现代光学基础课件

现代光学基础8.1

原子发光的机理激光(Laser):LightAmplificationofStimulatedEmissionofRadiation种类：固体激光器——1960年（红宝石、美国休斯实验室）气体激光器——1961年（He-Ne、美国贝尔实验室半导体激光器——1962年（砷化镓）液体激光器——1966年（无机液体）化学激光器——1964年准分子激光器——1977年可调谐染料激光器——1975年（有机液体）基态：能量最低状态，最稳定；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。h

E2E1E3E4h

E2-E1=h

E2-E3=h

发射光子吸收光子跃迁••玻尔轨道8.2

光与原子相互作用一、吸收h

•E2E1B12——受激吸收爱因斯坦系数只吸收特定频率

的光子u()：光的辐射能密度光与物质相互作用归结为光与原子相互作用吸收自发辐射受激辐射吸收：外来激励下，原子由低能态

高能态，吸收光子从能级E1

E2的原子数：n1处于能级E1的原子数二、自发辐射和受激辐射h

E2E1•自发辐射光子数：A21：自发辐射爱因斯坦系数自发辐射：自发地从高能态

低能态，放出光子只辐射特定频率

的光子n2：处于能级E2的原子数h

E2E1•h

h

受激辐射光子数：B21——受激辐射爱因斯坦系数受激辐射：外来激励下，原子由高能态

低能态，放出光子自发辐射是无规的（方向、初位相）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三、吸收、自发辐射和受激辐射三系数间的关系吸收自发辐射受激辐射处于热平衡状态时有：根据玻尔兹曼定律8.3

粒子数反转一、受激辐射与吸收系统处于热平衡状态时，

要实现光放大，得有：即粒子数反转分布实现的条件外界输入能量工作物质有合适的能级结构—激活介质h

E2E1•h

h

受激辐射：一个光子成两个光子

光放大但有外来光激励下，也同时会发生吸收，究竟是吸收占优势还是受激辐射占优势？吸收占优势二、三能级系统h

E2—亚稳态E1•h

h

E3A32A31n3如果有

A32>A31A32>A21，则处于能态的原子数大大增加，使n2>n1，实现粒子数反转—基态E3激发态，寿命短，经自发辐射，E3

E2

，E3

E1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）能量红宝石激光器三、四能级系统E1E2E3E4He-Ne激光器CO2激光器—亚稳态E3、E2间粒子数反转分布，由于E2本身是激发态，粒子数少，容易实现粒子数反转8.4

光振荡一、受激辐射与自发辐射若辐射源温度约为室温（T=300K）下，受激辐射光子数远小于自发辐射光子数要实现光放大，必须：受激辐射光子数大于自发辐射光子数自发辐射受激辐射处于高能态的原子除受激辐射外，也发生自发辐射当T=50000K，受激辐射光子数等于自发辐射光子数。受激辐射在某一方向发生振荡，超过自发辐射二、光学谐振腔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R1=100%部分反射镜R2=98%工作物质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。激光输出谐振腔三、光振荡的阈值条件：增益系数阈值增益：才能实现光振荡而输出激光振荡过程中有损耗：工作物质的吸收、散射等反射镜反射率低于100%必须要光放大大于损耗，才会有激光输出LI0I1I2R1R2R2I1I3经过一个来回阈值条件8.5

激光的单色性一、谱线宽度1.自然线宽

：平均寿命2.多普勒展宽3.碰撞展宽He-Ne激光632.8nm自然线宽：103Hz多普勒展宽：109Hz碰撞展宽：108Hz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，由多普勒效应造成原子间碰撞，使寿命缩短，使谱线展宽二、谐振腔的共振频率和纵模

：共振频率n：工作物质折射率谐振腔作用：1.光振荡实现光放大。2.选频——激光输出有几个频率，某一个称为一个纵模谐振腔——法布里-珀罗干涉仪当透射（输出）干涉主最大即：如同法-珀，每一个纵模有一定的线宽8.6

激光的相干性1.激光的时间相干性2.激光的空间相干性相干长度：l=c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向模式，简称横模。——由反射镜衍射引起横模单模TEM00——高斯形分布多模TEMmnTEM21*8.7

激光器的种类产生激光的两个必要条件：粒子数反转分布（要有激活介质，激励能源）2.达到阈值条件（谐振腔，足够的激励能量）构成激光器的三大要件：1.激励能源2.工作物质（激活介质）3.谐振腔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。一、气体激光器工作物质：He-Ne，CO2，N2等工作物质：NeHe——辅助气体Ne通过高压放电激励氖原子实现粒子数反转。特点：1.单色性好；2.方向性好；3.效率低（0.1%）。He：Ne=5

7：1四能级系统波长：3390nm1150nm632.8nm

*8.7

激光器的种类二、固体激光器红宝石、掺钕的钇铝石榴石(YAG)、钕玻璃等工作物质：Al2O3晶体基质中掺0.05%Cr+++形成通过强光激励（脉冲氙灯激发）实现粒子数反转。三能级系统特点：1.小而坚固；2.脉冲激光；3.效率高（0.2%）工作物质：波长：694.3nm三、液体激光器如染料激光器工作物质：染料（有机物化合物）通过光激励（氮分子激光器、闪光灯、固体激光器等）形成粒子数反转，四能级系统特点：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（可调谐）2.效率高工作物质：有机化合物，无机化合物四、半导体激光器特点：1.体积小；2.质量轻；3.消耗小；4.单色性差。工作物质：半导体材料如砷化镓激光器在PN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8.9

全息照相一般照相：记录光强全息照相：既能记录光波振幅，又能记录位相信息的照相技术。又称全息术由杨氏双缝干涉实验：

S1S2PP点：——平面像立体摄影：记录几个方向的平面像，再用立体视镜，见到具有立体感的像光波：全息照片：重现：用同样的参考光束去照射全息照片，透射光为参考光束：物光束：

记录了干涉后的光强分布，但包括了物的振幅和位相信息原来物的全部信息共轭，是个实像特点：1.逼真2.任何一小部分都包含了全部信息3.重叠多个象4.易于复制全息照相的应用：1.全息干涉测量2.全息显微术3.海洋学研究4.制成各种元件（光栅、商标、防伪标记）8.10

光盘存储技术只读性光盘可擦除光盘——可逆，可写入、擦除。磁介质作记录