第八章现代光学基础

1、.第八章第八章现代光学基础现代光学基础. 8.1 8.1 原子发光的机理原子发光的机理 8.2 8.2 光与原子相互作用光与原子相互作用 8.3 8.3 粒子数反转粒子数反转 8.4 8.4 光振荡光振荡 8.5 8.5 激光的单色性激光的单色性 * *8.78.7激光器的种类激光器的种类 8.6 8.6 激光的相干性激光的相干性 8.9 8.9 全息照相全息照相8.10 8.10 光盘存储技术光盘存储技术内容内容.8.1 8.1 原子发光的机理原子发光的机理激光激光: 是光受激辐射放大的简称，通过辐射的受激发射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。而实现光放大。 激光器的

2、种类激光器的种类: :气体激光器气体激光器19611961年年He-NeHe-Ne激光器（美国贝尔实验室激光器（美国贝尔实验室) )半导体激光器半导体激光器19621962年砷化镓激光器年砷化镓激光器液体激光器液体激光器19661966年无机液体年无机液体化学激光器化学激光器19641964年年受激准分子激光器受激准分子激光器 19771977年准分子激光器年准分子激光器可调谐激光器可调谐激光器19751975年有机液体年有机液体固体激光器固体激光器19601960年红宝石激光器（美国休斯实验室年红宝石激光器（美国休斯实验室）.基态：能量最低状态，最稳定；基态：能量最低状态，最稳定；激发态：能

3、量较高状态，不稳定；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。亚稳态：能量较高状态，比较稳定。h h E E2 2E E1 1E E3 3E E4 4h h E E2 2-E-E1 1=h=h E E2 2-E-E3 3=h=h 发射光子发射光子吸收光子吸收光子跃迁跃迁玻尔轨道玻尔轨道.8.2 8.2 光与原子相互作用光与原子相互作用一、吸收一、吸收h h E E2 2E E1 1hEE12 unn112 unBn11212B B1212 受激吸收爱因斯坦系数受激吸收爱因斯坦系数只吸收特定频率只吸收特定频率 的的光子光子u(u( ) )：光的辐射能密度光的辐射能密度光与物质

4、的相互作用可以归结为光与原子的相互作用。光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用。吸收吸收自发发射自发发射受激发射受激发射吸收吸收：外来激励下，原子由低能态外来激励下，原子由低能态高能态，高能态，吸收光子吸收光子N1 :处于能级处于能级E1E1的原子数的原子数从能级从能级E1 E1 E2 E2 的原子数：的原子数：.二、自发辐射和受激辐射二、自发辐射和受激辐射h h E E2 2E E1 1hEE1222121nAnA A2121：自发辐射爱因斯坦系数自发辐射爱因斯坦系数自发辐射：自发辐射：自发地从自发地从高能态高能态低能态，放出光子低能态，放出光子n n2 2 ：处于能级处于能级E E

5、2 2的原子数的原子数自发辐射是无规的（方向、初位相）自发辐射是无规的（方向、初位相）只辐射特定频率只辐射特定频率 的的光子光子自发辐射光子数：自发辐射光子数：.h h E E2 2E E1 1h h h h unBn22121B B2121 受激辐射爱因斯坦系数受激辐射爱因斯坦系数受激辐射受激辐射: : 外来激励下，原子由外来激励下，原子由高能态高能态低能态，放出光子低能态，放出光子受激辐射光子数：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、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三、吸收、自发辐

6、射和受激辐射三系数间的关系BBB122133218chBA unBn1121222121nAn unBn22121吸收吸收 自发辐射自发辐射 受激辐射受激辐射处于热平衡状态时有：处于热平衡状态时有：212112nnn按照玻尔兹曼定律：按照玻尔兹曼定律：.8.3 8.3 粒子数反转粒子数反转一、受激辐射和吸收一、受激辐射和吸收系统处于热平衡状态时：系统处于热平衡状态时：212121,nnnn要实现光放大要实现光放大 ：12nn 粒子数反转分布粒子数反转分布实现粒子数反转条件：实现粒子数反转条件：外界输入能量外界输入能量工作物质有合适的能级结构工作物质有合适的能级结构激活介质激活介质h h E E

7、2 2E E1 1h h h h 受激辐射受激辐射一个光子成两个光子一个光子成两个光子 光放大光放大但有外来光激励下，也同时会发生吸收，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？究竟是吸收占优势还是受激辐射占优势？ uBnn112 uBnn221所以宏观效果是吸收，所以宏观效果是吸收， 外来光外来光减弱减弱.二、二、 三能级系统三能级系统h h E2亚稳态亚稳态E E1 1h h h h E E3 3A A3232A A3131n n3 3如果有如果有 A A3232AA31 31 A A3232AA2121 ，则处于能态的原子数大大增加则处于能态的原子数大大增加

8、，使使 n n2 2nn1 1，实现粒子数反转。实现粒子数反转。基态基态E E3 3 激发态，寿命短激发态，寿命短E E3 3 E E2 2 ，E E3 3 E E1 1由于基态积聚大量原子，要实现粒子数反转，需要非常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）能量强的外界输入（抽运）能量. .红宝石激光器红宝石激光器.三、四能级系统三、四能级系统E1E2E3E4He-NeHe-Ne 激光器激光器COCO2 2 激光器激光器亚稳态亚稳态E E3 3 、E E2 2间粒子数反转分布，由于间粒子数反转分布，由于E E2 2本身是激发态，本身是激发态，粒子数少，容易实现粒子数

9、反转粒子数少，容易实现粒子数反转.8.4 8.4 光振荡光振荡一、一、受激辐射和自发辐射受激辐射和自发辐射 uBnnAnn2122121221T=300KT=300K，11/2121kThenn1210自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射处于高能态的原子除受激辐射外，也发生自发辐射处于高能态的原子除受激辐射外，也发生自发辐射T=50000KT=50000K，受激辐射光子数受激辐射光子数自发辐射光子数自发辐射光子数=要实现要实现光放大光放大，必须：受激辐射光子数，必须：受激辐射光子数大于大于自发辐自发辐 射光子数射光子数.二、光学谐振腔二、光学谐振腔全反射镜全反射镜R R1 1=100%=100%部

10、分反射镜部分反射镜R R2 2=98%=98%只有沿轴向的光子数来回振荡产生光放大，这是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。一种雪崩式的放大过程。谐振腔谐振腔作用作用: :使得在某一方向上实现受激辐射占主导地位的装置。使得在某一方向上实现受激辐射占主导地位的装置。工作物质工作物质激光输出激光输出.三、光振荡的阈值条件三、光振荡的阈值条件 211ln21RRlmm过程中有过程中有损耗损耗： ：工作物质的吸收、散射等工作物质的吸收、散射等 反射镜反射率低于反射镜反射率低于100%100% 必须要光放大大于损耗，才会有激光输出必须要光放大大于损耗，才会有激光输出LI0I1

11、I2R1R2R2 I1LeII01LeIRI122I3LeIRRI1213LeRRII22103/m增益系数增益系数经过一个来回经过一个来回阈值增益：阈值增益：阈值条件阈值条件实现光振荡而输出激光实现光振荡而输出激光.8.5 8.5 激光的单色性激光的单色性一、谱线宽度一、谱线宽度1. 1. 自然线宽自然线宽1 ：平均寿命平均寿命2. 2. 多普勒展宽多普勒展宽3. 3. 碰撞展宽碰撞展宽He-NeHe-Ne 激光器激光器632.8 nm632.8 nm自然线宽自然线宽 ：10103 3 HzHz多普勒展宽多普勒展宽 ：10109 9 HzHz洛伦兹展宽：洛伦兹展宽：10108 8 HzHz原

12、子处于某一能级的寿命是有限的，相当辐射有限长波列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。谱线宽度。.二、二、 谐振腔的共振频率和纵模谐振腔的共振频率和纵模nlck2 ：共振频率共振频率n n：工作物质折射率工作物质折射率1. 1. 光振荡实现光振荡实现光放大光放大。2. 2. 选频选频激光输出有几个频率，某一个称为一个纵模激光输

13、出有几个频率，某一个称为一个纵模谐振腔谐振腔法布里法布里- -珀罗干涉仪珀罗干涉仪knl 2透射（输出）干涉主最大透射（输出）干涉主最大如同法如同法- -珀，每一个纵模有一定的线宽珀，每一个纵模有一定的线宽当当谐振腔作用：谐振腔作用：.8.6 8.6 激光的相干性激光的相干性1. 1. 时间相干性时间相干性2. 2.空间相干性空间相干性相干长度：相干长度：l=l= c c1cl激光在谐振腔内振荡的过程中，在光束横截面上形成各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。向模式，简

14、称横模。由反射镜衍射引起由反射镜衍射引起低次模式低次模式 TEMTEM00 00 高斯分布高斯分布 高次模式高次模式 TEMTEMmnmnTEMTEM2121横模横模.* *8.7 8.7 激光器的种类激光器的种类m粒子数反转分布（要有激活介质，激励能源）粒子数反转分布（要有激活介质，激励能源）2. 2. 构成激光器的三大要件：构成激光器的三大要件：1. 1.激励能源激励能源2. 2.工作物质（激活介质）工作物质（激活介质）3. 3.谐振腔谐振腔产生激光的两个必要条件：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）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

15、类，可分为气体激光器、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、液体激光器固体激光器、液体激光器 和半导体激光器等。和半导体激光器等。一、气体激光器一、气体激光器工作物质：工作物质：He-NeHe-Ne，COCO2 2，N N2 2 工作物质：工作物质：NeNeHeHe辅助气体辅助气体通过高压放电激励氖原子实现粒子数反转通过高压放电激励氖原子实现粒子数反转。特点特点：1. 1.单色性好；单色性好；2. 2.方向性好；方向性好；3. 3.效率低效率低（0.1%0.1%）。）。He He ：Ne =5Ne =5 7 7：1 1 四能级系统四能级系统波长：波长：3390nm 1150

16、nm 632.8nm .二、固体激光器二、固体激光器红宝石红宝石、掺钕的钇铝石榴石掺钕的钇铝石榴石(YAG)(YAG)、钕玻璃等、钕玻璃等AlAl2 2O O3 3晶体基质中掺晶体基质中掺CrCr3 3O O2 2形成形成特点：特点：1. 1. 小而坚固；小而坚固； 2. 2. 脉冲激光；脉冲激光； 3. 3.效率高（效率高（0.2%0.2%）工作物质：工作物质：波长：波长：694.3nm 三能级系统三能级系统通过强光激励（脉冲氙灯激发）实现粒子数反转通过强光激励（脉冲氙灯激发）实现粒子数反转.三、液体激光器三、液体激光器染料激光器染料激光器工作物质：有机物化合物工作物质：有机物化合物通过光激

17、励（氮分子激光器、闪光灯、固体激光通过光激励（氮分子激光器、闪光灯、固体激光器等）形成粒子数反转。器等）形成粒子数反转。特点特点：1. 1. 可调谐可调谐2. 2.效率高效率高工作物质工作物质： 无机液体无机液体, , 有机液体有机液体四能级系统四能级系统光谱谱带很宽，可选择不同的染料、溶剂、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浓度、温度，调节谐振腔等选择输出波长.四、半导体激光器四、半导体激光器特点：特点：1. 1. 体积小；体积小；2. 2. 质量轻；质量轻；3. 3. 消耗小；消耗小；4. 4. 单色性差。单色性差。（如砷化镓激光器）（如砷化镓激光器

18、）工作物质工作物质： GaAsGaAs在在PNPN结工作区实现粒子数反转分布，晶体自然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界面构成谐振腔平面.8.9 8.9 全息照相全息照相0coskrtAE一般照相：记录光强一般照相：记录光强. .2AI 12122121212122212121*)(iiiiiieAAeAAAAeAeAeAeAI S S1 1S S2 211ieAP PP P点：点：22ieA平面像平面像立体摄影：记录几个方向的平面像，再用立体视镜，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见到具有立体感的像光波：光波：全息照相：既能记录光波振幅，又能记录位相信息全息照相：既能记录光波振幅，又能记录位相信息 的照相技术。又称全息术的照相技术。又称全息术由杨氏双缝干涉实验：由杨氏双缝干涉实验：.全息照片：全息照片：1212,21,212221,yxiyxieAAeyxAAyxAAI重现重现：yxiyxiiiiieyxAtAeeyxAtAetAyxAeAIetA,221,2221122211221111,),(11ieA),(22),(yxieyxA记录了干涉后的光强分布，记录了干涉后的光强分布，但包括了物的振幅和位相信息但包括了物的振幅和位相信息原来物的全部信息原来物的全部信