第八章 现代光学基础课件

1、第八章第八章 现代光学基础 8.1 原子发光的机理原子发光的机理 8.2 光与原子相互作用光与原子相互作用 8.3 粒子数反转粒子数反转 8.4 光振荡光振荡 8.5 激光的单色性激光的单色性 8.6 激光的相干性激光的相干性 8.7 激光器的种类激光器的种类 8.8 全息照相全息照相 8.9 光盘存储技术光盘存储技术8.18.1 原子发光的机理原子发光的机理激光激光(Laser):Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation种类：固体激光器种类：固体激光器1960年（红宝石、美国休斯实验室）年（红宝石、美国休斯实验室）气体激光

2、器气体激光器1961年（年（He-Ne、美国贝尔实验室、美国贝尔实验室半导体激光器半导体激光器1962年（砷化镓）年（砷化镓）液体激光器液体激光器1966年（无机年（无机液体液体）化学激光器化学激光器1964年年准分子激光器准分子激光器1977年年可调谐染料激光器可调谐染料激光器1975年（有机年（有机液体液体）它是光受激辐射放大的简称它是光受激辐射放大的简称, 是一种单色性佳、是一种单色性佳、亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。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：能量较高状态，不稳定；激发态：能量较高状态，不稳定；亚稳态：能

3、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8.28.2 光与原子相互作用光与原子相互作用一、一、吸收吸收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相互作用归结光与物质相互作用归结 为光与原子相互作用为光与原子相

4、互作用吸收吸收自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射吸收吸收：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，吸收光子吸收光子从能级从能级E E1 1 E E2 2 的原子数：的原子数：n1处于能级处于能级E1的原子数的原子数二、二、自发辐射和受激辐射自发辐射和受激辐射h h E E2 2E E1 1hEE12自发辐射光子数：自发辐射光子数：22121nAnA 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低能态，放出光子，放出光子只辐射特定频率只辐射特定频率 的的光子光子n2 ：处于能级：处于能级E2的原子数的原子数h

5、 h E E2 2E E1 1h h h h unBn22121受激辐射光子数：受激辐射光子数：B 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低能态，放出光子，放出光子自发辐射是无规的（方向、初位相）自发辐射是无规的（方向、初位相）受激辐射受激辐射与外来光子具有相同频率、与外来光子具有相同频率、相同方向、相同相同方向、相同初位相和偏振态初位相和偏振态三、三、吸收、自发辐射和受激辐射吸收、自发辐射和受激辐射 三系数间的关系三系数间的关系BBB122133218chBA unBn1121222121nAn unBn2

6、2121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根据玻尔兹曼定律根据玻尔兹曼定律8.38.3 粒子数反转粒子数反转一、一、受激辐射与吸收受激辐射与吸收 uBnn112 uBnn221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，得有：要实现光放大，得有：12nn 即粒子数反转分布即粒子数反转分布实现的条件实现的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 E2 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

7、 光放大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还是受激辐射受激辐射占优势？占优势？吸收占优势吸收占优势二、二、三能级系统三能级系统h h E E2 2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 A3232AA21 21 ，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，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，经自发辐射，激发态，寿命短，经自发辐射，E E3 3

8、E E2 2 ，E E3 3 E E1 1由于基态积聚大量原子，要由于基态积聚大量原子，要实现粒子数反转，需要非常强的实现粒子数反转，需要非常强的外界输入（抽运）能量外界输入（抽运）能量 红宝石激光器红宝石激光器三、三、四能级系统四能级系统E1E2E3E4He-NeHe-Ne激光器激光器COCO2 2 激光器激光器亚稳态亚稳态E3 、E2间粒子数反转分布，由于间粒子数反转分布，由于E2本身是激发态，本身是激发态，粒子数少，容易实现粒子数反转粒子数少，容易实现粒子数反转8.48.4 光振荡光振荡一、一、受激辐射与自发辐射受激辐射与自发辐射 uBnnAnn2122121221若辐射源温度约为室温（

9、若辐射源温度约为室温（T=300KT=300K）下，）下，11/2121kThenn受激辐射光子数远小于受激辐射光子数远小于自发辐射光子数自发辐射光子数1210要实现要实现光放大，光放大，必须：受激辐射光子数大于自发辐射光子数必须：受激辐射光子数大于自发辐射光子数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处于高能态的原子除受激辐射外，也发生自发辐射受激辐射外，也发生自发辐射当当T=50000KT=50000K，受激辐射光子数等于自发辐射光子数。受激辐射光子数等于自发辐射光子数。受激辐射受激辐射在某一方向发生振荡，超过在某一方向发生振荡，超过自发辐射自发辐射二、二、光学谐振腔光学谐振腔使

10、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。全反射镜全反射镜R R1 1=100%=100%部分反射镜部分反射镜R R2 2=98%=98%工作物质工作物质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。激光输出激光输出谐振腔谐振腔三、三、光振荡的阈值条件光振荡的阈值条件 ：增益系数：增益系数211ln21RRlm阈值增益：阈值增益：m才能实现光振荡而输出激光才能实现光振荡而输出激光振荡振荡过程中有损耗：工作物质的吸收、散射等过程中有损耗：工作物质的吸收、散射等 反射镜

11、反射率低于反射镜反射率低于100%必须要光放大大于损耗，才会有激光输出必须要光放大大于损耗，才会有激光输出LI0I1I2R1R2R2 I1LeII01LeIRI122I3LeIRRI1213经过一个来回经过一个来回LeRRII22103/阈值条件阈值条件m8.58.5 激光的单色性激光的单色性一、一、谱线宽度谱线宽度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激光激光 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碰撞展宽：碰撞展

12、宽：10108 8 HzHz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原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，由发光原子热运动，有一定的速度，由多普勒效应造成多普勒效应造成原子间原子间碰撞，使碰撞，使寿命缩短，使谱线展宽寿命缩短，使谱线展宽二、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：工作物质折射率谐振腔作用：谐振腔作用：1. 1. 光振荡实现光放大。光振荡实现光放大。2. 2. 选频

13、选频激光输出有几个频率，某一个称为一个纵模激光输出有几个频率，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当当透射（输出）干涉主最大透射（输出）干涉主最大即：即：如同如同法法- -珀，每一个纵模有一定的线宽珀，每一个纵模有一定的线宽8.68.6 激光的相干性激光的相干性1.1.激光的时间相干性激光的时间相干性2.2.激光的空间相干性激光的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各种不同形式的稳定分布，这种稳定分

14、布称为激光束的横向模式，简称横模。横向模式，简称横模。由反射镜衍射引起由反射镜衍射引起横模横模单模单模 TEMTEM00 00 高斯形分布高斯形分布 多模多模 TEMTEMmnmnTEMTEM2121* *8.78.7 激光器的种类激光器的种类产生激光的两个必要条件：产生激光的两个必要条件：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. 达到达到阈值条件阈值条件 （谐振腔，足够的（谐振腔，足够的激励能量）激励能量）构成激光器的三大要件：构成激光器的三大要件：1. 激励能源激励能源2. 工作物质（激活介质）工作物质（激活介质）3. 谐振腔谐振腔按激光器工作

15、物质性质分类，可分为气体激光器、按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。固体激光器、液体激光器和半导体激光器。一、一、气体激光器气体激光器工作物质：工作物质：He-NeHe-Ne，COCO2 2，N N2 2 等等工作物质：工作物质：NeNeHeHe辅助气体辅助气体NeNe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：

16、波长：3390nm 1150nm 632.8nm * *8.78.7 激光器的种类激光器的种类二、二、固体激光器固体激光器红宝石、掺钕的钇铝石榴石红宝石、掺钕的钇铝石榴石(YAG)(YAG)、钕玻璃等、钕玻璃等工作物质：工作物质：AlAl2 2O O3 3晶体基质中掺晶体基质中掺0.05% Cr0.05% Cr+形成形成通过强光激励（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。 三能级系统三能级系统特点：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

17、 三、三、液体激光器液体激光器如染料激光器如染料激光器工作物质：染料（有机物化合物）工作物质：染料（有机物化合物）通过光激励（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，四能级系统器等）形成粒子数反转，四能级系统特点：特点： 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（可调谐可调谐）2. 2. 效率高效率高工作物质：有机化合物，无机化合物工作物质：有机化合物，无机化合物四、四、半导体激光器半导体激光器特点：特点：1. 1. 体积小；体积小

18、；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。工作物质：半导体材料工作物质：半导体材料如砷化镓激光器如砷化镓激光器在在PN结工作区实现粒子数反转分布，晶体自然界面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构成谐振腔平面8.98.9 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 全息照相：既能记录光波振幅，又能记录位相信息的照相全息照相：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：12122121212122212121*)(iiiiiie

19、AAeAAAAeAeAeAeAI 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，见到立体摄影：记录几个方向的平面像，再用立体视镜，见到 具有立体感的像具有立体感的像光波：光波：全息照片：全息照片：1212,21,212221,yxiyxieAAeyxAAyxAAI重现：用同样的参考光束去照射全息照片，透射光为重现：用同样的参考光束去照射全息照片，透射光为yxiyxiiiiieyxAtAeeyxAtAetAyxAeAIetA,221,2221122211221111,),(参考光束：参考光束：11ieA物光束：物光束：),(22),(yx