激光原理第二讲
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1.983
2.097
※ 教学大纲：第三、八章（不讲）；第九、十章（自学） ※ 教学手段： 上课内容：演示文稿（英文文稿试用） 课堂练习：课前或课后 （10min.） 课后作业：周一课前交，下课后补交按迟交处理
习题讲评&课堂讨论：2-3次
专题学习报告（继续试点，自愿参加） 考试方式：开卷 期中 & 期末 ※ 成绩：作业＋练习 15％ 期中 30％ 期末考查 55％ 作业＋练习＋专题 25％ 期中 30％ 期末考查 45％
E2 and E1 表示两个激发态
一个光子的能量 hn E2 E1
辐射频率n E2 E1
h
• 自发辐射 （Spontaneous Emission）。
主要特征：无需外来光，随机发光，发出的光子不相关，
即相位、偏振态、传输方向是随机的；发出的光子能量分
布在许许多多个模式上。
E2 hn E1 E1 E2
n
能级21 and 12 的受激跃迁几率相等 即 W12 W21 受激跃迁与自发跃迁是本质不同的物理过程 A12 0
A21、B21和B12关系式（爱因斯坦关系式）推导
二、爱因斯坦关系式－ A21 、B21 和B12的关系
热平衡黑体 辐射公式
模密度nn
8n 2 n 3 c
• 科学技术发展规律 基础理论研究 应用技术 产品开发 产业
• 基础理论研究是构筑科学大厦的基石
• 为激光发展进行探索的科学家
1917: 爱因斯坦(A.Einstein) 提出了受激辐射可实现光放大的概念, 为激光 发明奠定了理论基础
1917年以后近四十年内： 量子理论的发展; 粒子数反转的有效实现;电 子学与微波技术的发展
3. 两种受激跃迁比较 (热平衡情况下) 单位时间STE增加的光子数密度 单位时间STA减少的光子数密度
W21n2 B21n n2 W12n1 B12 n n1
f2 热平衡时，n2 n1 f1
STA STE
(受激)吸收占主导
因此，当光在介质内传输时，光将被吸收而衰减。 4. 自发辐射光子可作为引起受激辐射的 外来光 起始阶段的受激辐射的外来光来自于介质的自发 辐射
※ 课堂纪律：上课时不准吃、喝；关闭手机;
上课期间不得随意离开教室 ※ 学风建设：主动积极听课，把心留在教室里， 认真独立完成作业 端正态度，不要有投机取巧的侥幸心理 处理好课程学习和出国准备的矛盾
※ 教师有关联系信息 姚敏玉 东主楼11区410 62772370 yaomy@ee.tsinghua.edu.cn 张洪明 东主楼11区409 62772370 zhhm@tsinghua.edu.cn
不仅是要了解我们的宇宙，而且也致力于制造有用、有
时也是激动人心的事物。”
电子学－研究电子作为信息和能量载体的科学
光子学－研究光子作为信息和能量载体的科学 光子技术－ 相干光的产生
相干光的控制
激光原理 （48学时） (调制、偏转) 光电子技术
光频率（波长）变换
相干光的检测及应用
电子技术光与电是“兄弟”，光只是波长更短的电磁波
能级简并度
说明：
1. SPE,STA,STE 三种过程同时存在，只是有强弱差别
2. 两种辐射比较 (热平衡情况下)
答案：SPE（自发辐射）占绝对优势
I sp n2 A21hn I ste n2 B21n hn
T=1500K,l=500nm 空腔
I ste B21 c3 1 n n hn kT 2 109 I sp A21 8hn 3 e 1
• 勤奋，善于学习，抓住机遇，把握科学前沿。 • 大胆设想, 勇于创新，勇于实践,锲而不舍。
激光的发明使光学领域的研究出现新的活力。激光一方面 为成熟的领域中现有的各种应用技术带来数量级的改善， 另一方面又开辟了一些新的领域和新的应用和新学科。
• 全息术－D.Gaber，不实用技术 成为可能
• 光通信－室温工作的双异质结半导体激光器和掺铒光纤 放大器带来了光通信的革命性变化 • 国防安全
W12 B12 n
W21 B21n
n
－单色能量密度 (J· -3·s) m
8n 2 hn n 3 hn c e KT 1
B12 and B21 为受激吸收和受激辐射跃迁系数，常数
B12和B21的大小只与物质本身性质有关，与外界辐射 场无关 受激辐射几率与辐射场的强度 成正比
第一讲 序言 激光发展历史 激光基本原理概述
光和物质相互作用的三种过程 光的受激辐射放大 自激振荡器
作业：1-2, 1-3, 1-6
2005年－国际物理年 World Physics of the year
（联合国通过大会决议）
“爱因斯坦年”（德、英等国直接命名）
恰逢爱因斯坦逝世50周年
1905年是科学史上较为特殊的一年，创造奇迹的一年。
当时默默无闻的爱因斯坦（26岁）发表的5篇论文（涉及
光电效应、布朗运动和狭义相对论）彻底改变了传统的物
理学，也为造福后世的诸多技术奠定了基础。
2005国际物理年的意义
－负有帮助物理学在21世纪重振雄风的重任
学好数理化，走遍天下全不怕
电子、生物和经济等新兴学科的吸引力 ↑ 主宰上世纪发展的科学界，正在缓慢而又令 人痛苦地衰落，有青黄不接的危机。(法新社)
h
E2
hn E1
受激辐射的光子具有完全相同的相位、偏振态和传输 方向 受激吸收几率 W12 受激辐射几率 W21
dn12 1 W12 dt sta n1
dn21 1 W21 dt ste n2
W12 B12 n
W21 B21n
Ruby laser 694.3nm
Flash lamp
发光粒子－铬离子 (Cr3+) 泵浦光源－闪光灯, 其作用是实现铬离子反转分布 光谐振腔－两平面反射镜，实现光反馈，使受激辐射 光放大形成激光
Journal of Applied physics (JAP) 2.281 IEEE Photonic technology Letters (PTL) Journal of Lightwave Technology (JLT)
IEEE Journal of Quantum Electronics (JQE)
hn
自发辐射几率(Spontaneous transition rate) A21
－能级21 跃迁的特征参数
A 21
dn 21 1 dt sp n 2
A21 1
s
E2能级平均寿命
推导 A21 and s 的关系式
E2 hn E1
dn2 dn21 n2 dt dt s
§1.3 激光产生的基本原理（概述）
激光产生的条件: (1) 粒子数反转分布 (2) 增益 > 损耗 即自激振荡的阈值条件
以红宝石激光器 (Ruby Laser) 为例
Flash lamp External mirror External mirror Partly transmission
Output beam hn
§1.2 光的受激Fra Baidu bibliotek射（Stimulated Emission)
一、光和物质 (原子、分子、离子，统称粒子)
相互作用的三种过程
E2 hn E1 E2 hn E1 E2 hn E1 2hn
自发辐射(SP)
(Spontaneous Emission)
受激吸收(STA)
受激辐射(STE)
(Stimulated absorption) (Stimulated Emission)
hn hn e KT 1
玻尔兹曼分布
黑体辐射分配到 腔内每个模式的 平均能量
dn21 dn dn 21 12 dt sp dt st dt sta
A21n2 B21n n2 B12 n n1
光电子学是汇集光子学、电子学、光子技术与电子技 术的一门学科
一些相关的重要学术刊物 (SCI收录期刊）
Nature Science
Physics Review Letters (PRL) 6.017
Applied Physics Letters (APL) 4.207
Optics Letters (OL) Optics Express (OE) 3.395 3.219 2.1
英文参考书：
Amnon Yariv “Introduction to Optical Electronics ” Anthony E. Siegman “ Lasers” Orazio Svelto “Principles of Lasers” 1998年 （第四版） 中文参考书： 邹英华 孙陶亨 《激光物理学》北京大学出版社
Joseph T. Verdeyen “Laser Electronics” 1995年（第三版）
伍长征 王兆永等 《激光物理学》复旦大学出版社
第一章
激光基本原理概述
• 按激光工作物质分类：
固体激光器、气体激光器、半导体激光器、 液体（有机染料）激光器 • 一般激光器的三个主要组成部分：
激光工作物质、光学谐振腔、激励能源
n2 f E E1 2 exp 2 n1 f1 KT
n
A21 1 B21 B12 f1 hn e kT 1 B21 f 2
f1=f2
爱因斯坦关系
A21 8hn 3 nn hn 3 B21 c B12 f1 B21 f 2
B12 B21 W12 W21
dn2 dn21 A21n2 dt dt sp
dn 1 A21 21 dt sp n2
n2 n20e t / s
A21 1
s
n2 n20e
A21t
• 在自发辐射过程中，E2 能级上粒子随时间按指数衰减 • 自发辐射几率A21与自发辐射（能级）寿命s呈倒数关系
21世纪是否会出现 第二个爱因斯坦？
物理宏观领域：宇宙学的一些基本问题，如暗物质、暗 能量的来源、组成和性质。 物理微观领域：人类对物质组成的认知还需要更为深入 物理学发挥“用”的功能：研究繁杂系统，让物理学为 能源、材料、信息和环境问题提出解决方案及与其他学 科的交叉和渗透。 《Nature》杂志社论： “在下一次(物理学理论)革命前 ，物理学的主要成就将出现在工程领域。正在从事这方 面工作的物理学家如果保持沉默，是可耻的……物理学
• s 可以通过实验测得，由 A21 =1/s可获得自发辐射几率
• A21只决定于物质本身性质，与辐射场n无关
• 受激跃迁
受激吸收 stimulated absorption (STA) 受激发射 stimulated emission (STE) 受频率为 n E2 E1 的光场作用
0字班激光原理成绩统计
6
6
8
> 90
17
> 80 > 70 > 60 < 60
47
1字班激光原理最终成绩统计
5 15 11 >90 >80 >70 >60 <60
28 19
激光发展的历史回顾
LASER -- Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
1954：美国汤斯(C.H.Townes) 前苏联巴索夫(N.G.Basov) 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(Towns)与肖洛(A.L.Schawlow)
提出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 1960.7：美国休斯公司实验室梅曼(T.H.Maiman)
世界上第一台红宝石固态激光器诞生
1997: 朱棣文、菲利普(W.Phillips)和塔罗季 （C.Tannoudi) 利用激光冷却和钳制原子的研究 2000: 赫伯特· 克雷歇尔（H.Pressel），提出了双 异质结构，实现半导体激光器室温工作。
追寻成功者的足迹，给人必要的启迪
• 任何一项发明都是一批科学家前仆后继，大胆探索的结果,
2.097
※ 教学大纲：第三、八章（不讲）；第九、十章（自学） ※ 教学手段： 上课内容：演示文稿（英文文稿试用） 课堂练习：课前或课后 （10min.） 课后作业：周一课前交，下课后补交按迟交处理
习题讲评&课堂讨论：2-3次
专题学习报告（继续试点，自愿参加） 考试方式：开卷 期中 & 期末 ※ 成绩：作业＋练习 15％ 期中 30％ 期末考查 55％ 作业＋练习＋专题 25％ 期中 30％ 期末考查 45％
E2 and E1 表示两个激发态
一个光子的能量 hn E2 E1
辐射频率n E2 E1
h
• 自发辐射 （Spontaneous Emission）。
主要特征：无需外来光，随机发光，发出的光子不相关，
即相位、偏振态、传输方向是随机的；发出的光子能量分
布在许许多多个模式上。
E2 hn E1 E1 E2
n
能级21 and 12 的受激跃迁几率相等 即 W12 W21 受激跃迁与自发跃迁是本质不同的物理过程 A12 0
A21、B21和B12关系式（爱因斯坦关系式）推导
二、爱因斯坦关系式－ A21 、B21 和B12的关系
热平衡黑体 辐射公式
模密度nn
8n 2 n 3 c
• 科学技术发展规律 基础理论研究 应用技术 产品开发 产业
• 基础理论研究是构筑科学大厦的基石
• 为激光发展进行探索的科学家
1917: 爱因斯坦(A.Einstein) 提出了受激辐射可实现光放大的概念, 为激光 发明奠定了理论基础
1917年以后近四十年内： 量子理论的发展; 粒子数反转的有效实现;电 子学与微波技术的发展
3. 两种受激跃迁比较 (热平衡情况下) 单位时间STE增加的光子数密度 单位时间STA减少的光子数密度
W21n2 B21n n2 W12n1 B12 n n1
f2 热平衡时，n2 n1 f1
STA STE
(受激)吸收占主导
因此，当光在介质内传输时，光将被吸收而衰减。 4. 自发辐射光子可作为引起受激辐射的 外来光 起始阶段的受激辐射的外来光来自于介质的自发 辐射
※ 课堂纪律：上课时不准吃、喝；关闭手机;
上课期间不得随意离开教室 ※ 学风建设：主动积极听课，把心留在教室里， 认真独立完成作业 端正态度，不要有投机取巧的侥幸心理 处理好课程学习和出国准备的矛盾
※ 教师有关联系信息 姚敏玉 东主楼11区410 62772370 yaomy@ee.tsinghua.edu.cn 张洪明 东主楼11区409 62772370 zhhm@tsinghua.edu.cn
不仅是要了解我们的宇宙，而且也致力于制造有用、有
时也是激动人心的事物。”
电子学－研究电子作为信息和能量载体的科学
光子学－研究光子作为信息和能量载体的科学 光子技术－ 相干光的产生
相干光的控制
激光原理 （48学时） (调制、偏转) 光电子技术
光频率（波长）变换
相干光的检测及应用
电子技术光与电是“兄弟”，光只是波长更短的电磁波
能级简并度
说明：
1. SPE,STA,STE 三种过程同时存在，只是有强弱差别
2. 两种辐射比较 (热平衡情况下)
答案：SPE（自发辐射）占绝对优势
I sp n2 A21hn I ste n2 B21n hn
T=1500K,l=500nm 空腔
I ste B21 c3 1 n n hn kT 2 109 I sp A21 8hn 3 e 1
• 勤奋，善于学习，抓住机遇，把握科学前沿。 • 大胆设想, 勇于创新，勇于实践,锲而不舍。
激光的发明使光学领域的研究出现新的活力。激光一方面 为成熟的领域中现有的各种应用技术带来数量级的改善， 另一方面又开辟了一些新的领域和新的应用和新学科。
• 全息术－D.Gaber，不实用技术 成为可能
• 光通信－室温工作的双异质结半导体激光器和掺铒光纤 放大器带来了光通信的革命性变化 • 国防安全
W12 B12 n
W21 B21n
n
－单色能量密度 (J· -3·s) m
8n 2 hn n 3 hn c e KT 1
B12 and B21 为受激吸收和受激辐射跃迁系数，常数
B12和B21的大小只与物质本身性质有关，与外界辐射 场无关 受激辐射几率与辐射场的强度 成正比
第一讲 序言 激光发展历史 激光基本原理概述
光和物质相互作用的三种过程 光的受激辐射放大 自激振荡器
作业：1-2, 1-3, 1-6
2005年－国际物理年 World Physics of the year
（联合国通过大会决议）
“爱因斯坦年”（德、英等国直接命名）
恰逢爱因斯坦逝世50周年
1905年是科学史上较为特殊的一年，创造奇迹的一年。
当时默默无闻的爱因斯坦（26岁）发表的5篇论文（涉及
光电效应、布朗运动和狭义相对论）彻底改变了传统的物
理学，也为造福后世的诸多技术奠定了基础。
2005国际物理年的意义
－负有帮助物理学在21世纪重振雄风的重任
学好数理化，走遍天下全不怕
电子、生物和经济等新兴学科的吸引力 ↑ 主宰上世纪发展的科学界，正在缓慢而又令 人痛苦地衰落，有青黄不接的危机。(法新社)
h
E2
hn E1
受激辐射的光子具有完全相同的相位、偏振态和传输 方向 受激吸收几率 W12 受激辐射几率 W21
dn12 1 W12 dt sta n1
dn21 1 W21 dt ste n2
W12 B12 n
W21 B21n
Ruby laser 694.3nm
Flash lamp
发光粒子－铬离子 (Cr3+) 泵浦光源－闪光灯, 其作用是实现铬离子反转分布 光谐振腔－两平面反射镜，实现光反馈，使受激辐射 光放大形成激光
Journal of Applied physics (JAP) 2.281 IEEE Photonic technology Letters (PTL) Journal of Lightwave Technology (JLT)
IEEE Journal of Quantum Electronics (JQE)
hn
自发辐射几率(Spontaneous transition rate) A21
－能级21 跃迁的特征参数
A 21
dn 21 1 dt sp n 2
A21 1
s
E2能级平均寿命
推导 A21 and s 的关系式
E2 hn E1
dn2 dn21 n2 dt dt s
§1.3 激光产生的基本原理（概述）
激光产生的条件: (1) 粒子数反转分布 (2) 增益 > 损耗 即自激振荡的阈值条件
以红宝石激光器 (Ruby Laser) 为例
Flash lamp External mirror External mirror Partly transmission
Output beam hn
§1.2 光的受激Fra Baidu bibliotek射（Stimulated Emission)
一、光和物质 (原子、分子、离子，统称粒子)
相互作用的三种过程
E2 hn E1 E2 hn E1 E2 hn E1 2hn
自发辐射(SP)
(Spontaneous Emission)
受激吸收(STA)
受激辐射(STE)
(Stimulated absorption) (Stimulated Emission)
hn hn e KT 1
玻尔兹曼分布
黑体辐射分配到 腔内每个模式的 平均能量
dn21 dn dn 21 12 dt sp dt st dt sta
A21n2 B21n n2 B12 n n1
光电子学是汇集光子学、电子学、光子技术与电子技 术的一门学科
一些相关的重要学术刊物 (SCI收录期刊）
Nature Science
Physics Review Letters (PRL) 6.017
Applied Physics Letters (APL) 4.207
Optics Letters (OL) Optics Express (OE) 3.395 3.219 2.1
英文参考书：
Amnon Yariv “Introduction to Optical Electronics ” Anthony E. Siegman “ Lasers” Orazio Svelto “Principles of Lasers” 1998年 （第四版） 中文参考书： 邹英华 孙陶亨 《激光物理学》北京大学出版社
Joseph T. Verdeyen “Laser Electronics” 1995年（第三版）
伍长征 王兆永等 《激光物理学》复旦大学出版社
第一章
激光基本原理概述
• 按激光工作物质分类：
固体激光器、气体激光器、半导体激光器、 液体（有机染料）激光器 • 一般激光器的三个主要组成部分：
激光工作物质、光学谐振腔、激励能源
n2 f E E1 2 exp 2 n1 f1 KT
n
A21 1 B21 B12 f1 hn e kT 1 B21 f 2
f1=f2
爱因斯坦关系
A21 8hn 3 nn hn 3 B21 c B12 f1 B21 f 2
B12 B21 W12 W21
dn2 dn21 A21n2 dt dt sp
dn 1 A21 21 dt sp n2
n2 n20e t / s
A21 1
s
n2 n20e
A21t
• 在自发辐射过程中，E2 能级上粒子随时间按指数衰减 • 自发辐射几率A21与自发辐射（能级）寿命s呈倒数关系
21世纪是否会出现 第二个爱因斯坦？
物理宏观领域：宇宙学的一些基本问题，如暗物质、暗 能量的来源、组成和性质。 物理微观领域：人类对物质组成的认知还需要更为深入 物理学发挥“用”的功能：研究繁杂系统，让物理学为 能源、材料、信息和环境问题提出解决方案及与其他学 科的交叉和渗透。 《Nature》杂志社论： “在下一次(物理学理论)革命前 ，物理学的主要成就将出现在工程领域。正在从事这方 面工作的物理学家如果保持沉默，是可耻的……物理学
• s 可以通过实验测得，由 A21 =1/s可获得自发辐射几率
• A21只决定于物质本身性质，与辐射场n无关
• 受激跃迁
受激吸收 stimulated absorption (STA) 受激发射 stimulated emission (STE) 受频率为 n E2 E1 的光场作用
0字班激光原理成绩统计
6
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> 90
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> 80 > 70 > 60 < 60
47
1字班激光原理最终成绩统计
5 15 11 >90 >80 >70 >60 <60
28 19
激光发展的历史回顾
LASER -- Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
1954：美国汤斯(C.H.Townes) 前苏联巴索夫(N.G.Basov) 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(Towns)与肖洛(A.L.Schawlow)
提出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 1960.7：美国休斯公司实验室梅曼(T.H.Maiman)
世界上第一台红宝石固态激光器诞生
1997: 朱棣文、菲利普(W.Phillips)和塔罗季 （C.Tannoudi) 利用激光冷却和钳制原子的研究 2000: 赫伯特· 克雷歇尔（H.Pressel），提出了双 异质结构，实现半导体激光器室温工作。
追寻成功者的足迹，给人必要的启迪
• 任何一项发明都是一批科学家前仆后继，大胆探索的结果,