第一章-激光的基本特性讲述

2020/3/261激光原理TheprincipleofLaser周炳琨主编2020/3/262教师信息苏红办公室地点：科技楼5楼516-2室Tel:26534230(O)/13728895090(M)/615090Email:[e-mail]2020/3/263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2020/3/264※教学大纲：第一章第二章第四章第五章第七章（自学）2020/3/265※课程目标:掌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。2020/3/2663.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。2020/3/267※教学手段：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。2020/3/268※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://jingpin.szu.edu.cn/laser/2020/3/269※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。2020/3/2610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2020/3/26112020/3/2612（Laser__lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）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：光子一、序言what？2020/3/2613二、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2020/3/26141、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(C.H.Townes)前苏联巴索夫(N.G.Basov)普洛霍洛夫(A.M.Prokhorov)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)2020/3/26151958:美国汤斯(Towns)与肖洛(A.L.Schawlow)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PhysicsReview上发表。1960年3月：获专利。2020/3/26161960：美国休斯公司实验室梅曼(T.H.Maiman)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。2020/3/2617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：10KW2020/3/2618世界上第一台激光器模型：固体激光器：红宝石，Nd:YAG，YVO4等。2020/3/26191961：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。2020/3/2620中国第一台激光器（1961）2020/3/2621王大珩（1915.2.26─2011.7.21），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。2020/3/26221961：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2020/3/26233、激光应用器件发展概况2020/3/26242020/3/2625）2020/3/2626）2020/3/2627）））））2020/3/26281）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pulselaser）4）输出功率毫瓦——万瓦（连续CWlaser）激光器件技术发展展望2020/3/26292020/3/26304、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，激光武器等分支。2020/3/2631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。2020/3/26322）2020/3/26332020/3/26343）2020/3/26354）2020/3/26362020/3/26372020/3/26385）2020/3/26392020/3/26402020/3/26412020/3/26422020/3/26432020/3/26442020/3/26452020/3/26466）2020/3/26472020/3/26482020/3/2649三、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2020/3/26501）AmnonYariv“IntroductiontoOpticalElectronics”“OpticalElectronicsinModernCommunication”1997年版(0463FY281)2）JosephT.Verdeyen“LaserElectronics”1995年版3)邹英华孙陶亨《激光物理学》北京大学出版社4)伍长征王兆永等《激光物理学》复旦大学出版社5)王青圃等编著《激光原理》山东大学出版社6)李相银等编著《激光原理技术及应用》哈工大出版社参考书2020/3/2651Nature,SciencePhysicsReviewLetters6.017AppliedPhysicsLetters4.207JournalofAppliedphysics2.281IEEEPhotonictechnologyLetters2.1IEEEJournalofQuantumElectronics2.097OpticsLetters/Express3.511JournalofOpticalSocietyofAmerica,AppliedOptics相关的重要学术刊物(SCI/EI收录期刊）2020/3/2652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★★★2020/3/2653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2020/3/26542020/3/2655电磁波求解，或，或k2020/3/2656一、光子的基本性质波粒二象性1)能量2)运动质量3)动量4)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。5)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）hv22//chvcmknhnchvnmcP000222020/3/26573）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。lhvlk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。2020/3/26584）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。2020/3/26591）波动观点——光波模式经典电磁学理论中，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rkivtieEtrE.20),(二、光波模式和光子状态相格2020/3/2660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kk（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。kk特点2020/3/2661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：2/mx2/ny2/qzzyxxmkx/ynky/zqkz/则有：cvk22ΔxΔyΔzΔxΔyΔz在波矢空间，每个模式占有的体积元：Vzyxkkkzyx//332020/3/2663在波矢空间中,Vzyxkkkzyx//33每个模式占有的一个体积元在~区间模式数：32/84Vkdk在频率v附近频带dv内的模式数：3232/8/cVdvvVkdkNvkkkdkcdvkdcvk2,22642）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。2020/3/2665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3hPPPzyxzyx（2）一个相格所占有的坐标空间体积（相格空间体积）：zyxPPPhzyx/3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。2020/3/26663）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：zyxkkkzyx/3考虑一个光波模是由两列沿相反方向传输的