第八章 现代光学基础0.ppt

1、,第八章 现代光学基础,8.1 原子发光的机理 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 8.7 激光器的种类 8.8 全息照相 8.9 光盘存储技术,8.1 原子发光的机理,激光(Laser): Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation,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

2、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,E2,E1,E3,E4,h,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,B12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,自发辐射光子数：,A21：自发辐射爱因斯坦系数,自发辐射：自

3、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,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,受激辐射：,一个光子成两个光子 光放大,但有

4、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,如果有 A32A31 A32A21 ，则处于能态的原子数大大增加，使 n2n1，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,He-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

5、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

6、耗，才会有激光输出,L,I0,I1,I2,R1,R2,R2 I1,I3,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,自然线宽：103 Hz,多普勒展宽：109 Hz,碰撞展宽：108 Hz,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

7、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 TEMmn,TEM21,*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）,

8、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：Ne,He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 =57：1 四能级系统,波长：3390nm 1150nm 632.8nm,*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：,

9、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：

10、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：,P,P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