第三章线型激光物理(研究生).
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
激光原理第三章ppt课件
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
三、菲涅耳-基尔霍夫衍射积分
u x,y4 ik su x,ye ik 1 c od s
假设: S΄尺寸远大于λ, ρ足够远, 使来自S的光都可以作用于P点
将以上积分用于开腔的两个镜面上的场: 一次渡越后, 镜Ⅱ：u2(x,y)4 ikS1u 1x,ye ik1co dS s q次渡越后, 生成的场uq+1与产生它的场uq之 间满足类似的关系:
2 q 2 q
k L
22q k2ν c
νm nq2q Lc2cL m n2q Lc( -316 )
图(3-4) 腔中允许的纵模数
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六、分离变量法
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二、孔阑传输线
⑤ 均匀平面波入射→自再现模。 ⑥ 空间相干性：开始自发辐射—空间非相干。 ⑦ 无源开腔中，自再现模的实现伴随着能量的衰减； 有源开腔中，自再现模可以形成自激振荡，得到光放大，形
uq 1(x,y)4 ik S 1u qx,ye ik1c odS s
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四、自再现模积分方程
由“自再现”的概念,当q足够大时,除了一个振幅衰减和相
移的常数因子外, uq+1应能再现uq, 即:
大学物理激光ppt课件-2024鲜版
高斯光束定义
传输特性
在垂直于传播方向的平面上，光强分布呈高 斯函数形式的光束。
高斯光束在自由空间中传输时，其光斑大小、 光强分布以及波前曲率半径等参数会发生变 化。
瑞利长度
聚焦特性
高斯光束在传输过程中，光斑大小变化缓慢 的区域称为瑞利长度，它是高斯光束的一个 重要参数。
高斯光束经过透镜聚焦后，焦点附近的光强 分布和光斑大小与透镜焦距、光束腰斑大小 及波长等因素有关。
研究基于量子力学原理的激光技术，如量子点激光器、量子级联激光 器等。
2024/3/28
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未来发展趋势预测
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激光技术的微型化和集成化
随着微纳加工技术的发展，未来激光器将更加微型化、集成化，实现 更高的性能和更广泛的应用。
智能化和自动化
借助人工智能、机，提高激光应用的便捷性和效率。
新型固体材料和新技术的发展为固体激 光器的发展提供了新的机遇和挑战。未 来，需要探索更多具有优异性能的新型 固体材料和新技术，以推动固体激光器 的创新和发展。同时，也需要解决新材 料和新技术的可靠性、稳定性和成本等 问题。
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光纤通信系统中激光技术应用
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光纤传输原理及特点
绿色环保
发展低能耗、低污染、高效率的激光技术，推动绿色环保的能源利用 和产业发展。
跨学科融合
加强激光技术与生物学、医学、材料科学等学科的交叉融合，开拓新 的研究领域和应用前景。
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THANK YOU
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3
激光产生机制
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粒子数反转
通过外界激励使高能级粒 子数多于低能级，实现粒 子数反转分布。
第三章激光器的输出特性
第3章激光器的输出特性前两章由发光的物理基础出发,对激光产生的工作原理进行了研究，对于在激光谐振腔中受激辐射大于自发辐射而导致光的受激辐射放大的过程和条件进行了很详细的讨论，为研究从激光谐振腔中传播，到其在腔外的光束强度与相位的大小与分布，也就是激光的输出特性打下了基础。
激光器作为光源与普通光源的主要区别之一是激光器有一个谐振腔，谐振腔倍增了激光增益介质的受激放大作用长度以形成光的高亮度，提高了光源发光的方向性。
实际上激光的第三个重要特点——高度的相干性也是由谐振腔决定的。
由于激光器谐振腔中分立的振荡模式的存在，大大提高了输出激光的单色性，改变了输出激光的光束结构及其传输特性。
因此本章从谐振腔的衍射理论开始研究激光输出的高斯光束传播特性，激光器的输出功率以及激光器输出的线宽极限。
3.1光学谐振腔的衍射理论2.1节中利用几何光学分析方法讨论了光线在谐振腔中的传播、谐振腔的稳定性问题以及谐振腔的分类。
而有关谐振腔振荡模式的存在、各种模式的花样也就是光束结构及其传输特性、衍射损耗等，只能用物理光学方法来解决。
光学谐振腔模式理论实际上是建立在标量理论的菲涅耳——基尔霍夫衍射积分以及模式再现概念的基础上的，本节用这种方法来讨论光学谐振腔。
3.1.1菲涅耳——基尔霍夫衍射公式惠更斯为了描述波的传播过程，提出了关于子波的概念，认为波面上每一点可看作次球面子波的波源，下一时刻新的波前形状由次级子波的包络面所决定。
菲涅耳引入干涉的概念，补充了惠更斯的原理，认为子波源所发的波应是相干的，空间光场是各子波干涉叠加的结果。
基尔霍夫进一步用格林函数方法求解波动方程，得到惠更斯一菲涅耳原理的数学形式，就是菲涅耳——基尔霍夫衍射公式(3-1)，其意义如图（3-1）所示。
图（3-1）惠更斯一菲涅耳原理设波阵面∑上任一源点'P 的光场复振幅为'(')u P ，则空间任一观察点P 的光场复振幅()u P 由下列积分式计算()'(')(1cos )'4ik ik e u P u P ds ρθπρ-∑=⎰⎰＋ (3-1)式中ρ为源点'P 与观察点P 之间的距离；θ为源点'P 处的波面法线n 与'PP 的夹角； 2k πλ=为光波矢的大小，λ为光波长；'ds 为源点'P 处的面元。
激光原理第三讲
图(1-16) 发光原子相对接收器的运动
要得到接受器收到光的线型函数就要知道发光原子的速度 分布规律， 分布规律，即不同速度原子的概率分布
17
气体运动的麦克斯韦分布
麦克斯韦分布律：单位体积内的原子 或分子 数为n， 或分子)数为 麦克斯韦分布律：单位体积内的原子(或分子 数为 ，则在 沿某方向（朝向接收器方向）具有速度分量在区间为(v 沿某方向（朝向接收器方向）具有速度分量在区间为 z， vz+ dvz)的原子 或分子 数为 的原子(或分子 的原子 或分子)数为
工程光学2》 中讲过， 《物理光学》（ 《工程光学 》 ）中讲过，原子发光形成 物理光学》 的电磁波是有一定长度的振幅按指数规律衰减的波列： 的电磁波是有一定长度的振幅按指数规律衰减的波列：
U = U 0 e cos 2πν 0 t
−t 2τt>0 Nhomakorabea式中 τ 为原子自发辐射的平均寿命，ν 0为余弦函数频率 为原子自发辐射的平均寿命，
1+ v c ν0 1− v c
式中 ν 0 为光源与接收器相对静止时的频率。一般情况下 为光源与接收器相对静止时的频率。一般情况下v 远小于真空光速，并且光源与接收器相对趋近时， 取正 远小于真空光速，并且光源与接收器相对趋近时，v取正 两者背离时， 取负值 取负值。 值；两者背离时，v取负值。上式取一级近似可得
v ν ≈ ν 0 (1 + ) c
若在介质中传播时， 若在介质中传播时，光速应为 c µ ，则此时的频率可写 v 成 ) ν ≈ ν 0 (1 + cµ
15
光的横向多普勒效应
当光源与接收器之间的相对速度在垂直于两者连线方向时， 当光源与接收器之间的相对速度在垂直于两者连线方向时， 此时的频率为
激光原理第三章 华中科技大学课件 光学谐振腔幻灯片课件
开腔内插入光学元件的复合腔； • 对于常用的共轴反射镜腔，当满足前面得到的稳定性条件 0 g1g2 1
时，称为稳定腔；
• 当 g1g 2 0或g1g 2 1 时，称为非稳腔； • 当 g1g 2 0或g1g 2 1 时，称为临界腔；
严格的理论证明，只要满足条件 a2 / L 1 ，则腔 内损耗最低的模式仍可以近似为平面波，而 a2 / L
是光腔的菲涅尔数，它描述了光腔衍射损耗的大小。
3.2.1自由空间中的驻波
沿z方向传播的平面波可以表示为： 沿-z方向传播的平面波为：
e1(z,t) E0 cos 2 (t z / )
发生重叠时的电磁场分布为：
–分别以两个反射镜的曲率半径 为直径，圆心在轴线上，作反 射镜的内切圆，该圆称为σ圆；
–若两个圆有两个交点，则为稳 定腔；
–若没有交点，则为非稳腔； –若只有一个交点或者完全重合，
则为临界腔；
3.2光学谐振腔的模式
• 3.2.1平平腔的驻波
– 均匀平面波近似 一般的开放式光学谐振腔都满足条件：a , L 在满足该条件时，可以将均匀平面波认为是腔内存在 的稳定电磁场的本征态，为平行平面腔内的电磁场提 供一个粗略但是形象的描述；
• 自再现模经一次往返所发生的能量损耗定 义为模的往返损耗，它等于衍射损耗；
• 自再现模经一次往返所产生的相位差定义 为往返相移，往返相移应为2π的整数倍， 这是由腔内模的谐振条件决定的。
3.4.1开腔模式的物理概念
• 孔阑传输线
• 开腔物理模型中衍射的作用
– 腔内会随机的产生各种不同的模，而衍射效应将其中可以实现自 再现的模式选择出来；
激光物理学的基本理论与应用
激光物理学的基本理论与应用激光物理学是一门研究激光的生成、传输、放大、调制和控制等基本理论及应用的学科。
激光技术的成功应用广泛地改变了人类的生活和工作方式，被誉为二十世纪最重要的科学技术进步之一。
这篇文章将介绍激光物理学的基本理论和应用。
一、激光物理学的基本理论1.激光的基本概念激光是一种具有高度定向性、高强度和窄带宽的电磁波。
激光的特点有相干性、单色性、选择性和聚焦性等，是由于激光与其他光源不同的特点。
2.激光的产生原理激光的产生原理是基于电子从低能级到高能级跃迁的过程，形成了一种能量超过发射阈值的光子。
在激光器中，常用的产生激光的方法有：光泵浦，电子束激活，化学反应激发和光化学反应激发。
其中最常用的是光泵浦激光器。
3.激光的放大原理放大即是将激光产生的辐射能量增强，激光的功率输出与放大器的尺寸和材料的物理特性等密切相关。
激光放大原理主要有三种：受激辐射放大、提高光场强度耦合放大和多光子效应放大。
4.激光作用机制激光的作用机制包括：热效应、电离效应、激光微切割、激光微加工和激光光化学等。
其中电离效应可应用于激光制导、光谱分析和人工宝石生长等领域；激光微切割和激光微加工可用于制造薄膜电路、内脏手术和焊接工艺等领域；激光光化学可用于光化学反应器制造和光解腐蚀等领域。
二、激光物理学的应用1.医疗领域激光在医疗领域的应用十分广泛。
手术激光器可用于眼科手术、皮肤美容、血管手术和泌尿科手术等；诊断激光器包括激光血流仪和激光显微镜等；治疗激光器包括激光低能量疗法、激光曝光疗法和激光消毒技术等。
这些激光技术已经极大地改善了医学的治疗效果和患者的生活质量。
2.工业制造激光技术在工业领域的应用十分广泛。
激光切割机可用于金属、木材和塑料等材料的切割和雕刻；激光焊接机可用于制造汽车、电子产品和航空器件；激光三维打印技术可用于制造家具、艺术品和建筑构件等。
这些激光技术已经极大地改善了工业的制造效率和产品的质量。
3.通信技术激光技术在通信领域的应用也十分广泛。
激光光谱学课件 第三章
光谱线的精细轮廓，是由共振辐射场与原子系统（大量有相互作用的原 子）之间相互作用的物理机制所决定的。
注意： （1）光谱线是有大量原子跃迁共同贡献的，原子间有相互作用。
(2）研究谱线的线型和加宽机制对于了解原子结构，消除加宽因素使 线宽减小到最小，都有重要意义。
两类增宽： 非均匀增宽：多普勒增宽，不同速率的原子只对谱
谱线轮廓变宽,中心移动以及线形发生变化. 与干扰原子的密度有关,也就是气体的压力有关,也叫压力增宽.
A 碰撞展宽模型
复杂性: 1) 1906, 洛伦兹 2) 1933 Weisskopf 统计理论 3) 1941 Lindhom 1946 Foley, 绝热碰撞理论 没有完整理论: 原子碰撞谱线的轮廓基本上是洛伦兹的.
多普勒线形为高斯分布 自发辐射线形为洛仑兹线形
Class 4
光学Doppler: 这是由于发光原子精确的分析，需要微观粒子相互作用的守恒定律以及 相对论。分析原子吸收一个光子的过程： 设一个运动速度为 v2的原子处于较高能级2, 它在发射v的光波后下降到能量较 低的能级1,其速度变为v1.
如果原子与共振电磁场相互作用时间很短，设原子与场作用时间 T<<原子寿命。 原子只感受到一个短列余旋波的作用，因而原子有一定宽度。 有分子渡越激光束与辐射场的作用时间来决定.
分析一原子通过一个光强分布均匀的光束的情况。
减少渡越加宽的途径: 有二种方法可以减小飞行时间增宽：或者增 大激光束直径．或者降低温度以减小分子速 度v 。1）增大光束直径,2)降低气体温度. 这二种方法都已在实验上得以证实.
B 弹性碰撞导致谱线的展宽
碰撞没有使得原子发射中断,而使电偶极矩振动的相位 发生变化,碰撞后发射的光波与前的不再相干了.
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n2 A21 n2 B21 n1B12
f1、f2能级E2、E1的简并度
(3.1.7)
于是，联立上面三式可得
c (e 3 8h
3 h kT
B21 B12n1 1 ) 1 A21 B21n2
(3.1.8)代入，并 E2 E1 h
模式密度
受激辐射的相干性
自发辐射：是不受外界辐射场影响的自发过程， 而单个原子的自发辐射的位相是随机的，所以大量原 子的自发辐射场是不相干的。
受激辐射：是在外界辐射场控制下的发光过程。 受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相位、 传播方向和偏振，因此，受激辐射场与入射辐射场属 于同一模式。或者说，受激辐射光子与入射光子属于 同一光子态，特别是大量粒子在同一辐射场激励下产 生的受激辐射处于同一光场模式或同一光子态，因而 受激辐射是相干的。
由于自发跃迁的存在，单位时间内能级E2所减少的粒 子数为： dn2 dn21
dt dt sp
则得
dn2 A21n2 dt
(3.1.6)
t
由此可得 式中
n2 t n20e A21t n20e
A21 1
式中 τ是原子在 E2能级的平均寿命，A21也称为自发跃 迁爱因斯坦系数，它只与原子本身性质有关。
3.
受激吸收跃迁
二能级原子图
两个能级E2和E1，并有E2 - E1 = hν。单位体积内处 于两个能级的原子数分别用n2和n1表示 。
1、受激辐射
处于高能级E2的原子在满足 ( E2 E1 ) h 的辐射场 作用下，跃迁至低能态E1并辐射出一个能量为 h 且 与入射光子完全相同的光子。受激辐射跃迁发出的 光波称为受激辐射。受激辐射跃迁几率为
dn21 1 dn2 1 W21 B21 dt st n2 dt st n2
(3.1.4)
式中, B21为受激辐射跃迁爱因斯坦系数，它只与原子 性质有关。
2、受激吸收
处于低能态E1的一个原子，在频率为 的辐射场作用下 吸收一个能量为 h 的光子，并跃迁至高能态E2，这种 过程称为受激吸收。受激吸收跃迁几率为
第3章 场与物质相互作用的速率方程 理论
激光器的物理基础是光频电磁场与物质的相互作用 (特别是共振相互作用) 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，但是并不意味着,描述激光器的任何特性 时都一定要采用这种理论的全部观点和方法。 正确的做法是：用不同近似程度的理论去描述激光 器的不同层次的特性，每种近似理论都揭示出激光 器的某些规律性，但也掩盖着某些更深层次的物理 现象。
h h c3 B B f 21 12 1 kT kT ( e 1 ) e 1 3 8h A21 B f 21 2
上式对所有T>0都应成立，故当T→∞时，有
可得
f1B12 f 2 B21
A21 8h 3 n h 3 B21 c
(3.1.10)
3.1 受激辐射 受激吸收 自发辐射
光与物质的共振相互作用，特别是这种相互作用中的受 激辐射过程是激光器的物理基础。 3.1.1、黑体辐射的普郎克公式
处于任何温度下的任意一个物体，都能吸收或辐射电磁 波 热激发 如果存在一种物体，它能够完全吸收任何波长的电磁辐 射——黑体
黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率ν的函数，并用单色能 量密度 描述。
3.1.3、爱因斯坦关系式ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
黑体辐射的普朗克公式为 玻耳兹曼常数
8h 1 h 3 c kT e 1 -23 k= 1.38066×10 J/K。
3
(3.1.2)
在热平衡状态，腔内物质原子数按能级分布应服从玻 E 2 E1 耳兹曼分布 n2 f2 e kT (3.1.8) n1 f1 在热平衡状态，n2（或n1）应保持不变，于是有
dn12 1 dn1 1 W 与原子性质有关，与辐射 W12 12 dt st n1 dt st n1 场的单色能量密度 成正比，
W12 B12
将这种关系唯象地表示为：
式中B12为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，只与原子性质 有关。
激光器理论一览表
理论 经典理 论 对电磁场 的处理 麦克斯韦 方程组 对粒子的 处理 适应范围 经典力学 物质对光的吸收和色散现象、 自发辐射及谱线宽度
半经典 理论 量子理 论
速率方 程理论
麦克斯韦 方程组
量子力学 强度特性、增益饱和效应、多 模耦合与竞争效应、模的相位 锁定效应等
对电磁场和物质原子 是在严格地确定激光的相干性 都作量子化处理 和噪声以及线宽极限这些特性 时才是必要的。 量子理论简化式 只能给出激光强度特性，不能 揭示色散（频率牵引）效应
定义为：在单位体积内，频率处于ν附近的单 单色能量密度 位频率间隔中的电磁辐射能量。
黑体辐射的普朗克公式为
8h 3 c3
1 e
h kT
1
(3.1.2)
3.1.2、辐射场和两能级原子之间 的相互作用
爱因斯坦 ——光量子概念
1.
2.
原子的自发辐射跃迁
受激辐射跃迁
E2, n2 E1, n1
3、 自发辐射
处于高能级E2的一个原子 自发地向E1跃迁，并发 射一个能量为 h 的光 子，这种过程称为自发 跃迁
dn21 1 dn2 1 A21 dt sp n2 dt sp n2
(3.1.6)
自发跃迁是只与原子本身性质有关而与辐射场 无关的自发过程 。
激光基本知识
一、激光产生的基本原理
受激辐射与受激吸收
同时存在
光子数增加 光于数减少。
热平衡条件下，n1>n2，此时当
( E2 E1 ) h
受激吸收>受激辐射，故光强减弱。
如果采取诸如用光照、放电等方法使n2>n1,我们称这 种状态为粒子数反转。 此时当频率为 的光束通过发光物质，光强就会得 到放大。这便是激光放大器的基本原理。