縱模）間隔相等②與激光波長無關(guān)分母為諧振腔環(huán)程光程長度第二式表示自激振蕩的能量要求，是激光器形成穩(wěn)定振蕩的條件考慮到增益的飽和效應(yīng)，該條件應(yīng)為表示成腔鏡的光強(qiáng)反射率，增益條件*為對實際激光器，R(1)≈1，R(2)=1-T

自發(fā)輻射～非相干光－光子簡并度很低受激輻射～相干光－光子簡并度高光子簡并度

(自學(xué)周炳琨《激光原理》1.1節(jié))光子簡并度同態(tài)光子數(shù)同一模式內(nèi)光子數(shù)黑體輻射源的光子簡并度T=300K=30cmn=103;

=60mn=1;=0.6mn=10-35模密度n黑體輻射分配到每個模式的平均能量第四節(jié)激光與普通光源的區(qū)別要增大光子簡并度，應(yīng)增加總光子數(shù)，減少激光模式數(shù)

技術(shù)思想的重大突破：封閉腔開放式光諧振腔

開放式光諧振腔使激光模式數(shù)減小,其它非軸向模式逸出腔外，使軸向模有很高的光子簡并度。

光諧振腔的主要作用：選模。增加總光子數(shù)和減少模式數(shù)之間有一定矛盾。

軸向模F-P光諧振腔本章小結(jié)：黑體輻射特點，普朗克光量子假設(shè)。受激輻射、受激吸收、自發(fā)輻射過程，受激輻射和自發(fā)輻射的聯(lián)系，