也可以将任意电磁场视为一系列与单色平面电磁 波等效的电磁波本征模式的线性叠加；
• 本征模式的能量、动量具有量子化特性，即能量
为基本能量 hl 的整数倍 nhl ，动量为基本动
量 kl 的整数倍 nkl 。
• 具有基本能量 hl 和基本动量 kl 的物质单元
称为属于第 l 个本征模式的光子。
光子的相干性
绪论
绪论
• NIS已经于2009年点火成功，2010年报道的单脉冲能量 达到1MJ，峰值功率1015W以上。超过美国历史上任意时 刻消耗电功率的500倍以上。
• 目前，神光-Ⅲ原型装置“十五”建设目标已圆满完成， 达到“8束出光，脉冲-万焦耳”的水平，标志着我国成为 继美、法后世界上第三个系统掌握新一代高功率激光驱动 器总体技术的国家，使我国成为继美国之后世界上第二个 具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国 家。
– 质量：
m h
c2 c2
光子没有静止质量
– 偏振态：光子有两个可能的独立偏振状态，对
应于光波的两个独立偏振方向；
– 自旋：光子具有自旋，其自旋量子数为整数， 光子属于玻色子，服从玻色爱因斯坦分布，即
处于同一量子态的全同粒子数目没有限制。
光子的相干性
• 任意电磁场可以看作是一系列单色平面电磁波的 线性叠加，这些单色平面电磁波用波矢 kl来标识；
– 更多样化 • 多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、 热泵浦等、磁泵浦； • 多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体 （He-Ne、CO2）、液体、染料、半导体、自由电 子等；
光子的相干性
• 光子基本特性
– 能量： – 动量：
h; h 6 .6 2 1 4 3 0J 4S
p k ; 2 h ; k 2 n 0
– 微观上的粒子运动满足测不准原理： x P x~ h , y P y~ h , z P z~ h
– 在相空间中，一个光子态不再对应一个点，而是一个 体积元，称为相格，其在相空间中的体积为：
xyzPxPyPzh3
光子的相干性
• 在波矢空间中一个光波模式占据的体积是：
3 3
kxkykzxyzV (1)
(空间相干性、时间相干性）
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景： • 在信息技术领域的应用
1、全息照相 2、全息激光防伪标签 3、多路合成角度全息展示艺术品 4、激光全息存储
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景： • 在光通讯技术领域的应用
1、光纤通讯（激光作为载波） 2、自由空间光通信（FSO）
kxxm,kyyn,kzzl
– 每 ky、组k不z构同成的的m空、间n、中l标表识示了不不同同的的模模式式，，其如结果果在如由右k图x、， 每个不同的模式分别占据图中的一个方格。可以求
出在该空间中一个模式占据的体积为：
3 3
kxkykzxyzV
kx
x
z ky
2 / y
/ y
/ x
2 / x
/ z
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景： • 在科学研究领域
激光“束缚”原子——冷却和陷俘原子 （1997，诺贝尔物理奖，朱棣文）
惯性约束聚变——人造小太阳
• 发展方向
– 更大 • 为了进行高能物理、 热核聚变等方面的 研究工作，激光器 产生的能量密度和 功率不断提高。 • 现在世界上功率最 大的激光器是美国 的国家点火工程 （NIF）中使用的 NOVA激光系统， 其峰值功率达到 1.3PW（1015W）， 该系统有望在今年 投入使用。
x y
z
kz
2 / z
光子的相干性
• 波矢在 k,kdk 范围内1的4波k矢2d空k间体积为：
8
• 则在该空间内所包含的光波模式数为：
P214k2dk/3
• •
由波矢的定义有：k 2 82 c;dk 2 c Vd
可以得到在体积为V的腔内，频率 附近 d 间隔内的模式数P为：
P 8 2 Vd
“大气窗”——850nm和1550nm
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景： • 在医学领域的应用
1、激光眼科手术 2、激光牙科手术
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景： • 在工业领域的应用
激光切割、焊接及打标等
绪论
绪论
激光在各领域中的广泛应用及发展前景： • 在照明和装饰、娱乐领域(激光地标、激光水幕等）
c3
• 因此单位体积内，频率 附近，单位频率间隔的模式数为：
n
8
c3
2
光子的相干性
• 光子状态与相格
– 在辐射场中的光子可以用动量、位置和偏振态来对其 加以区别；
– 宏观上质点的运动状态可以用位置（x,y,z）和动量 （Px,Py,Pz）来完全确定，一种运动状态对应相空间 （x,y,z,Px,Py,Pz）中的一个点；
– 更小
• 各种工业指示、标记、探测 用的半导体激光器或者半导 体泵浦固体激光器向着小型 化方向发展；
–更集成
各种通信用的激 光模块，往往包含 十几个甚至几十个 半导体激光器，并 且集成了调制、功 率检测、温度监测 等功能模块。
绪论
绪论
– 更快 • 更高的调制频率：GHz； • 更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecond Laser)；
激光基础原理优秀课件
绪论
激光（Stimulated Emission of Radiation
理论基础 爱因斯坦（1917） 在物质与辐射场的相互作用下，构成物质的原子或分子可以 在光子的激励下产生光子的受激吸收或受激辐射。
hv
E1
hv
E0
光波模式与光子相格
y
– 在有边界条件限制的空间V内，只能存在一系列独立
存在的、具有特定波矢的单色平面驻波，能够稳定 存在于腔内的驻波称为光波模式。
– 考虑如图所示的金属空腔，任何能够存在的驻波应
该满足以下条件：
xm,yn,zl
–
2
22
其中m、n、l为正整数，由波矢的表达式
k
2
n
可以得到波矢的三个分量：
绪论
激光的产生与发展（LASER)
量子电子学（1954） 开放式光谐振腔与光泵浦（1958） 红宝石固态激光器（1960） 不同类型的激光器和激光控制技术（至今） 因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理学奖的科 学家共有10位.
激光在各领域中的广泛应用及发展前景： 方向性好 单色性好 亮度高 相干性好