光电测试技术激光原理和技术

光的相干性：在不同的空间点上、不同时刻的光波场
的某些特性的相关性
相干体积：
Vc Ac Lc或 Vc Ac c c 式 中 ， c为 真 空 中 的 光 速 ； c =Lc / c是 光 沿 传 播 方 向 通 过
相 干 长 度 Lc所 需 要 的 时 间 ， 称 为 相 干 时 间 。 可以证明：
atoms"
绪论之激光发展史
– 1951年,Townes提出受激辐射微波放大，即MASER的概 念。
– 1954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子数 反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙 背景辐射。Townes由于在受激辐射放大方面的成就获 得1964年诺贝尔物理学奖。
"for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to
– 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；
绪论之激光发展现状
–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。
绪论之激光发展现状
– 更快
• 更高的调制频率：GHz； • 更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecond Laser)；
– 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
– 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；
绪论之ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光理论体系
• 经典理论（Classical Laser Theory）
– 电磁场－麦克斯韦方程组；原子－电偶极振子
– 1962年，GaAs半导体激光器； – 1963年，液体激光器； – 1964年，CO2激光器； – 1964年，离子激光器；
– 1964年，Nd：YAG固体激光器； – 1965年，HCl化学激光器； – 1966年，生物染料激光器；
– 从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到1960年第一台激光 器诞生，其间用了近半个世纪，而实际上却没有太多理论上 的突破，为什么激光器没有早半个世纪诞生？
激光原理和技术简介
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绪论之激光发展史
– 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"
the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser
principle"
绪论之激光发展史
• 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。
绪论之激光发展史
– 1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第一台 四能级固体激光器；
– 1960年12月，Bell实验室的Javan，Bennett和Herriott制成了 第一台氦氖气体激光器；
• 半经典理论（Semiclassical Laser Theory）
– 电磁场－麦克斯韦方程组；原子－量子力学描述
• 量子理论（Quantum Laser Theory）
– 电磁场和原子——二者作为一个统一的物理体系作量 子化处理
• 速率方程理论（Rate Equation Theory）
– 量子理论的简化形式，忽略光子的相位特性和光子数 的起伏特性
Vc
=（
）2
c
c3
2 ( )2
光子简并度n :处于同一光子态的光子数目。
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二、 光辐射的量子理论基础
1、三种跃迁
激光原理和技术简介
1.光子的基本特性
爱因斯坦根据光电效应实验并结合普朗克 能量子假说，提出了光量子理论：
光是一种以光速c运动的光子流，光子和 其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量。 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）之间的关系满足：
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((12))、 、 E m hcE 22h h c2 , ；
绪论之激光发展现状
• 发展
– 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。
绪论之激光发展现状
绪论之激光发展现状
• 激光器的严格理论是建立在量子电动力学 基础上的量子理论，在原则上可以描述激 光器的全部特性；
• 不同近似程度的理论用来描述激光器的不 同层次的特性，每种近似理论都揭示出激 光器的某些特性，因此可以根据具体应用 选择合适的近似理论；
• 本课程主要用到的理论是经典理论和速率 方程。
光 子 具 有 运 动 质 量 ， 但 是 静 止 质 量 为 零 ；
(3)、 Pmn0 c2 h •2 n0 k；
(4)、光子具有两种可能的独立偏振态，对应 于光波场的两个独立偏振方向；
(5)、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数， 是玻色子。（电子的自旋量子数 1，2是费 米子。）
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2.光子的相干性和光子简并度