激光理论

[拼音]：jiguang lilun

[外文]：laser theory

专门研究有关激光的产生、振荡、放大、控制、输出特性、传输特性以及激光与物质相互作用规律性的那些理论的综合。按照其理论基础，激光理论可分为三种不同的理论体系，它们分别被称为经典理论、半经典理论以及量子理论。

（1）经典理论。该理论体系的特点，是将激光场看成经典的电磁场而采用麦克斯韦方程组加以描述，将与激光相互作用的物质体系看成是经典谐振子的集合。采用这种理论能较好地解决激光场的空间结构和时－空传输特性等，其最成功之处是建立了光学共振腔理论和激光模式理论。

（2）半经典理论。该理论体系的特点，是将激光场看作是可用麦克斯韦方程组描述的经典电磁场，而将与激光发生作用的物质体系看成是服从量子力学规律的微观粒子（原子、分子、离子或电子）的集合。这种理论能比较好地解决有关激光与物质体系相互作用过程中的许多重要问题，特别是能正确反映那些与激光场波动性有关的现象的规律性；这种理论的局限性，是不能反映与激光场的量子化特性（光子特性）有关的某些现象的规律性，其中包括不能解释与场的量子起伏和物质体系自发辐射行为有关的现象规律性。半经典理论最成功的例证，是解决了有关激光振荡与放大过程中的增益饱和、模式牵引、相位锁定（见激光锁模技术）等基本特性的描述；此外是有关光学媒质在强光作用下的各种非线性电极化效应的描述。

（3）全量子理论。本质上是量子电动力学体系，其特点是，将激光场看成是遵循量子化规律的光子群的集合，将与激光场发生作用的工作物质看成是遵循量子力学规律的微观粒子的集合，在此基础上进而将两者看成是一个统一的体系而加以量子理论处理。这种理论体系的主要优点，是它能对涉及到激光与物质相互作用过程中出现的各种现象与效应，给出严格而又全面的物理描述；其不足之处，是这种理论的数学处理过程过于繁杂而不便求解。基于全量子理论，在一定前提下还可派生出一些往往是十分简洁有用的专门理论。如在忽略量子化激光场的位相特性（或光子数目起伏）的前提下，可简化为速率方程理论，能非常方便地用它来描述激光的产生、振荡与放大等过程中的粒子数输运和激光功率方面的动态特性。

按照所研究的课题内容与对象不同，激光理论又可具体划分为光学共振腔、激光器振荡、激光放大、激光的Q调制与锁模激光调Q技术、激光锁模技术、激光限模技术）等领域。

（1）光学共振腔理论。这是指专门研究各类共振腔的组成、共振波型（模式）结构、腔对振动波型的选择与限制作用的理论。按照它所描述的共振腔基本类型之不同，可分为稳定腔理论、非稳腔理论以及介稳腔理论。按照理论描述出发点之不同，共振腔理论又可区分为衍射自洽场理论、几何光学理论、多光束干涉仪理论以及光波导理论等。

（2）激光器振荡理论。是指专门研究具有光学共振腔的激光振荡器内，有关激光的发生、振荡与输出特性的理论。这一理论所研究的具体课题，主要包括有:激光器振荡的阈值条件、粒子数输运与激光器增益特性、振荡模式之间的耦合与竞争、激光器输出的功率变化特性等。常用的理论处理方法主要有速率方程理论和半经典理论两种。

（3）激光放大理论。是指专门研究激光信号通过激光放大器的行波放大行为特性的理论。所研究的具体课题主要包括有：放大器的增益与增益饱和特性、增益媒质谱线增宽性质的影响，放大过程对入射光信号的频率和时－空结构特性的影响等。所采用的理论方法同激光振荡理论基本相同。

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