1954:美国汤斯(C.H.Townes)前苏联巴索夫(N.G.Basov)和普 洛霍洛夫(A.M.Prokhorov)第一次实现氨分子微波量子振荡 器(MASER)
1958: 美国汤斯与肖洛(A.L.Schawlow)提出了利用开放式 光学谐振腔实现光振荡的新思想;布隆伯根(N.Bloembergen) 提出利用光泵浦三能级系统实现粒子数反转分布的新构思
(1)定义
A21
dn 21 dt
sp
1 n2
E1
dn21:dt时间内由E2跃迁到E1的粒子数密度
n2:E2能级的粒子数密度
(2)大小
1 A21 2
2:能级寿命(E2能级上的粒子数 由初始值减至其1/e所用时间)
(3)单位：s-1
证
A21
dn 21 dt
sp
1 n2
n2(t)=n2(0)-n21(t)
dn 2 dt
dn 21 dt
A21n 2
dn 2 n2
A21dt
dn n2 (t)
2
n n2 (0) 2
A21
t
dt
0
ln
n2 (t) n2 (0)
A21t
lne A21t
n2 (t) n2 (0)eA21t
令
n2 (t)
1 e
n2 (0)
A212=1
则
1 e
n2
(0)
n
2
(0)eA212
4k
2dk
k x k y k z
1 8
4k 2dk 3
k 2dkV
2 2
k 2 2 c
dk 2 d c
dk 2 d c
V
-+d内的模式数：dM
4 2 2
c2
2
c
d
V
2 2
4 2d
c3
V
考虑到每个驻波有两种不同的偏振态，故单色
模密度为
8 2 m c3
4、光波模式的相干性
(m
dM
dVd
)
同一光波模式的光波是相干的
tc t
(2)场频函数E():光场随频率变换的函数关系
（场时函数的付里叶变换） E( ) F[E(t)]
t tc
E(t) E0rect(
2 )ei20t tc
F[E0rect(t)] E0 sin c()
t
F
[
E0
rect( )]
tc t
tc
E0tc
sin
c( tc
)
F[E0rect(
tc 2 )] E0tc sin
解
Ac
D22 As
0.52 (50001010)2 10 104
6.251011m2
例4 波长为= 4000Å的光子,其单色性参数为 R=10 -5,求此光子的位置不确定量
解
p h
dp
d
h
2
p
h 2
xp h
x
h p
2
R
4000 1010 105
0.04m
§2 光波模式与光子态 一、光波模式
(2)同一光波模式中的光子为相同光子态 4、光子态的相干性
同一光子态的光子是相干的 5、光子简并度
(1)同一光子态的处的单色模密度
解
c
3108 5000 1010
61014 Hz
m
8 2
c3
83.14 (61014)2 (3108 )3
X射线激光器
激光加工技术
激光雕刻
激光焊接
激光工艺 激光工艺
激光投影
激光通信技术
光导纤维
光信息处理机
激光存储技术
光盘存储
激光载体
激光治疗
治疗近视眼
激光手术 切除染色体致病基因
激光武器
战术激光武器
地炮测距仪 地基战略激光武器
自激光器发明后，由于激光的单色性、方向性、相干性和高亮 度极好，为人类带来了一种崭新的强光源。在46年的发展期间， 满足不同需要的激光器先后研制成功，有固体激光器、半导体激光 器、气体激光器、液体激光器，以及远红外、远紫外激光器、X射 线激光器、量子阱激光器、量子级联激光器、孤子激光器和激光蝴 蝶结激光器等。
(1)定义 某时刻沿光传播方向两个不同地点光场 有相干性的最大空间间隔，即光波列长度
(2)大小
Lc
tcc
c
c:光在真空中的速度
(3)本质 反映光源单色性
2、横向空间相干性——相干面积
(1)定义 某时刻在与光传播方向垂直的平面上使
任意两点光场有相干性的最大空间面积
(2)大小
Ac
D22 As
:光波长，As:光源面积 D:光源与平面距离
二、光子态
1、光子性质
(1)具有三量（能量、动量、质量）
E h hc
P
h
k
2
(P h
c
h)
h=6.6310-34Js：普郎克常数
(2)服从玻色-爱因斯坦分布
同一状态的光子数无限制 (3)具有两种独立的偏振态
2、光子态 无法区分的光子所处状态
m
h
c2
h
c
3、光子态与光波模式的等价关系 (1)同一光子态的光子属于相同的光波模式
单位距离所产生的相移
z
y
x m
2
2 x m
2
x
k x x
m
x
x y
m kx x
ky
n y
q kz z
k x x
k y
y
kz z
每个模式在k空间第一卦限内对应一个点 kz
每个模式在k空间占据体积为
k x k y k z
x
y
z
3 V
kx
k ky
k-k+dk内的模式数：dM
1 8
激光科学技术的发展不仅能导致许多重要的应用，而且还能
带动多种学科的发展。自由电子激光对加速器和同步辐射技术的 带动、X光激光对等离子体物理和原子物理的带动就是极好的例 子。激光的发展还大大推动着非线性光学、光谱学、激光与物质 相互作用的研究以及与激光有关的各种交叉学科的进展。当年， 激光的发现令人兴奋；46年后的今天，激光大范围地改变了科技 、产业和战略面貌，在21世纪，激光这种新型的光，必将更加灿 烂辉煌！
c(
tc
)e
i
2
tc 2
E0tc sin
c(tc )eitc
t tc
F[E0rect(
2 tc
)ei20t ]
E0tc
sin
c[ (
0 )tc ]ei ( 0 )tc
(3)强频函数(光谱):光强随频率变换的函数关系
(场频函数的模平方) I E( ) 2
E( ) E0tc sin c[ ( 0 )tc ]ei ( 0 )tc I (ν) E02tc2 sin c2[ (ν ν0 )tc ] I0 sin c2[ (ν ν0 )tc ]
第三部分:谐振腔原理
第五章 光学谐振腔基本理论 第六章 平行平面腔 第七章 稳定球面腔 第八章 高斯光束
第四部分:巨脉冲技术
第九章 调Q技术 第十章 锁模技术
前言
激光 (Laser)， 全名“辐射的受激发射光放大”。
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
激光原理与技术
教师：于文兵
E-mail:yuwhict@ 电话：62894516
总学时：54 理论学时：54
教材：激光原理与激光技术 俞宽新编
主要参考书：激光原理
周炳琨
激光原理及应用 陈家璧
教学内容 第一部分:激光基本知识
第一章 激光基本原理
第二部分:激光发光机理
第二章 辐射场与物质的相互作用 第三章 介质对光的增益 第四章 连续激光器的稳态工作特性
d d
0 0
证
1
tc
tc
Lc c
0
c 0
R 1 0 c 0 0 0tc c Lc Lc
例1 中心波长为0=0.5 m的某光源单色性参数 为R= 10-5,求此光源的相干长度与相干时间
解 R 0
Lc
Lc
0 R
0.5106 105
0.05m
tc
Lc c
0.05 3108
证 分配到每一个模式上的能量
h
E h
e kT 1
u
dE dVd
EdM dVd
Em
8 2
c3
h
h
e kT 1
8h 3
c3
1
h
e kT 1
二、自发辐射跃迁 (Spontaneous emission)
1、定义 发2一、光个跃粒频迁子率几从为率高(爱能 E因级2 h斯EE2坦1自系发的数跃光)迁子到低能级E1,并发E2射
证
② s1
2a
③
①
s1
s2 s2
2b
O
D
当s2-s1=/2时,O处干涉条纹消失
s1 (1 x)n
D2 (b a)2 D[1 1 nx,(x 0)
(b a)2 D2
1
]2
②
2a ①
③
s1 s1
s2 s2
2b
O
(b a)2
(b a)2
D[1 2D2 ] D 2D
D
s2
D2 (b a)2 D (b a)2 2D
5、1960.7：美国休斯公司实验室梅曼(T.H.Maiman) 制成世界上第一台红宝石固态激光器,标志着激光 器诞生。