Lecture1激光原理課件

1、Lecture1激光原理激光原理第一章第一章 激光的基本原理激光的基本原理本次課內容：本次課內容：緒論簡介1.1 相干性的光子描述Lecture1激光原理激光原理緒論簡介Lecture1激光原理激光原理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、能量載體的一門科學光子技術相干光的產生 激光原理激光原理 相干光的控制（調制、偏轉），變換（頻率） 光電子技術光電子技術 相干光的檢測及應用 光光 電電 子子 學（技術）學（技術）光電檢測光電檢測應用光電子技術應用光電子技術電子學； 電子技術平時作業(yè)：平時作業(yè)：10 期末考試：期末考試：90 Lecture1激光原

2、理激光原理Academic Subjects in Optics ScienceAcademic Subjects in Optics Sciencel Ray Optics (Geometric Optics)l Wave Opticsl Beam Opticsl Fourier Optics (Information Optics)l Electromagnetic Opticsl Guided-Wave Opticsl Fiber Opticsl Photonic-Crystal Opticsl Statistical Opticsl Resonator Optics and Laser

3、l Semiconductor Opticsl Nonlinear Opticsl Quantum Optics Lecture1激光原理激光原理The Birth of the LaserThe Birth of the LaserIf-according to high-energy physics-light appeared 14 billion years ago, 10 seconds after the Big Bang, then it is only fifty years ago that mankind consciously controlled and domesti

4、cated it.In 1916 in his seminal paper, Albert Einstein showed that light traversing a medium could not only be absorbed but that it could also be amplified, an effect thereafter called stimulated emission.However, it was not until the 1940s and 1950s-notably with the work of Alfred Kastler and Jean

5、Brossel (1948)-that the possibility of amplifying radiation was unambiguously demonstrated.Lecture1激光原理激光原理The next step was to make a “l(fā)ight” or radiation oscillator. It was first demonstrated in 1954 in the microwave regime (where the wavelength of “l(fā)ight” is around cm) by Charles H. Townes, Alexa

6、nder M. Prokhorov and Nicolay G. Basov. (Maser)Lecture1激光原理激光原理In 1958 Townes and Arthur L. Schawllow wrote the germinal laser paper, describing how to build an optical maser. From then on, the possibility to tame light by demonstrating the optical maser was at the top of the research agendas for al

7、l major laboratories.(1927-2007)Lecture1激光原理激光原理But the road leading to the laser proved to be arduous and after few years, the pursuit became elusive and the interest started to fade.Then, against all odds and out of left field, on the 16th of May 1960 at the Hughes Research Laboratory in Malibu, t

8、he crispy noise of a photographic flash announced the first coherent light gushing out of a ruby rod. Ted Maiman made a laser (originally named an optical maser) for the first time in history. Kathleen Maiman and her late husband-Theodore H. MaimanLecture1激光原理激光原理Nobel Laureates in the Area of Laser

9、Nobel Laureates in the Area of Laser1964 : Charles H. Townes, Alexsandr M. Prokhorov, and Nicolay G. Basov For their theoretical work paving the way for the first laser made by Maiman.1966 : Alfred Kastler For the discovery and the developement of optical pumping” technique.1981 : Nicolaas Bloemberg

10、en and Arthur L. Schawlow For their decisive contributions to the laser spectroscopy and nonlinear optics.1989 : Norman F. Ramsey For his invention of the separated oscillatory field method (atomic clocks)1997 : Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, and William D. Phillips For the development of metho

11、ds to cool and trap atoms with laser light.1999 : Ahmed Zewail (chemistry) For the utilization of femtosecond lasers in the femtochemistry.2000 : Zhores I. Alferov and Herbert Kroemer For developing semiconductor heterostructures used in optoelectronics.2001 : Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle, and

12、 Carl E. Wieman For the realization of the first BoseEinstein condensate in 1995.2005 : John L. Hall and Theodor W. Hnsch For the developement of high-precision laser spectroscopy.2009 : Charles K. Kao (Chinese University of Hong Kong ) For his achievements concerning the transmission of light in fi

13、bers. Lecture1激光原理激光原理50 years of the Laser -La Ville Lumi50 years of the Laser -La Ville Lumi rereC. H. TownesN. Bloembergen Claude Cohen-TannoudjiAhmed Zewail H. KroemerC.K. Kao Kathleen Maiman Lecture1激光原理激光原理Palais du Louvre (Palais du Louvre (盧浮宮盧浮宮) )Lecture1激光原理激光原理激光發(fā)展的歷史回顧激光發(fā)展的歷史回顧1917: 愛因斯

14、坦(A.Einstein) 提出了受激輻射可以實現(xiàn)光放大的概念, 導致激光發(fā)明的理論基礎1917年以后近四十年內 量子理論的發(fā)展; 粒子數(shù)反轉的有效實現(xiàn);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)和普洛霍洛夫(A.M.Prokhorov)第一次實現(xiàn)氨分子微波量子振蕩器(MASER)1958: 美國湯斯與肖洛(A.L.Schawlow)提出了利用開放式光學諧振腔實現(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)反轉分布的新構思1960.7：美國休斯公司實驗室梅曼（T.H.Maiman)演示了世界上第

15、一臺紅寶石固態(tài)激光器1997: 朱棣文、菲利普（W.D.Phillips)和塔羅季（C.C.Tannoudi)由于利用激光冷卻和鉗制原子的研究結果,共獲諾貝爾物理獎Lecture1激光原理激光原理Arthur Schawlow貢獻的：see Phys. Rev., 1940 (1958);CrawfordTownMaseresHanLaser 1sc2h1發(fā)譜測術； 測學(導師)(，)論 ,(學)卻術展高精度光量技(量原子核的大小)提出光理()提出了激光冷技。1) 2) 姐夫3) 生與與他他合合作作與與他他合合作作 1 19 95 58 8與與他他合合作作mplification by tim

16、ulatMaser = MASEed mission of Ricrowadiaave tionLecture1激光原理激光原理Theodore H. Maiman：see Nature ,493 (1960)187類紅寶誕1960年人第一臺石激光器生,。Lecture1激光原理激光原理幾點啟示: 任何一項發(fā)明都是繼前人研究的結果, 不是憑空產生的 機遇偏愛有準備的頭腦 大膽設想, 勇于創(chuàng)新，勇于實踐,鍥而不舍中、英文參考書中、英文參考書：Amnon Yariv Quantum ElectronicsB.E.A. Saleh and M.C. Teich,Fundamentals of Pho

17、tonics 2nd edition (Wiley, 2007)；伍長征 王兆永等，“激光物理學” 復旦大學出版社Lecture1激光原理激光原理1.1 相干性的光子描述Lecture1激光原理激光原理質一、光子的基本性h ：光子的能量 (1) 22 hmcc運動質：；靜質為光子的量 光子的止(2)量 02; Pmckkkk動：光子(的量 3) 兩狀態(tài)為兩個線個圓個圓光子具有種偏振，或相互正交的 偏振，或是一左旋偏振和一右(4)旋 偏振。數(shù)為數(shù)光子具有自旋，且自旋量子( ) 整5。Lecture1激光原理激光原理靜質測光子的止量定Lecture1激光原理激光原理狀態(tài)二、光波模式和光子相格狀態(tài)個

18、無數(shù)個頻(1) 在同一模式里，可以有光子，且所有光子 本征模式(mode)和光子的(state)是等效的概念 的均是全同的，即率、相位、波矢、和。偏振均相同。0,exp2E r tEitik rk間內單個為線疊，且連續(xù)連續(xù)個著個在自由空，色平面波 是Maxwell方程的一特解，方程的通解可以表示特解 的性加。本 征模是的，(2) 因此，每一特解可看一本征模即波矢 可以取值。k對諧邊條駐駐電該但于振腔，根據(jù)界件，波是Maxwell方程的 特解，因此，波是磁波的模式或光波模，且模是 (3) 分立的，即波矢 只 能取特定的值。Lecture1激光原理激光原理駐條間維維維諧根據(jù)波件和波矢空幾何，可以求

19、解(4)一、 二、三振 腔的模式密度。諧題二維內：求振腔的模例1式密度。Lecture1激光原理激光原理 22,Reexp,0.utUi tUk U則單： 色平面波解rrrr ,sinsin00,1,2yzyyzzy zU rAk zk zUU dknknndd且駐條波件 ,yzyzyzkkU rkkn n顯對個對應個態(tài)間個點個場然，于每分立的，就一本征因此，在k空中，每就是一特定模。k =22222222222221,4yzkkkcckddc徑為內為數(shù)2半的扇形含模有的.k=2.4c單積單帶寬為位面位的模密度Lecture1激光原理激光原理yxzzyxVqzknykmxkzyx三維諧空題內：

20、求振腔V例2的模式密度。在波矢空間內kdkk區(qū)間內的體積為kdk2481Vzyxkkkzyx33kxkykzk0單積 單頻帶數(shù)模密度：位體 位 的模式。邊內單駐電在有界限制的空腔V，只有某些特定波矢的色平面波才能形成波 磁波的模式 。個間積為一模式在波矢空所占的體Lecture1激光原理激光原理 4ncFabry-Perot etalon單長單帶諧為 寬數(shù) 。同理， 在1D平位度位面振含腔(即)的模密度有的模23221482kd k Vkd kV積內數(shù)為 在此體的模式2222238222222dkd k VdPVd Vccc 頻區(qū)間內數(shù)為在率存在的模式238.Pnd Vc維諧為 因此，三振腔的

21、模密度Lecture1激光原理激光原理狀態(tài) 觀點光子( 微粒5)單為動質色平面波一群光子的行，光子具有能量、量、量。, ,xyzx y zP P P經質點運動狀態(tài)標動組維間來典的可用坐和量成的六相空描述。3xxyzx Phx y z PPPh 標動時測測關約維運動況測關維運動況測關光子的坐和量不能同精確量，受不準系的束。一情下的不準系：三情下的不準系：33.xyzxyzx y z PPPhhx y zPPP 間積；義間積標間積相格相空體元相格空體相格坐空體定間積內屬態(tài)們在相空體元或相格的光子于同光子，它是不可分的。Lecture1激光原理激光原理狀態(tài)證(6光子和光波模式) 是可以明，等效的。3h將間積達寫為間證個間內積為光波模式的波矢空體元表式改相空的形式，即可明一光波模式在相空所占體也。3 2, 2, 2, 8xxyyzzxyzxyz