第8章现代光学基础 (6学时)课件

1、11.1.理解理解有关激光的亚稳态能级有关激光的亚稳态能级, , 受激发射光激励受激发射光激励, , 粒粒子数反转子数反转, , 光振荡等基本概念；光振荡等基本概念； 2.2.理解理解激光的特性极其应用；激光的特性极其应用； 3.3.了解红宝石激光器、了解红宝石激光器、He-NeHe-Ne激光器和半导体激光器激光器和半导体激光器; ; 4.4.理解理解全息照相的基本原理全息照相的基本原理. .教教 学学 目目 标标 21激光的特性激光的特性 方向性好方向性好：发散的立体角范围约为：发散的立体角范围约为p p1010-6 -6 仅为普通光源的仅为普通光源的1010-6-6 单色性好单色性好：单色

2、性是指中心波长为：单色性是指中心波长为l l， 线宽为线宽为DlDl范围的光，范围的光，DlDl叫谱线宽度。叫谱线宽度。 DlDl越窄，光的单色性越好。越窄，光的单色性越好。相干性好：相干性好：相干长度相干长度L L0 0分别达到分别达到300m300m和和30km30km 亮度高亮度高 3二、应用举例二、应用举例 1.激光光纤通讯激光光纤通讯 。 。 。 。 。 。 。 。 。FiberACable一根极细光纤能承载的信息量，相当于图中这麽粗的电缆一根极细光纤能承载的信息量，相当于图中这麽粗的电缆所能承载的信息量。我国已决定不再生产电缆所能承载的信息量。我国已决定不再生产电缆。 光纤胎儿光纤

3、胎儿4 光纤诊断光纤诊断2.激光手术刀激光手术刀 照明束照明束照亮视场；照亮视场； 纤维镜激光光纤纤维镜激光光纤成象；成象；有源纤维强激光有源纤维强激光使堵塞物熔使堵塞物熔化；化；5附属通道附属通道(可充气或液可充气或液)排除残物，以明视线；排除残物，以明视线；套环套环可充、放气，可充、放气，阻止血流或使血阻止血流或使血 流流通；流流通； (不需动大开胸手术，不需动大开胸手术，不住院，特适合老不住院，特适合老 人小孩人小孩) 用脉冲的染料用脉冲的染料激 光激 光 ( 波 长波 长585nm)处理皮处理皮肤色素沉着肤色素沉着用激光使脱落用激光使脱落的视网膜再复的视网膜再复位位(目前已是常目前已是

4、常规的医学手术规的医学手术)6激光焊接激光焊接：高能激光：高能激光 (能产生约能产生约5500 oC的高的高温温)把大块硬质材料焊把大块硬质材料焊接在一起接在一起7激光核聚变激光核聚变这是激光这是激光NOVA靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。应的小燃料样品上，引发核聚变。88.1 原子发光的机理原子发光的机理 基本概念：基本概念： 原子能级；原子能级； 原子能级图；原子能级图； 9具有确定能量的原子不辐射电磁波；仅当电子具有确定能量的原子不辐射电磁波；仅当电子在不同的在不同的“轨道轨道”跃迁或者说在不同的跃

5、迁或者说在不同的能级能级间间 跃跃迁迁时才辐射。频率满足时才辐射。频率满足 mnEEh 222011.;4Zemrrp,nr. l lp p22,hpl l 2hm rnp 量子理论：量子理论： 10n =1 基态基态 2 第一激第一激发态发态 L. S. B. S. P. S. -13.6 eV 电离电离一个一个基态基态氢原子需要氢原子需要 13.6 eV 能量；能量； 电离电离一个一个第一激发第一激发态态氢原子需要氢原子需要 3. 4 eV 能能量。量。 3456pknEEE ;41320rZeE.pp p 22011;242kZeEmrp由由1、2得：得：2220242)4(2hnZme

6、p p p p 61322eVnZ. -3.4 eV 11吸收（吸收（受激吸收受激吸收） 受激受激吸收吸收E1 E2 自发辐射自发辐射E2 E1 受激辐射受激辐射E2 E1 自发辐射自发辐射: E2-E1 = hv 受激辐射受激辐射: hv = E2-E1hv = E2-E1 12原子的线状光谱原子的线状光谱原子中电子轨道的量子化原子中电子轨道的量子化138.2 光与原子相互作用光与原子相互作用一一. 吸收吸收(absorption) 光与物质的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归结为光与原子的相互作用 设设 n1 、n2 为单位体积中处于为单位体积中处于 E1 、E2能级的

7、原子能级的原子数（原子密度）数（原子密度）u( )-入射光的光子数密度（光的辐射能密度）入射光的光子数密度（光的辐射能密度）E2 E1 n2 n1 h 外来光被吸收，使原子从外来光被吸收，使原子从 E1E2 )(11vundtdn 14写成等式写成等式 B12 吸收常量吸收常量 unBdtdnn112112 u( ): 频率为频率为 = (E2 - E1) / h 附近附近, 单位频率间隔的外来光单位频率间隔的外来光的能量密度的能量密度.显然：显然： uBdtndnw121112 为单位时间内原子受激吸收光的几率为单位时间内原子受激吸收光的几率 ( 吸收速率吸收速率 ). 15E2 E1 n2

8、 n1 h 单位时间内单位时间内 从从 E2 E1自发辐射的原子数自发辐射的原子数: 22ndtdn 二二. . 自发辐射自发辐射 (spontaneous radiation)写成等式写成等式 2nAdtdnn21221 分分 析析 自发辐射寿命自发辐射寿命 显然：显然： 12122 Adtndn为单位时间内原子自发辐射的几率为单位时间内原子自发辐射的几率 ( 吸收速率吸收速率 ). 16ii. 发射光的传播方向、偏振方向、频率、初相位都不相同.特点：特点： i. 发射光与外界作用无关； 非相干光机理非相干光机理 三三. 受激辐射受激辐射 (stimulated radiation) E2

9、E1 n2 n1 全同光子全同光子! h 分分 析析 单位时间内单位时间内, 从从 E2 E1受激辐射的原子数受激辐射的原子数:)(22vundtnd 17ii. 发射光与外来光的传播方向、偏振方向、频率、初相位都相同. 单位时间内单位时间内, 从从 E2 E1受激辐射的原子数受激辐射的原子数:)(22vundtnd 写成等式写成等式 unBdtndn221221 B21 : 受激受激辐射常量辐射常量显然：显然： uBdtnndw212221 为单位时间内原子受激辐射光的几率为单位时间内原子受激辐射光的几率 (受激辐射速率受激辐射速率 ).特点：特点： i. 发射光必须满足：E2-E1 = h

10、v； 相干光机理18四吸收、自发辐射和受激辐射三系数之间的关系四吸收、自发辐射和受激辐射三系数之间的关系热平衡时：热平衡时： 212112221nnndtnddtdndtdn 即：即： )()(212212121vuBnAnvuBn 或：或： 21122121)()(BBn/nAvu 又因为由大量原子组成的系统又因为由大量原子组成的系统, 在温度不太低的在温度不太低的 平衡态平衡态，原子，原子数目数目按能级的分布按能级的分布服从服从 玻耳兹曼统计分布玻耳兹曼统计分布: kTEEenn1212 kThvenn121921/1221)(BeBAvukThv所以：所以： 118)(/33kThvec

11、hvvup对黑体辐对黑体辐射的单色射的单色能量密度能量密度 比较，得：比较，得： ,BB2112 331221/8/chvBAp p 自发辐射寿命自发辐射寿命 能级寿命能级寿命 tAennnAdtdn212022212 进一步分析：进一步分析： 211A 吸收常量吸收常量 p pl l p phhcBB883331221 20爱因斯坦在爱因斯坦在1 917 年年从理论上得出三个系数的关系，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.没有实验家没有实验家, 理论家就会迷失方向。理论家就会迷失方向。 没有理论家没有理论家, 实验家就

12、会迟疑不决。实验家就会迟疑不决。 218.3 粒子数反转粒子数反转一一. 为何要粒子数反转为何要粒子数反转 (population inversion) ,nuBdtnd2212 1121nuBdtdn 所以，必须：所以，必须： n2 n1（ 粒子数反转）粒子数反转）. 因：因：B21 = B12 要产生要产生激光激光, 起码起码: dtdndtnd12 能量密度为能量密度为u( )的外来光照射发光（激活）介质的外来光照射发光（激活）介质时时, 可能引起可能引起受激辐射受激辐射过程过程, 也可能引起也可能引起吸收吸收过程过程.22一般情况一般情况 : 数量级估计：数量级估计：T 103 K；

13、kT1.3810-20 J 0.086 eV; E 2-E 11eV10860112 neenn.kTEE51012( k = 1.3810-23 J/K ; 1eV= 1.610-19 J ) l l c/v= hc / (E2-E1) 1.24 m mm ;如如 : 氢原子氢原子基态能量基态能量 : 13.6 eV， 第一激发态能量第一激发态能量 : 3.4 eV， 526118086013.6-3.412101312 .eeenn.kTEE23二二. 粒子数反转的两个条件粒子数反转的两个条件 1. 外界有能量输入外界有能量输入. 将粒子源源不断地激发到高将粒子源源不断地激发到高能级能级

14、(称为称为“泵激泵激” 或或“抽运抽运”、“泵浦泵浦”)；2. 体系中有亚稳态能级体系中有亚稳态能级. 使被激发到该能级的粒使被激发到该能级的粒子不会立即返回基态子不会立即返回基态三能级系统三能级系统能量能量 快快 慢慢 能量能量 粒子数粒子数 E2 E1 E0 n2 n1 n0 分分 析析 24四能级系统四能级系统能量能量 快快 慢慢 能量能量 粒子数粒子数 E2 E1 E0 n2 n1 n0 快快 n3 E3 25作业作业 治学三大治学三大原则：广原则：广见闻，多见闻，多阅读，勤阅读，勤实验。实验。 268.4 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 要产生要产生激光激

15、光, 还必须还必须: 受激辐射受激辐射 自发辐射自发辐射 二二. 光学谐振腔光学谐振腔 (optical harmonic oscillator) 激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔. 激励能源激励能源 全反射镜全反射镜 部分反射镜部分反射镜 激光激光 分分 析析 27三三. 稳定谐振腔结构稳定谐振腔结构 W0 R1 R1 平面平行腔平面平行腔R2 R2 d0W波面球面腔球面腔xyz共焦腔共焦腔半球腔半球腔cR RFF 共心球面腔共心球面腔R Rcc 28迈克耳孙复合腔迈克耳孙复合腔 FP 标准具选模标准具选模 dcvmd22 D Dl l D

16、 D l lp p cosLncvcosLn 222d3 M1 M2 M3 M4 d1 d2 M1 M2 L 29四四. 光学谐振腔的阈值条件光学谐振腔的阈值条件 利用半波片选模利用半波片选模 )(2212eoeonndcvmdnn D Dl l工作物质工作物质W波晶片波晶片反射镜反射镜d激光器内受激辐射光激光器内受激辐射光来回传播时，并存着来回传播时，并存着 光的放大光的放大 光的吸收、散射、衍射、透射（包括部光的吸收、散射、衍射、透射（包括部分反射镜一端的激光输出）等分反射镜一端的激光输出）等. 增益增益 损耗损耗 30激光形成阶段：激光形成阶段：增益损耗增益损耗激光稳定阶段：激光稳定阶段

17、：增益损耗增益损耗 1. 激光在工作物质内传播时的净增益激光在工作物质内传播时的净增益 设：设：0处，光强为处，光强为I0 有：有： d I Idx 写成等式：写成等式： d I = a a I dx 定义：定义：增益系数增益系数 a a (gain coefficient)xeIIa a0 31表示：表示：单位长度上光强增加的比例单位长度上光强增加的比例一般一般 a a 不是常数，不是常数，为简单起见，先近似地认为为简单起见，先近似地认为 a a 是常数是常数. IdxdI a a2. 考虑激光在两端反射镜处的损耗考虑激光在两端反射镜处的损耗I0 输出输出 全反射镜全反射镜部分反射部分反射镜

18、镜I1 1R2RL I2 I0 激光激光刚从刚从左反射镜出发时的光强；左反射镜出发时的光强； I1 被被右反射镜反射后，出发时的光强；右反射镜反射后，出发时的光强；R1、R2 左、右两端反射镜的左、右两端反射镜的反射率反射率;32显然有显然有I 1 = R 2 I 0 e a aL , I 2 = R 1 I 1 e a aL = R 1 R 2 I 0 e 2a aL I 2 = R 1 I 1 e a aL 所以所以 在激光形成阶段在激光形成阶段 即即 R1 R2 e 2a aL 1mRRlnLa aa a 21121或或 须须 I2 / I0 1 a am : 称为称为阈值增益阈值增益，

19、 即产生激光的最小增益。即产生激光的最小增益。 在激光稳定阶段在激光稳定阶段 即即 mRRlnLa aa a 21121须：须： I2 / I0 = 1 I2 再被再被左反射镜反射后，出发时的光强左反射镜反射后，出发时的光强. 称为称为 阈值条件阈值条件 ( threshold condition) 331. 在激光的形成阶段在激光的形成阶段a a a am , 光放大，光放大，那么光强会不会无限放大下去？那么光强会不会无限放大下去？ 2. 在激光的稳定阶段在激光的稳定阶段怎么又会怎么又会a a = a am ?这是由于光强增大伴随着这是由于光强增大伴随着 粒子数反转程度的减弱粒子数反转程度的

20、减弱, D DN 。（负反馈）（负反馈）不会！不会！原因是实际的增益系数原因是实际的增益系数a a 不是常量不是常量,当当 I 时，会时，会 a a .v0 v a a 348.5 激光的单色性激光的单色性 电偶极子辐射为电偶极子辐射为 随时间衰减的非正弦随时间衰减的非正弦电磁波，从而对应着一定的频带宽度电磁波，从而对应着一定的频带宽度. .一一. 谱线宽度谱线宽度 1. 自然加宽自然加宽 如如: 一一有限有限波列（光子）波列（光子） 220200/t|t |/t|t |tviexpftFD DD Dp p 01vtD Dt 35因为因为任一任一非周期非周期函数函数: F( t ) 可用傅里叶

21、积分表示可用傅里叶积分表示 dvvtiexpvftFp p2 其中：其中： dtvtiexptFvfp p2 dttvviexpfvf200 p p所以有所以有: tvvtvvsintfD Dp pD Dp pD D000 36频谱宽度：频谱宽度： tvD DD D1 波列长度：波列长度： tcLD DD D c/vv/vcD Dl lD Dl lD D22 谱线宽度谱线宽度: vD D0 )(2 ftD D/10 Hzt/v5210101 D DD D Ei+1 D DEi+1 Ei D DEi 21111 D DD D D D hEEii37 D D D DpTpzp )( ，一一定定2.

22、 多普勒加宽多普勒加宽 3. 碰撞加宽碰撞加宽 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原子辐射时相互作用、碰撞而导致谱线加宽. . molDM/Tv.c/uvv02010167 D D4. Stark 加宽加宽 内、外电场引起原子辐射谱线加宽内、外电场引起原子辐射谱线加宽. . 5. 塞曼加宽塞曼加宽 外磁场引起原子辐射谱线加宽外磁场引起原子辐射谱线加宽. . 6. 自吸加宽自吸加宽 谱线被同种基态原子吸收，引起自蚀谱线被同种基态原子吸收，引起自蚀. .与同种基态原子碰撞与同种基态原子碰撞 共振加宽

23、共振加宽 38光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用： 1. 使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线）；（沿轴线）； 2. 增强增强光放大光放大作用（延长了工作物质）；作用（延长了工作物质）； 3. 使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性（选频）。（选频）。 阈值条件为阈值条件为mRRlnLa aa a 21121对于可能有多种跃迁的情况，可以利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用阈值条件来选出一种跃迁.选频之一：选频之一： 二二. 谐振腔的共振频率谐振腔的共振频率 39 我们可以控制我们可以控制R1、R2 的大小：的大小： 对对 0.6328 m mm

24、: R1、R2大大 a a m 小小(易满足阈值条件，可易满足阈值条件，可形成激光形成激光) ； 对对 1.15 m mm 、3.39 m mm : R1、R2小小 a a m大（不易满足大（不易满足阈值条件，难形成激光）阈值条件，难形成激光）. 例如：氦氖激光器例如：氦氖激光器, Ne 原子的原子的 0.6328 m mm, 1.15 m mm, 3.39 m mm 受激辐射光中受激辐射光中, 只让波长为只让波长为 0.6328 m mm 的光输出，的光输出，a ama aq 1 q 1 q 激光振荡中的模式竞争激光振荡中的模式竞争 40设氦氖激光器设氦氖激光器Ne 原原子的子的 632.8

25、 nm 受激受激辐射光的谱线宽度辐射光的谱线宽度为为D D , 如图所示如图所示. D D 1.3 109 Hz 对于单一的跃迁，还可以利用对于单一的跃迁，还可以利用选择纵模间选择纵模间隔隔的方法，进一步在谱线宽度内再选频的方法，进一步在谱线宽度内再选频. 选频之二：选频之二： 41 )(0 I)(0 I2)(0 I 0 0 由于：由于：l l c 取绝对值取绝对值l lD Dl l D D2c c D Dl ll lD D2 但是，为什么激光的谱线宽度会小到但是，为什么激光的谱线宽度会小到 D Dl l 10-9nm ？ nm.3989210711010310318632 42由于光学谐振腔

26、两端反射镜处必是波节，由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，所以有所以有光程：光程： 2l ljnL ( j =1、2、3、) l l 真空中的波长真空中的波长 L j =1 j =2 j =3 jnLj2 l ln 谐振腔内媒质的折射率谐振腔内媒质的折射率43 可以存在的纵模频率为：可以存在的纵模频率为： nLcjcjj2 l l 相邻两个纵模频率的间隔为：相邻两个纵模频率的间隔为： nLcjj21 D D 数量级估计：数量级估计： 1； n1.0； c108 m s 1051112103288z.nLc D D 44而氦氖激光器而氦氖激光器 0.6328 m mm 谱线的宽度为谱线的宽度为

27、D D =1.3109 HZ 因此，在因此，在D D 区间中，可以存在的纵模个数为区间中，可以存在的纵模个数为 81051103189 .N D D D D0I012345678 D D0 D D 45利用利用加大纵模频率间隔加大纵模频率间隔 D D 的方法的方法,可以使可以使 D D 区区间中只存在一个纵模频率。间中只存在一个纵模频率。 比如比如 缩短缩短 管长管长到到 10 cm， 即即 L/10 则则 D D 10 D D 在在 D D 区间中，可能存在的纵模个数区间中，可能存在的纵模个数 N=1. 输出激光谱线宽度输出激光谱线宽度 自然线宽自然线宽: Hzv3out101 D Dout

28、 D D0 I D D468.6 激光的相干性激光的相干性激光除了有纵向驻波模式外，激光除了有纵向驻波模式外， 还有横向驻波模式还有横向驻波模式. 基横模基横模在激光光束的横截面上各点的位在激光光束的横截面上各点的位相相同相相同, 空间相干性最好空间相干性最好. 47作业作业 业精于勤业精于勤荒于嬉，荒于嬉，行成于思行成于思毁于随。毁于随。 488.7 激光器的种类激光器的种类激光器可分为四大类激光器可分为四大类: :气体激光器气体激光器 工作物质是气体原子、分子、离子或金属蒸气工作物质是气体原子、分子、离子或金属蒸气; ; 固体激光器固体激光器 晶体、玻璃等作为工作物质晶体、玻璃等作为工作物

29、质 半导体激光器半导体激光器 半导体做成半导体做成 染料激光器染料激光器 有机染料的溶液有机染料的溶液; ;频率可调频率可调按工作方式分为按工作方式分为 连续的、脉冲的、调连续的、脉冲的、调Q和超短脉冲的四类。和超短脉冲的四类。连续激光器可发出连续的激光，脉冲式激光器则是发出断续的连续激光器可发出连续的激光，脉冲式激光器则是发出断续的脉冲式激光。调脉冲式激光。调Q激光器是一种发光的脉冲更短也更强的激光激光器是一种发光的脉冲更短也更强的激光器。锁模激光器发射出来的激光脉冲比调器。锁模激光器发射出来的激光脉冲比调Q激光器还要短激光器还要短 49一气体激光器一气体激光器 1. He一一Ne 气体激光

30、器气体激光器 He -Ne 激光器中激光器中 He 是辅助物质，是辅助物质，Ne 是是 激活物质，激活物质，He与与 Ne之比为之比为 51 1011典型值：典型值：He：1mmHg ; Ne：0.1mmHg; 电压：电压：5kV. 2. Ar 离子气体激光器离子气体激光器 单色性极好，输出功率大单色性极好，输出功率大. 输出波长：输出波长：514.5nm，488.0nm. 50二二. 固体激光器固体激光器 固体激光器的基本结构固体激光器的基本结构51最大单脉冲能量最大单脉冲能量: 10 J, 峰值功率峰值功率: 3108 W 工作物质工作物质: 含铬含铬(Cr3+)粒子的红宝石粒子的红宝石

31、激励源激励源: 脉冲氙灯脉冲氙灯. 激光激光脉宽脉宽: 30ns 一种红宝石激光器的参数：一种红宝石激光器的参数：52三三. 半导体激光器的特点半导体激光器的特点 功率可达功率可达 102 mW 效率高效率高制造方便制造方便成本低成本低所需电压低所需电压低 ( 10 V )体积小体积小极易与光纤接合极易与光纤接合缺点：缺点：频谱较宽频谱较宽 ( 应是两能带之间的跃迁应是两能带之间的跃迁 Dl Dl 7nm )1. 量子阱激光器；量子阱激光器；2. 自由电子激光器自由电子激光器 ; 3. X 射线激光器射线激光器.四激光器发展方向四激光器发展方向538.9 全息照相全息照相一一. 波前全息记录和

32、物光波前重现波前全息记录和物光波前重现 物体发出物体发出(或反射或反射)的光称为的光称为物光物光，物光包含的全部信息有，物光包含的全部信息有：由波长所描绘的由波长所描绘的颜色颜色，由振幅所确定的，由振幅所确定的光光强度强度，由相位所由相位所表表示的示的振动状态振动状态。反射镜反射镜参考光参考光R感光胶片感光胶片物光物光O物物反射镜反射镜激光器激光器扩束器扩束器分光板分光板普通照相，仅记录普通照相，仅记录 光强度光强度和颜色。和颜色。 （平面照片）（平面照片）全息照相，同时记录振全息照相，同时记录振幅和相位。（立体形象）幅和相位。（立体形象）54反射反射镜镜参考光参考光R感光胶感光胶片片物光物光O物物反射反射镜镜激光激光器器扩束扩束器器分光分光板板感光胶片感光胶片上上记录记录了了参考光参考光R与与物光物光o相干叠加的干涉图相干叠加的干涉图样，与原物的形象不同，却样，与原物的形象不同，却携带了物光波前上各点的全携带了物光波前上各点的全部信息，故称部信息，故称全息图全息图。 此记录过程称为此记录过程称为波前的全息波前的全息记录记录。 重现的物光重现的