主講教師：陳建新、朱莉莉、陳榮福建師范大學物理與光電信息科技學院激光原理與技術LasersPrinciplesandTechnologies

《激光原理與技術》是為光信息科學與技術專業開設的專業基礎課，在教學培養計劃中被列為核心必修課程。激光原理與技術是光學的一個重要分支，在現代信息科學特別是光電信息科學中占有重要地位，具有較強的理論性、前沿性和探討性。激光的產生具有劃時代的意義，無論在科學發展還是技術應用上都有廣闊的應用前景。為什么學習《激光原理與技術》？

《激光原理與技術》課程目標是：通過本課程的學習，使學生掌握激光產生和形成的基本原理，培養學生的理論思維能力，訓練學生分析和解決實際問題的能力。學完本課程，使學生能較全面地掌握激光器的基本原理和理論，學會基本激光技術，既為光電器件、光電探測、光纖通信等后繼課程打下基礎，也為學生將來成為光電方面的管理、開發和設計的高級人才打下必要的專業理論基礎。學習《激光原理與技術》的目標

《激光原理與技術》課程的對象是光信息科學與技術專業的大三學生，學習本課程之前，要先修高等數學、數理方法、大學物理、電磁理論、量子力學、統計物理學等一些基礎課程，學習本課程之后，可以為本專業的后續課程：光電子檢測技術、光通信技術和光信息綜合實驗等課程打下基礎。《激光原理與技術》與其他課程的關聯

關于教材與學習參考書的建議

中文參考書的建議：陳鈺清和王靜環，（新世紀高等院校精品教材）《激光原理》，浙江大學出版社2004年1月第八次印刷出版周炳琨等，《激光原理》

第四版，國防工業出版社，2000沈柯，《激光原理教程》

北京工業出版社，1986鄒英華等，激光物理學，北京大學出版社，1991

伍長征等，激光物理學，復旦大學出版社，1989關于教材與學習參考書的建議

英文參考書的建議：ChristopherC.Davis.《LasersandElectro-Optics》(激光與電光學).1996,CambridgeUniversityPress.(1998授權世界圖書出版公司北京分公司獨家重印發行)J.WilsonandJ.F.B.Hawkes.《LasersPrinciplesandApplications》.1987,PrenticeHallInternationalLimited

理論學習內容(共36學時)第一部分激光原理概述（1）第二部分講授光諧振腔理論、及高斯光束（2、3）第三部分激光振蕩和激光放大理論（4、5）第四部分介紹控制與改善激光器特性的原理與技術（6）第五部分介紹典型的激光器及其應用實驗學習內容(共12學時)實驗一雙折射造成氦氖激光器頻率分裂、偏振及模競爭的JX-1型教學實驗系統制造廠商：清華大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室和北京拓達激光器械有限責任公司聯合制造可以進行的實驗內容可以觀測激光模式，可觀察到激光的縱模、橫模分布出光帶寬;觀察到頻率分裂現象;激光偏振態的觀察;激光模競爭實驗實驗學習內容(共12學時)實驗二

HNCH氦氖激光器參數測量儀制造廠商：北京大學物理系工廠一臺激光器的小信號增益系數G0，腔內損耗a，飽和光強Is及最佳透過率是重要的激光參數，直接影響著激光器的輸出功率。本實驗在外腔激光器中用全反射腔鏡，激光輸出是通過在腔內插入可旋轉平行板，利用平行板的反射率與入射角的關系，使激光的輸出功率隨平行板的旋轉角而改變。旋轉平行板等效于可變透射率的輸出鏡。通過測量激光輸出功率與等效透射率的關系，用作圖法獲得以上參數．實驗學習內容(共12學時)實驗三HNVT可調多譜線氦氖激光器制造廠商：北京大學物理系工廠氦氖激光器可以實現激光躍遷的譜線是很豐富的，在增益管長為1m的外腔式He—Ne激光器中，用腔內插入色散棱鏡選擇譜線的方法，在可見光區可分別使氖原子的九條譜線產生激光振蕩。本實驗可以實現紅、橙、黃色多條激光輸出。實驗要求掌握He—Ne多譜線激光線器的工作原理及腔型結構的特點；學習外腔式激光器及腔內帶棱鏡激光器的調節方法；測量各條激光譜線的波長；找出各條譜線的最佳放電電流及測量最大輸出激光功率。本課程的每一章將布置適量的作業，以基本概念和原理的理解為主要內容。本課程總評成績由期末考試和平時作業成績兩部分構成，采用百分制。期末考試成績占總評成績的70%，平時成績占總評成績的30%。課程作業與考核評價的說明

緒論問題1世界上第一臺激光器的成功演示的時間？問題2你能舉例說明激光的具體應用領域嗎？緒論：激光的發展簡史激光發明的理論基礎可以追溯到1917年，著名的物理學家愛因斯坦在研究光輻射與原子相互作用的時候發現，除了受激吸收和自發輻射躍遷過程外，還存在受激輻射躍遷過程。在能量相應于兩個能級差的外來光子作用下，會誘導處在高能態的原子向低能態躍遷，并同時輻射出相同能量的光子。利用受激輻射實現光放大LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLaser通過輻射的受激發射實現光放大緒論：激光的發展簡史理論物理學家證明了受激輻射躍遷所產生的光子與誘導產生這種躍遷的光子相同。頻率、位相、傳播方向、偏振方向受激輻射具有很好的相干性和方向性緒論：激光的發展簡史20世紀50年代初，電子學和微波技術的應用提出了將無線電技術從微波推向光波的要求。從微波振蕩器到光波振蕩器(激光器laser)。微波振蕩器的實現原理：

一個尺度和波長可比擬的封閉的諧振腔；利用自由電子與電磁場的相互作用實現電磁波的放大和振蕩。緒論：激光的發展簡史1954年，美國的湯斯(CharlesH.Towns)、蘇聯的巴索夫(NikolaiG.Basov)和普洛霍洛夫(AleksanderM.Prokhorov)第一次實現了氨分子微波量子振蕩器(Maser),拋棄了利用自由電子與電磁場的相互作用實現電磁波的放大和振蕩，利用原子或分子中的束縛電子與電磁場的相互作用來放大電磁波。1958年，湯斯和肖洛(ArthurL.Schawlow)拋棄了一個尺度和波長可比擬的封閉的諧振腔，提出了利用尺度遠大于波長的開放式光諧振腔，實現了激光器的新思想。布隆伯根(NicolaasBloembergen)提出了利用光泵浦三能級原子系統實現原子數反轉分布的新構想。緒論：激光的發展簡史1960年7月，世界第一臺紅寶石固態激光器問世，標志了激光技術的誕生。美國休斯公司實驗室梅曼演示的。波長為694.3nm的激光緒論：激光的發展簡史1961年8月，中國第一臺紅寶石激光器問世。中國科學院長春光學精密機械研究所研制成功。1987年6月，10^12W的大功率脈沖激光系統－－－神光裝置，在中國科學院上海光學精密機械研究所研制成功。神光I、神光II、神光III？緒論：激光的應用激光與普通光源相比較有三個特點：方向性好、相干性好、亮度高各種不同類型的激光器和激光控制技術：

半導體激光器、固體激光器、氣體激光器、氣體離子激光器、氣體準分子激光器、金屬蒸汽激光器、可調諧染料激光器、鈦寶石激光器、激光二極管泵浦激光器、光纖放大器、光學參量振蕩放大器、超短脈沖激光器、自由電子激光器、極紫外和X射線激光器。緒論：激光的應用各種科學和技術領域應用激光形成了一系列新的交叉學科和應用技術領域：

信息光電子技術、激光醫療與光子生物學、激光加工、激光檢測與計量、激光全息技術、激光光譜分析技術、非線性光學、超快光子學、激光化學、量子光學、激光雷達、激光制導、激光分離同位素、激光可控核聚變、激光武器等等。激光已經成為信息時代的心臟！激光已經成為社會進步的推動力！激光已經成為人類現代生活的重要組成部分！緒論：醫學光電科學與技術教育部

重點實驗室的激光器緒論：醫學光電科學與技術教育部

重點實驗室的激光器緒論：醫學光電科學與技術教育部

重點實驗室的激光器緒論：醫學光電科學與技術教育部

重點實驗室的激光器緒論：醫學光電科學與技術教育部

重點實驗室的激光器

超脈沖CO2激光治療系統（以色列，10.6μm,30w）醫用外科激光實驗室緒論：醫學光電科學與技術教育部

重點實驗室的激光器脈沖Ho:YAG激光治療儀（德國,0.8μm,3J,20Hz,光纖輸出）醫用外科激光實驗室緒論：醫學光電科學與技術教育部

重點實驗室的激光器

脈沖Er:YAG激光治療儀（美國,2.94μm,30w,2J,七關節輸出）醫用外科激光實驗室緒論：醫學光電科學與技術教育部

重點實驗室的激光器

Nd:YAG激光治療儀（1341nm,100w,光纖輸出，偏振光）醫用外科激光實驗室緒論：醫學光電科學與技術教育部

重點實驗室的激光器

IPLQueenPremium

以色列設備，國內組裝波長560～1200nm

能量密度10～45J/cm2

脈寬300ms強脈沖光源/光子嫩膚實驗室緒論：醫學光電科學與技術教育部

重點實驗室的激光器激光波長為670±5nm，功率連續可調，最大光纖末端輸出功率2瓦。醫用半導體激光實驗室第一章激光的物理基礎問題

學習激光原理與技術，首先應該從什么內容開始學習？第一章激光的物理基礎研究激光原理就是要研究光的受激輻射是如何在激光器內產生并占主導地位而抑制自發輻射的。首先從光的輻射原理出發，討論與激光的發明和激光技術的發展有關的物理基礎及產生激光的條件。第一章激光的物理基礎光的電磁波理論光波的模式和光子的量子狀態光的相干性和相干體積光子簡并度黑體輻射光的自發輻射、受激吸收和受激輻射激光的產生激光器和激光的特性光具有波粒二像性：把光輻射場看作各種不同頻率的電磁場的集合把光輻射場看作是數目不固定的光子光的電磁波理論光的一個基本性質就是具有波粒二像性。光是電磁波，具有波動性，有一定的頻率和波長光是光子流，光子是具有一定能量和動量的物質粒子光的電磁波理論光是一種電磁波，即變化的電場和變化的磁場相互激發，形成變化的電磁場在空間的傳播。光和電磁波是統一的：光的反射與折射方程與電磁波的反射與折射方程有相同形式；光速與電磁波的傳播速度相同；光的很多現象與電有關。電磁波頻譜圖麥克斯韋方程組物質方程光在非磁性的、各向同性的極化介質中傳播的波動方程式：光是一定頻率范圍內的電磁波，其運動服從電磁波理論光波電磁場隨時間和空間的變化規律：光波在介質中傳播還應該滿足：在真空中，波動方程的特解為：00220=+Dukurrrh赫姆霍茨方程忽略矢量特性真空中光波的模式和光子的量子狀態按照光的量子理論，光是一種以光速C運動的光子組成的在穩態情況下：nhE=22/chmhmcEnn===kknPp20hmc===h光子的基本性質光子的能量與光波頻率之間的關系：光子具有運動質量m:光子的動量P:光子具有兩種獨立的偏振狀態光子的集合服從玻色－愛因斯坦統計規律Planck'sconstanth=6.626*10-34[Joule-sec]光波模式在體積內，沿三個坐標軸方向傳播的波應分別滿足駐波條件：

其中，m,n,q為非負整數且不全為零求解體積V內的模式數目單色平面波：

存在諧振腔內的一系列獨立的具有特定波矢k的平面單色駐波，稱為光波的模式每個波矢在波矢空間占據體積元：在波矢空間中，每一波矢在三個坐標軸方向與相鄰波矢的間隔為：波矢空間內，數值大小在k~k+dk內的光波矢所占的體積為：波矢k的三個分量應滿足：每個光波矢在波矢空間所占有的體積元k~k+dk區間內的光波矢量在波矢空間所占的體積在此體積內，光波矢量模數為：式中：由于因此，空腔體積V內，處于頻率內的波矢數為：光波模式數為：測不準關系：

一維運動情況：三維運動情況：相格：一個光子態占有的相空間體積元為：一個相格占有的空間體積為：光子的量子態動量空間的體積元為：式中是光子運動的體積。在到頻率間隔內，因光子的動量不同，所可能存在的的狀態數：從波動的觀點得到光的模式數，與從光子的觀點得到光子的量子狀態數是相同，兩者在概念上是等效的。光源的相干性不同時刻或不同空間位置的光場之間的相關性。若兩束光在空間某一點疊加，若可以形成干涉條紋，則兩束光相干，否則為非相干光；時間相干性空間相干性相干性時間相干性某一空間點在不同時刻光波場之間的相干性；光源的時間相干性經傅立葉變換，可以得到光源頻譜：光傳播方向上，任一點光場可以表示為：光源的時間相干性結論：單色性越好，譜線線寬越窄；相干時間越長，相干性越好；頻譜線寬光源頻譜圖激光光源的單色性實際情況理論激光輻射帶寬光源的空間相干性縱向空間相干性相干長度、相干時間、頻譜線寬的關系：橫向空間相干性在垂直于光傳播方向的平面上不同空間點光波場之間的相干性某一時刻不同空間點光波場之間的相干性縱向相干性橫向相干性空間相干性橫向空間相干性楊氏雙縫實驗示意圖由光源S照明的雙縫P具有明顯的相干性的條件為：可以證明，當D>>a+b時，有：及橫向空間相干性

光源的相干面積：結論：當光源面積一定時，距光源D處，在與光的傳播方向垂直的、面積小于：的平面范圍內的光場具有相干性，稱為相干面積令：可以得到：相干體積定義：相干面積與相干長度的乘積為相干體積，即：光源的相干體積：由：可以得到：定義：處于同一相格（模式、相干體積、量子態）中的光子數定義為光子的簡并度。光子簡并度光源的光子簡并度反映光源輻射能量的情況，也反映出光源的單色亮度。單色定向亮度激光的受激輻射和自發輻射概念的提出問題激光的受激輻射和自發輻射概念是誰在哪一年提出的？激光的受激輻射和自發輻射概念的提出1900年普朗克用輻射量子化假設成功地解釋了黑體輻射分布規律。1913年波爾提出了原子中電子運動狀態量子化假設。1917年愛因斯坦從光量子概念出發，重新推導了黑體輻射的普朗克公式，在推導中提出了兩個極為重要地概念：受激輻射和自發輻射。絕對黑體示意圖黑體(絕對黑體)：指入射到該物體面上各種波長的能量都能完全吸收的物體，即。黑體輻射理論：描述物體處于熱平衡狀態時吸收和輻射能量的宏觀特征及其規律。黑體輻射吸收系數：物體在溫度T時，入射到物體的表面上的波長為的電磁輻射能量中，有部分被吸收了。熱輻射：任何物質在一定溫度下都要輻射(也要吸收)能量的現象),(Tal),(Tall根據Stefem定律，黑體發出的總輻射為：只與溫度有關實驗結果維恩線瑞利－金斯線圖1黑體輻射黑體平衡輻射能量：118),(33-·=KTheChTnnpnr經典的統計理論得出的結論（如瑞利－金斯公式和維恩經驗公式）與實驗結果不符，所以引入了量子統計的方法。黑體輻射的普朗克公式（量子統計）：118),(33-·=KTheChTnnpnr單位體積和單位頻寬的黑體輻射能量，即單位頻率間隔的能量密度黑體輻射的普朗克公式（量子統計）原子的玻耳模型原子的能級基態激發態

電子只能處于分立的能級，電磁輻射與物質的相互作用將導致物質中電子能級的變化，當吸收或輻射能量時，可在特定的能級間躍遷；該能量為這兩個能級的能量差，并且該能量差唯一地決定了電磁輻射的頻率：?E=E2-E1=hn與其他原子相碰撞電磁輻射的吸收與發射原子吸收、釋放能量的方法光的自發輻射在沒有外界作用的情況下，原子從高能級E2向低能級E1的躍遷方式有兩種：無輻射躍遷和自發輻射躍遷。自發輻射躍遷自發輻射光輻射出的光子能量：自發輻射愛因斯坦系數愛因斯坦在光量子理論的基礎上，考慮了光和物質相互作用的模型(原子的兩個能級)，引入了兩個重要概念，同樣得出了普朗克公式光的自發輻射、受激輻射、受激吸收自發輻射的特點原子的自發輻射與原子的本身性質有關，與外界輻射場無關自發輻射的隨機性，自發輻射光的相位、偏振態和傳播方向雜亂無章光源發出的光的單色性、定向性很差。沒有確定的偏振狀態。光的受激吸收受激吸收躍遷示意圖入射光當原子系統受到外來的能量為的光子作用下，如果，則處于低能級上的原子由于吸收一個能量為的光子而受到激發，躍遷到高能級上去的過程。受激吸收的特點原子的受激吸收幾率與外界輻射場的頻率有關原子的受激吸收幾率與受激愛因斯坦系數有關原子的受激吸收幾率與外來光輻射能力密度有關光的受激輻射光的受激輻射：當原子受外來的能量為的光子激勵下，從高能級躍遷到低能級，原子發射一個與外來光子一模一樣的光子的過程。受激輻射躍遷示意圖入射光受激輻射光入射光原子受激輻射的光與外來的引起受激輻射的光有相同的頻率、位相、偏振及傳播方向。光的受激輻射和自發輻射的區別通過受激輻射，可以實現同態光子數放大從而得到光子簡并度極高的相干光。激光器發光，正是利用受激輻射的上述特點。光的受激輻射的特點LASER：LightAmplificationbyStimulated

EmissionofRadiation光的受激輻射放大稱為激光有一束能量為的入射光子通過激活物質，光的受激輻射過程超過受激吸收過程，受激輻射占主導地位，光在激活物質內部將越走越強，使該激光工作物質輸出的光能量超過入射光的能量，這就是光的放大過程。愛因斯坦三系數的相互關系熱平衡情況下，輻射率和吸收率是相等的根據各能級的原子密度服從玻爾茲曼統計分布黑體輻射能量密度與普朗克公式比較光與物質相互作用的三種處理方法經典理論：用經典的麥克斯韋方程描述電磁場，將原子看作經典的電偶極子。半經典理論：用經典的麥克斯韋方程描述電磁場，而物質原子的內部能量運動用量子力學的薛定鄂方程描述。速率方程理論：把光頻電磁場看成量子化的光子，把物質體系描述成具有量子化能級的粒子體系。嚴格的激光物理模型是用量子電動力學來描述激光的產生問題

當光與物質相互作用時，自發輻射、受激輻射和受激吸收這三個過程是同時出現的，如何實現大量原子的受激輻射產生激光?激光產生必須具備的前提條件：有提供放大作用的增益介質作為激光工作物質；有外界激勵源,使激光上下能級之間產生集居數反轉；形成激光的內在依據有激光諧振腔，使受激輻射的光能夠在諧振腔內維持振蕩。形成激光的外部條件激光的產生ni=C*ex