第1章-激光的物理基础知识讲解
大学物理课件激光
半导体材料及器件结构
01 02 03
半导体材料
半导体材料是指导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。常 见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）以及砷化镓 （GaAs）等。这些材料具有独特的能带结构和电子特性， 使得它们能够用于制造各种电子器件和光电器件。
半导体器件结构
半导体器件结构是指利用半导体材料制成的各种电子器件的 结构形式。常见的半导体器件结构包括二极管、晶体管、场 效应管等。这些器件结构具有不同的工作原理和特性，可用 于实现放大、开关、调制等功能。
受激辐射
原子或分子在外界光场的作用下， 从高能级向低能级跃迁并发射出一 个与入射光子完全相同的光子的过 程。
激光产生条件
粒子数反转
谐振腔
高能级上的粒子数大于低能级上的粒 子数，这是产生激光的必要条件。
激光器中的谐振腔提供了正反馈机制， 使得受激辐射的光子能够在腔内多次 往返并被放大，最终形成稳定的激光 输出。
增益大于损耗
在激光器中，增益介质提供的增益必 须大于各种损耗（如反射、吸收、散 射等）的总和，才能实现光放大并产 生激光。
激光器基本结构增益介质来自提供粒子数反转和光放大的物质， 如气体、液体、固体或半导体等。
泵浦源
为增益介质提供能量，使其实现 粒子数反转的装置，如闪光灯、 激光二极管等。
谐振腔
由两个反射镜组成的光学腔体， 提供正反馈机制并决定激光的波 长、方向性和模式等特性。
激光束质量评价
01
光束发散角
指激光束在传播过程中的发散程度，通常以毫弧度（mrad）为单位。
发散角越小，激光束的准直性越好，能够保持更长的有效照射距离。
02
光束稳定性
指激光束在时间和空间上的稳定性。稳定性越好，意味着激光束在传播
激光入门知识讲解
激光入门知识一、激光产生原理1、普通光源的发光--受激吸收和自发辐射普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。
激发的过程是一个"受激吸收"过程。
处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。
辐射光子能量为hυ=E2-E1这种辐射称为自发辐射。
原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。
由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。
在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。
于是在上、下两个能级上的原子数密度比为N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。
因为E2>E1，所以N2《N1。
例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20℃时，kT≈0.025eV，则N2/N1∝exp（－400）≈0可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。
一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。
2、受激辐射和光的放大由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。
电子能量由主量子数n(n=1,2,…）决定。
但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。
大学物理激光课件讲义
受激辐射
发光前 发光后
。
受激辐射的光放 大示意图
表明 ，处于低能级的电子数大于高能级的电子数， 这种分布叫做粒子数的正常分布.
1 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布
二 激光原理
已知
叫做粒子数布居反转 , 简称粒子数反转或称布居反转.
1 自发辐射
原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级 自动跃迁到低能级 ，这种跃迁称为自发跃迁. 由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.
一 自发辐射 受激辐射
。
发光后
自发辐射
自发辐射
单击添加文本
单击添加文本
2 光吸收
原子吸收外来光子能量 , 并从低能级 跃迁到高能级 , 且 , 这个过程称为光吸收.
2 单色性好
激光的单色性比普通光高 倍.
能量集中
END
相干性好 普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光 , 激光的发光过程是受激辐射, 它发出的光是相干光.
吸收后
。
吸收前
.
受激吸收
3 受激辐射
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
原子中处于高能级 的电子, 会在外来光子 (其频率恰好满足 ) 的诱发下向低能级 跃迁, 并发出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射.
红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石
。
。
全反射镜
半透射镜
红宝石棒
。
脉冲灯
红宝石激光示意图
。
01
02
03
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
04
激光器发展的主要方面
扩展了激光的波长范围.
激光的功率大大提高.
激光器能实现小型化.
激光原理知识点汇总201905
激光原理知识点汇总第一章电磁场和物质的共振相互作用1.相干光的光子描述，光的受激辐射基本概念1)1960年7月Maiman报道第一台红宝石固体激光器，波长694.3nm。
2)光的基本性质：能量ε=hνh: Planck常数，ν :光波频率运动质量m=ε/c2=hv/c2静止质量0动量knhnchnmcp=•===22λππν3)光子的相干性：在不同的空间点、不同时刻的光波场某些特性的相关性相干体积相干面积，相干长度，相干时间光源单色性越好，相干时间越长：相格空间体积以及一个光波摸或光子态占有的空间体积度等于相干体积属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的4)黑体辐射的planck公式在温度T的热平衡下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量1-=kThehEνν腔内单位体积、单位频率间隔内的光波摸式数338chnνπν=Planck公式：11833-==kThechνννπρ单色能量密度，k：Boltzmann常数Bohr定则：νhEE=-125)光的受激放大a.普通光源在红外和可见光波段是非相干光，黑体是相干光黑体辐射的简并度KTnmnmKTnmKTncmKTkThhEn50000,1,110,6.0,3001,60,30010,30,3001)exp(1353=≈=≈==≈==≈==→-==-μλμλμλλννb.让特定、少数模式震荡，获得高的光子简并度21212121338AWABchn===ννρνπρ6)光的自激振荡a.自激振荡概念分数单位距离光强衰减的百自损耗系数)(1)(zIdzzdI-=αdzzIIgzdI)(])([)(..α-=考虑增益和损耗])ex p[()(0zgIzIα-=αααsmsmIgIIIgIg)(1)(0-=→=+=光腔作用: (1)模式选择; (2）提供轴向光波摸的反馈；b.震荡条件等于号是阈值振荡ααα≥→≥-=000)(gIgI sm是工作物质长度llgL...........0δδα≥→=lg0单程小信号增益因子7)激光的特性：单色性、相干性、方向性、高亮性。
《激光》 讲义
《激光》讲义一、激光的基本概念激光，这个在现代科技中熠熠生辉的名词，想必大家都有所耳闻。
但它到底是什么呢？简单来说，激光是一种具有高度单色性、相干性和方向性的光。
我们先来说说单色性。
普通的光，比如太阳光，包含了各种波长，所以呈现出多种颜色。
而激光则几乎只有一个特定的波长，这就使得它的颜色非常纯粹。
相干性又是什么呢？想象一下很多人一起整齐划一地走路，步伐一致，这就是相干。
激光中的光波就像这样，它们的振动频率和相位都高度一致，这让激光具有非常稳定和强大的能量。
方向性就更好理解了。
普通的光源向四面八方发光，能量分散。
而激光几乎是沿着一条直线传播，就像一支笔直的箭，能够精准地到达目标。
二、激光的产生原理激光的产生依靠的是一种叫做“受激辐射”的过程。
在一个充满特定物质（称为“增益介质”）的容器中，这些物质的原子或分子处于不同的能量状态。
当外部能量（比如通过电流或光照）输入时，一些原子会被激发到高能态。
处于高能态的原子并不稳定，它们会想要回到低能态。
而在这个过程中，就会释放出光子。
如果这些光子在传播过程中，又碰到了其他处于高能态的原子，就会引发这些原子也以相同的频率、相位和方向释放出光子，从而实现光的放大。
为了让激光能够稳定地产生，还需要一些辅助的装置，比如谐振腔。
它就像是一个筛选器，只让特定方向和频率的光不断来回反射，增强，最终形成强大的激光束。
三、激光的特性激光具有很多独特的特性，这使得它在众多领域都有广泛的应用。
首先是高强度。
由于激光的能量高度集中，所以可以在很小的区域内产生极高的功率密度，能够用于切割、焊接等加工工艺。
其次是高方向性。
这使得激光可以传播很远的距离而不发散，被用于激光通信、测距等领域。
还有高相干性。
这一特性使得激光在干涉测量、全息摄影等方面发挥着重要作用。
另外，激光的单色性也很有价值。
在光谱分析、医学诊断等领域，能够提供非常精确的信息。
四、激光的应用领域1、工业领域在工业生产中，激光切割和焊接是常见的应用。
第一章 激光的基本原理及其特性
1913年波尔提出了原子中电子运动状态量子化假设。
1917年爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体
辐射的普朗克公式，在推导中提出了两个极为重要地概
念：受激辐射和自发辐射。
（第一章）
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
原子的能级
• 基态
激发态
电子只能处于分立的能级，电磁辐射与物质的相互作用将 导致物质中电子能级的变化，当吸收或辐射能量时，可在 特 定的能级间跃迁；该能量为这两个能级的能量差，并且 该能量差唯一地决定了电磁辐射的频率： ∆Ed t 0
受激跃迁几 率
（第一章）
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
受激吸收的特点
原子的受激吸收几率与外界辐射场的频率有关 原子的受激吸收几率与受激爱因斯坦系数有关 原子的受激吸收几率与外来光辐射能量密度有关
（第一章）
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
光的受激辐射
入射光
h E 2 E 1
(t ) N u 0 e 1 Au 1 1
N u 0e
t
u
u u
Au i
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
自发辐射的特点
原子的自发辐射与原子的本身性质有关，与外界 辐射场无关 自发辐射的随机性，自发辐射光的相位、偏振态 和传播方向杂乱无章
光源发出的光的单色性、定向性很差。没有确定 的偏振状态。
原子数按能级分布
热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布
玻尔兹曼分布律:
N2 N1
e
( E 2 E1 ) kT
高 能 级 低 能 级
物理与电子工程学院
激光物理学的基础知识
激光物理学的基础知识引言激光物理学是研究激光的发生、传输和相互作用过程的学科，是现代光学中的重要分支之一。
激光在现代科技和工业中有广泛的应用，如通信、医疗、制造等领域。
本文将介绍激光物理学的基础知识，包括激光的基本概念、激光的产生原理和特性等内容。
一、激光的基本概念1.1 激光的定义激光是指具有较高的单色性、方向性和相干性的电磁波。
它具有狭窄的频率谱宽度和小的发散角，能够进行远距离传输和聚焦。
1.2 激光的特点激光具有以下特点：•高亮度：激光的光强度高，激光束能够被聚焦成极小的点。
•单色性：激光的频率非常纯净，只有一个狭窄的频带。
•相干性：激光的波前相位具有高度的一致性，可以形成干涉和衍射效应。
•高直线度：激光束的传输路径非常直线，几乎没有散射和吸收损耗。
1.3 激光的分类根据激光的工作介质和工作原理，激光可以分为以下几类：•气体激光：利用气体分子的跃迁能级产生激光，如氦氖激光器、二氧化碳激光器等。
•固体激光：利用固体晶体或玻璃中的杂质离子或激活离子进行激光辐射，如氙灯激光、钕玻璃激光等。
•半导体激光：利用半导体材料的PN结或PN结与金属结合面，通过注入电流激发电子和空穴复合辐射光子，如激光二极管。
二、激光的产生原理2.1 需要的条件产生激光需要满足以下几个条件：•能级结构：激光工作介质中存在能级结构，可以通过能级跃迁来产生激光。
•反转粒子分布：工作介质中的粒子分布需要处于反转态，即高能级粒子数目大于低能级粒子数目。
•反馈机制：在工作介质中形成正反馈，使得光子在介质中多次来回传播，增强激光的放大效应。
2.2 激光的产生过程激光的产生过程包括以下几个步骤：1.激发产生：利用外部能量激发工作介质中的粒子，使其跃迁到高能级。
2.自发辐射：跃迁到高能级的粒子会自发辐射出光子。
3.反射反馈：反射光子返回工作介质中，使得自发辐射的光子受到激发而再次发射。
4.反复放大：光子在工作介质中来回传播，通过受激辐射逐渐增强，形成激光。
第一章 激光基本原理--Part1
• 在物质与辐射场的相互作用中，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发射 或吸收。 • 粒子数反转：能利用受激发射实现光放大 • 受激辐射光子与激励光子具有相同的频率、方向、 相位、偏振态，是相干光。
Einstein
1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受 激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢 原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖； "for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum" 1950年，Kastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实 现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而 获得诺贝尔奖。 "for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms"
1966年研制成了固体锁模激光器获得了超短脉冲。 1970年研制成了准分子激光器。 1977年研制成了红外波段的自由电子激光器 （FEL） 1984年研制出光孤子激光器（SL） 美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员于1992年研 制出当时世界上最小的固体激光器，它在扫描电子显微 镜下看起来就像一个个微型图钉，其直径只有 2 至 10 微 米。在一个大头针的针头上，可以装下1万个这样的新型 半导体激光器。
DARPA built the megawatt-class Alpha HF chemical laser during the 1980s
An electron-beam pumped ArF laser experiment at Sandia National Laboratories (1975, Courtesy Sandia National Labs)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
亮度：光源在传播方向上单位面积、单位立体角内发射的功率
截面为A的光源单色亮度可表示为
Bv
P
Av2
➢ 太阳的亮度：
2103W/(cm2·sr)
➢ 气体激光器的亮度：104～108W/(cm2·sr)
➢ 固体激光器的亮度：107～1011W/(cm2·sr)
2020/6/28
11
例 1. 为 使 He-Ne激 光 器 的 相 干 长 度 达 到 1km， 它 的 单 色 性
2
d
c
~ d 区间内的模式数为
N 1 4 2 2 2 d V
2 c2
c
8 2 c 3 Vd
2020/6/28
18
二、光子状态
1.光子的基本性质 光的量子学说(光子说)认为，光是一种以光速c运动的光
子流。光子（电磁场量子）和其它基本粒子一样，具有能量、 动量和质量等。它的粒子属性(能量，动量，质量等)和波动 属性(频率、波矢、偏振等)密切联系，并可归纳如下：
2020/6/28
15
以kx,ky,kz为 轴 建 立 坐 ,形标 成系 波 矢 空 间 ， 每个模对应波一 矢点 空， 间相 的邻模为 式: 的间
kx x ,
ky y ,
kz
z
kz
k
0
ky
kx
每 个 模 式 在 波 矢有空一间个占体:积 元
3
3
kxkykz
xy z
V
2020/6/28
16
在 波 矢 空 间 ，k的 绝 对 值 处 于k
~
k d
k的
体
积
是1
个
球
壳:
8
1
4
2 kd
k
8
kz
k
dk
所 以 在 此 体 积 内 的 模 式数 为 ：
0
ky
kx
N
π 2 k dk
2 π3 /V
2
2 k dk
π2 V
2020/6/28
17
以频率表示，
频率为
k
2
2
c
d
k
F [E (t) ]0 tcE 0 e i2 0 te i2 td E t00 tce i2 ( 0 )tdt
E0ei2 ( 0 )t
tc 0
i2( 0)
E0[ei2(0)tc 1]
i2(0)
ei(0)tc ei(0)tc
E0 i2(0)ei(0)tc
2020/6/28
3
E 0tcsi[ (n ( 0)0 t)ctc]ei(0)tc
（1）光子的能量ε与光波频率v对应
E 0 t c si( n 0 c ) t c ] e [ i( 0 ) t c
I(ν)I0 si2 n [(ν c ν0)tc]
(3) 线宽:光谱函数峰值一半所对应的两个频率之差
I(0)I0 sin2(c0.45)0.5
π(ν0)tc0.4 π5
0.45 ν1,2 ν0 tc
0.9 1
HeN:e 0.632μ8m 1011μm
1011
太阳光的相干长度：0.6m Kr86灯的相干长度：75cm He-Ne激光器的相干长度：30km
2020/6/28
9
二、方向性与空间相干性
P
S1
1.光源方向性的度量
Δ ——发散角
L
b
2.光源的空间相干性
R S2
✓ 描述某一时刻不同空间位置处的光波场之间的相关程度
tc tc
I() I0
0.5I0
2020/6/28
本质 反映光源的单色性
＝2- 1
1 0 2
4
4. 光源单色性能参数
1)定义
R
0 0
:光源谱线宽度, 0:光源中心频率
:光源波长范围, 0:光源中心波长
证
c
d d
c2
d d
0 0
2020/6/28
5
2、计算
R 0 1 Lc 0tc
第1章-激光的物理基础
3. 相干时间的大小
1 tc
：光源的谱线宽度(线宽)
证： (1)光场函数0<t<tc
0
其它
E E0
0
0：光源的中心频率
2020/6/28
tc t
2
(2)光谱函数:光强随光频变换的函数关系
IF[E(t)]2 F [E (t)]E (t)ei2td t 0
证 1
tc
c 0 0
tc
Lc c
R 0 0 1tcc0L ccL0 c
2020/6/28
6
两束频率为的单色光在空间某一考察点处干涉的强度为
I2I01cos2c
其中，为光程差
频率在0/2～ 0 /2的非单色光在空间某一考察点处 干涉的强度为
I2I01sincc
os2c0
c
2020/6/28
R bmax L Δ
Ac
bm2
ax
Δ
2
——能发生干涉的最大光源宽度 ——光源的相干面积
普通光源：向4立体角发射激光：发散角可达到10-3rad
2020/6/28
10
三、相干性
相干体积：在空间体积Vc内各点的光波场都具有明显的
相干性，则Vc称为相干体积。
表达式： VcAcLcAcccΔ2c
四、高亮度
7
反衬度函数为
sin
V is
c
c
当 时
c
I 4I0
2I0
Vis 0
因此 c
0
——能发生干涉的最大光程差称为相干长度
2020/6/28
8
相干长度：Lc
c
ct
L
tc c
相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需的时间 tc t
Kr 86
0.605μ7m0.47106μm106
以沿z轴传播的平面波为例，则要求：
k 2z q 2 k q
z
结论
x y
➢ 不同的光波模式以不同的波矢k来区分
➢同一波矢k对应着两个具有不同偏振方向的模
2020/6/28
z
14
2.空腔内的光波模式数
设空腔为V xyz的立方体,则波矢k的三个分量
应满足条件:
kx m x
ky
n
y
kz q z 每一组正整数m、n、q对应腔内的一种模式
0应 是 多 少 ？
解：根据相干长度定义，有
Lc
c
,因此
c Lc
。
另一方面，由于 c ,两边微分，
得
c
2
，因此有
c Lc
。
c
Lc
Lc
6.328107 1103
6.3281010
2020/6/28
12
第二节 光波模式和光子状态
一、光波模式：
1.定义：
广义定义：能代表光波场本征振动状态的场分布称为光波模 式，一种光波模式代表具有一定频率、一定偏振 方向、一定传播方向和一定寿命的光波
狭义定义：能够存在于腔内的驻波称为光波模式
单色平面波表示为：
E (r,t) E 0 e i( t k r )
其中
E0：光波电场的振幅
：单色平面波的角频率
k:
波矢量
r:
空间位置坐标
2020/6/28
13
在自由空间，具有任意波矢k的单色平面波均可存在。 问题：在有边界条件限制的空间，K的取值是否连续？