第一章激光的基本特性

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蘇紅辦公室地點(diǎn)：科技樓5樓516-2室Tel:615090

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2023/6/41當(dāng)前第1頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/42光電子學(xué)是匯集光子學(xué)、電子學(xué)、光子技術(shù)與電子技術(shù)的一門學(xué)科。光子學(xué)

——研究光子作為信息、能量載體的科學(xué)光子技術(shù)—

相干光的產(chǎn)生

激光原理

（54學(xué)時(shí)）

相干光的控制(調(diào)制、偏轉(zhuǎn))

光頻率（波長(zhǎng)）變換

激光器件與原理

（54學(xué)時(shí)）

相干光的檢測(cè)及應(yīng)用——光電探測(cè)當(dāng)前第2頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)※

教學(xué)大綱：

第一章第二章第四章第五章

第七章（自學(xué)）2023/6/43當(dāng)前第3頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)※課程目標(biāo):

掌握產(chǎn)生激光的基本原理和處理激光問(wèn)題的基本理論和方法。1.了解激光器的組成，掌握激光原理的基本知識(shí)、激光特性；。

2.了解光諧振腔模式的波動(dòng)理論，掌握共軸球面腔的穩(wěn)定性條件；掌握對(duì)稱共焦腔的基本特性，能利用等價(jià)共焦腔的概念分析一般穩(wěn)定球面腔的模式特征；掌握高斯光束的基本性質(zhì)與傳輸規(guī)律，分析高斯光束的聚焦和準(zhǔn)直。2023/6/44當(dāng)前第4頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/453.掌握譜線加寬的機(jī)制和線型函數(shù)，掌握速率方程理論的分析方法，掌握均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)的特性。

4.掌握激光振蕩特性（閾值概念、激光器起振和維持穩(wěn)定工作條件、模式特性和輸出功率）；了解弛豫振蕩、線寬極限和頻率牽引概念。

當(dāng)前第5頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)※

教學(xué)手段：上課內(nèi)容：演示文稿課堂練習(xí)：課后作業(yè)：每人一個(gè)固定筆記本，周三上課前交

習(xí)題講評(píng)&課堂討論：3-4次考試方式：閉卷期末※

成績(jī)：作業(yè)＋考勤

30％

期末考試

70％

※課堂紀(jì)律：上課時(shí)不準(zhǔn)吃、喝；關(guān)閉手機(jī);

上課期間不得隨意離開(kāi)教室。

※學(xué)風(fēng)建設(shè)：主動(dòng)積極聽(tīng)課，把心留在教室里,

認(rèn)真獨(dú)立完成作業(yè)，端正態(tài)度,

不要有投機(jī)取巧的僥幸心理。2023/6/46當(dāng)前第6頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)※答疑：時(shí)間：每周五下午14:30-16:30地點(diǎn)：科技樓5樓516-2室※見(jiàn)學(xué)校網(wǎng)頁(yè)精品課程網(wǎng)頁(yè)：精品課程2023/6/47當(dāng)前第7頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)※專題研究或?qū)嶒?yàn)室參觀：專題研究方式的內(nèi)容主要包括激光器的腔型設(shè)計(jì)與參數(shù)測(cè)試、激光器的光束強(qiáng)度分布及其發(fā)散角的測(cè)量與分析、調(diào)Q脈沖YAG激光器的調(diào)試與參數(shù)測(cè)試的研究。2023/6/48當(dāng)前第8頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)緒論序言激光發(fā)展歷史激光基本原理概述

光和物質(zhì)相互作用的三種過(guò)程光的受激輻射放大自激振蕩器2023/6/49當(dāng)前第9頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/410當(dāng)前第10頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)（Laser__lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）激光又名鐳射，全名是“受激輻射光放大”。量子電子學(xué)微觀物理學(xué)與量子學(xué)相結(jié)合在所有波段研究激射原理、激射器件以及相干輻射與物質(zhì)相互作用的一門邊緣課程。光電子學(xué)：在光頻波段的電子學(xué)。對(duì)象：電磁波光子學(xué)

對(duì)象：光子一、序言what？2023/6/411當(dāng)前第11頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)二、激光發(fā)展歷史How？

科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)律

基礎(chǔ)理論研究新技術(shù)產(chǎn)品開(kāi)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

為激光發(fā)展進(jìn)行探索的科學(xué)家2023/6/412當(dāng)前第12頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)1、激光器產(chǎn)生歷史1917:

愛(ài)因斯坦(A.Einstein)

提出了受激輻射可實(shí)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(shí)現(xiàn);電子學(xué)與微波技術(shù)的發(fā)展。1954：美國(guó)湯斯(C.H.Townes)

前蘇聯(lián)巴索夫(N.G.Basov)

普洛霍洛夫()第一次實(shí)現(xiàn)氨分子微波量子振蕩器(MASER)。通訊和雷達(dá)技術(shù)都希望將電磁波頻率進(jìn)一步提高。(微波-可見(jiàn)光波段)2023/6/413當(dāng)前第13頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)1958:

美國(guó)湯斯(Towns)與肖洛(A.L.Schawlow)提出利用開(kāi)放式光學(xué)諧振腔實(shí)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(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的新構(gòu)思。是非線性光學(xué)理論的奠基人。1958年12月:

在PhysicsReview上發(fā)表。1960年3月：獲專利。2023/6/414當(dāng)前第14頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)1960：美國(guó)休斯公司實(shí)驗(yàn)室梅曼(T.H.Maiman)

世界上第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激光器誕生。2007年5月5日：激光先驅(qū)梅曼去世。享年79歲。2023/6/415當(dāng)前第15頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)世界上第一臺(tái)激光器誕生(1960)紅寶石固體激光器波長(zhǎng)：6943A(694.3nm)，峰值功率：10KW2023/6/416當(dāng)前第16頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)

世界上第一臺(tái)激光器模型：

固體激光器：紅寶石，Nd:YAG，YVO4等。2023/6/417當(dāng)前第17頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)1961：中國(guó)第一臺(tái)激光器1961年8月，中國(guó)第一臺(tái)激光器--"小球照明紅寶石"激光器，在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所誕生了。這臺(tái)激光器的設(shè)計(jì)師是王之江教授，他被稱為"中國(guó)激光之父"。2023/6/418當(dāng)前第18頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)中國(guó)第一臺(tái)激光器（1961）2023/6/419當(dāng)前第19頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)王大珩（），中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院院士中國(guó)光學(xué)之父制成中國(guó)第一臺(tái)激光器，第一臺(tái)大型光測(cè)裝備和許多國(guó)防光學(xué)儀器。

20世紀(jì)70年代，主持制定了全國(guó)第一個(gè)遙感科學(xué)規(guī)劃，領(lǐng)導(dǎo)了綜合性的航空遙感試驗(yàn)。

2023/6/420當(dāng)前第20頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)1961：世界上A.賈文制成了第一臺(tái)氣體激光器－He-Ne激光器1962：R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導(dǎo)體激光器1963：中國(guó)第一臺(tái)He-Ne激光器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2000:赫伯特·克雷歇爾（H.Pressel），提出了雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器室溫工作。2、激光技術(shù)1961：第一臺(tái)調(diào)Q激光器(ns)1966：鎖模激光器（ps）——fs、as激光器2023/6/421當(dāng)前第21頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)3、激光應(yīng)用器件發(fā)展概況2023/6/422當(dāng)前第22頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/423當(dāng)前第23頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)）2023/6/424當(dāng)前第24頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)）2023/6/425當(dāng)前第25頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)）））））2023/6/426當(dāng)前第26頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)1）工作物質(zhì):固體，氣體，液體，半導(dǎo)體，光纖化學(xué)，離子，原子2）頻譜范圍：激光波長(zhǎng)遠(yuǎn)紫外——可見(jiàn)光——亞毫米

(100nm）（1.222mm）3）輸出能量微焦——百萬(wàn)焦耳(脈沖pulselaser）4）輸出功率毫瓦——萬(wàn)瓦（連續(xù)CWlaser）激光器件技術(shù)發(fā)展展望2023/6/427當(dāng)前第27頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/428當(dāng)前第28頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)4、涉及范圍及內(nèi)容1）自然科學(xué)：一系列新的交叉學(xué)科應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域：量子光學(xué)、非線性光學(xué)、激光原理（器件和技術(shù)）、超快光子學(xué)、信息光電子技術(shù)、激光全息技術(shù)、激光醫(yī)療與光子生物學(xué)、激光加工及檢測(cè)，激光武器等分支。2023/6/429當(dāng)前第29頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)

激光的發(fā)明使光學(xué)領(lǐng)域的研究出現(xiàn)新的活力。激光一方面為成熟的領(lǐng)域中現(xiàn)有的各種應(yīng)用技術(shù)帶來(lái)數(shù)量級(jí)的改善，另一方面又開(kāi)辟了一些新的領(lǐng)域和新的應(yīng)用和新學(xué)科。2023/6/430當(dāng)前第30頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2）2023/6/431當(dāng)前第31頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/432當(dāng)前第32頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)3）2023/6/433當(dāng)前第33頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)4）2023/6/434當(dāng)前第34頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/435當(dāng)前第35頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/436當(dāng)前第36頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)5）2023/6/437當(dāng)前第37頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/438當(dāng)前第38頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/439當(dāng)前第39頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/440當(dāng)前第40頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/441當(dāng)前第41頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/442當(dāng)前第42頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/443當(dāng)前第43頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/444當(dāng)前第44頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)6）2023/6/445當(dāng)前第45頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/446當(dāng)前第46頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/447當(dāng)前第47頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)三、激光基本原理概述1963：半經(jīng)典理論1965：全量子理論經(jīng)典理論速率方程組

光和物質(zhì)相互作用的三種過(guò)程光的受激輻射放大自激振蕩器2023/6/448當(dāng)前第48頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)1）AmnonYariv“IntroductiontoOpticalElectronics”“OpticalElectronicsinModernCommunication”1997年版(0463FY281)2）JosephT.Verdeyen“LaserElectronics”1995年版3)鄒英華孫陶亨《激光物理學(xué)》北京大學(xué)出版社伍長(zhǎng)征王兆永等《激光物理學(xué)》復(fù)旦大學(xué)出版社王青圃等編著《激光原理》山東大學(xué)出版社李相銀等編著《激光原理技術(shù)及應(yīng)用》哈工大出版社參考書(shū)2023/6/449當(dāng)前第49頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)Nature,SciencePhysicsReviewLetters6.017AppliedPhysicsLetters4.207JournalofAppliedphysics2.281IEEEPhotonictechnologyLetters2.1IEEEJournalofQuantumElectronics2.097OpticsLetters/Express3.511JournalofOpticalSocietyofAmerica,AppliedOptics相關(guān)的重要學(xué)術(shù)刊物(SCI/EI收錄期刊）2023/6/450當(dāng)前第50頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)內(nèi)容：1.光的相干性和光波模式的聯(lián)系

2.光的受激輻射

3.光的受激輻射放大

4.光的自激振蕩

5.激光特性§1激光的基本原理★★★2023/6/451當(dāng)前第51頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)基本概念：光波模式光子狀態(tài)相格相干體積光子簡(jiǎn)并度§1.1相干性的光子描述2023/6/452當(dāng)前第52頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/453當(dāng)前第53頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)電磁波求解2023/6/454當(dāng)前第54頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)一、光子的基本性質(zhì)波粒二象性能量運(yùn)動(dòng)質(zhì)量動(dòng)量光子具有兩種可能的獨(dú)立偏振狀態(tài)，對(duì)應(yīng)兩個(gè)獨(dú)立偏振方向。光子具有自旋（自旋量子數(shù)為整數(shù)）不同于電子、質(zhì)子、中子等粒子。（同一狀態(tài)的光子數(shù)目無(wú)限制）2023/6/455當(dāng)前第55頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)3）具有基元能量，基元?jiǎng)恿康奈镔|(zhì)單元——

第l個(gè)本征狀態(tài)的光子。1）任意電磁場(chǎng)可看作是一系列單色平面波(以波矢k為標(biāo)志)的線性疊加，或一系列電磁波的本征模式（本征狀態(tài)）的疊加。2）每個(gè)本征模式可以是量子化的?！芰亢突?jiǎng)恿康恼麛?shù)倍。2023/6/456當(dāng)前第56頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)4）具有相同能量和動(dòng)量的光子彼此間不可區(qū)分，處于同一模式（狀態(tài)）。5）

每個(gè)模式內(nèi)光子數(shù)目是無(wú)限制的。2023/6/457當(dāng)前第57頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)1）波動(dòng)觀點(diǎn)——光波模式經(jīng)典電磁學(xué)理論中，電磁波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由麥克斯韋方程決定。其通解可表示為一系列單色平面波的線性疊加。單色平面波二、光波模式和光子狀態(tài)相格2023/6/458當(dāng)前第58頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)在自由空間，具有任意波矢單色平面波都可以存在。在一個(gè)有邊界條件限制的空間V（諧振腔）內(nèi),只能存在一系列獨(dú)立的具有特定波矢的平面單色駐波。

——電磁波模式或光波模式（1）一種模式是電磁波運(yùn)動(dòng)的一種類型；（2）以波矢為標(biāo)志，不同模式以不同的區(qū)分；（3）同一波矢對(duì)應(yīng)著兩個(gè)不同偏振方向的模。

特點(diǎn)2023/6/459當(dāng)前第59頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)空腔V內(nèi)的模式數(shù)目？設(shè)空腔為V=

的立方體沿坐標(biāo)軸傳播駐波條件及波矢三個(gè)分量應(yīng)滿足條件：則有：ΔxΔyΔz2023/6/460當(dāng)前第60頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)ΔxΔyΔz在波矢空間，每個(gè)模式占有的體積元：當(dāng)前第61頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/462在波矢空間中,每個(gè)模式占有的一個(gè)體積元在~區(qū)間模式數(shù)：在頻率v附近頻帶dv內(nèi)的模式數(shù)：當(dāng)前第62頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2）粒子觀點(diǎn)——光子狀態(tài)經(jīng)典力學(xué)中，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全由其坐標(biāo)和動(dòng)量確定，這種空間稱為相空間。63當(dāng)前第63頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/464經(jīng)典力學(xué)中，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全由其坐標(biāo)（x,y,z）和動(dòng)量(Px,Py,Pz)確定，這種六維空間稱為相空間。（1）一個(gè)光子態(tài)所占有的相空間體積元：——相格（2）一個(gè)相格所占有的坐標(biāo)空間體積（相格空間體積）：在相空間中，一種光子狀態(tài)占居一個(gè)相空間體積元為h3的相格——來(lái)源于微觀粒子的位置和動(dòng)量滿足測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系。當(dāng)前第64頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)3）光波模式等效于光子狀態(tài)？（1）在波矢空間中，光波模所占體積元：考慮一個(gè)光波模是由兩列沿相反方向傳輸?shù)男胁ǖ寞B加，所以它在相空間中動(dòng)量軸方向所占的線度：（2）在相空間中，相格所占的坐標(biāo)空間體積：總結(jié)：一個(gè)光波模在相空間中也占有一個(gè)相格；一個(gè)光波模等效于一個(gè)光子態(tài)。2023/6/465當(dāng)前第65頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)相干體積——在該體積內(nèi)各點(diǎn)的光波場(chǎng)都具有明顯的相干性。相干面積Ac——垂直于光傳輸方向的截面積相干長(zhǎng)度Lc——光波的波列長(zhǎng)度相干時(shí)間：三、光子的相干性－不同空間點(diǎn)上、不同時(shí)刻的光波場(chǎng)的某些特性的相關(guān)性2023/6/466當(dāng)前第66頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)以楊氏雙縫干涉為例，距離光源R處的相干面積：S1和S2兩點(diǎn)的光波場(chǎng)具有空間相干性條件：光源的相干面積：2023/6/467當(dāng)前第67頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)光源的相干體積：光子觀點(diǎn)上分析，相格空間體積：2023/6/468當(dāng)前第68頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)總結(jié)：1）相格空間體積，一個(gè)光波?；蚬庾討B(tài)占有的空間體積都等于相干體積；2）屬于同一光子態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的。2023/6/469當(dāng)前第69頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)相干光強(qiáng)：描述光相干性的參量之一，決定于具有相干性的光子的數(shù)目或同態(tài)的光子數(shù)目。光子簡(jiǎn)并度：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)；同一模式內(nèi)的光子數(shù)；處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)；處于同一相格內(nèi)的光子數(shù)。四、

光子簡(jiǎn)并度2023/6/470當(dāng)前第70頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/471對(duì)普通光源，增大相干面積和相干時(shí)間，將導(dǎo)致相干光強(qiáng)的降低；激光是一種光強(qiáng)和相干性二者統(tǒng)一起來(lái)的強(qiáng)相干光源。當(dāng)前第71頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)作業(yè)

怎樣從波粒二象性出發(fā)，理解光子的相干性？2023/6/472當(dāng)前第72頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)激光器的物理基礎(chǔ)：受激輻射過(guò)程（光與物質(zhì)的共振相互作用）——愛(ài)因斯坦提出了光與原子相互作用的量子論?！?.2光的受激輻射基本概念光和物質(zhì)相互作用的三個(gè)基本過(guò)程：

自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射2023/6/473當(dāng)前第73頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)1）黑體輻射——普朗克（MaxPlanck）熱輻射：

處于某一溫度T的物體能夠發(fā)出和吸收電磁輻射，發(fā)出的這種電磁輻射稱為熱輻射或溫度輻射。黑體：

能夠完全吸收任何波長(zhǎng)電磁輻射的物體。在熱平衡狀態(tài)，黑體內(nèi)存在一確定的輻射場(chǎng)，也叫平衡輻射。黑體輻射：2023/6/474當(dāng)前第74頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)黑體輻射：在熱平衡狀態(tài)，黑體內(nèi)存在的某一確定的輻射場(chǎng)是溫度T和頻率v的函數(shù)。描述形式:單色能量密度（J.m-3.s）——單位體積內(nèi)，頻率處于v附近單位頻率間隔中的電磁輻射能量。

2023/6/475當(dāng)前第75頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)腔內(nèi)每個(gè)模式上的平均能量：腔內(nèi)單位體積單位頻率間隔內(nèi)的光波模式數(shù)：黑體輻射普朗克公式：?jiǎn)紊芰棵芏龋翰６澛?shù)2023/6/476當(dāng)前第76頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)黑體輻射實(shí)質(zhì)上是這個(gè)輻射場(chǎng)和黑體的物質(zhì)原子（或分子或離子）相互作用的結(jié)果。為了簡(jiǎn)化，物質(zhì)的原子只考慮兩個(gè)能級(jí)，這個(gè)物質(zhì)簡(jiǎn)稱為二能級(jí)系統(tǒng)。E2、n2E1、n1E2-E1＝hv當(dāng)前第77頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2）自發(fā)輻射躍遷(spontaneousradiationtransition)處于高能級(jí)E2的一個(gè)原子自發(fā)地向E1躍遷，并發(fā)射一個(gè)能量為hv的光子，該過(guò)程稱為自發(fā)躍遷。由原子自發(fā)躍遷發(fā)出的光波稱為自發(fā)輻射。E2、n2E1、n1E2-E1＝hv2023/6/478當(dāng)前第78頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)定義：A21——單位時(shí)間內(nèi)n2個(gè)高能態(tài)原子中發(fā)生自發(fā)躍遷的原子數(shù)n21與n2的比值。自發(fā)躍遷概率2023/6/479當(dāng)前第79頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)——原子在上能級(jí)的平均壽命推導(dǎo)如下：A21也叫自發(fā)躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)自發(fā)輻射概率值：2023/6/480當(dāng)前第80頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/481E2、n2E1、n1

特點(diǎn)：1）該躍遷與外界輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)。是一種只與原子本身性質(zhì)有關(guān)的自發(fā)過(guò)程—自發(fā)躍遷概率（A21

）；2）對(duì)一個(gè)粒子自發(fā)躍遷，只能發(fā)出一個(gè)光子（E2-E1＝hv）；3）每個(gè)原子的躍遷是獨(dú)立的、偶然的，自發(fā)輻射的光子在其位相、偏振狀態(tài)、傳播方向都是隨機(jī)的，非相干的。當(dāng)前第81頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)3）受激吸收躍遷(stimulatedabsorptiontransition)特點(diǎn)：hv=E2-E1E2、n2E1、n1設(shè)處于E1、E2能級(jí)上的原子數(shù)分別為n1、n2,外來(lái)單色光能量密度為。處于低能級(jí)E1

的一個(gè)原子，在頻率為v的輻射場(chǎng)作用下，吸收一個(gè)能量為hv的光子并向E2躍遷，該過(guò)程稱為受激吸收躍遷。2023/6/482當(dāng)前第82頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)受激吸收躍遷概率：受激吸收過(guò)程與外場(chǎng)、原子本身性質(zhì)有關(guān)。B12——受激吸收躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)，只與原子性質(zhì)有關(guān)。

2023/6/483當(dāng)前第83頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)4）受激輻射躍遷（stimulatedradiationtransition）特點(diǎn)：若入射光子的頻率滿足hv=E2-E1

，則處于激發(fā)態(tài)的原子放出一個(gè)頻率為v的光子而躍遷到E1，出射光子與入射光子具有同頻率、傳播方向、位相、振動(dòng)面（偏振）——相干性。E2E1——有光的放大作用。2023/6/484當(dāng)前第84頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)Ｂ21——受激輻射躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)

受激輻射躍遷概率：其中(,T)表示溫度為T頻率為的輻射能量體密度(外來(lái)光子密度)。2023/6/485當(dāng)前第85頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)A21、B21、B12相互關(guān)系熱平衡狀態(tài)：1）

原子數(shù)按能級(jí)分布——玻耳茲曼分布律：2）n2或n1應(yīng)保持不變當(dāng)f1=f2,2023/6/486當(dāng)前第86頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)

5）

2023/6/487當(dāng)前第87頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/488當(dāng)前第88頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/489當(dāng)前第89頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)作業(yè)1、推導(dǎo)自發(fā)輻射躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)、受激吸收躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)和受激輻射躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系；2、推導(dǎo)自發(fā)輻射躍遷概率與二能級(jí)系統(tǒng)上能級(jí)原子的平均壽命之間的關(guān)系。2023/6/490當(dāng)前第90頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)§1.3光的受激輻射放大黑體輻射源的光子簡(jiǎn)并度：例:2023/6/491當(dāng)前第91頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)例：T=300K，λ=600nm的紅光λ=1000nm可見(jiàn)：普通光源在可見(jiàn)光和紅外光波段主要是自發(fā)輻射。2023/6/492當(dāng)前第92頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/493黑體輻射源的光子簡(jiǎn)并度：當(dāng)前第93頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/494當(dāng)前第94頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/495當(dāng)前第95頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)1）光波模式的選擇——光學(xué)諧振腔2）光的受激輻射放大一、光放大概念的產(chǎn)生2023/6/496當(dāng)前第96頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)熱平衡狀態(tài)：E2>E1，n2<n1

光通過(guò)物質(zhì)時(shí)，受激吸收光子數(shù)>受激輻射光子數(shù)，所以處于熱平衡狀態(tài)下的物質(zhì)只能吸收光子。二、實(shí)現(xiàn)光放大必要條件2023/6/497當(dāng)前第97頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/4981）集居數(shù)反轉(zhuǎn)：受激輻射>受激吸收

n2>n1

選擇具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)。2）激光介質(zhì)（激活物質(zhì)或增益介質(zhì)）：

處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的物質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)——泵浦（激勵(lì)）過(guò)程（必要條件）泵浦方式：電泵、光泵、化學(xué)泵、核泵當(dāng)前第98頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)二能級(jí)工作物質(zhì)（半導(dǎo)體）受激吸收受激輻射自發(fā)輻射E2E12023/6/499當(dāng)前第99頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)三能級(jí)工作物質(zhì)（紅寶石）2023/6/4100當(dāng)前第100頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)四能級(jí)工作物質(zhì)（Nd:YAG,He-Ne）2023/6/4101當(dāng)前第101頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/4102光在介質(zhì)中傳播的物理圖像處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的物質(zhì)稱為激活介質(zhì)，也是一個(gè)光放大器。當(dāng)前第102頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)1）增益系數(shù)g——放大作用的大小,表示光通過(guò)單位長(zhǎng)度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)。三、光放大物質(zhì)的增益系數(shù)與增益曲線2023/6/4103當(dāng)前第103頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)當(dāng)前第104頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2023/6/4105當(dāng)前第105頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)（1）小信號(hào)增益的情況，集居數(shù)差值為常數(shù)增益介質(zhì)2023/6/4106當(dāng)前第106頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)當(dāng)光強(qiáng)增大時(shí)，集居數(shù)差值隨z增加而減少，增益g也隨z的增加而減少?！鲆骘柡托?yīng)（2）大信號(hào)增益的情況——飽和光強(qiáng)，描述增益飽和效應(yīng)而引入的參量。2023/6/4107當(dāng)前第107頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)2）增益曲線增益系數(shù)隨光波頻率v的變化曲線。g(v0)g(v0)/2中心頻率寬度(線寬)g(v0)g(v0)/2g(v)2023/6/4108當(dāng)前第108頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)§1.4光的自激振蕩損耗系數(shù)：光通過(guò)單位距離后光強(qiáng)衰減的百分比一、自激振蕩概念同時(shí)考慮到增益和損耗時(shí)，——激光器都是激光自激振蕩器2023/6/4109當(dāng)前第109頁(yè)\共有121頁(yè)\編于星期五\21點(diǎn)當(dāng),I(z)達(dá)到一穩(wěn)定的極大值:注意：極大值