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第八章 现代光学基础 8 1原子发光的机理 8 2光与原子相互作用 8 3粒子数反转 8 4光振荡 8 5激光的单色性 8 7激光器的种类 8 6激光的相干性 8 9全息照相 8 10光盘存储技术 内容 8 1原子发光的机理 激光 是光受激辐射放大的简称 通过辐射的受激发射而实现光放大 激光器的种类 气体激光器 1961年He Ne激光器 美国贝尔实验室 半导体激光器 1962年砷化镓激光器 液体激光器 1966年无机液体 化学激光器 1964年 受激准分子激光器 1977年准分子激光器 可调谐激光器 1975年有机液体 固体激光器 1960年红宝石激光器 美国休斯实验室 基态 能量最低状态 最稳定 激发态 能量较高状态 不稳定 亚稳态 能量较高状态 比较稳定 h E2 E1 E3 E4 h E2 E1 h E2 E3 h 发射光子 吸收光子 跃迁 玻尔轨道 8 2光与原子相互作用 一 吸收 h B12 受激吸收爱因斯坦系数 只吸收特定频率 的光子 u 光的辐射能密度 光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用 吸收 外来激励下 原子由低能态 高能态 吸收光子 N1 处于能级E1的原子数 从能级E1 E2的原子数 二 自发辐射和受激辐射 A21 自发辐射爱因斯坦系数 自发辐射 自发地从高能态 低能态 放出光子 n2 处于能级E2的原子数 自发辐射是无规的 方向 初位相 只辐射特定频率 的光子 自发辐射光子数 B21 受激辐射爱因斯坦系数 受激辐射 外来激励下 原子由高能态 低能态 放出光子 受激辐射光子数 受激辐射与外来光子具有相同频率 相同方向 相同初位相和偏振态 三 吸收 自发辐射和受激辐射三系数间的关系 吸收 自发辐射 受激辐射 处于热平衡状态时有 按照玻尔兹曼定律 8 3粒子数反转 一 受激辐射和吸收 系统处于热平衡状态时 要实现光放大 粒子数反转分布 实现粒子数反转条件 外界输入能量 工作物质有合适的能级结构 激活介质 受激辐射 一个光子成两个光子光放大 但有外来光激励下 也同时会发生吸收 究竟是吸收占优势还是受激辐射占优势 所以宏观效果是吸收 外来光减弱 二 三能级系统 如果有A32 A31A32 A21 则处于能态的原子数大大增加 使n2 n1 实现粒子数反转 基态 E3激发态 寿命短E3 E2 E3 E1 由于基态积聚大量原子 要实现粒子数反转 需要非常强的外界输入 抽运 能量 红宝石激光器 三 四能级系统 He Ne激光器 CO2激光器 亚稳态 E3 E2间粒子数反转分布 由于E2本身是激发态 粒子数少 容易实现粒子数反转 8 4光振荡 一 受激辐射和自发辐射 T 300K 自发辐射 受激辐射 处于高能态的原子除受激辐射外 也发生自发辐射 T 50000K 受激辐射光子数 自发辐射光子数 要实现光放大 必须 受激辐射光子数大于自发辐射光子数 二 光学谐振腔 全反射镜R1 100 部分反射镜R2 98 只有沿轴向的光子数来回振荡产生光放大 这是一种雪崩式的放大过程 谐振腔 作用 使得在某一方向上实现受激辐射占主导地位的装置 工作物质 激光输出 三 光振荡的阈值条件 过程中有损耗 工作物质的吸收 散射等反射镜反射率低于100 必须要光放大大于损耗 才会有激光输出 L I0 I1 I2 R1 R2 R2I1 I3 增益系数 经过一个来回 阈值增益 阈值条件 实现光振荡而输出激光 8 5激光的单色性 一 谱线宽度 1 自然线宽 平均寿命 2 多普勒展宽 3 碰撞展宽 He Ne激光器 632 8nm 自然线宽 103Hz 多普勒展宽 109Hz 洛伦兹展宽 108Hz 原子处于某一能级的寿命是有限的 相当辐射有限长波列 发光原子热运动 有一定的速度 由多普勒效应造成 原子间碰撞 使寿命缩短 使谱线展宽 实际发出的激光都不是单色的 有一定的频率范围 谱线宽度 二 谐振腔的共振频率和纵模 共振频率 n 工作物质折射率 1 光振荡实现光放大 2 选频 激光输出有几个频率 某一个称为一个纵模 谐振腔 法布里 珀罗干涉仪 透射 输出 干涉主最大 如同法 珀 每一个纵模有一定的线宽 当 谐振腔作用 8 6激光的相干性 1 时间相干性 2 空间相干性 相干长度 l c 激光在谐振腔内振荡的过程中 在光束横截面上形成各种不同形式的稳定分布 这种稳定分布称为激光束的横向模式 简称横模 由反射镜衍射引起 低次模式TEM00 高斯分布 高次模式TEMmn TEM21 横模 8 7激光器的种类 粒子数反转分布 要有激活介质 激励能源 2 构成激光器的三大要件 1 激励能源 2 工作物质 激活介质 3 谐振腔 产生激光的两个必要条件 达到阈值条件 谐振腔 足够的激励能量 按照激光器工作物质性质分类 可分为气体激光器 固体激光器 液体激光器和半导体激光器等 一 气体激光器 工作物质 He Ne CO2 N2 工作物质 Ne He 辅助气体 通过高压放电激励氖原子实现粒子数反转 特点 1 单色性好 2 方向性好 3 效率低 0 1 He Ne 5 7 1四能级系统 波长 3390nm1150nm632 8nm 二 固体激光器 红宝石 掺钕的钇铝石榴石 YAG 钕玻璃等 Al2O3晶体基质中掺Cr3O2形成 特点 1 小而坚固 2 脉冲激光 3 效率高 0 2 工作物质 波长 694 3nm 三能级系统 通过强光激励 脉冲氙灯激发 实现粒子数反转 三 液体激光器 染料激光器 工作物质 有机物化合物 通过光激励 氮分子激光器 闪光灯 固体激光器等 形成粒子数反转 特点 1 可调谐 2 效率高 工作物质 无机液体 有机液体 四能级系统 光谱谱带很宽 可选择不同的染料 溶剂 浓度 温度 调节谐振腔等选择输出波长 四 半导体激光器 特点 1 体积小 2 质量轻 3 消耗小 4 单色性差 如砷化镓激光器 工作物质 GaAs 在PN结工作区实现粒子数反转分布 晶体自然界面构成谐振腔平面 8 9全息照相 一般照相 记录光强 P P点 平面像 立体摄影 记录几个方向的平面像 再用立体视镜 见到具有立体感的像 光波 全息照相 既能记录光波振幅 又能记录位相信息的照相技术 又称全息术 由杨氏双缝干涉实验 全息照片 重现 记录了干涉后的光强分布 但包括了物的振幅和位相信息 原来物的全部信息 共轭 是个实像 参考光束 物光束 特点 1 逼真 2 任何一小部分都包含了全部信息 3 重叠多个象 4 易于复制 全息照相的应用 1 全息干涉测量 2 全息显微术 3 海洋学研究 4 制成各种元件 光栅 商标 防伪标记 8 10光盘存储技术 只读性光盘 可擦除光盘 可逆 可写入 擦除 磁介质作记录介质写入 在外加磁场下 均匀磁化 相当于 0 加上激光束信号 磁化反转