1、1授課教師：劉志軍、余學才課程內容課程內容內容安排（64學時，4學分）I.1-4章激光原理部分(32學時) 劉志軍教授II.5-7章激光技術部分(32學時) 余學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 開放光學諧振腔l 第三章 高斯光束及其特性l 第四章 光與物質相互作用及激光器的工作特性l 第五章 調Q技術l 第六章 鎖模技術l 第七章 非線性光學考核方式考核方式1、平時成績考核：作業完成情況和課程設計報告。2、期末考試：閉卷。3、成績比例：期末考試成績：70%，平時成績：30%（作業： 20%，課程設計：10%）。期末考試成績：70%作業：20%課程設計： 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A.Yariv著激光原理 周炳琨等編（第五版） 國防工業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“通過受激輻射的光放大”激光鐳射/雷射日常生活中激光無處不在！激光-光信息與技術領域的科技前沿！激光筆CD可讀機互聯網激光手術激光切割激光武器（物理（物理技術技術產業）產業）Towns建立第一臺微波激射器（建立第一臺微波激射器（maser)1900Planck提出能量子假說提出能量子假說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制成第一臺紅寶石激光器制成第一臺紅寶石激光器1961-652CO激光切割、激光鉆孔激光切割、激光鉆孔.1968-69月球上設置激光反射器；地面與衛星聯系月球上設置激光反射器；地面與衛星聯系1982激光全息術激光全息術80年代年代激光外科手術，通訊、光盤、激光武器激光外科手術，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、半導體激光器，激光光譜，用于大氣污染分析；半導體激光器，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散射實驗散射實驗激光的發明歷史1.1 光量子起源1900年，年，Planck針對針對黑體輻射實驗黑體輻射實驗提出能量子假說提出能量子假說1905年，年，Einstein針對針對光電效應實驗光電效應實驗提出光量子理論提出光量子理論1923年，年，Compton散射實驗散射實驗19世紀末物理學三大著名實驗，催生了光量子和世紀末物理學三大著名實驗，催生了光量子和量子力學的誕生量子力學的誕生!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黑體

5、，簡稱黑體。黑體輻射：由這樣的空腔小孔發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: 處于某一溫度 T 下的腔壁，單位面積所發射出的輻射能量和它所吸收的輻射能量相等時，輻射達到熱平衡狀態。實驗發現：熱平衡時，空腔輻射的能量密度，對輻射的波長的分布曲線，其形狀和位置只與黑體的絕對溫度 T 有關而與黑體的形狀和材料無關。黑體輻射的理論描述低頻與實驗有明顯偏離!1. 維恩（Wein）公式 表示在單位頻率范圍內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）高頻發散，即“紫外災難”!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 普朗克認為：金屬空腔壁中電子的振動可視為一維諧振子，它吸收或者發射電磁輻射能量時，不是過去經典物理認為的那樣可以連續的吸收或發射能量，而是以與振子的頻率成正比的能量子 為單元來吸收或發射能量. h空

7、腔壁上的帶電諧振子吸收或發射能量應為 ), 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：物體吸收或發射電磁輻射，只能以“量子”(Quantum)的方式進行，每個“量子”的能量為 。對 Planck 輻射定律的討論：(1) 當 很大（短

8、波）時，因為 exp(h/kT)-1 exp(h/kT)， 于是Planck 定律 化為 Wien 公式。 (2) 當 很小（長波）時，因為 exp(h/kT)-1 1+(h/kT)-1=(h/kT)，則Planck定律變為 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為單位吸收或發射輻射能量， h稱為Planck常數,則可以從理論上導出Plank公式。h1.1.2 光電效應一 光電效應的實驗規律（1）實驗裝置電流表電壓表高壓直流電源金屬光電陰極陽極電位器光電效應：光照射到金屬上，有電子從金屬上逸出的現象。這種電子稱

9、之為光電子。（2）實驗現象1I2Iim1im2io0UU12II 0U0CsKCu 電流飽和值mi（光強）Ii m0eU 遏止電壓0U ：電子從金屬內部逸出時的最大動能2021mmveU 單位時間逸出的電子數與光強成正比電子從金屬內部逸出時的最大動能與頻率成正比 截止頻率（紅限）00僅當 才發生光電效應，截止頻率與材料有關與光強無關 . 瞬時性當光照射到金屬表面上時，幾乎立即就有光電子逸出 按經典理論，電子逸出金屬所需的能量，需要有一定的時間來積累，一直積累到足以使電子逸出金屬表面為止,與實驗結果不符 .經典理論遇到的困難 紅限問題 瞬時性問題按經典理論，光波能量只與光強和振幅有關，與頻率無關

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h光子的能量為（2） 解釋實驗愛因斯坦光電方程Wmh2mv21 逸出功與材料有關 對同一種金屬， 一定， ，與光強無關WcNhI光強為0hW 光電子的最大光電子的最大初動能初動能愛因斯坦方程021hmh2mv 光強越大，光子數目越多，即單位時間內產生光電 子數目越多，光電流越大.（ 時）0 光子射至金屬表面，一個光子攜帶的能量 將一 次性被一個電子吸收，若 ，電子立即逸出， 無需時間積累（瞬時性）.h0光電效應的應用光電效應的應用光電效應的應用 1）光電管：）光電管： 光電信號轉換

11、光電信號轉換 2）光電二極管：）光電二極管： 固態光電探測器固態光電探測器 3）光電倍增管：）光電倍增管： 由由10-15個倍增陰極組成，增大光電個倍增陰極組成，增大光電 流流104-105 倍，倍， 探測弱光。探測弱光。 4）光電成像器件：（光電導攝象管）將輻射圖象轉換成為可）光電成像器件：（光電導攝象管）將輻射圖象轉換成為可 觀測、記錄、傳輸、存觀測、記錄、傳輸、存儲和進行處理的圖象。廣泛應用于天文學、空間科學、儲和進行處理的圖象。廣泛應用于天文學、空間科學、X射射線放射學、高速攝影等。線放射學、高速攝影等。 5）光敏電阻：）光敏電阻： 用光照改變半導體的導電性能制成。用光照改變半導體的導

12、電性能制成。1.1.3 康普頓散射1）實驗裝置X射線與電子的碰撞實驗1923年，A.H.Compton、吳有訓吳有訓 Univ. of Chicago 2）實驗規律(2) 波長改變量（0）隨散射角增加而增加，原波長0強度隨散射角增加而減小，新波長強度隨散射角增加而增大. (1) 除原波長0外，出現新的波長0(3) 不同元素散射物質，在同一角度下,（0）與散射物質無關，原波長0譜線的強度隨散射物質原子序數的增加而增加，波長譜線的強度隨散射物質原子序數的增加而減小.經典理論遇到的困難按經典理論是按經典理論是X射線的電場迫使散射物中的電子作受射線的電場迫使散射物中的電子作受迫振動，而向周圍輻射同頻率

13、的電磁波的過程。迫振動，而向周圍輻射同頻率的電磁波的過程。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動力：驅動力：tEcos振動方程：振動方程：)cos(tAx 穩定狀態的受迫振動是一個與簡諧驅動力同穩定狀態的受迫振動是一個與簡諧驅動力同頻率的簡諧振動。頻率的簡諧振動。經典理論遇到的困難經典理論遇到的困難光子動量:能量守恒：動量守恒：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（0）與散射物質無關,隨

14、散射角增加而增加，完美解釋實驗！若若 , 則則 ，可見光觀察，可見光觀察不不到到康普頓效應康普頓效應.C00光的波粒二象性：光的波粒二象性：光的本質認識光的本質認識黑體輻射、光電效應：黑體輻射、光電效應：光能量與頻率的關系光能量與頻率的關系康普頓散射：康普頓散射：光動量與波長的關系光動量與波長的關系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性描述光的波動性宏觀干涉、衍射宏觀干涉、衍射光的本質認識光的本質認識波粒二象性的統計解釋：波粒二象性的統計解釋： 光是由具有一定能量、動量的微觀粒子組成的，光是由具有一定能量、動量的微觀粒子組成的，在它們運動的過程中，在空間某處發現它們的概率在它們運動的過程中，在空間某處發現它們的概率卻遵從波動的規律。卻遵從波動的規律。 光既不是經典觀念中的粒子，也不是經典觀念中的波。光既不是經典觀念中的粒子，也不是經典觀念中的波。光既是粒子，又是波。光既是粒子，又是波。單純用單純用波動波動粒子粒子均不能完整地描述光的性質均不能完整地描述光的性質光的波粒二象性：光的波粒二象性：黑體輻射、光電效應：黑體