第21次课激光原理课程总结教程

《激光原理》课程总结物理与光电工程学院丛书林教授第第2121次课：次课：第一章激光的基本原理（一）基本内容：1．相干性的光子描述：光子能量、质量、动量、角动量、偏振性；光模、光子态和相格；相干体积和时间；光模密度和光子简并度。2．自发辐射、受激吸收和受激辐射：单色能量密度；自发辐射、受激吸收和辐射理论描述；自发及受激辐射光的相干性。3．受激辐射的光放大与自激振荡：增益与损耗系数；自激振荡条件。4．激光的四个特性：关于四个特性的描述。（二）基本要求：本章对《激光原理》课程内容做了概括性介绍（不含第二章内容）。要求掌握基本概念和基本关系式。第二章光腔与高斯光束（一）基本内容：1．光腔的基本理论：（1）光腔的结构及分类：按有无边界条件分类：闭腔、开腔和波导腔。按稳定性分类：稳定腔、非稳腔和临界腔。（2）光腔的损耗：四种损耗(几何偏折、衍射、腔镜反射不完全、介质吸收与散射)。（3）单程损耗因子：（4）光腔时间参数(=腔内光子平均寿命)：（5）光腔的品质因素：（6）共轴球面腔的分类及判据：设和,稳定腔:非稳腔:或0；临界腔：或=0（7）自再现模及其理论描述：基本概念与理论。011ln2IIδ=RLtcητδ==/RQEPωωτ==111/gLR=−221/gLR=−1201gg121gg121gg=2．高斯光束：（1）基模高斯光束的基本性质及特征参数：基模高斯光束分布函数、传输规律、特征参量及其计算、q参数及其变换关系。（2）高斯光束的聚焦与准直、自再现变换：腰斑放大率及讨论、角放大率与讨论；利用透镜和球面反射镜实现自再现变换。3．非稳腔：非稳腔的结构、自再现变换、几何放大率和能量损耗。222()00[()arctg]2(,,)()−−+−Ψ=×rwzrzikzRfCxyzewze（二）基本要求：（1）掌握：共轴球面腔的稳定性条件及其判据；高斯光束的基本性质、特征参数以及理论描述，高斯光束q参数的变换规律；高斯光束的聚焦和准直及其理论描述；非稳腔的结构、自再现变换、几何放大率和能量损耗。（2）了解：光腔理论的一般描述，开腔模式的物理概念和理论分析方法。第三章电磁场与物质相互作用（一）基本内容：1．光与物质相互作用的经典理论：自发辐射、受激吸收和辐射、色散现象(电极化强度、极化系数和折射率)、增益系数的理论描述。2．谱线加宽与线型函数：均匀和非均匀谱线加宽及其线型函数理论与计算。3．典型激光器的速率方程：建立三能级和四能级系统粒子数密度和光子数密度满足的速率方程（包括单模和多模情况）。4．均匀和非均匀加宽工作物质的增益系数：均匀加宽工作物质增益系数的计算；反转粒子数饱和及增益饱和;非均匀加宽工作物质增益系数及烧孔效应。图1三能级系统光激发和辐射过程31313131323()dnWnASSndt=−++2323121212121221021212323()(,)v()σνν=+−++=−Δ−++ldnSnWnASWndtnNASnSn131313212121213121()()()dnASnASWnWWndt=++++−+123nnnn++=221112210(,)vσννττ=−−=Δ−llllRlRldNNNnWnWnNdt(3a)(3b)(3c)(3d)(3e)30303030323()dnWnASSndt=−++2323121212121221021212323()(,)v()σνν=+−++=−Δ−++ldnSnWnASWndtnNASnSn(4a)1212121210121()()dnASWnSWndt=++−+030303101030()dnASnSnWndt=++−0123nnnnn+++=221112210(,)vσννττ=−−=Δ−llllRlRldNNNnWnWnNdt图2四能级系统跃迁过程(4b)(4c)(4d)(4e)(4f)（二）基本要求：（1）掌握：自发辐射、受激吸收和辐射、色散现象（电极化强度、极化系数和折射率）、增益系数的理论描述；均匀和非均匀谱线加宽及其线型函数；三能级和四能级系统粒子数密度和光子数密度满足的速率方程；均匀加宽工作物质增益系数的计算；反转粒子数饱和及增益饱和。（2）了解：非均匀加宽工作物质的增益系数、反转粒子数与增益曲线的烧孔效应。第四章激光的振荡特性（一）基本内容：1．激光器的振荡阈值与泵浦功率：自激振荡条件；连续和长脉冲三能级/四能级激光器的泵浦能量与功率；短脉冲三能级/四能级激光器的泵浦能量；自选模作用。2．激光器的输出功率和能量：均匀加宽单模激光器（包括连续、长脉冲和短脉冲激光器）的输出功率与能量；输出功率与反射镜透射率之间的关系；非均匀加宽单模激光器的输出功率。（二）基本要求：（1）掌握：激光器的振荡条件；连续和长脉冲三能级/四能级激光器的泵浦能量与功率及其阈值；均匀加宽单模激光器的输出功率和能量，输出功率与反射镜透射率之间的关系。（2）了解：激光器的自选模作用；非均匀加宽单模激光器的输出功率。第五章激光的放大特性（一）基本内容：1．激光放大器的分类：弛豫过程与时间、纵向和横向弛豫时间、退相(消相)；按时间和工作方式对激光器进行分类。2．均匀激励连续激光放大器的增益特性：输入信号强度对连续激光放大器增益的影响、最大输出光强度、增益引起的谱线加宽。3．纵向光激励连续激光放大器的增益特性：输运方程、激光放大器的小信号和大信号增益特性。4．脉冲激光放大器的增益特性：光子流强度、光子数面密度及其输运方程；脉冲激光放大器的增益特性、输出能量及功率、输出光子数与脉冲宽度。（二）基本要求：（1）掌握：弛豫过程与时间、纵向和横向弛豫时间、退相等概念；按时间和工作方式对激光器进行分类；均匀光激励连续激光放大器的增益特性；纵向光激励连续激光放大器的输运方程、小信号及大信号增益特性，包括基本公式推导。（2）了解：光子流强度、光子数面密度及其输运方程；脉冲激光放大器的增益特性、输出能量及功率、输出光子数与脉冲宽度。考试时间及要求考试时间及要求::时间：时间：20142014--1212--5(5(周五周五))上午上午11--22节节地点：地点：由学校教务处安排（教务处网站发布）由学校教务处安排（教务处网站发布）纪律：纪律：严格执行严格执行//遵守学校考试纪律要求遵守学校考试纪律要求谢谢谢谢!!20142014--1111--1818