1、1授課教師：劉志軍、余學(xué)才課程內(nèi)容課程內(nèi)容內(nèi)容安排（64學(xué)時(shí)，4學(xué)分）I.1-4章激光原理部分(32學(xué)時(shí)) 劉志軍教授II.5-7章激光技術(shù)部分(32學(xué)時(shí)) 余學(xué)才教授掌握激光的工作原理和基本特性l 第一章 激光基本原理l 第二章 開放光學(xué)諧振腔l 第三章 高斯光束及其特性l 第四章 光與物質(zhì)相互作用及激光器的工作特性l 第五章 調(diào)Q技術(shù)l 第六章 鎖模技術(shù)l 第七章 非線性光學(xué)考核方式考核方式1、平時(shí)成績(jī)考核：作業(yè)完成情況和課程設(shè)計(jì)報(bào)告。2、期末考試：閉卷。3、成績(jī)比例：期末考試成績(jī)：70%，平時(shí)成績(jī)：30%（作業(yè)： 20%，課程設(shè)計(jì)：10%）。期末考試成績(jī)：70%作業(yè)：20%課程設(shè)計(jì)： 1

2、0%參考資料參考資料教材：1、自編2、參考書:量子電子學(xué)A.Yariv著激光原理 周炳琨等編（第五版） 國(guó)防工業(yè)出版社第一章第一章 激光基本原理激光基本原理Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation-Laser“通過(guò)受激輻射的光放大”激光鐳射/雷射日常生活中激光無(wú)處不在！激光-光信息與技術(shù)領(lǐng)域的科技前沿！激光筆CD可讀機(jī)互聯(lián)網(wǎng)激光手術(shù)激光切割激光武器（物理（物理技術(shù)技術(shù)產(chǎn)業(yè)）產(chǎn)業(yè)）Towns建立第一臺(tái)微波激射器（建立第一臺(tái)微波激射器（maser)1900Planck提出能量子假說(shuō)提出能量子假說(shuō)19051917Einstein提

3、出受激輻射理論提出受激輻射理論19531958Towns,Shawlow開始研制激光器開始研制激光器1960Maiman制成第一臺(tái)紅寶石激光器制成第一臺(tái)紅寶石激光器1961-652CO激光切割、激光鉆孔激光切割、激光鉆孔.1968-69月球上設(shè)置激光反射器；地面與衛(wèi)星聯(lián)系月球上設(shè)置激光反射器；地面與衛(wèi)星聯(lián)系1982激光全息術(shù)激光全息術(shù)80年代年代激光外科手術(shù)，通訊、光盤、激光武器激光外科手術(shù)，通訊、光盤、激光武器.Einstein提出光量子理論提出光量子理論Maxwell 建立光的電磁理論建立光的電磁理論18601913Borr 提出量子化原子模型提出量子化原子模型激光光譜，用于大氣污染分析；

4、半導(dǎo)體激光器，激光光譜，用于大氣污染分析；半導(dǎo)體激光器，用于激光通訊；用于激光通訊； 激光器，用于激光熔煉、激光器，用于激光熔煉、1923Compton散射實(shí)驗(yàn)散射實(shí)驗(yàn)激光的發(fā)明歷史1.1 光量子起源1900年，年，Planck針對(duì)針對(duì)黑體輻射實(shí)驗(yàn)黑體輻射實(shí)驗(yàn)提出能量子假說(shuō)提出能量子假說(shuō)1905年，年，Einstein針對(duì)針對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)提出光量子理論提出光量子理論1923年，年，Compton散射實(shí)驗(yàn)散射實(shí)驗(yàn)19世紀(jì)末物理學(xué)三大著名實(shí)驗(yàn)，催生了光量子和世紀(jì)末物理學(xué)三大著名實(shí)驗(yàn)，催生了光量子和量子力學(xué)的誕生量子力學(xué)的誕生!黑體：能吸收射到其上的全部輻射的物體，這種物體就稱為絕對(duì)黑體

5、，簡(jiǎn)稱黑體。黑體輻射：由這樣的空腔小孔發(fā)出的輻射就稱為黑體輻射。1.1.1 黑體輻射與Planck的量子論輻射熱平衡狀態(tài): 處于某一溫度 T 下的腔壁，單位面積所發(fā)射出的輻射能量和它所吸收的輻射能量相等時(shí)，輻射達(dá)到熱平衡狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：熱平衡時(shí)，空腔輻射的能量密度，對(duì)輻射的波長(zhǎng)的分布曲線，其形狀和位置只與黑體的絕對(duì)溫度 T 有關(guān)而與黑體的形狀和材料無(wú)關(guān)。黑體輻射的理論描述低頻與實(shí)驗(yàn)有明顯偏離!1. 維恩（Wein）公式 表示在單位頻率范圍內(nèi)黑體輻射的能量密度。dvvTvdvv)exp(300.511.522.533.54x 101401234567x 10-17頻率（Hz）能量密度（J.s/m

6、.3)普 朗 克 分 布瑞 麗 -瓊 斯 分 布維 恩 分 布T=2000kv2.瑞麗-金斯公式（Rayleigh-Jeans）高頻發(fā)散，即“紫外災(zāi)難”!TdkcvdBv328黑體輻射的理論描述00.511.522.533.54x 101401234567x 10-17頻率（Hz）能量密度（J.s/m.3)普 朗 克 分 布瑞 麗 -瓊 斯 分 布維 恩 分 布T=2000k3. Planck公式 普朗克認(rèn)為：金屬空腔壁中電子的振動(dòng)可視為一維諧振子，它吸收或者發(fā)射電磁輻射能量時(shí)，不是過(guò)去經(jīng)典物理認(rèn)為的那樣可以連續(xù)的吸收或發(fā)射能量，而是以與振子的頻率成正比的能量子 為單元來(lái)吸收或發(fā)射能量. h空

7、腔壁上的帶電諧振子吸收或發(fā)射能量應(yīng)為 ), 3 ,2, 1(nnhsJ1063634.h普朗克常量 1)/exp(1833TkhchvB黑體輻射的理論描述Planck公式:全波段與觀測(cè)極為符合!1)/exp(1833TkhchvB黑體輻射的理論描述00.511.522.533.54x 101401234567x 10-17頻率（Hz）能量密度（J.s/m.3)普 朗 克 分 布瑞 麗 -瓊 斯 分 布維 恩 分 布T=2000kPlanck的量子論：物體吸收或發(fā)射電磁輻射，只能以“量子”(Quantum)的方式進(jìn)行，每個(gè)“量子”的能量為 。對(duì) Planck 輻射定律的討論：(1) 當(dāng) 很大（短

8、波）時(shí)，因?yàn)?exp(h/kT)-1 exp(h/kT)， 于是Planck 定律 化為 Wien 公式。 (2) 當(dāng) 很小（長(zhǎng)波）時(shí)，因?yàn)?exp(h/kT)-1 1+(h/kT)-1=(h/kT)，則Planck定律變?yōu)?Rayleigh-Jeans 公式。 (3) Planck假定原子的性能和諧振子一樣，以給定的頻率 v 振蕩；黑體只能以h為單位吸收或發(fā)射輻射能量， h稱為Planck常數(shù),則可以從理論上導(dǎo)出Plank公式。h1.1.2 光電效應(yīng)一 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律（1）實(shí)驗(yàn)裝置電流表電壓表高壓直流電源金屬光電陰極陽(yáng)極電位器光電效應(yīng)：光照射到金屬上，有電子從金屬上逸出的現(xiàn)象。這種電子稱

9、之為光電子。（2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象1I2Iim1im2io0UU12II 0U0CsKCu 電流飽和值mi（光強(qiáng)）Ii m0eU 遏止電壓0U ：電子從金屬內(nèi)部逸出時(shí)的最大動(dòng)能2021mmveU 單位時(shí)間逸出的電子數(shù)與光強(qiáng)成正比電子從金屬內(nèi)部逸出時(shí)的最大動(dòng)能與頻率成正比 截止頻率（紅限）00僅當(dāng) 才發(fā)生光電效應(yīng)，截止頻率與材料有關(guān)與光強(qiáng)無(wú)關(guān) . 瞬時(shí)性當(dāng)光照射到金屬表面上時(shí)，幾乎立即就有光電子逸出 按經(jīng)典理論，電子逸出金屬所需的能量，需要有一定的時(shí)間來(lái)積累，一直積累到足以使電子逸出金屬表面為止,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符 .經(jīng)典理論遇到的困難 紅限問題 瞬時(shí)性問題按經(jīng)典理論，光波能量只與光強(qiáng)和振幅有關(guān)，與頻率無(wú)關(guān)

10、，不能解釋紅限頻率。)/(212132020mJHEW)/(22mWEI 愛因斯坦的光量子論（1） “光量子”假設(shè)h光子的能量為（2） 解釋實(shí)驗(yàn)愛因斯坦光電方程Wmh2mv21 逸出功與材料有關(guān) 對(duì)同一種金屬， 一定， ，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)WcNhI光強(qiáng)為0hW 光電子的最大光電子的最大初動(dòng)能初動(dòng)能愛因斯坦方程021hmh2mv 光強(qiáng)越大，光子數(shù)目越多，即單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生光電 子數(shù)目越多，光電流越大.（ 時(shí)）0 光子射至金屬表面，一個(gè)光子攜帶的能量 將一 次性被一個(gè)電子吸收，若 ，電子立即逸出， 無(wú)需時(shí)間積累（瞬時(shí)性）.h0光電效應(yīng)的應(yīng)用光電效應(yīng)的應(yīng)用光電效應(yīng)的應(yīng)用 1）光電管：）光電管： 光電信號(hào)轉(zhuǎn)換

11、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換 2）光電二極管：）光電二極管： 固態(tài)光電探測(cè)器固態(tài)光電探測(cè)器 3）光電倍增管：）光電倍增管： 由由10-15個(gè)倍增陰極組成，增大光電個(gè)倍增陰極組成，增大光電 流流104-105 倍，倍， 探測(cè)弱光。探測(cè)弱光。 4）光電成像器件：（光電導(dǎo)攝象管）將輻射圖象轉(zhuǎn)換成為可）光電成像器件：（光電導(dǎo)攝象管）將輻射圖象轉(zhuǎn)換成為可 觀測(cè)、記錄、傳輸、存觀測(cè)、記錄、傳輸、存儲(chǔ)和進(jìn)行處理的圖象。廣泛應(yīng)用于天文學(xué)、空間科學(xué)、儲(chǔ)和進(jìn)行處理的圖象。廣泛應(yīng)用于天文學(xué)、空間科學(xué)、X射射線放射學(xué)、高速攝影等。線放射學(xué)、高速攝影等。 5）光敏電阻：）光敏電阻： 用光照改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能制成。用光照改變半導(dǎo)體的導(dǎo)

12、電性能制成。1.1.3 康普頓散射1）實(shí)驗(yàn)裝置X射線與電子的碰撞實(shí)驗(yàn)1923年，A.H.Compton、吳有訓(xùn)吳有訓(xùn) Univ. of Chicago 2）實(shí)驗(yàn)規(guī)律(2) 波長(zhǎng)改變量（0）隨散射角增加而增加，原波長(zhǎng)0強(qiáng)度隨散射角增加而減小，新波長(zhǎng)強(qiáng)度隨散射角增加而增大. (1) 除原波長(zhǎng)0外，出現(xiàn)新的波長(zhǎng)0(3) 不同元素散射物質(zhì)，在同一角度下,（0）與散射物質(zhì)無(wú)關(guān)，原波長(zhǎng)0譜線的強(qiáng)度隨散射物質(zhì)原子序數(shù)的增加而增加，波長(zhǎng)譜線的強(qiáng)度隨散射物質(zhì)原子序數(shù)的增加而減小.經(jīng)典理論遇到的困難按經(jīng)典理論是按經(jīng)典理論是X射線的電場(chǎng)迫使散射物中的電子作受射線的電場(chǎng)迫使散射物中的電子作受迫振動(dòng)，而向周圍輻射同頻率

13、的電磁波的過(guò)程。迫振動(dòng)，而向周圍輻射同頻率的電磁波的過(guò)程。散射線的頻率等于入射線頻率散射線的頻率等于入射線頻率驅(qū)動(dòng)力：驅(qū)動(dòng)力：tEcos振動(dòng)方程：振動(dòng)方程：)cos(tAx 穩(wěn)定狀態(tài)的受迫振動(dòng)是一個(gè)與簡(jiǎn)諧驅(qū)動(dòng)力同穩(wěn)定狀態(tài)的受迫振動(dòng)是一個(gè)與簡(jiǎn)諧驅(qū)動(dòng)力同頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。經(jīng)典理論遇到的困難經(jīng)典理論遇到的困難光子動(dòng)量:能量守恒：動(dòng)量守恒：用愛因斯坦量子理論解釋康普頓散射 光子與靜止電子的彈性碰撞光子與靜止電子的彈性碰撞kpvmppmchcmh022000h0mhv碰撞前碰撞后（1）（2）由（1）和（2）得)2/(sin22c0241. 0/0cmhc 康普頓波長(zhǎng)（0）與散射物質(zhì)無(wú)關(guān),隨

14、散射角增加而增加，完美解釋實(shí)驗(yàn)！若若 , 則則 ，可見光觀察，可見光觀察不不到到康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng).C00光的波粒二象性：光的波粒二象性：光的本質(zhì)認(rèn)識(shí)光的本質(zhì)認(rèn)識(shí)黑體輻射、光電效應(yīng)：黑體輻射、光電效應(yīng)：光能量與頻率的關(guān)系光能量與頻率的關(guān)系康普頓散射：康普頓散射：光動(dòng)量與波長(zhǎng)的關(guān)系光動(dòng)量與波長(zhǎng)的關(guān)系hkphkp hch描述光的粒子性描述光的粒子性微觀能量交換微觀能量交換描述光的波動(dòng)性描述光的波動(dòng)性宏觀干涉、衍射宏觀干涉、衍射光的本質(zhì)認(rèn)識(shí)光的本質(zhì)認(rèn)識(shí)波粒二象性的統(tǒng)計(jì)解釋：波粒二象性的統(tǒng)計(jì)解釋： 光是由具有一定能量、動(dòng)量的微觀粒子組成的，光是由具有一定能量、動(dòng)量的微觀粒子組成的，在它們運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，在空間某處發(fā)現(xiàn)它們的概率在它們運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，在空間某處發(fā)現(xiàn)它們的概率卻遵從波動(dòng)的規(guī)律。卻遵從波動(dòng)的規(guī)律。 光既不是經(jīng)典觀念中的粒子，也不是經(jīng)典觀念中的波。光既不是經(jīng)典觀念中的粒子，也不是經(jīng)典觀念中的波。光既是粒子，又是波。光既是粒子，又是波。單純用單純用波動(dòng)波動(dòng)粒子粒子均不能完整地描述光的性質(zhì)均不能完整地描述光的性質(zhì)光的波粒二象性：光的波粒二象性：黑體輻射、光電效應(yīng)：黑體