激光物理学分解.docx
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激光物理学分解
第一章激光的基本概念
§1.1时间相干性和空间相干性
１．相干时间
２．相干面积
３．相干体积
§1.2光波模式和光子状态
１．光波模式
２．光子及其状态
§1.３光与物质的相互作用
１．光与物质相互作用的三过程
（自发辐射 受激吸收 受激辐射）
２．爱因斯坦系数间的关系
３．光子简并度
４．激光器与起振条件
第二章 腔模理论的一般问题
§2.1变换矩阵
１．变换矩阵的基本性质
２．变换矩阵各元素的意义
§2.2腔的稳定性问题
１．稳定性条件
２．等效方法
§2.3腔的本征模式
§2.4腔的损耗
1.平均单程损耗因子
2．光子在腔内平均寿命
3．无源谐振腔的品质因数Q
4．本征振荡模式带宽
第三章 稳定球面腔
§3.1共焦腔的振荡模
§3.2光斑尺寸和等价共焦腔
§3.3衍射损耗及横模选择
§3.4谐振频率，模体积和远场发散角
第四章高斯光束
§4.1厄米高斯光束和拉盖尔高斯光束
§4.2高斯光束的q参数
第五章非稳定腔
§5.1非稳定腔的谐振模
§5.2几何放大率和功率损耗率
§5.3单端输出虚共焦腔的设计
第六章电磁场和物质相互作用
§6.1线性函数
1.定义
2.自然加宽和碰撞加宽N
3.多普勒加宽
4.综合加宽
§6.2速率方程组
1.三能级系统
2.四能级系统
第七章增益饱和与光放大
§7.1发射截面和吸收截面
§7.2小信号增益系数
§7.3均匀加宽工作物质的增益饱和
1.反转集居数的饱和
2.均匀加宽大信号增益系数
§7.4非均匀加宽工作物质的增益饱和
1.加宽大信号增益系数
2.强光作用下弱光的增益系数
第八章激光振荡理论
§8.1激光器的振荡阈值,阈值反转集居数密度
§8.2连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率
§8.3多模激光器
§8.4频率牵引
第九章激光的半经典理论
§9.1处理方法
§9.2密度矩阵
1.定义
2.性质
§9.3集居数运动方程迭代解
1.静止原子的单模理论
2.运动原子的单模理论
3.静止原子的多模理论
4.环形激光器
5.塞曼激光器
第十章激光的量子理论
§10.1辐射场的量子化
§10.2相干态
§10.3相干态的几个性质
§10.4约化密度矩阵
§10.5原子和辐射场的相干作用
§10.6主方程
§10.7振荡阈值和增益饱和
§10.8光子统计
§10.9内禀线宽
§10.10激光场的光强涨落
第十一章相干光学瞬态效应
§11.1二能级系统和辐射场相互作用
§11.2相干瞬态光学过程
§11.3相干双光子过程
激光物理（LaserPhysics）021-
专
课程代码:
319.005.1共济网
课程性质:
专业选修课院
学分数:
3 周学时:
3200092
同济大学四平路
教学目的：
同济
激光是继电光源、X光以后，人类在上世纪六十年代发明的，又一种对人类社会进步带来革命性影响的光源。
由于激光的亮度高、单色性好、相干性好、方向性强等特点，已广泛应用于材料科学、生命科学和信息科学等众多领域的基础和应用基础研究，在医学、工业、信息、军事等领域也都起到不可或缺的作用。
本课程将重在基本概念、物理图象，重在理解和运用；学习以后，得到学以致用的开阔思路，得到不仅知其然，而且知其所以然的乐趣。
33623037
同济大学四平路
教学内容：
33626037
· 激光的基础理论33626038
· 激光的产生和基本原理021-
· 谐振腔48号
· 激光器件共济
· 锁模激光器彰武
· 自由电子激光专
· X光激光彰武
· 相干光学瞬态过程33623039
· 激光光谱网络督察
课
教学和考核方式：
采用多媒体课件教学方法，每周3学时讲课，有些课后将留下若干作业，学期期中和期末进行开卷测验，评定考核成绩。
参考教材：
1．[美]W.克希耐尔著，孙文等译，《固体激光工程》，科学出版社，2002
2．彭惠民等主编，《X射线激光》，国防工业出版社，1997
3．黄世华编著，《激光光谱学原理和方法》，吉林大学出版社，2001
编写者：
周映雪（复旦大学物理系教授）
编写时间：
2003年11月
激光原理》课程教学大纲
课程编码：
5010205
学 分：
4学分
总学时：
64学时
适用专业：
光信息科学与技术
一、课程的性质、目的与任务：
《激光原理》是光信息科学与技术专业的主干专业课，本课程向学生教授激光器的基本原理，培养学生分析解决激光物理问题的能力，特别强调物理概念的深入理解，为今后从事光信息技术科研及开发工作打下良好的专业基础。
二、先修课程：
量子力学、电动力学、热学与统计力学 光学原理 电子技术基础
三、教学基本要求：
了解激光的发现、量子电子学的诞生、激光科学的创立。
光的模式及等价概念，光与物质相互作用过程的几种理论描述方法以及辐射量子理论的主要结论；激光物理的理论形式及适用范围。
理解光的自发辐射、受激辐射和受激吸收的爱因斯坦理论，光谱线的形状和加宽机理，粒子数反转分布，增益特性和速率方程理论，激光器的工作过程，谐振腔的光场运动方程及高斯光束特性，等价共焦腔理论，调Q及锁模原理。
掌握辐射半经典理论，激光阈值条件，连续激光器稳定状态的建立，模式竞争，根据激光工作物质的增益特性分析激光器的震荡条件、模式竞争效应、输出功率及激光放大器增益特性，具有均匀加宽和非均匀加宽谱线工作物质增益饱和行为的差别以及相应的激光器工作特性的差别，腔的稳定条件，腔的衍射理论对共焦腔解析解的结果——高斯光束的性质。
四、教学内容：
（一）辐射理论 16学时
1、光的模式、光子的量子状态 3学时
2、辐射的经典理论 4学时
3、辐射的半经典理论 4学时
4、辐射的量子理论 2学时
5、光谱线形式及加宽 3学时
（二）激光器基本原理 21学时
1、粒子数反转分布 4学时
2、工作物质增益特性及饱和效应 4学时
3、激光器的阈值条件 4学时
4、连续运转激光器稳定状态的建立 3学时
5、激光器的速率方程理论 3学时
6、激光器的频率特性 3学时
（1）激光器的频宽
（2）频率牵引效应
（三）光学谐振腔 14学时
1、光学谐振腔的稳定条件 4学时
2、光学谐振腔的衍射理论 6学时
3、等价共焦腔 4学时
（四）激光理论简介 5学时
1、激光理论的结构和分类 1学时
2、拉姆自洽场方程 2学时
3、宏观电极化强度与密度矩阵的关系 2学时
（五）调Q及锁模原理 8学时
1、调Q原理 4学时
2、锁模原理 4学时
五、教学参考书
1、沈柯编．激光原理教程．第一版.北京：
北京理工大学出版社出版.1986年
2、周炳琨等编．激光原理．第一版，北京：
国防工业出版社出版.1983年
3、邹英华、孙陶亨编著．激光物理学．第一版．北京：
北京大学出版社．1991年
4、OrazioSvelto，Principlesoflasers，NewYork：
PlenumPress，1989
5、JeffHecht,Understandinglasers:
anentry-levelguide,NewYork:
IEEEpress,1994
北京工业大学
“激光原理”课程教学大纲
英文名称：
Principleoflaser
课程编号：
0000246
课程类型：
学科基础必修课
学时：
56学分：
3.5
适用对象：
本科生
先修课程：
《高等数学（I）-1》、《高等数学（I）-2》、《普通物理I-1》、《普通物理I-2》、《光学I》
使用教材：
《激光原理与激光技术》，俞宽新等编著，北京工业大学出版社，1998年3月
参考书：
《激光原理》（第五版），周炳琨等编著，国防工业出版社，2004年8月
一、课程性质、目的和任务
《激光原理》是应用物理专业（光通信与光电子技术）本科生的学科基础必修课，在学习过公共基础必修课《高等数学（I）-1》、《高等数学（I）-2》、《普通物理I-1》、《普通物理I-2》和学科基础必修课《光学I》等课程以后开设。
它又是本专业限选课《晶体光学》、《光电子学》、《光纤通信原理》、《信息光学》和实践环节课程《专业物理实验-1》、《专业物理实验-2》等所必须的先修课。
本课程旨在使学生掌握激光器发光的机理、条件及性质；光学谐振腔及其产生的高斯光束的基本性质；激光巨脉冲技术如调Q技术和锁模技术等基本理论与基本技术。
通过课堂教学和课外作业培养学生分析和解决实际问题的能力，为后续专业课程的学习打下必须的基础，并为学生将来从事光通信与光电子技术的科研、教学和生产等任务打下坚实的基础。
二、课程教学内容及要求
第一章激光基本原理
内容与要求：
光相干性：
理解光源的时间、空间相干性的概念[2]；掌握相干长度、相干时间、相干面积与光源单色性参数的计算[1]。
无源腔损耗：
掌握无源腔平均单程损耗率包括输出、衍射损耗的计算[1]；掌握腔寿命的计算[1]；掌握腔Q值的计算[1]；掌握无源腔内光强的计算[1]。
本征纵模线宽：
掌握无源腔本征纵模的频率间隔与线宽的计算[1]。
菲涅耳数：
掌握谐振腔菲涅耳数计算方法与意义[1]。
光波模式：
理解单色模式密度的概念[2]；理解光波纵模与横模的物理意义[2]；理解光子态与光波模式的关系[2]。
跃迁：
理解自发辐射、受激辐射、受激吸收跃迁的概念及跃迁几率的意义[2]；理解爱因斯坦系数与跃迁几率间的关系[2]。
激光基本知识：
理解激光产生的条件[2]；掌握激光器结构[1]；理解三能级和四能级系统[2]。
激光特性：
理解激光的单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特性[2]。
重点：
光相干性、无源腔损耗、本征纵模线宽、菲涅耳数。
难点：
光相干性、光波模式、无源腔损耗。
第二章辐射场与物质的相互作用
内容与要求：
光学多普勒效应：
掌握多普勒效应的频移计算[1]；掌握表观中心频率与共振速度的计算[1]。
谱线加宽：
理解自然加宽、碰撞加宽、多普勒加宽的机理[2]；
均匀加宽和非均匀加宽：
理解均匀加宽与非均匀加宽概念上的区别[2]。
线型函数：
理解线型函数的概念[2]；掌握均匀加宽的洛伦兹型线型函数与非均匀加宽的高斯线型函数[1]。
速率方程：
理解三能级与四能级系统的速率方程[2]。
激光理论：
了解激光器机理的经典理论、半经典理论、量子理论、速率方程理论[3]。
重点：
表观中心频率、共振速度、线型函数。
难点：
共振速度、线型函数、速率方程
第三章介质对光的增益
内容与要求：
发射截面：
掌握激光介质的发射截面的物理意义与计算方法[1]；掌握有源腔光强计算[1]。
小信号反转粒子数：
理解小信号反转粒子数的意义与计算方法[2]。
大信号反转粒子数：
理解大信号反转粒子数的意义与计算方法[2]。
小信号增益系数：
掌握均匀加宽与非均匀加宽小信号增益系数的计算[1]；掌握小信号增益曲线[1]。
大信号增益系数：
理解均匀加宽与非均匀加宽大信号增益系数的意义与计算方法[2]；掌握均匀加宽与非均匀加宽大信号增益曲线的饱和下降特点[1]。
重点：
小信号增益系数、发射截面。
难点：
大信号反转粒子数、大信号增益系数。
第四章连续激光器的稳态工作特性
内容与要求：
激光阈值条件:
掌握阈值增益系数和阈值反转粒子数的计算[1]；掌握激发参量、振荡线宽、起振模式数的计算[1]。
模式竞争：
掌握模式竞争的概念与规律[1]；理解跳模现象[2]。
激光输出功率：
掌握均匀加宽与非均匀加宽连续激光器中心频率处的输出功率计算[1]；掌握均匀加宽激光器的最佳输出功率计算[1]；理解非均匀加宽气体激光器的兰姆凹陷特点[2]。
频率牵引：
理解频率牵引现象及其产生的原因[2]；掌握均匀加宽激光器的频率牵引参量的定义与计算[1]。
激光器线宽极限：
了解激光器线宽极限概念与规律[3]。
重点：
激光阈值条件、激发参量、振荡线宽、起振模式数、激光输出功率。
难点：
激光输出功率、频率牵引、激光器线宽极限。
第五章光学谐振腔的基本概念
内容与要求：
光学变化换矩阵：
掌握光学变换矩阵的定义、性质和计算[1]；掌握球面镜的光学变换矩阵[1]。
谐振腔稳定性条件：
掌握谐振腔稳定性的条件与判别方法[1]；掌握谐振腔稳定性的证明[1]。
自再现模积分方程：
理解自再现模的概念[2]；理解自再现模积分方程解的物理意义[2]。
谐振腔衍射理论：
了解光学谐振腔的孔阑传输线模型与衍射理论的概念[3]。
重点：
光学变换矩阵、谐振腔稳定性条件。
难点：
光学变换矩阵、谐振腔稳定性条件、自再现模的积分方程。
第六章平行平面腔
内容与要求：
条形镜平行平面腔腔：
理解积分方程的简化方法[2]；理解积分方程的迭代求解方法[2]；理解自再现模的特征[2]。
方形镜平行平面腔：
了解积分方程的简化方法[3]。
圆形镜平行平面腔。
了解积分方程的简化方法[3]。
重点：
条形镜平行平面腔腔。
难点：
方形镜平行平面腔、圆形镜平行平面腔。
第七章稳定球面腔
内容与要求：
方形镜对称共焦腔：
掌握横模参数的意义[1]；掌握腰斑半径、镜面光斑半径的计算[1]；掌握任意位置处的光斑半径及等相位面曲率半径的计算[1]；掌握腔谐振频率、模体积、发散角的计算[1]。
圆形镜对称共焦腔：
掌握横模参数的意义[1]；掌握腰斑半径、镜面光斑半径的计算[1]；掌握任意位置处的光斑半径及等相位面曲率半径的计算[1]；掌握腔谐振频率、模体积、发散角的计算[1]。
一般稳定球面腔：
掌握一般稳定腔的等价共焦腔的计算[1]；掌握平凹腔与对称双凹腔的计算[1]。
重点：
对称共焦腔、一般稳定球面腔、平凹腔、双凹腔。
难点：
一般稳定球面腔。
第八章高斯光束
内容与要求：
高斯光束的基本性质：
掌握高斯光束焦参数与腰斑半径的相互计算[1]；掌握高斯光束任意位置处光斑半径与等相位面曲率半径的计算[1]。
q参数及其传输规律：
掌握高斯光束q参数的定义和计算[1]；掌握高斯光束特性参数间的相互转换[1]；掌握高斯光束q参数的传输规律[1]。
透镜对高斯光束的变换规律：
掌握透镜对高斯光束的变换方法[1]；掌握像高斯光束的焦参数与腰位置的计算[1]。
高斯光束的聚焦与准直：
掌握高斯光束的聚焦、准直方法[1]。
高斯光束的匹配：
理解高斯光束的匹配概念与方法[2]。
重点：
高斯光束的基本性质、q参数及其传输规律、高斯光束各特征参数间相互转换、透镜对高斯光束的变换规律。
难点：
q参数及其传输规律、高斯光束的聚焦与准直、高斯光束的匹配。
第九章调Q技术
内容与要求：
调Q基本原理：
理解调Q激光器的基本思想和原理[2]。
调Q激光器速率方程：
理解调Q激光器速率方程的简化条件与简化结果[2]。
调Q激光器的峰值功率：
掌握调Q激光器最大光子数密度的计算[1]；掌握调Q激光器峰值功率的计算[1]。
调Q激光器的时间特性：
了解调Q激光器的时间特性[3]。
调Q激光器：
了解转镜调Q激光器、声光调Q激光器、电光调Q激光器[3]。
重点：
调Q激光器最大光子数密度、调Q激光器的峰值功率。
难点：
调Q基本原理、调Q激光器速率方程、调Q激光器的峰值功率。
第十章锁模技术
内容与要求：
锁模基本原理；理解锁模激光器的基本思想和原理[2]。
锁模激光器的工作特性：
掌握锁模激光器的峰值功率、重复频率、重复周期、脉宽的计算[1]。
锁模激光器：
了解声光锁模激光器、染料锁模激光器[3]。
重点：
锁模激光器的工作特性。
难点：
锁模基本原理。
三、课程教学基本要求
本课程教学环节主要包括课堂讲授、作业、考试。
课堂讲授：
自制课件、动画，采用多媒体教学。
作业：
每章都有适当数量的习题，目的是使学生能熟练掌握基本概念和基本计算、培养学生分析和解决实际问题的能力。
各章习题数：
第一章6；第二章9；第三章6；第四章9；第五章4；第七章7；第八章7；第九章2；第十章2。
考试形式：
一般采用闭卷笔试，题型可以有单选、填空、证明、计算、简答等。
本课程属于在非考试周的随堂考试。
四、实践环节
与本课程对应的实践环节有《专业物理实验-1》，属于另一课程。
五、学时分配
章
学时分配
合计
讲课
习题课
实验课
上机课
讨论课
考试
1
6
2
8
2
5
1
6
3
4
4
4
5
1
6
5
3
1
4
6
2
2
7
6
2
8
8
5
1
6
9
4
4
10
4
4
复习考试
2
2
4
合计
46
8
2
56
课程定位是使学生掌握激光器的基本工作原理和基本技术，达到能熟练使用常规激光器的目的。
课程的理论课内容由3部分组成：
第一部分为激光器发光机理与性质，第二部分为光学谐振腔，第三部分为激光巨脉冲技术。
课程还为学生开设了17个激光技术专业的实验课和2项课程设计。
通过课堂理论教学和实践环节，培养学生分析和解决实际问题的能力，使学生具备扎实的物理基础，逻辑性强的思维能力和创新精神，培养学生掌握熟练的实验技巧和动手能力，为后续专业课程的学习以及将来毕业后从事有关光电子与光通信领域的科研、教学、开发、生产、销售等工作打下必要的基础。
激光原理与技术
英文名称：
PrinciplesandTechniquesofLaser
课程编号：
EELC3142
总学时：
40（授课40） 学分：
2.5
适用对象：
电子科学与技术专业本科生
先修课程：
普通物理、物理光学
使用教材及参考书：
[1]俞宽新主编，《激光原理与激光技术》，北京工业大学出版社，2001年
[2]周炳琨主编，《激光原理》，国防工业出版社，2000年第四版
[3]陈钰清主编,《激光原理》,浙江大学出版社，1992年
一、课程性质、目的和任务
性质：
专业选修课
目的：
培养掌握较为深入的激光基础原理与技术的高级工程技术人才
任务：
通过课堂学习，使学生掌握激光器的工作原理、工作特性，为进一步的科学研究打下基础
二、课程内容简介
本课程较全面介绍了激光原理与激光技术，主要内容包括：
1. 激光器的发展历史及基本原理；
2. 激光器光学谐振腔理论：
谐振腔的几何理论与衍射理论分析方法；讨论谐振腔的模式特征、高斯光束的传输规律；
3. 辐射场与物质的相互作用：
辐射场与物质互作用的基本物理过程和主要理论方法，讨论激光器增益特性；
4. 连续激光器稳态工作特性：
激光器的振荡模式理论、激光器的工作特性；
5. 激光器控制技术：
模式选择技术、频率稳定技术、Q调制技术、锁模技术等；
典型激光器：
典型激光器的工作原理与结构特点、应用范围；
三、教学基本要求
1．要求同学在学习先修课程的基础上，提前预习、认真听讲；
2．认真完成作业。
通过课堂学习、课后作业，了解激光原理的基本物理概念、物理过程和基本理论。
四、教学内容及要求
第一章激光器的基本原理
1．激光器的发展历史
2．光的相干性、受激辐射的基本概念
3．光的受激辐射放大
4．激光的特性
5．激光的应用
第二章光学谐振腔理论
1．光学谐振腔的基本知识
2．光学谐振腔的几何理论
3．共轴球面腔的稳定性条件
4．开腔模式的物理概念和衍射理论的分析方法
5．共焦腔的模式理论
6．一般稳定球面腔的模式特征
7．高斯光束的基本性质与特征参数
8．高斯光束的传播与变换
9．非稳定腔的模式特征
第三章辐射场与物质的相互作用
1．光与物质相互作用的经典理论
2．谱线加宽与线型函数
3．均匀加宽、非均匀加宽
4．激光器速率方程组
5．均匀加宽物质的增益系数
6．非均匀加宽物质的增益系数
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