《光学教程》姚启钧原著_第八章

1、1Chap.8 Basics of Modern Optics2 现代光学以1960年梅曼成功研制出的第一台红宝石激光器为标志。 “激光”“Laser”“Lihgt amplification by stimulated emission of radiation”. 它是光受激辐射放大的简称，它通过辐射的受激发射而实现光放大。它是一种单色性佳、亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。 我国国家标准给它下的定义是：“由激光器产生的，波长在1mm以下的相干电磁辐射，它由物质的粒子受激发射放大产生，具有良好的单色性、相干性和方向性”（GB/T 1531394）。3主 要 内 容8. 1 原子发光的机

2、理 8. 2 光与原子相互作用 8. 3 粒子数反转 8. 4 光振荡 8. 5 激光的单色性 8. 6 激光的相干性 48. 7 激光器的种类 8. 8 非线性光学8. 9 全息照相 8.10 光盘存储技术8.11 傅立叶光学的几个基本概念8.12 阿贝成像原理8.13 阿贝-波特实验和空间滤波58.1 原子发光的机理 一、玻尔的氢原子模型 二、能级图 三、原子发光的机理 6一、玻尔的氢原子模型 19世纪末的三大发现：伦琴：1895年X射线1901年获诺贝尔奖；贝克勒尔：1896年放射性1903年获诺贝尔奖；G.P.汤姆孙：1897年电子1906年获诺贝尔奖.汤姆孙卢瑟福玻尔海森伯西瓜模型

3、行星模型壳层模型不确定关系1897年1911年 1913年 1927年(1906年 1908化学奖 1922年 1932年)（18561940 18711937 18851962 19011976） 0 -15 -29 -457英物理世界千年特刊评出的10名最杰出物理学家： 爱因斯坦（美籍德国人、1921） 牛顿英国人 麦克斯韦英国人 玻尔丹麦人、1922 海森伯(德国人、1932) 伽利略意大利人 费曼美国人、1965 狄拉克法国人、1933 薛定谔奥地利人、1933 卢瑟福英籍新西兰人 诺贝尔奖是1901.12.10.诺贝尔逝世5周年纪念日时颁发第一届.（详见：光学网名师之窗物理学家）8部

4、分著名的物理学家：9一、玻尔的氢原子模型 玻尔理论的基本假设.电子的角动量 ， n=1,2,3,主量子数. 电子的轨道半径： ， 022241,krZekrm2hnrmZnaZkmehnrn212222410h = 6.62617610-34 Js, e = 1.6021910-19 C,m = 9.1095610-31 kg，0 = 8.8541910-12 F/m 第一轨道半径： a1 0.053 nm 电子的轨道速度：Ammehkmeha53. 010529166. 04441022202221nhZke2211二、能级图 负号表示要把电子从原子中移开必须对电子作功.能级图：用一条条水平

5、线的高低来代表能量的大小的图形. eVEEnzhnkZmerZekEEErZekmErZekEkpnkp6 .13,22221,1122222242222212三、原子发光的机理玻尔又假设：当电子在某一个固定的允许轨道上运动时，并不发射光子。当电子从一个能量较大的状态跃迁到一个能量较小的状态时,电子的总能量发生变化.这部分能量的改变值就以光子的形式辐射出来。反之，当电子从一个能量较小的状态跃迁到一个能量较大的状态时，它吸收光子。13吸收： ，发射： ， E1为基态， 能量最低，其它态为激发态。 1221EEhv1551EEh148.2 光与原子相互作用 一、吸收 二、自发辐射 三、受激辐射 四

6、、三个系数的关系 15一、吸 收 只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔E2 E1 时，这样的光子才能被吸收。 其中B12 称为受激吸收爱因斯坦系数， 称为吸收速率。)()(B)(11212111212112vunnvunnvunn，)()(B)(11212111212112vunnvunnvunn，16二、自发辐射 自发地从激发态返回较低能态而放出光子的过程自发辐射过程。 n21 = n2 A21其中A21 称为自发辐射爱因斯坦系数。 原子在能级E2 上的平均寿命为 。特点：这种过程与外界作用无关，除激光器光源外，普通光源的发光都是自发辐射。211A17三、受激辐射 处于激发态的原子，在外来

7、光子的影响下，引起从高能态向低能态的跃迁，并把两个状态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去的过程受激辐射。其中B21 称为受激辐射爱因斯坦系数。21222121)(Bnvunn 18注意： 只有当外来光子的能量 正好满足关系式 时，才能引起受激辐射。 受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率、相同的发射方向、相同的偏振态和相同的相位。 21h1221EEh19四、三个系数的关系 B12 = B21 = B3321218chvBA 208. 3 粒子数反转 一、光放大与粒子数反转二、能实现粒子数反转的物质 二能级物质不能实现粒子数反转，三能级系统实现粒子数反转有可能，四能级系统实现粒子数反转

8、行。218. 4 光振荡 光学谐振腔：能在某一方向上实现受激辐射占主导地位的光学装置。 作用：正反馈、谐振、输出。 激光：雪崩式骤然增加。228. 5 激光的单色性 一、谱线宽度 二、谐振腔的共振频率 三、激光的单色性 四、选模 23 一、谱线宽度 频宽：自然线宽：根据关系式 c = 形成的谱线宽度,多普勒宽度：谱线宽度： tv112cuc102c详见：尹国盛广西物理2003，No.3.24二、谐振腔的共振频率 共振：当腔长与光波频率满足 时，多光束干涉的结果得到极大值的情况。共振频率 ：符合共振条件的光波频率。两个相邻共振频率之差：两个相邻共振波长之差： 。.2,2,22cjcjj又2cj2

9、2；2c25三、激光的单色性 激光的单色性定义为 /0 或/0 ，其中0 、0 为激光谱线的中心频率和中心波长， 和为相应的频率宽度和谱线宽度。26四、选 模 在激光器的输出光束中，如果只存在一个共振频率，则称为一个纵向模式或称为纵向单模，简称单纵模。在激光技术中，如同时存在几个共振频率，则称为纵向多模。 可利用F-P标准具进行选模，条件是：.cos22indckk278.6 激光的相干性 一、时间相干性和空间相干性二、普通光源的相干性三、激光器的横向模式四、激光的相干性28一、时间相干性和空间相干性相干性：空间任意两点光振动之间相互关联的程度。相干时间：原子的平均发光时间间隔tH 。相干长度

10、：在相干时间内光经过的路程lH ， lH = c tH 。迈克耳孙干涉仪光的时间相干性；杨氏实验光源的空间相干性。 二、普通光源的相干性29三、激光器的横向模式 在激光束横截面上呈现各种光强的不同图样的稳定分布称为激光束的横向模式，简称横模。 取激光器的轴向作为直角坐标系的z轴，以谐振腔的中心点为原点，并在与主轴z垂直的平面上取x轴和y轴，用符号TEMmn 来表示各种横向模式。30 这里m、n均为正整数，分别表示在x轴和y轴方向上光强为零的那些零点的序数，称为模式序数。TEM00 称为低次模式，其它的模式皆称为高次模式。31四、激光的相干性激光的相干性也包括时间相干性和空间相干性。 原子发光时

11、间和所发光的频率宽度成反比，即 而激光的非常小，比普通光要小得多， 激光的相干时间t 很大，即激光的时间相干性很好。 衍射使激光的能量受到了损失，但却为激光的空间相干性创造了条件。正是由于激光器的衍射作用，使激光的空间相干性提高了。tv132作 业阅读：P453489选作：P533 1、2、3、4338. 7 激光器的种类目前激光器的种类很多，有很多种分类方法：341.按激光器工作物质性质分导体激光器泵浦激光器；砷化镓半半导体激光器：二极管准分子气体激光器离子气体激光器分子气体激光器原子气体激光器气体激光器：器、化学激光器液体激光器：燃料激光固体激光器：红宝石等352.按激光器工作方式分超短脉

12、冲激光器可调谐激光器准连续激光器连续激光器重复频率激光器脉冲激光器 363.按激光器的谐振腔分4.按激光器的激励方式分总之，不管怎样分，每一类都包括许多激光器。环形激光器：内腔式波导激光器：全外腔式光器光泵浦激光器：固体激激光器电泵浦激光器：He-He378.8 非线性光学一、概念： 激光出现之前的光学基本研究的是弱光束在介质中的传播、反射、折射、干涉、衍射、线性吸收和线性散射等现象。这些散射满足波的叠加原理，光场在物质中感生的电极化强度与外界电场强度成正比，即： ， 物质对光场的响应与光的场强成线性关系线性光学。EExP038 随着激光这种强光束的出现，物质对光场的响应与光的场强为非线性关系

13、非线性光学，即：Or ：P =4)4(03)3(02)2(00ExExExxEP32EEE39二、内容强光与物质的相互作用；二阶非线性；三阶非线性；受激拉曼散射（红、紫伴线）；光混频（倍、和、差）；激光自聚焦；光学相位共轭；光学双稳态；光学混沌；超快过程40三、发展 早期10年（19611970）： 晶体、液体、气体 全面深入20年（19711990）： 半导体、光纤通信、无机非线性晶体 新进展15年（19912005）： 新型光学晶体、飞秒化学、飞秒生物41四、方法 非线性干涉法； 简并四波混频法； 自衍射； 椭圆偏振术； 光束畸变； z 扫描。详见：尹国盛物理2002，31（11）：708

14、712。428.9 全息照相 一、 全息照相 二、 基本原理 三、 全息照相的摄制与再现装置 四、 全息照相的特点 五、 全息照相的一些应用43一、全息照相 既能记录光波振幅的信息，又能记录光波相位信息的摄影.二、基本原理 （双光束干涉）44 三、 全息照相的摄制与再现装置45 四、 全息照相的特点 它是一个十分逼真的立体像。它和观察到的实物完全一样，具有相同的视觉效应。 可以把全息照片分成若干小块，每一块都可以完整地再现原来的物像（孙悟空似的分身术）。 同一张底片上，经过多次曝光后，可以重叠许多像，而且每一个像又能不受其他像的干扰而单独地显示出来，即一张底板能同时记录许多景物。 全息照片易于

15、复制。 普通光再现、彩色立体电视、彩色立体电影等。46 五、全息照相的一些应用全息干涉测量全息显微术全息技术在海洋学中的应用全息照相制作光学元件全息防伪技术478.10 光盘存储技术 激光光盘是继缩微技术和磁性存储介质之后所发展起来的一种崭新的信息存储系统。它是通过用激光束照射旋转的记录介质层来改变记录介质对光的反射和透射强度，从而进行二进制信息的记录。其基本原理是基于光子同物质之间的直接相互作用，导致记录介质产生能够识别的物理和化学等性质的变化，从而达到信息记录的目的。48 它具有存储容量大、高清晰高保真图像、数字式信号读取方式、读出速度快、保存时间长、价格低廉等特点。 其主要存储机制有：磁

16、光存储、光致变色存储、光子烧孔存储、双光子吸收存储、光折变存储、热光存储、四波混频存储、全息存储、光电存储、光致分子取向存储、纳米存储等。 按其功能的不同，光盘可分为：只读、只写式，可写式，可擦除式等。 详见：黄明举河大学报2001，No.1.49讨论题（8） 1. 什么是激光？ 2. 激光的工作原理是什么?它主要有哪些特点？ 3. 激光器的模式有哪两种？ 4. 世界上第一台激光器是什么时间由谁研制出来的?它有什么意义？505.激光器有哪些种类？6.按照玻尔理论，电子的轨道半径如何计算？总能量如何计算？7.什么是线性光学？什么是非线性光学？8.什么是全息照相？它的基本原理是什么？9.全息照相主

17、要有哪些特点？10.全息照相有哪些主要应用？51讨论题答案（8） 1.答：激光是光受激辐射放大的简称，它是由激光器产生的，波长在1mm以下的相干电磁辐射，它由物质的粒子受激发射放大产生，具有良好的单色性、相干性和方向性。 2.答：激光的工作原理是通过辐射的受激发射而实现光放大。它的主要特点有：单色性佳、亮度高、相干性强、方向性好等。52 3.答：世界上第一台激光器是1960年由梅曼研制出来的。它的意义在于开创了现代光学的新时代，它是现代光学开始的标志。 4.答：激光器的模式有纵向模式和横向模式。 5.答：激光器的种类很多，如果按激光器工作物质性质可以分为固体激光器、液体激光器、气体激光器和半导体激光器等；如果按激光器工作方式可以分为脉冲激光器、重复频率激光器、连续激光器、准连续激光器、可调谐激光器和超短脉冲激光器等；如果按激光器的谐振腔可以分为波导激光器和环形激光器等；如果按激光器的激励方式可以分为电泵浦激光器、光泵浦激光器和二极管泵浦激光器等等。53 6.答：电子的轨道半径和总能量分别按下列公式计算： ； 。 7.答：物质对光场的响应与光的场强成线性关系的光学称为线性光学。物质对光场的响应与光的场强为非线性关系的光学称为非线性光学。 8.答：既能记录光波振幅的信息，又能记录光波相位信息