激光物理学

激光物理学研究受激发射和光学反馈如何结合产生相干、定向、单色光。

Definition

研究在光学谐振腔内放置具有粒子数反转的增益介质，通过受激发射放大光以产生相干、定向、窄带光束的原理。

Scope

激光物理学是光学领域中关注通过受激发射产生相干光的学科。它涵盖了光与物质通过爱因斯坦系数进行的量子相互作用，在泵浦介质中产生粒子数反转和光增益，光学谐振腔在提供反馈和选择模式方面的作用，激光振荡器的阈值和稳态运行，主要的激光器类别及其运行模式，包括连续波和脉冲（Q开关和锁模）输出，以及激光束的空间结构。它为科学、工业和医学中使用的激光器提供了物理基础。

Sub-topics

• gaussian beams and beam optics
• laser types and operation
• optical resonators and cavity modes
• stimulated emission and optical gain

Core questions

• 受激发射如何产生光增益？
• 达到并维持激光振荡需要哪些条件？
• 谐振腔如何塑造输出的光谱和空间特性？
• 主要类型的激光器及其脉冲产生方法有何区别？

Key concepts

• 受激发射
• 粒子数反转
• 光增益
• 泵浦
• 光学谐振腔
• 激光阈值
• 纵模和横模
• 相干性和单色性

Key theories

受激发射和爱因斯坦系数

爱因斯坦对吸收、自发发射和受激发射的处理关联了它们的速率，并表明受激介质可以相干地放大光，这是所有激光器的基本原理。

激光振荡：增益、反馈和阈值

当粒子数反转介质产生的往返增益与谐振腔损耗平衡时，就会发生激光振荡；超过此阈值，自持的相干振荡会在腔模中建立起来。

谐振腔模式结构

光学谐振腔对场施加离散的纵向频率和横向空间模式，决定了激光的线宽、光束轮廓和相干性。

Clinical relevance

激光在医学中广泛应用，用于外科手术中切割和凝固组织，眼科中的光凝和屈光矫正，皮肤科和美容治疗，以及作为诊断成像和光谱分析的光源，其精确、相干的输出能够实现受控的能量传递。

History

爱因斯坦于1917年提出了受激发射，但直到20世纪50年代由汤斯及其同事发明了微波激射器（maser），才实现了相干放大。沙洛和汤斯于1958年概述了光学激光器，而迈曼于1960年操作了第一个工作的激光器（红宝石装置），开创了该领域。

Key figures

• Albert Einstein
• Charles H. Townes
• Arthur L. Schawlow
• Theodore H. Maiman

Seminal works

• siegman1986
• svelto2010

Frequently asked questions

激光与普通光有何不同？

激光具有高度相干性、近乎单色性，并以明确的定向光束发射，因为它源于受激发射进入少数几个谐振腔模式，而不是来自许多方向和波长上的独立自发发射。

激光为何需要谐振腔？

谐振腔使光多次穿过增益介质，通过重复的受激发射使场增强，并选择维持振荡的特定频率和光束形状。