第八章--现代光学基础.ppt

1 理解有关激光的亚稳态能级 受激发射光激励 粒子数反转 光振荡等基本概念 2 理解激光的特性极其应用 3 了解红宝石激光器 He Ne激光器和半导体激光器 4 理解全息照相的基本原理 5 认识空间频率 空间滤波等傅里叶光学的基本概念 第八章现代光学基础 教学目标 8 1 8 1原子发光的机理 基本概念 原子能级 原子能级图 具有确定能量的原子不辐射电磁波 仅当电子在不同的 轨道 跃迁或者说在不同的能级间跃迁时才辐射 频率满足 量子理论 n 1基态 2 第一激发态 13 6eV 电离一个基态氢原子需要13 6eV能量 电离一个第一激发态氢原子需要3 4eV能量 3 4 5 6 由1 2得 3 4eV 吸收 共振吸收 跃迁辐射 E2 E1 hv 受激辐射 hv E2 E1 hv E2 E1 原子的线状光谱 原子中电子轨道的量子化 8 2 一 吸收 absorption h 外来光被吸收 使原子从E1 E2 写成等式 B12 吸收常量 u 频率为 E2 E1 h附近 单位频率间隔的外来光的能量密度 8 2光与原子相互作用 光与物质的相互作用 归结为光与原子的相互作用 显然 为单位时间内原子受激吸收光的几率 吸收速率 h 单位时间内从E2 E1自发辐射的原子数 二 自发辐射 spontaneousradiation 写成等式 ii 发射光的传播方向 偏振方向 频率 初相位都不相同 自发辐射寿命 习题9用 特点 显然 为单位时间内原子自发辐射的几率 吸收速率 i 发射光与外界作用无关 非相干光机理 三 受激辐射 stimulatedradiation 全同光子 ii 发射光与外来光的传播方向 偏振方向 频率 初相位都相同 单位时间内 从E2 E1受激辐射的原子数 写成等式 B21 受激辐射常量 显然 为单位时间内原子受激辐射光的几率 受激辐射速率 特点 i 发射光必须满足 E2 E1 hv 相干光机理 四 吸收 自发辐射和受激辐射三系数之间的关系 热平衡时 即 或 又因为由大量原子组成的系统 在温度不太低的平衡态 原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计分布 所以 单色能量密度 比较 得 自发辐射寿命 能级寿命 进一步分析 吸收常量 爱因斯坦在1917年从理论上得出三个系数的关系 为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础 没有实验家 理论家就会迷失方向 没有理论家 实验家就会迟疑不决 8 3 一 为何要粒子数反转 populationinversion 所以 必须 n2 n1 粒子数反转 因 B21 B12 要产生激光 起码 能量密度为u 的外来光照射发光 激活 介质时 可能引起受激辐射过程 也可能引起吸收过程 8 3粒子数反转 一般情况 数量级估计 T 103K kT 1 38 10 20J 0 086eV E2 E1 1eV k 1 38 10 23J K 1eV 1 6 10 19J l c v hc E2 E1 1 24mm 如 氢原子 基态能量 13 6eV 第一激发态能量 3 4eV 二 粒子数反转的两个条件 1 外界有能量输入 将粒子源源不断地激发到高能级 称为 泵激 或 抽运 泵浦 2 体系中有亚稳态能级 使被激发到该能级的粒子不会立即返回基态 三能级系统 四能级系统 8 4 8 4光振荡 一 受激辐射与自发辐射 要产生激光 还必须 受激辐射 自发辐射 二 光学谐振腔 opticalharmonicoscillator 激光器有两个反射镜 它们构成一个光学谐振腔 分析 三 稳定谐振腔结构 W0 R1 R1 平面平行腔 R2 R2 d 波面 球面腔 x y z 共焦腔 迈克耳孙复合腔 F P标准具选模 四 光学谐振腔的阈值条件 利用半波片选模 激光器内受激辐射光来回传播时 并存着 光的放大 光的吸收 散射 衍射 透射 包括部分反射镜一端的激光输出 等 增益 损耗 激光形成阶段 增益 损耗 激光稳定阶段 增益 损耗 1 激光在工作物质内传播时的净增益 设 0处 光强为I0 有 dI Idx 写成等式 dI aIdx 定义 增益系数a gaincoefficient 表示 单位长度上光强增加的比例 一般a不是常数 为简单起见 先近似地认为a是常数 2 考虑激光在两端反射镜处的损耗 I0 全反射镜 部分反射镜 I1 I2 I0 激光刚从左反射镜出发时的光强 I1 被右反射镜反射后 出发时的光强 R1 R2 左 右两端反射镜的反射率 显然有I1 R2I0eaL I2 R1I1eaL R1R2I0e2aL 在激光形成阶段 即R1R2e2aL 1 或 须I2 I0 1 am 称为阈值增益 即产生激光的最小增益 在激光稳定阶段 即 须 I2 I0 1 I2 再被左反射镜反射后 出发时的光强 1 在激光的形成阶段a am 光放大 那么光强会不会无限放大下去 2 在激光的稳定阶段怎么又会a am 这是由于光强增大伴随着粒子数反转程度的减弱 DN 负反馈 不会 原因是实际的增益系数a不是常量 当I 时 会a 8 5 电偶极子辐射为随时间衰减的非正弦电磁波 从而对应着一定的频带宽度 8 5激光的单色性 一 谱线宽度 1 自然加宽 如 一有限波列 光子 所以有 因为任一非周期函数 F t 可用傅里叶积分表示 其中 频谱宽度 波列长度 谱线宽度 0 Ei 1 Ei 1 Ei Ei 2 多普勒加宽 3 碰撞加宽 原子边运动边辐射 产生多普勒效应 使谱线加宽 原子辐射时相互作用 碰撞而导致谱线加宽 4 Stark加宽 内 外电场引起原子辐射谱线加宽 5 塞曼加宽 外磁场引起原子辐射谱线加宽 6 自吸加宽 谱线被同种基态原子吸收 引起自蚀 与同种基态原子碰撞 共振加宽 光学谐振腔的作用 1 使激光具有极好的方向性 沿轴线 2 增强光放大作用 延长了工作物质 3 使激光具有极好的单色性 选频 阈值条件为 对于可能有多种跃迁的情况 可以利用阈值条件来选出一种跃迁 选频之一 二 谐振腔的共振频率 我们可以控制R1 R2的大小 对0 6328 m R1 R2大 am小 易满足阈值条件 可形成激光 对1 15 m 3 39 m R1 R2小 am大 不易满足阈值条件 难形成激光 例如 氦氖激光器 Ne原子的0 6328mm 1 15 m 3 39 m受激辐射光中 只让波长为0 6328 m的光输出 激光振荡中的模式竞争 设氦氖激光器Ne原子的632 8nm受激辐射光的谱线宽度为 如图所示 1 3 109Hz 对于单一的跃迁 还可以利用选择纵模间隔的方法 进一步在谱线宽度内再选频 选频之二 由于 激光的谱线宽度小到 10 9nm 取绝对值 由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节 所以有光程 j 1 2 3 真空中的波长 n 谐振腔内媒质的折射率 可以存在的纵模频率为 相邻两个纵模频率的间隔为 数量级估计 1 n 1 0 c 108m s 而氦氖激光器0 6328 m谱线的宽度为 1 3 109HZ 因此 在 区间中 可以存在的纵模个数为 利用加大纵模频率间隔 的方法 可以使 区间中只存在一个纵模频率 比如缩短管长 到10cm 即 L 10 则 10 在 区间中 可能存在的纵模个数 N 1 输出激光谱线宽度 自然线宽 8 6 激光除了有纵向驻波模式外 还有横向驻波模式 基横模在激光光束的横截面上各点的位相相同 空间相干性最好 8 6激光的相干性 量子光学 量子光学 玻尔的量子论 波粒二象性 普朗克的量子假设 爱因斯坦的光量子论 黑体辐射 光电效应康普顿效应 引发 光子学 实验基础 原子结构和原子光谱 实验基础 激光 德布罗意波 量子光场 光场的相干态 测不准关系 几率波 一 气体激光器 1 He一Ne气体激光器 He Ne激光器中He是辅助物质 Ne是激活物质 He与Ne之比为5 1 10 1 8 7激光器的种类 典型值 He 1mmHg Ne 0 1mmHg 电压 5kV 共振转移 电子碰撞激发 管壁效应驰豫 He Ne激光器的工作原理 由于电子的碰撞 He被激发 到21S0和23S1能级 的概率比Ne原子被激发的概率大 He的23S 21S这两个能级都是亚稳态 寿命分别为10 4s和5 10 6s 很难回到基态 在He的这两个激发态上集聚了较多的原子 由于Ne的2p55s和2p54s与He的21S和23S的能量几乎相等 当两种原子相碰时非常容易产生能量的 共振转移 要产生激光 除了增加上能级的粒子数外 还要设法减少下能级的粒子数 正好Ne的2p55s 2p54s能级是亚稳态 10 7s 比下能级2p54p 2p53p的寿命 10 8s 要短得多 这样就可以形成粒子数的反转 在碰撞中He把能量传递给Ne而回到基态 而Ne则被激发到2p55s或2p54s 放电管做得比较细 毛细管 可使原子与管壁碰撞频繁 借助这种碰撞 2p53s态的Ne原子可以将能量交给管壁发生 无辐射跃迁 而回到基态 以及时减少2p53s态的Ne原子数 有利于激光下能级2p54p与2p53p态的抽空 Ne原子可以产生多条激光谱线 图中标明了最强的三条 0 6328 1 15 m 3 39 它们都是从亚稳态到非亚稳态 非基态之间发生 因此较易实现粒子数反转 2 Ar离子气体激光器 单色性极好 输出功率大 输出波长 514 5nm 488 0nm Ar离子的能级示意图 Ar离子激光器的结构图 放电管的外面加 螺旋管 产生约0 1T的轴向磁场 约束带电粒子沿管轴作螺旋运动 加强了放电中心区的电子密度 二 固体激光器 固体激光器的基本结构 最大单脉冲能量 10J 峰值功率 3 108W 工作物质 含铬 Cr3 粒子的红宝石 激励源 脉冲氙灯 激光脉宽 30ns 一种红宝石激光器的参数 R1 694 3nm R2 692 9nm 一种YAG激光器的参数 最大脉冲能量 1064nm 900mJ 脉宽 10ns 峰值功率 1 108W 振动弛豫 VR 无辐射跃迁 辐射跃迁 内转换 IC 系间交叉 ISC 荧光 F 磷光 P 分子能量的耗散途径 三 染料激光器 多电子原子的光物理过程 染料分子典型的能级跃迁夫兰克 康登原理 扩束装置 YAG脉冲染料激光器工作原理示意图 532nmlaserbeam Dyelaser M 四 半导体激光器 半导体激光器是光纤通讯中的重要光源 在创建信息高速公路的工程中起着极重要的作用 最简单的GaAs同质结半导体激光器 核心部分是 p型GaAs和n型GaAs构成的P N结 通过重掺杂补偿工艺制得 典型尺寸 长L 250 500 m宽 5 10 m厚d 0 1 0 2 m 1 四价的本征半导体Si Ge等 掺入五价的杂质元素 如P As等 形成电子型 n型 半导体 量子力学表明 这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠导带处 ED 10 2eV 极易形成电子导电 2 四价的本征半导体Si Ge等 掺入三价的杂质元素 如B Ga In等 形成空穴型 p型 半导体 量子力学表明 这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠价带处 ED 10 2eV 极易产生空穴导电 3 由p型和n型两种半导体相接壤而形成一个P N结 就构成一个半导体发光二极管 考虑到P N结的存在 半导体中电子的能量应考虑进 内建场 带来的电子附加势能 4 P N结处电子的能带应出现弯曲现象 5 激励能源是外加电压 电泵 在正向偏压下工作 掺Te 5s25p4 掺Zn 4s2 当正向电压大到一定程度时 在某些特定的能级之间造成粒子数反转的状态 形成电子与空穴复合发光 自发辐射 受激辐射 P N结本身就形成一个光学谐振腔 它的两个端面就相当于两个反射镜 形成激光振荡 适当镀膜后可达到所要求的很高的反射系数 并利于选频 6 半导体激光器的特点 功率可达102mW 效率高 制造方便 成本低 所需电压低 10V 体积小 极易与光纤接合 缺点 频谱较宽 应是两能带之间的跃迁Dl 7nm 1 量子阱激光器 2 自由电子激光器 P 498 3 X射线激光器 五 激光器发展方向 8 9 一 波前全息记录和物光波前重现 物体发出 或反射 的光称为物光 物光包含的全部信息有 由波长所描绘的颜色 由振幅所确定的光强度 由相位所表示的振动状态 普通照相 仅记录光强度和颜色 平面照片 全息照相 同时记录振幅和相位 立体形象 8 9全息照相 感光胶片上记录了参考光R与物光o相干叠加的干涉图样 与原物的形象不同 却携带了物光波前上各点的全部信息 故称全息图 此记录过程称为波前的全息记录 利用全息图将物体的形象重新显现出来的过程 称为物光波前重现 人眼看到的形象是波前所产生的虚像 特点 若全息图被打碎成多块碎片 其中的一片碎片就可重现原物的完整形象 二 全息照相原理 理论保证 惠更斯 菲涅耳原理 菲涅耳 基尔霍夫衍射积分公式 任意一点P的光振动由波前上的复振幅分布惟一确定 这在数学上称为无源空间的边值定解 波前的全息记录是用干涉方法获得的 物光O 参考光R 两者相干叠加 在波前上产生的光强分布为 全息图以干涉图样形式记录波前光强的分布I x y 透光率函数与光强分布I x y 成线性关系 即 设照明光与参考光相同 即 则透过全息干板后的衍射光为 式中 第一项代表照明光C 称为0级波 第二项受调制的照明光 表现为噪声信息 处于0级波附近 第三项与物光成正比 称为 1级波 此光是发散光 可重现原物的虚像 第四项正比于 称为 1级波 此光是会聚光 可形成实像 8 11 13 8 11 13信息光学 一 光学信息处理