第十六章现代光学简介

1、1第十六章第十六章 现代光学简介现代光学简介 激光光学系统 全息术（傅里叶光学） 红外光学系统 导波光学基础216-1 16-1 激光光学系统激光光学系统一、激光原理一、激光原理光与物质之间的共振相互作用是激光器发光的物质基础，这个相互作用包括原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁和受激吸收跃迁三种过程。原子内部的电子在与外界交换能量时，可以从一种运动状态改变为另一种运动状态。对每一种运动状态，原子具有确定的内部能量值，即确定的能级能级。能量值大的能级为高能级高能级，最低能级为基态基态。处于高能级E2的原子，自发跃迁至低能级E1时，发射一个的能量h=E2=E1

2、的光子。处于低能级 E1的原子，受能量为h=E2=E1的光子作用时，吸收光子跃迁到高能级 E2。3处于高能级E2的原子，受能量为h=E2=E1的光子作用时，跃迁至低能级E1时，并发射与外来一样的光子，受激辐射的光与入射光具有相同频率、位相、偏振方向和传播方向。二、激光产生的原理及条件二、激光产生的原理及条件1）粒子数反转）粒子数反转在激光器工作物质内部，由于外界能源的激励，破坏了热平衡，使得处于高能级E2的粒子数密度N2大大增加，达到2211122 ,gNNgNNg121为处于低能级E的粒子数密度;为处于高能级E 的粒子数密度;g为上下能级的统计权重或简并度.这种处于非热平衡状态时的粒子数分布

3、，称为粒子数反转分粒子数反转分布布。粒子数反转分布状态是介质对光产生放大作用的条件及产生激光的前提前提。42）泵浦）泵浦在室温下绝大多数粒子处在基态，把粒子从基态激发到高能级，使在某两个能级之间实现粒子数反转的过程，称为泵浦泵浦。实现泵浦的常用方法：外来光照射介质（光泵浦）、利用气体放电实现泵浦（电泵浦）、依靠反应本身放出的化学能实现泵浦（化学泵浦）。3）光的受激放大）光的受激放大激光器由三部分组成：激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。能够形成粒子数反转的发光粒子为激活粒子（分子、原子、离子）；激活粒子寄存场所为基质（固、液体）；基质和激活粒子统称为激光工作物质激光工作物质。5由泵浦源对激光工作

4、物质进行激励，由光学谐振腔作用得到稳定、持续、有一定功率的高质量激光输出。光学谐振腔光学谐振腔是由放置在激光工作物质两边的两个反射镜组成。一个为全反射镜，另一个为输出镜，是部分反射、部分透射的反射镜。其作用其作用：产生和维持激光振荡；改善输出激光质量。4 4）激光形成的条件）激光形成的条件适当的激光工作物质，其激活粒子具有受激辐射的能级结构；外界激励源，使产生粒子数反转；激光谐振腔，使受激辐射的光在腔内维持振荡。三、激光的纵模和横模三、激光的纵模和横模能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式称为光学谐振腔的振荡模式。这里稳定指：振幅和相位在空间的相对分布是确定的；有确定的频率。6四、激光器的种类

5、与应用四、激光器的种类与应用根据工作物质分：固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器。按输出波长分：红外激光器、可见激光器、紫外激光器。按运转方式分：脉冲式激光器、连续波激光器、调Q激光器。固体激光器固体激光器：所采用的工作物质是把能产生受激发射作用的金属离子渗入晶体或玻璃基质中而制成（红宝石激光器）。优点：输出功率大、体积小、坚固、储存能量能力较强。气体激光器气体激光器：使用工作物质种类最多，激光发射波长分布范围最广的一类激光器。优点：单色性、方向性都比其他激光器好、输出功率稳定，广用于测量、通讯、全息、机加工方面（He-Ne激光器）。液体激光器：液体激光器：采用的工作物质为有机染料

6、溶液和稀土化合物的无机化合物溶液。特点：输出激光的波长可调谐和波长覆盖区域较宽（若丹明6G染料激光器）。7半导体激光器半导体激光器：以半导体材料做工作物质的。特点：体积最小、重量轻、可实现集成光路，但功率小、发散角大、单色性差、输出特性受温度的影响明显（电注入式砷化镓二极管激光器）。总之激光具有：方向性好、单色性好、亮度高的特点。总之激光具有：方向性好、单色性好、亮度高的特点。打孔、切割、焊接、热处理测长、测速远距离探测、制导、测距816-2 16-2 全息术全息术全息术是近些年发展起来的物理光学的一个新分支，是由伽伯（Gabor）在1948年提出的。20世纪60年代激光的出现，解决了高相干性

7、和大强度光源问题，全息术得到迅速发展，在很多领域得到应用。一、全息术的原理一、全息术的原理全息术是利用“干涉记录、衍射再现”原理的两步无透射成像法，把从三维物体来的光波前记录在感光材料上（得到全息图），再按照需要照明此全息图，使原来记录的物光波的波前再现的一种新的照相技术，是一种立体成像技术。9一）物光波面的记录一）物光波面的记录即是将物光波的全部振幅和位相记录在感光材料上。因感光材料只对光的强度具有感光度，因此采用相干光，把具有振幅和位相信息的物光波和参考光波相干涉产生的干涉条纹以强度分布形式记录成全息图。所以全息图实际上是一干涉图。二）物光波面的再现物光波面的再现全息图可看作为一个透过系数

8、为t的衍射屏，相当于一块复合光栅。因全息图记录的是物光场分布包含的许多不同空间频率成分所对应的沿不同方向传播的平面波与参考波相干涉形成的许多光栅，当再现照明光波照射全息图时，全息图后的衍射光场中包含有再现的物光波，他们叠加形成物体的再现像。 10二、全息术的特点二、全息术的特点1）全息术能够记录物体光波振幅和位相的全部信息，并能再现，因此应用全息术可得到与原物完全相同的立体像。2）全息术实质上是一种干涉和衍射现象。全息图的记录和再现需要单色光源，且单色光源的相干长度大于物光波和参考光波之间的光程差，最好用强度大的光源，最理想的光源为激光光源。3）全息图的任何局部都能再现原物的基本形状。即使破损

9、后部分全息图仍能再现物体的像。三、全息术的应用三、全息术的应用1）全息光学元件实际上是一张用感光记录介质制作的全息图，具有普通光学元件的成像、分光、滤波和偏振等功能，且重量轻、制作方便等优点，应用于激光技术、传感器、光通信和信息处理。112）全息显示）全息显示全息显示是利用全息术能再现物体的真实三维图象的特点，是全息术最基本的应用之一。已成功制作人体骨骼、地铁模型、大型雕塑像等。其应用涉及艺术、广告、印刷、军事等领域。3）全息干涉计量）全息干涉计量是最成功、最广泛的应用，全息干涉计量技术具有许多普通干涉计量所不能比的优点，如可用于各种材料的无损检测，非抛光表面和形状复杂表面的检验；可研究物体的

10、微小变形、振动和高速运动等。4）光学全息存储）光学全息存储是一种存储容量大、数据传输速率高、随机存取时间短并能进行处理的信息存储方式。具有冗余性高、数据不易丢失、数据传输率高、存储密度高等优点。1216-3 16-3 红外光学系统红外光学系统红外辐射俗称红外线，其波长从0.11000m，是太阳光谱的一部分。其最大特点就是具有光热效应，能辐射热量，是光谱中的最大光热效应区。是一种不可见光，与电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。自然界中的任何物体，只要温度在绝对零度以上（-273），都能产生红外光辐射。红外光的光热效应对不同的物体是不同的，热能强度也不同。如黑体（能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体）、镜体（能全部反射红外辐射的物体）、透明体（能全部穿透红外辐射的物体）、灰体（能部分反射或吸收红外辐射的物体）将产生不同的光热效应。13自然界不存在严格的黑体、镜体和透明体，大部分属于灰体。这些特征是把红外光辐射技术用于卫星遥感遥测、红外跟踪等军事和科学研究项目的重要理论依据。典型应用：1）红外测温 2）红外成像3）红外无损探测 4）红外气体分析5）红外雷达 6）红外侦察7）红外报警1416-4 16-4 导波光学基础导波光学基础光波导技术是一种以光的电磁场理论为基础，对光波实施限制和传输的技术。其中介质波导和光纤