激光原理教案第1章
激光原理 讲义
第一章 光学谐振腔理论光学谐振腔是激光器不可缺少的组成部分。
它的作用是提供激光振荡所必需的负反馈，选择振荡模式，并且为激光输出腔外提供一定的耦合。
本章主要研究开放式光腔。
这类光学谐振腔通常由线度有限的两面光学反射镜相距一段距离共轴放置而形成。
与微波波段的封闭式谐振腔相比较，光学开腔敞开了侧面边界，以降低振荡的本征模式数目。
两面反射镜之间的轴向距离，称为腔长。
腔长远大于波长，也远大于反射镜的线度，一般为厘米或米的量级。
一面反射镜的反射率尽量接近１，以减小能量的损失，另一方面反射镜具有适当的透过率，以便能够输出一定的能量。
对于开腔式光腔的处理方法主要有两种，一种是建立在衍射理论基础上的，另一种是建立在几何理论基础上的。
为了对谐振腔理论有个较全面的理解，本章对那些不能用几何光学理论研究的谐振腔，则以方形对称共焦腔为例，采用衍射理论进行研究讨论，对于两面球面腔等，采用几何光学理论的处理方法，其中包括一些等效方法。
第一节 光学谐振腔概论如图1－1所示，考虑一个长、宽、高分别为l b a ,,矩形谐振腔中的本征模式，麦克斯韦方程的本征解的电场分量为：t i z t i y t i x p n m p n m p n m e z l p y b n x a m E t z y x E e z l p y b n x a m E t z y x E e z lp y b n x a m E t z y x E ,,,,,,sin cos sin ),,,(sin sin cos ),,,(cos sin sin ),,,(000ωωωπππππππππ---⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛= （1.1－1） 其中波矢z z y y x x e k e k e k k ++=，lp k b n k a m k z y x /,/,/πππ===（ ,3,2,1,0,,=p n m ），谐振角频率： ()()()222,,////l p b n a m ck c p n m πππω++== （1.1－2）（1．1．1）式表明在x ，y ，z 三个方向上，每一个本征模式的空间分布都是稳定的驻波分布，任意（m ，n ，p ）表征一种空间驻波分布。
光的受激辐射 激光原理及应用 [电子教案]电子
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光的受激辐射激光原理及应用第一章：激光概述1.1 激光的定义激光的中文全称：Light Amplification Stimulated Emission of Radiation 激光的特点：相干性好、平行度好、亮度高、单色性好1.2 激光的产生原理受激辐射：外来的光子与一个束缚电子发生能量交换，使电子从较低能级跃迁到较高能级，成为激发态电子。
激发态电子回到较低能级时，会释放出一个与外来光子频率、相位、偏振方向相同的光子，这就是受激辐射。
激光的放大过程：受激辐射产生的光子与入射光子具有相同的频率和相位，导致更多的束缚电子发生受激辐射，从而实现光的放大。
1.3 激光的应用领域科研领域：光谱分析、激光干涉、激光雷达等。
工业领域：激光切割、激光焊接、激光打标等。
医疗领域：激光手术、激光治疗、激光美容等。
生活领域：激光打印、激光投影、激光视盘等。
第二章：激光器的基本原理2.1 激光器的组成激光介质：产生激光的物质，如半导体、气体、固体等。
泵浦源：提供能量，使激光介质中的电子发生跃迁。
光学谐振腔：限制激光的传播方向，增强激光的放大效果。
输出耦合器：将激光输出到外部。
2.2 激光的产生过程泵浦源激发激光介质，使电子从基态跃迁到激发态。
激发态电子回到基态时，发生受激辐射，产生激光。
激光在光学谐振腔内多次反射，实现光的放大。
输出耦合器将激光输出到外部。
2.3 激光器的类型及特点气体激光器：采用气体作为激光介质，如二氧化碳激光器、氦氖激光器等。
固体激光器：采用固体材料作为激光介质，如钕激光器、钇铝石榴石激光器等。
半导体激光器：采用半导体材料作为激光介质，如激光二极管等。
光纤激光器：采用光纤作为激光介质，具有高亮度、低阈值等优点。
第三章：激光的性质与应用3.1 激光的相干性3.2 激光的平行度3.3 激光的亮度亮度高的特点：可用于激光投影、激光显示等。
3.4 激光的单色性3.5 激光的应用实例激光切割：用于金属和非金属材料的切割加工。
激光原理技术及应用课程设计
激光原理技术及应用课程设计课程设计背景激光技术是一种高科技领域，在光学、电子和物理领域都有广泛应用。
对于工程和科学领域的学生来说，学习激光原理技术及应用课程是非常重要的。
这一门课程设计旨在帮助学生深入了解激光原理和技术，并将所学理论知识应用到现实问题中。
课程设计目的本课程设计的主要目的是：•帮助学生了解激光原理，掌握激光器的构造和工作原理；•培养学生运用激光技术进行实验和研究的能力；•让学生了解激光在工业、医学、通信等领域的应用。
课程设计内容第一章激光器的构造和原理本章主要介绍激光器的构造和工作原理。
包括：•激光器组成结构；•激光器的产生过程；•激光器中的元器件和控制系统；•激光系统的稳定性和调节；第二章激光器的性能和参数本章主要介绍激光器的一些基本性能和参数。
包括：•激光器的输出功率、波长和频率；•激光器的相干性和椭偏率；•激光器的束流性、脉冲宽度、重复频率和功率密度；•激光器的渐变折射率和损耗。
第三章激光在医学、工业和通讯领域的应用本章主要介绍激光在医学、工业和通讯领域的应用。
包括：•激光在医学中的应用，如激光手术、激光切割和激光治疗等；•激光在工业中的应用，如激光加工、激光打标和激光切割等；•激光在通讯领域中的应用，如激光通讯和激光雷达等。
课程设计要求1.学生需要深入研究所分配的主题，并且在规定时间内提交课程设计报告；2.学生需要使用实验室中的激光器进行实验，并且完成实验报告；3.学生需要根据自己的实际情况来选择适当的实验方案。
参考文献1.《激光技术与应用》（第四版）著者：陈世清、徐兆礼;2.《激光物理与技术》著者：刘永杰;3.《激光科学与技术》著者：黄山明、杨卫亚。
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）
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《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）
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《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）
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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
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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
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光的受激辐射 激光原理及应用 [电子教案]电子
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光的受激辐射——激光原理及应用第一章：激光概述1.1 激光的定义1.2 激光的特点1.3 激光的发展历程第二章：光的受激辐射2.1 受激辐射的概念2.2 激光的产生原理2.3 激光的放大原理第三章：激光器的工作原理3.1 激光器的类型3.2 气体激光器3.3 固体激光器3.4 半导体激光器第四章：激光的应用领域4.1 激光在工业中的应用4.2 激光在医疗领域的应用4.3 激光在科研领域的应用4.4 激光在信息技术领域的应用第五章：激光技术的发展趋势5.1 激光技术的创新点5.2 我国激光技术的发展现状5.3 激光技术的发展前景第六章：激光在通信技术中的应用6.1 激光通信的基本原理6.2 激光通信的优势与挑战6.3 光纤通信技术的发展6.4 卫星激光通信的应用前景第七章：激光在材料加工中的应用7.1 激光切割与焊接7.2 激光打标与雕刻7.3 激光烧蚀与表面处理7.4 激光加工技术的创新与发展第八章：激光在生物医学领域的应用8.1 激光手术与治疗8.2 激光诊断与成像8.3 激光生物传感器与检测技术8.4 激光在基因工程与药物研发中的应用第九章：激光在科研与探索中的应用9.1 激光光谱分析与计量9.2 激光加速与粒子物理研究9.3 激光在天文观测中的应用9.4 激光在地球与环境科学研究中的作用第十章：未来激光技术的发展趋势与挑战10.1 激光技术在新能源领域的应用前景10.2 激光技术在智能制造中的应用与挑战10.3 激光技术在国防科技中的应用与发展10.4 激光技术在太空探索与星际通信中的潜在价值重点和难点解析1. 激光的定义与特点：理解激光的特定波长、相干性、平行性、亮度等特点，以及激光与普通光线的区别。
2. 激光的产生原理：掌握激光产生的基本过程，包括受激辐射、增益介质、光学谐振腔的作用。
3. 激光器的工作原理：了解不同类型激光器（气体、固体、半导体）的结构和工作机制，特别是半导体激光器的广泛应用。
激光原理与技术第二版教学设计
激光原理与技术第二版教学设计一、课程概述本课程是针对物理学、光学等相关专业本科生开设的一门课程。
本课程旨在为学生提供激光原理的基础知识，并介绍激光在生产、科研和生活中的应用。
二、教学目标1.掌握激光的物理原理和基本特性。
2.了解激光的产生过程和稳定性控制方法。
3.熟悉激光体系的基本组成和各个元件的功能。
4.熟悉激光在生产、科研和生活中的应用，如激光导航、激光打印、激光切割等。
5.掌握激光的安全使用方法和注意事项。
三、教学内容第一章激光基本概念1.1 激光的概念和产生原理 1.2 激光与常规光的对比 1.3 激光器件的基本构成和分类 1.4 激光器的输出特性和主要参数第二章激光器的产生和控制2.1 激光器的产生过程和驱动方法 2.2 激光器的稳定性控制方法和技术指标2.3 激光工作状态切换和调整方法 2.4 激光器的故障和维护方法第三章激光传输和应用3.1 激光器的输出光束传输和调节方法 3.2 激光器在生产中的应用，如激光打印、切割、焊接等 3.3 激光在科研领域的应用，如激光成像、激光测速等 3.4 激光在生活中的应用，如激光指针、激光治疗等第四章激光安全4.1 激光的辐射和危害 4.2 激光安全规范和控制措施 4.3 激光防护设备和使用注意事项四、教学方法1.手写板书和电子版幻灯片相结合，注重理论和实践的结合；2.运用多媒体技术，展示激光在实际生产和应用中的场景；3.设置互动环节，积极参与学生互动，让学生积极思考和交流；4.分组进行小组讨论和报告，激发学生的主动学习能力；5.开设实验课程，让学生切身体验激光的现象和特性。
五、考核方式1.平时表现：参与讨论、课堂作业、小组报告等（占总分20%）；2.期末考试：闭卷考试（占总分80%）。
六、参考书目1.《激光原理与技术第二版》（沈玉洪、朱蓉蓉主编，电子工业出版社）2.《激光技术与应用手册》（巩田杰等编著，科学出版社）3.《科学美国人》（纪念2015年激光问世50周年专题）。
激光热加工原理 激光原理及应用 [电子教案]电子
激光热加工原理激光原理及应用第一章：激光概述1.1 激光的概念激光的定义激光的特点1.2 激光的产生原理激光的工作原理激光的产生过程1.3 激光的性质激光的单色性激光的方向性激光的相干性第二章：激光热加工原理2.1 激光加热原理激光加热的过程激光加热的机制2.2 激光热加工的特点高能量密度局部加热快速加工2.3 激光热加工的应用范围材料加工生物医学能源领域第三章：激光切割与焊接3.1 激光切割原理及设备激光切割的原理激光切割设备的组成3.2 激光切割的应用金属材料切割非金属材料切割3.3 激光焊接原理及设备激光焊接的原理激光焊接设备的组成3.4 激光焊接的应用金属材料焊接微电子器件焊接第四章：激光表面处理4.1 激光熔覆原理及工艺激光熔覆的原理激光熔覆的工艺参数4.2 激光熔覆的应用改善材料性能修复磨损零件4.3 激光打标原理及工艺激光打标的原理激光打标的工艺参数4.4 激光打标的应用产品标识防伪技术第五章：激光加工技术的未来发展5.1 激光加工技术的发展趋势激光器技术的进步激光加工技术的创新应用5.2 激光加工技术在制造业的应用自动化生产智能制造5.3 激光加工技术在科研领域的应用生物医学研究新材料研究第六章：激光热加工技术在材料加工领域的应用6.1 金属材料加工激光切割、焊接、打标、雕刻在金属加工中的应用激光熔覆技术在改善金属表面性能中的应用6.2 非金属材料加工激光切割、打标在塑料、玻璃、陶瓷等非金属材料中的应用激光雕刻在木材、皮革等材料加工中的应用6.3 复合材料加工激光加工技术在复合材料切割、焊接、打标等中的应用激光加工技术在复合材料结构件制造中的应用第七章：激光热加工技术在生物医学领域的应用7.1 激光切割、焊接在生物医学中的应用激光加工技术在生物医学器械制造中的应用激光加工技术在组织切割、焊接中的应用7.2 激光打标、雕刻在生物医学中的应用激光打标技术在生物医学器械标识中的应用激光雕刻技术在生物医学模型制造中的应用7.3 激光热加工技术在生物组织工程中的应用激光熔覆技术在生物支架制造中的应用激光加工技术在生物医用材料表面改性中的应用第八章：激光热加工技术在能源领域的应用8.1 激光切割、焊接在能源领域的应用激光加工技术在太阳能电池板制造中的应用激光加工技术在燃料电池制造中的应用8.2 激光打标、雕刻在能源领域的应用激光打标技术在能源设备标识中的应用激光雕刻技术在能源器件制造中的应用8.3 激光热加工技术在新型能源材料加工中的应用激光熔覆技术在制备新型能源材料中的应用激光加工技术在能源材料表面改性中的应用第九章：激光热加工技术的环境保护与安全9.1 激光加工技术对环境的影响激光加工技术的环境友好性激光加工技术的环保措施9.2 激光加工技术的安全问题激光加工过程中的安全防护激光加工设备的安全操作9.3 激光加工技术的环保与安全监管激光加工技术的环保法规与标准激光加工技术的安全管理制度第十章：激光热加工技术的创新与发展趋势10.1 激光加工技术的创新新型激光器的研究与应用激光加工技术的集成与自动化10.2 激光加工技术的发展趋势激光加工技术在更多领域的应用激光加工技术与其他制造技术的融合发展10.3 激光加工技术的产业化与商业化激光加工技术的产业化进程激光加工技术的商业化前景重点和难点解析重点环节1：激光的产生原理及过程激光的产生原理涉及到光学、物理学等多个领域的知识，对于理解激光热加工原理至关重要。
第一章 激光的原理及技术基础
激光的原理早在 1916 年已被爱因斯坦发现，但直到 1960 年激光才被首次 成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的， 它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学 科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可 使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果， 从而促进了生产力的发展。
激 励 运 自
发 受 激 受 激
4
E3
辐 射
辐 射
吸 收
E2 E1
常温下， E2是空能级（其 上粒子数很少），故很容易 在E3和E2间形成粒子数反转， 且E2的寿命也很短，由E3经受 激辐射到E2的粒子很快又无 辐射跃迁到E1 。可见，在四 能级工作物质中，使E3与E2间 实现粒子数反转比在三能级 工作物质中容易得多，而且 效率高。
E4
抽 运
自 受
无辐射跃迁 E3 受
发 辐 射
激 辐 射
激 吸 收
E2 E1
激 励
粒子数反转（Population inversion)
通过讨论我们看到，上述体系不可能获得 受激辐射光放大。要想获得这种效应，除非使 体系处于非热平衡态，即设法使处于高能级上 的原子数目多于低能级上的原子数目。这样， 使原子获得正常分布的反转状态，这种分布称 为粒子数反转。
高亮度
普通光源中氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不 相上下 激光的亮度是太阳光的100亿倍甚至更高，被 称为”最亮的光“ 激光的能量密度极大，激光的功率可以集中在 极小的空间范围内，被称为”最快的刀“
高相干性
光的相干性：振动频率相同、振动方向相同、相位差恒定
相干性主要是描述光波各个部分的相位关系
周炳坤激光原理与技术课件第一章 激光的基本原理
1 Lc = cΔt = cτ c = c Δν
τ c 即相干时间。对波列进行
频谱分析的频带宽度：
I (ν0 )
I (ν )
1 Δν = Δt
I (ν 0 ) 2
Δν
Δν 是光源单色性的量度： 1 Lc = cΔt = c Δν
相干时间与频带宽度的关系为：
ν0
ν
（1.1.16）
τ c = Δt =
1 2
cπ ⎛ m 2 n2 q 2 ⎞ ωmnq = ⎜ 2 + 2 + 2 ⎟ η ⎝ 4a 4b l ⎠ 结论：不考虑偏振态的情况下，一组(m、n、q)值 对应一个模，求出(m、n、q)值的数目就可以得到 空腔中的模数
1 2
（二）、波矢空间和模密度 1、波矢空间 ——用 k x 、 y 、 z 作为坐标建立的空间称为波矢空间 k k
2
ν
k=
2π
λ
=
2πνη c
2πη dk = dν c
模密度 nν ——单位体积内在频率ν 处单位频率间隔内的模式数：
Nν 8πν 2η 3 = nν = Vdν c3
（*）
（三）、光子状态相格
光子的运动状态，受量子力学测不准关系制约——微观粒子 的坐标和动量不能同时准确测定，遵循测不准关系：
一维： 三维：
Δk z =
π
l
⎛ 2π ⎞ 且有： k = k + k + k = ⎜ ⎟ ⎝ λ ⎠ 2 ⎛ 2 ⎞ m2 n2 q2 = + 2 + 2 ⎜ 2 ⎜ λ mnq ⎟ ⎟ 4a 4b l ⎝ ⎠
2 2 2 x 2 y 2 z
ν mnq
c ⎛ m2 n2 q 2 ⎞ = ⎜ 2+ 2+ 2 ⎟ l ⎠ 2η ⎝ 4a 4b
激光原理第一章_华中科技大学课件
1.1.1激光发展的历史
– 1913年，玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的 原子结构模型，并因此获得1922年诺贝尔物理学奖； "for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them" – 1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了 受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础； – 1928年，Landenburg证实了受激辐射和“负吸收” 的存在；
1.1.1激光发展的历史
• 突破
– 1958年Schawlow和Townes在Phy. Rev. 上发表论文 “Infrared and Optical Maser”，标志着激光作为一 种新事物登上了历史舞台。 – 1960年5月，休斯实验室的Maiman和Lamb共同研制 的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公 认的世界上第一台激光器。
1.1.1激光发展的历史
• 黎明前的黑暗
– 1900年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此获得 1918年诺贝尔物理学奖； "in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta"
dn21 A21n2dt
• 其中A21为自发辐射爱因斯坦系数，定义为单位时间内n2个高 能级原子中发生自发跃迁的原子数与n2的比值，其物理意义是 每一个处于高能级的原子发生自发跃迁的几率。
1.2激光产生的机理
1.2激光产生的机理
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《激光原理技术及应用》讲义（第一章）王菲长春理工大学光电工程学院2006年12月参考教材：[1]陈钰清，王静环，激光原理，杭州：浙江大学出版社，1992[2]周炳琨，高以智，陈倜荣等，激光原理（第5版），北京：国防工业出版社，2004[3]沈柯，激光原理教程，北京：北京工业学院出版社，1986[4]吕百达，激光光学，成都：四川大学出版社，1992[5]马养武，陈钰清，激光器件，杭州：浙江大学出版社，1994[6]W.克西奈尔著，孙文等译，固体激光工程，北京：科学出版社，2002[7]兰信钜，激光技术，北京：科学出版社，2000[8]朱林泉，朱苏磊，激光应用技术基础，北京：国防工业出版社，2004[9]李湘银，姚敏玉，李卓等，激光原理技术及应用，哈尔滨：哈工大出版社，2004教学计划(64学时) 引言（1学时）1. 发展史，2.特性；3.产生条件；4.分类第一章激光的物理基础（7学时）1. 光波的模式和光子的量子状态2. 相干体积、光子简并度与黑体辐射3. 自发辐射、受激辐射和受激吸收4. 光谱线宽度及谱线加宽理论第二章激光器的基本工作原理（8学时）1. 粒子数反转分布2. 光场与物质互作用的速率方程理论3. 增益系数及增益饱和4. 连续激光器振荡特性5. 激光的尖峰与弛豫振荡6．脉冲激光器工作特性第三章光学谐振腔（8学时）1. 光学谐振腔的构成和作用2. 光学谐振腔的模式及选模技术3. 光学谐振腔的损耗与表征4. 光学谐振腔的几何光学分析5. 光学谐振腔的衍射理论分析6．光学谐振腔的等价腔分析法7．典型光学谐振腔第四章高斯光束的传输变换与控制（8学时）1. 高斯光束的基本性质2. 高斯光束的传输定律3. 高斯光束在光学系统中的变换4. 光束质量评价方法与测量5. 激光光学系统设计第五章典型激光器（8学时）1. 气体激光器2. 液体激光器3. 半导体激光器4．固体激光器第六章激光技术（10学时）1. 调Q技术2. 锁模技术3. 稳频技术4. 非线性光学频率变换技术5．激光放大技术第七章实验（16学时）1.He-Ne激光器频率分裂、偏振及模式竞争实验（2学时）2.He-Ne激光器的模式分析实验（2学时）3.激光谱线宽度测量实验（扫描共焦球面干涉仪法）（2学时）4.激光特性参数测量实验（波长计/光栅光谱仪）（2学时）5.固体激光介质的荧光寿命测量实验（2学时）6.半导体激光器及其参数测量实验（2学时）7.Nd:YAG激光器实验（2学时）8.CO2激光器实验（2学时）9.光纤激光器实验（2学时）10.声光调Q技术实验（2学时）11.电光调Q技术实验（2学时）12.激光倍频技术实验（2学时）13.锁模激光技术（2学时）14.激光测距实验（2学时）15.激光通信技术实验（2学时）16.激光束传输变换实验（2学时）17.稳频激光技术实验（2学时）引言（学时）一、激光的由来Laser（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）即受激辐射放大，1964年钱学森建议命名为“激光”。
二、激光的发展简史1897年，波尔多一中学物理教师布卢什指出两面靠近且平行的镜子间反射的钠黄光线随着镜间距变化而变化。
1897年，布卢什同事法布里和珀罗据布卢什发现的现象发明“法布里-珀罗空腔谐振器”，只要根据波长调整距离，就可以实现光放大。
1912年，丹麦的玻尔提出了受激辐射的理论，认为辐射是量子从一个量子轨道跃迁到另一个轨道时发生的。
1917年，爱因斯坦提出黑体辐射中存在原子的受激辐射的可能。
1928年，拉登伯格在试验上观测到气体放电时由受激辐射造成的负色散效应，证实了爱因斯坦的预言。
1950年，普赛尔试验上实现粒子数反转分布，观察到核自旋系统的反转分布。
1951年，法卜利坎特提出利用粒子数反转分布的物质实现了电磁波放大的设想；汤斯提出受激微波放大。
1954年，汤斯第一次实现了氨分子微波量子振荡器-实现粒子数反转分布-量子电子学诞生。
1958年，汤斯、肖洛提出利用尺度远大于波长的开放式光学谐振腔（F-P腔）实现激光的概念；布隆伯根提出利用光泵三能级系统实现原子数反转分布；巴索夫提出利用半导体制造激光的可能。
1960.5.17美国休斯实验室梅曼研制成世界上第一台激光器（脉冲红宝石）1961年，贝尔实验室He-Ne激光器诞生；第一台调Q激光器诞生；钕玻璃脉冲激光器诞生。
（长光所王之江等人研制国内首台红宝石激光器）1962年，美国三个研究组同时报道了GaAs半导体激光器诞生。
1963年，建立激光的半经典理论（对频率和功率特性进行详细的探讨）；光纤激光器诞生激光器、HF激光器（化学激光器）和Nd:YAG激1964年，Ar3+气体激光器、CO2光器诞生。
（上光所成立）1965年，实现了铌酸锂光参量振荡器，预言了锁模效应的存在。
1966年，第一台固体锁模激光器研制成功，染料激光器诞生。
1970年，准分子激光器研制成功。
1977年，红外波段的自由电子激光器（FEL）研制成功。
1984年，x射线激光器诞生（利弗莫尔国家实验室和普林斯顿大学）。
激光的产生和发展过程中诞生的相关诺贝尔奖：诺贝尔物理学奖1918年德国普朗克-研究辐射的量子理论，发现基本量子，提出能量量子化的假设，解释了电磁辐射的经验定律。
1964年美国汤斯- 微波激射器和激光器的发明；前苏联巴索夫- 用于产生激光光束的振荡器和放大器的研究工作；普洛霍罗夫-在量子电子学中的研究工作导致微波激射器和激光器的制作 1966年法国卡斯特罗提出激光原理1981年美国布隆伯格、肖洛- 激光光谱学与非线性光学的研究1997年美国朱棣文、菲利普斯和法国克昂-塔努吉- 激光冷却和陷俘原子 2000年俄罗斯阿尔弗洛夫发明半导体激光器2005年物理学奖美国约翰．霍尔和德国科奥多尔．亨施对基于激光的精密光谱学发展作出了贡献。
诺贝尔化学奖1999年 美国Ahmed H.Zewail 运用飞秒激光光谱技术通过化学反应观测原子在分子中的运动成为可能2005年日本田中耕一采用激光轰击成团生物大分子，并使其相互完整分离并电离二、激光的特性1.高单色性中心波长λ，线宽为λ∆范围的光，单色性常用λλνν//∆=∆表征。
普通光源：连续/准连续光谱，由各种颜色的光组成，频谱宽度很宽；单色性最好的氪灯：Δλ=4.7×10-3nm激光：单色性高，频谱宽度很窄。
稳频He —Ne 激光器：Δλ=10-9nm 2.高亮度亮度：表征光源定向发光能力强弱的一个重要参量。
光源亮度 B=)/(∆Ω∆∆S P 单位：W/(cm 2.Sr)P ∆--功率，S ∆--光束截面积，∆Ω--光束立体发散角太阳表面亮度是白炽灯的几百倍，激光的亮度是太阳的百亿倍。
3.高相干性（相干长度 L c =C/ν∆）光的相干性：不同时刻、不同空间点上两光波场的相关程度。
沿光束传输方向上小于等于L c 的空间任意两点的广场完全相干。
空间相干性：描述垂直于光束传播方向上各点间相位关系。
时间相干性：描述光束传播方向上各点间相位关系。
普通光源：原子系统发光过程中自发辐射占优势，发出的光频率不是单一的， 偏振方向、传输方向各不相同，位相随机。
单色性最好的氪灯相干长度385cm 。
激光： 受激辐射占优势，辐射出的光与外来激发光子性质完全相同。
激光的相干长度达几十千米。
浙大林强教授---部分相干激光报告 4.高方向性最小发散角受受激辐射机理、谐振腔及衍射极限的限制。
D m λθ≈mrad 半导体激光器的方向性较差，但通过光学系统变换后能改善。
注：上述四个特性可归结为高光子简并度。
三、激光的产生条件1.工作物质（适于产生受激辐射的能级结构）---提供增益放大-核心2.外界激励源---产生粒子数反转分布---内在依据 基本条件3.光学谐振腔-----外部条件 有源腔和无源腔概念四、分类1.气体激光器：He-Ne,CO 2,CO,He-Cd,准分子，Ar 3+,N 22.液体激光器：有机化合物（染料）激光器（如若丹明B ，若丹明6G 等溶于乙醇）和无机化合物液体激光器3.固体激光器；4.半导体激光器；5.化学激光器；6.自由电子激光器7.X 射线激光器五、应用1.能量载体：材料加工、核聚变、高能激光武器、激光手术刀2.信息载体：激光通信、激光全息、激光雷达、激光表演、激光制导、测距六、激光的发展方向第一章 激光的物理基础（ 4 学时）§1 光波的模式和光子的量子状态一、光子的基本性质（光量子理论） 1.光子的能量：νεh =2.光子具有运动质量：22//c h c m νε==（光子的静止质量为零）3.光子的动量：k n mc p ==04.光子具有两种可能的独立偏振态，对应光波场的两个独立偏振方向5.光子具有自旋，且自旋量子数为整数，光子集合服从玻色-爱因斯坦统计规律。
光的波粒二象性→光的运动描述（波动的观点和光子观点） 二、光波的模式和光子的量子状态 〈一〉波动理论角度光的运动服从麦克斯韦方程组，对于给定空间任一点光运动，初始条件和边界条件确定，麦克斯韦方程组有一系列解，任一特解代表电磁场的一种分布，即一种本征振动状态（模式）。
对于封闭体积，这种模式为存在于该体积内的各种不同频率的驻波。
一种光的模式代表具有一定的偏振、一定的传播方向、一定的频率和一定寿命的光波。
对于光在体积V 的各向同性介质中运动可能存在的模式数计算： 1.同偏振、同频率、传播方向不同区分的模式数光源发出的光在各个传播方向上占据（由光源尺寸决定的）立体空间，两个光模式的传播方向至少相差一个平面波的衍射角d /λα= --可分辨。
方向不同的光占有不同的立体空间立体角（立体空间）2/R σ=Ω。
设光源尺寸d ，波长λ，R 处所张的立体角。
取单位孔，则，则π4空间单位体积可分辨模式数为2/4λπ。
体积V 的各向同性介质中可能存在的模式数2. 同方向、同偏振、频率不同区分的模式数在ν-νν∆+内，寿命t ∆的光波列由测不准定理决定的光谱宽度：c l c t //1=∆≈δν，其中c l 为波列长度。
两光波的频率差大于δν时才能在测量中分辨出来。
则ν到νν∆+频率间隔内的光模式数为c l c ννν∆=∆ 3.偏振态不同区分的模式数任意偏振态的单色平面波都可用互相垂直的两个独立线偏振态描述，故偏振态不同区分的模式数有两种。
综上所述，光在体积V 的各向同性介质中运动可能存在的模式数为：V c V c g 322824νπννλπ∆=⨯⨯∆=〈二〉粒子理论角度------海森堡测不准关系 光子——能量，动量，（偏振）；光波——方向，频率光子的动量与坐标间存在海森堡测不准关系：即如果光子坐标测量值越准确，则动量的测量值就越不准确。