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Physical Basis of Lasers 激光物理基础 主讲教师 陈海燕 E mail hychen 长江大学物理科学与技术学院 激光物理基础 教学安排 教材 自编讲义 主要参考书 1 阎吉祥等 激光原理与技术 高等教 育出版社 2004 课时 60学时 2 周炳鲲等 激光原理 国防工业出版社 2000 第四版 成绩评定 出勤占 20 作业占 80 答疑 时间答疑 时间 周五晚上周五晚上7 00 9 00 说明说明 1 2周周 11 18周节假日除外周节假日除外 地点地点 主教主教1403 第一章激光与激光器概述 1 1 光现象描述光现象描述 光具有波粒二象性波粒二象性 光现象的描述可分为射线光 学 几何光学 射线光 学 几何光学 标量波动光学标量波动光学 矢量光学矢量光学与量 子光学 量 子光学 对于一个物理现象 比如机械运动 的描述有多少种方法 比如用公式 图表 图形 计算机语言以及 一段文字描述等 从认识论角度来看 都是 对事物本质的描述 称为描述性 语言 那么对于一个光现象的描述有多少种方法 强调强调 对现象的描述是对现象的描述是Open 开放开放 的的 不要受制于 传统思想和观念 不要受制于 传统思想和观念 学习知识学习知识 首先要解放思想首先要解放思想 光子学光子学 Photonics 是一门关于产生 控制 探测 光子的科学 光子学的研究领域有信息技术与通信 健康保健与生命科学 光学传感 照明与能源 军事 与国防 制造等 是一门关于产生 控制 探测 光子的科学 光子学的研究领域有信息技术与通信 健康保健与生命科学 光学传感 照明与能源 军事 与国防 制造等 激光技术激光技术是光子学的核心 是光子学的核心 常分为 经典光学 几何光学 物 理光学 波动光学 和现 代光学 现代光学包含量子光学 光子学及新兴领域 如量 子信息等 常分为 经典光学 几何光学 物 理光学 波动光学 和现 代光学 现代光学包含量子光学 光子学及新兴领域 如量 子信息等 几何光学 标量波动光学 矢量波动光学 量子光学 第一章激光与激光器概述 1 2 激光激光ABCDE A 什么是激光 什么是激光 激光 激光 Laser 是 是 Light amplification by stimulated emission of radiation的缩写 的缩写 Stimulated emission of radiation 受激辐射受激辐射 Light 光光Amplification 放大放大 激光原理与技术激光原理与技术是一门研究激光的产生 激光与物质的相 互作用 激光控制与传输等问题的应用学科 激光是在一定条件下 光与粒子 原子 分子或离子 系统相互作用而产生的受激辐射 产生激光的器件称为激光器 是一门研究激光的产生 激光与物质的相 互作用 激光控制与传输等问题的应用学科 激光是在一定条件下 光与粒子 原子 分子或离子 系统相互作用而产生的受激辐射 产生激光的器件称为激光器 激光器激光器是利用受激辐射方法产生可见光或者不可见光的一种器件 是利用受激辐射方法产生可见光或者不可见光的一种器件 第一章激光与激光器概述 B 研究激光的各种理论 研究激光的各种理论 激光物理学的激光物理学的3个层次的理论为速率方程理论 半经 典理论和全量子理论 个层次的理论为速率方程理论 半经 典理论和全量子理论 本讲义主要介绍激光器的初级理论本讲义主要介绍激光器的初级理论 速率方程理 论 用 速率方程理 论 用唯象的方法唯象的方法 讨论激光的产生 控制与传输 讨论激光的产生 控制与传输 C 激光的发展历程 激光的发展历程 1917年Einstein提出受激辐射理论 1960年Maiman制造第一台红宝石激光器 694 3nm 1965半导体激光器用于激光通讯 1968年月球上设置激光反射器 地面与卫星联系 第一章激光与激光器概述 1968 激光技术发展蓬勃发展 我们日常生活已离不开它 6 应用产生 迅速发展 广泛的应用 几乎各个领域 激光科学的分支激光科学的分支 1 激光物理学 研究激光器本身的物理过程 2 激光技术 调Q 锁模 放大等 3 激光器件及工艺 设计 研制及改进 4 边缘科学 激光化学 激光生物学 激光医学 激光加工 5 光学 非线性光学 激光光谱等 光信息科学 全息 量子光学 第一章激光与激光器概述 D 怎样学好激光原理与技术 怎样学好激光原理与技术 1 明白激光原理与技术体系 明白激光原理与技术体系 实验现象实验现象 解释实验现象的 理论 解释实验现象的 理论 预言新的实验现象 预言新的实验现象 理论 现象 新现象 导出 解释 预言 完善 应用 1 激光从何而来 激光从何而来 2 激光领域的现状如何 激光领域的现状如何 3 激光技术将走向何方 激光技术将走向何方 2 弄清弄清3个问题 个问题 面向应用 面向研究 面向前沿面向应用 面向研究 面向前沿 3 三个面向 提醒 三个面向 提醒 思想比知识重要 创新才是永恒 思想比知识重要 创新才是永恒 modeling and simulation experimental testbed 第一章激光与激光器概述 E 课程内容 课程内容 第一章 激光与激光器概述 4学时 第三章 光与物质相互作用 6学时 第六章 超短脉冲技术第六章 超短脉冲技术 6学时学时 第二章 光学谐振腔 8学时 第五章 调第五章 调Q技术技术 8学时学时 第八章 常见激光器第八章 常见激光器 4学时学时 第七章 光放大技术第七章 光放大技术 12学时学时 第四章 连续与脉冲激光器工作特性 12学时 第一章激光与激光器概述 1 3 一个激光器实例 激光笔一个激光器实例 激光笔Laser pointer A keychain laser pointer A laser pointer in operation shown in light and darkness also called DPSSFD diode pumped solid state frequency doubled 第一章激光与激光器概述 谐振腔 工作物质 泵浦源及服侍电路组成 谐振腔 工作物质 泵浦源及服侍电路组成 一般激光器的结构一般激光器的结构 光泵浦激光器的基本结构光泵浦激光器的基本结构 泵浦源分为电泵浦源与光泵浦源 泵浦源分为电泵浦源与光泵浦源 第一章激光与激光器概述 1 4 早期的光量子理论早期的光量子理论 1 4 1 普朗克的黑体辐射规律普朗克的黑体辐射规律 绝对黑体示意图 在温度在温度T的热平衡情况下 黑 体辐射分配到腔内每个模式上 的平均能量为 的热平衡情况下 黑 体辐射分配到腔内每个模式上 的平均能量为 1 exp kThv hv E 腔内单位体积中频率处于v附近 单位频率间隔内的光波模式数nv 为 3 2 8 c v nv 第一章激光与激光器概述 光波模式光波模式 腔内存在的电磁波腔内存在的电磁波 第一章激光与激光器概述 3 2 8 c v nv Hz c v 14 106 1035 3 8 35 3 2 mHz c v nv 例题 求封闭腔在500nm处的单色模密度 黑体辐射普朗克公式 单色能量密度 v 1 exp 8 3 2 kThv hv c v v 第一章激光与激光器概述 例题 例题 某弹簧振子 质量m 1 0kg 恢复系数 k 20N m 振幅 A 1 0cm 求其量子数 Hz m k v71 0 2 1 JkAE 32 100 1 2 1 nhvE 30 101 2 hv E n 第一章激光与激光器概述 1 4 2 光量子光量子 light quanta 光子 光子 Photons 的概念 的概念 1905年爱因斯坦提出了 光量子年爱因斯坦提出了 光量子 light quanta 光子 光子 Photons 的概念 的概念 一 光子的基本性质一 光子的基本性质 1 光子的能量 h hv 在频率为 的模中 每个光子具有能量为 一个模内即使没有光子 但仍具有一定的能量 h 2 1 0 这称为零点能 当有n个光子时 该模具有的能量为 h 2 1 nEn 2 1 0 n 由于能量的测量都涉及到两个能量的差 故零点能并不能直接观测 到 但其的存在 在原子的自发辐射过程中起着非常重要的作用 第一章激光与激光器概述 波长与能量之间的换算关系为波长与能量之间的换算关系为 24 1 eVEm 波数也常用作能量的单位 波数与能量之间的换算关系为波数也常用作能量的单位 波数与能量之间的换算关系为 eVcm 41 1024 11 例题 产生500nm波长光波的两能级之间的能量间隔为 cm 1 14 9 100 2 10010500 11 cm cm 第一章激光与激光器概述 2 光子只有运动质量光子只有运动质量m 22 c h c m 3 光子的动量光子的动量P与单色平面光波的波矢与单色平面光波的波矢k对应对应 knP 0 h 2 4 光子具有两种可能的独立偏振状态 对应于光波场 的两个独立偏振方向 光子具有两种可能的独立偏振状态 对应于光波场 的两个独立偏振方向 5 光子具有自旋 并且自旋量子数为整数 光子具有自旋 并且自旋量子数为整数 光子为玻 色子 光子为玻 色子 因此大量光子的集合 服从因此大量光子的集合 服从玻色玻色 爱因斯坦爱因斯坦统计 规律 处于同 统计 规律 处于同 状态的光子数目是没有限制的 状态的光子数目是没有限制的 第一章激光与激光器概述 J hc hvE 19 1014 3 smkg h p 1005 1 27 kg c h c hv m 36 2 105 3 例题 求He Ne激光器所发出光子的能量 动量 质 量 光波波长632 8nm 第一章激光与激光器概述 二 光波模式和光子状态相格二 光波模式和光子状态相格 光波的模式和光子的状态是等效的概念 光波的模式和光子的状态是等效的概念 由于光的波粒二象性 我们可以用波动和粒子两种观点来 描述它 由于光的波粒二象性 我们可以用波动和粒子两种观点来 描述它 能够存在于腔内的驻波 以某一波矢能够存在于腔内的驻波 以某一波矢k为标志 称为电磁波的 摸式或光波模 一种模式是电磁波运动的一种类型 不同模 式以不同的 为标志 称为电磁波的 摸式或光波模 一种模式是电磁波运动的一种类型 不同模 式以不同的k区分 同时 考虑到电磁波的两种独立的偏振 同一波矢 区分 同时 考虑到电磁波的两种独立的偏振 同一波矢k对应着两个具有不同偏振方向的模 对应着两个具有不同偏振方向的模 波动观波动观 在体积为在体积为V的空腔内 频率处于的空腔内 频率处于 附近单位频率间隔 内的光波模式数为 附近单位频率间隔 内的光波模式数为nv 3 2 8 c v nv 第一章激光与激光器概述 粒子观粒子观 用广义笛卡儿坐标用广义笛卡儿坐标x y z Px Py Pz所支撑的六维空间来描 述质点的运动状态 这种六维空间称为相空间 相空间内的 一点表示质点的一个运动状态 光子的运动状态和经典宏观 质点有着本质的区别 它受量子力学测不准关系的制约 对 于一维运动情况 测不准关系表示为 所支撑的六维空间来描 述质点的运动状态 这种六维空间称为相空间 相空间内的 一点表示质点的一个运动状态 光子的运动状态和经典宏观 质点有着本质的区别 它受量子力学测不准关系的制约 对 于一维运动情况 测不准关系表示为 处于二维相空间面积元 x Px h之内的粒子运动状态在物 理上是不可区分的 因而它们应属于同一种状态 hPx x 在三维运动情况下 测不准关系为在三维运动情况下 测不准关系为 3 hPPPzyx zyx 第一章激光与激光器概述 在六维相空间中 一个光子态对应 或占有 的相空间体积元为在六维相空间中 一个光子态对应 或占有 的相空间体积元为 3 hPPPzyx zyx 相空间体积元称为相格 相格是相空间中用任何实验所能分辨 的最小尺度 光子的某一运动状态只能定域在一个相格中 但 不能确定它在相格内部的对应位置 于是我们看到 微观粒子 和宏观质点不同 它的运动状态在相空间中不是对应一点而是 对应一个相格 这表明微观粒子运动的不连续性 相空间体积元称为相格 相格是相空间中用任何实验所能分辨 的最小尺度 光子的某一运动状态只能定域在一个相格中 但 不能确定它在相格内部的对应位置 于是我们看到 微观粒子 和宏观质点不同 它的运动状态在相空间中不是对应一点而是 对应一个相格 这表明微观粒子运动的不连续性 理论表明一个光波模在相空间也占有一个相格 因此 一个光波模等效于一个光子态 理论表明一个光波模在相空间也占有一个相格 因此 一个光波模等效于一个光子态 第一章激光与激光器概述 三 光子的相干性三 光子的相干性 讨论光源的相干性讨论光源的相干性 把光子态和光子的相干性两个概念联系起来把光子态和光子的相干性两个概念联系起来 第一章激光与激光器概述 光的相干性理解为光的相干性理解为 在不同的空间点上 在 不同的时刻的光波场的某些特性 例如光波 场的相位 的相关性 在相干性的经典理论中引人光场的相干函数 作为相干性的度量 但是 作为相干性的一 种粗略描述 常常使用相干体积的概念 时间相干性与空间相干性时间相干性与空间相干性 第一章激光与激光器概述 1 时间相干性时间相干性 相干时间相干时间 1 定义 空间某点处不同的时刻的光波场有相 干性的最大时间间隔 即波列持续时间 2 大小 对于原子谱线来说 对于原子谱线来说 t即为原子的激发态寿命 即为原子的激发态寿命 t 10 8s 对波列进行频谱分析 就得到 它的频带宽度 对波列进行频谱分析 就得到 它的频带宽度 t v 1 相干时间 相干时间 c与光源频带宽度 与光源频带宽度 的关系为的关系为 v c 1 光源单色性越好 则相干时间越长 光源单色性越好 则相干时间越长 本质 反映光源的单色性 第一章激光与激光器概述 说明说明 i 光场函数 光振动随时间变化的函数关系 设光源中心频率为v0 其它 0 0 2exp 00c tttviE tE ii 光谱函数 光强随光频变化的函数关系 时域 示波器上观察 时域 示波器上观察 频域 光谱分析仪上观察 频域 光谱分析仪上观察 0 2exp dtvtitEtEF sin 0 2 0 2 c tvvcItEFvI iii 线宽 光谱函数峰值一半对应的两个频率差 第一章激光与激光器概述 空间相干性 空间相干性 1 纵向空间相干性 相干长度 i 定义 某时刻沿光传播方向上不同点的光波场 有相干性的最大空间间隔 即光波列长度 ii 大小 v c cL cc iii 本质 反映光源的单色性 2 横向空间相干性 相干面积 i 定义 某时刻在与光传播方向垂直的平面上使任 意两点光波场有相干性的最大空间面积 第一章激光与激光器概述 ii 大小 2 22 x R Ac x 光源尺寸 iii 本质 反映光源尺寸 相干体积相干体积Vc Vc又可表示为垂直于光传播方向的截面上的相干面积又可表示为垂直于光传播方向的截面上的相干面积Ac 和沿传播方向的相干长度和沿传播方向的相干长度Lc的乘积的乘积 或 ccc LAV cAV