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第五章连续激光器的工作特性一、学习要求与重点难点学习要求1．了解激光器速率方程的近似处理；2．掌握激光器振荡阈值条件；3．掌握三、四能级系统的阈值泵浦功率密度；4．理解均匀加宽介质激光器的模竞争，和单纵模振荡；5．理解非均匀加宽介质激光器中的烧孔现象，和多纵模振荡；6．理解单模运转激光器在均匀和非均匀加宽介质两种情形下的输出功率特性，及其影响因素；7．了解蓝姆凹陷，及其应用；8．了解速率方程理论的局限性。
重点1.单模、多模激光器速率方程建立，及其近似方法；2.激光器振荡阈值条件；3.阈值泵浦功率密度，及其影响因素；4.单模运转激光器输出功率特性，及其影响因素；难点1.激光器速率方程的近似处理；2.激光器涉及的效率；3.单模运转激光器输出功率的影响因素；4.蓝姆凹陷及其应用。
二、知识点总结1. 激光器速率方程的特点⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧−−→−⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧-=−−−−→−⎪⎭⎪⎬⎫全填充激活介质的有限填充忽略模间耦合受激跃迁几率差别忽略各模的光子寿命、近似方法：主要关心：单模纵模式：近似方法：平面波主要关心：基模横模式：模式：腔内光子寿命正反馈局部损耗光学谐振腔：近似影响腔内光子数R R dt d τϕϕτ ⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-∆=∆+-∆-∆-∆-=∆⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-∆=∆-∆-∆-=∆ϕτϕϕηηϕηϕτϕηϕη)()()(:I )()(:I R R R R R P R R R R P n B V dt d n B A n g g nA n B W n n dt n d n B V dt d nA n B W n n dt n d 112211222112211三能级系统四能级系统速率方程：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧=⎪⎩⎪⎨⎧+⎪⎩⎪⎨⎧++==in outs p P t R t R dP dP S A A S A S S v ηηηηηηνηττδδη激光器斜率效率：＝总量子效率：三能级系统四能级系统激光上能级荧光效率三能级系统四能级系统抽运能级驰豫转移效率泵浦量子效率：泵浦源光子利用率：光学谐振腔效率：效率：212121************:I :I :I :I 2. 激光器阈值特性⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧=⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⋅⋅⋅∆+⋅≈⋅⋅⋅⋅∆⋅⋅≈⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∆-∆+=∆≈∆-∆=≡≡∆−−→−l G r g g g g hn V P L hV V P n n A n n g g W A n n n n A n W L G v v g LhvB V n m P H P a pt P H P a pt t t pt t t t pt t H t dt d δνηηηννπδηηηλνννπηηηδνδϕ/)(//:I :I )()(:I )()(:I )(:),(:002112122130221122100210000111121114泵浦超阈度：三能级系统四能级系统泵浦功率密度：三能级系统四能级系统泵浦速率：增益系数小信号布居反转数密度阈值：上下＝⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧−−→−⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧∆-⋅-≈∆−−→−−−−−→−+∆∆=⎪⎩⎪⎨⎧∆=∆-∆=∆沿轴：多横模几个纵模振荡波腹空域：多纵模振荡频域非均匀加宽沿轴：多横模几个纵模振荡波腹空域烧孔偏移纵模频率向的单纵模振荡靠近均匀加宽纵模数目：非均匀加宽：均匀加宽出光带振荡：烧孔色散压扁增益曲线:::),(log ::H q q H q q mnq os r D os m H os l I G N r q m νννπννδνννννννννν000022211 3. 连续激光器的输出⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧∆≈==∆−−−→−=−−−−→−⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧--=⎪⎩⎪⎨⎧-=-=-⋅⋅⋅⋅==out R s a R n s a R n m so out s opt pt in p R p out t s out P h V n B L V V L V B n y f y r AT I P l G AI P l G T P P v P h P 22222200122218222)()(])exp([)()()(::I max ννππϕδπνϕδκααανηηητνϕ激四能级系统自发辐射的贡献损耗：极限线宽：非均匀加宽：最大输出功率：最佳输出耦合：均匀加宽功率输出：三、典型问题的分析思路1、 振荡纵模式数问题。
Fundamentals of Lasers1.1The Nature of LightIn order to understand how a laser works it will be useful to激光原理基础1.1自然光为了明白一束激光是怎样的工作的这有助于我们阐述目前有关自然光是怎样产生的。
在人类所有的理解能力中想象力无疑是最重要的。
想象力和日升日落的关系可能是人类第一次的科学论述。
Greeks最可能是第一个尝试解释想象力的产生以及由它所引起的有关管自然光的推测。
他们有两部分支持的理论：首先眼睛通过触觉感知到物体这就是所谓的“视觉”。
然后物体本身发射某种物质，这种物质被眼睛搜集形成某种知觉。
这些理论被称作接受发射理论。
17世纪随着试验科学的到来，导致了对视觉理论的放弃，而发射学说却通过其支持者各自的努力得到发展。
这两个发射理论分别是Isaac Newton的微粒学说和Robert Hooke和Chirstian Huygens的波动学说。
甚至在那个时期相当大的试验数据被证实是可能的。
先辈已经教会我们反射和折射。
干涉（尽管直到19世纪早期才有Thomas Y oung）在1665年被Hooke 和Robert Boyle独立的观察并不正式的命名为牛顿环。
同年衍射被Grimaldi观测出来。
4年之后Bartholinus在方解石中发现了双折射。
波动理论最初通过Hooke在一原始的结构上建立，然后通过Huygens的到发展和提炼，波动理论通过折射，反射，双折射得到很好的说明，稍后Huygens断言通过某种方式光会在不同的方向发生偏振。
Huygens把他的解释建立在一个普遍的的规律上，在每束光的前点会表现为二次球面光并通过某种媒介传输，这种媒介称为以太。
此时横波必学在正确的的角度才能在振动方向传播，这种形式在水波中非常常见。
当然也类似于声波那样的纵波。
波在这种方式下其振动方向必须于传播方向一致。
《激光原理与技术》课程教学大纲课程名称：激光原理与技术英文名称：Principles and Technology of Lasers学分：3 总学时：48 理论学时：48 实验（上机）学时：0适用专业：光信息科学与技术专业一、课程的性质、目的本课程是光信息科学专业的重要基础课，激光物理与激光技术基础已经成为现代科学研究、工业、农业、军事。
尤其是光信息应用技术部门的重要内容，是新技术应用的重要基础。
因此，掌握激光原理与激光技术是为从事现代科学研究，开拓新的光信息科学内容打下基础。
二、教学基本要求通过教学过程的实施使学生基本掌握激光形成原理，掌握激光器件的各部件的工作原理，掌握主要的激光技术的基本原理和实施方法。
了解各种激光器件和技术的新进展，培养学生利用专业知识分析问题和解决实际问题的能力，教给学生自己不断获取新知识的方法。
三、课程教学基本内容1．Introductory concepts（本章要求掌握）51.1. Spontaneous and Stimulated Emission, Absorption1.2. The Laser Idea1.3. Pumping Schemes1.4. Properties of Laser Beams1.5. Laser Types2．Interaction of radiation with atoms and ions（本章前三节要求掌握）42.3. Spontaneous Emission2.4. Absorption and Stimulated Emission2.5. Line-Broadening Mechanisms2.6. Nonradiative Decay and Energy Transfer3．Energy levels, radiative, and nonradiative transitions in molecules and semiconductors （本章要求理解）63.1. Molecules3.2. Bulk Semiconductors3.3. Semiconductor Quantum Wells3.4. Quantum Wires and Quantum Dots4．Ray and wave propagation through optical media（本章要求熟练掌握）64.2. Matrix Formulation of Geometric Optics4.5. Fabry-Perot Interferometer4.7. Gaussian Beams5．Passive optical resonators（本章前四节要求掌握）65.2. Eigenmodes and Eigenvalues5.3. Photon Lifetime and Cavity Q5.4. Stability Condition5.5. Stable Resonators5.6. Unstable Resonators7. Continuous wave laser behavior（本章第8节要求掌握其他理解）67.2. Rate Equations7.6. Laser Tuning7.7. Reasons for Multimode Oscillation7.8. Single-Mode Selection7.9. Frequency Pulling and Limit to Monochromaticity7.10. Laser Frequency Fluctuations and Frequency Stabilization8.Transient laser behavior（本章第4、5、6节要求掌握）68.2. Relaxation Oscillations8.4. Q-Switching8.5. Gain Switching8.6. Mode Locking9.Solid-state, dye and semiconductor lasers（本章要求了解）39.2. Solid-State Lasers9.3. Dye Lasers9.4. Semiconductor Lasers10.Gas, chemical, free-electron, and X-ray lasers（本章要求了解）310.2.Gas Lasers11.Applications of Lasers（附加内容，要求了解）3四、课程考核方式本课程为考试课。
国外激光原理经典教材述评摘要：在学习和借鉴发达国家激光原理教材成功经验的基础上，本文选定了国外有代表性的、世界著名大学所用的三本激光原理经典教材为研究对象，通过分析、研究和，对所选教材进行了客观地评价与介绍。
关键词：国外教材：激光原理；激光技术；激光器件；评介教育部南开大学外国教材中心，多年来一直承担全国物理类外国教材的引进、研究评介及交流，积累了一定的外国教材研究工作经验。
曾于1989年出版过《全国高等学校物理类外国教材研究文集》。
2022年1月，该中心正式承担了教育部2022年外国教材研究项目“国外激光原理教材研究评介”。
本文为该课题研究的成果之一。
本文选择国外知名大学三本激光原理教材作为研究对象，并着重对其进行评介分析。
这三本激光原理经典教材分别是：美国斯坦福大学AnthonyE，Siegman教授1986年出版的Lasers~美国佛罗里达中央大学WilliamtSilfvast教授2022年出版的LaserFundamentals(SecondEdition)和意大利米兰理工学院OrazioSvelto教授1998年出版的PrinciplesofLasers(FourthEdition)。
一、《激光(Lasers)》Siegman教授于1957年获得斯坦福大学的电子工程学博士学位起，从事微波电子学、微波激射以及激光器领域的教学和科研工作。
其研究领域包括激光物理、激光仪器和激光应用等方面，最主要集中在激光振荡器及其模式和激光光束的传播上。
《激光》一书，是他全面阐述激光原理的著作，它系统深入地论述了激光的产生、激光原理以及激光应用等基本内容。
本书分为三大部分，共31章。
其中，第一部分为激光物理基础，共13章内容。
具体为：激光引言；受激跃迁——经典振荡模型；实际原子的电偶极子跃迁；原子速率方程；Rabi频率{激光泵浦和粒子数反转；激光放大：激光再放大；线性脉冲传输；非线性光脉冲传输；激光反射镜和再生反馈；激光器的振荡基础；振荡动力学和振荡阈值。
