現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)資料

1、 4 8. 7 激光器的種類 8. 8 非線性光學(xué) 8. 9 全息照相 8.10 光盤存儲技術(shù) 8.11 傅立葉光學(xué)的幾個基本概念 8.12 阿貝成像原理 8.13 阿貝-波特實(shí)驗和空間濾波 5 8.1 原子發(fā)光的機(jī)理 一、玻爾的氫原子模型 二、能級圖 三、原子發(fā)光的機(jī)理 6 一、玻爾的氫原子模型 19世紀(jì)末的三大發(fā)現(xiàn)： 倫琴：1895年X射線1901年獲諾貝爾獎； 貝克勒爾：1896年放射性1903年獲諾貝爾獎； G.P.湯姆孫：1897年電子1906年獲諾貝爾獎. 湯姆孫盧瑟福玻爾海森伯 西瓜模型 行星模型殼層模型不確定關(guān)系 1897年1911年 1913年 1927年 (1906年 19

2、08化學(xué)獎 1922年 1932年) （18561940 18711937 18851962 19011976） 0 -15 -29 -45 7 英物理世界千年特刊評出的10名最杰出物理學(xué)家： 愛因斯坦（美籍德國人、1921） 牛頓英國人 麥克斯韋英國人 玻爾丹麥人、1922 海森伯(德國人、1932) 伽利略意大利人 費(fèi)曼美國人、1965 狄拉克法國人、1933 薛定諤奧地利人、1933 盧瑟福英籍新西蘭人 諾貝爾獎是1901.12.10.諾貝爾逝世5周年紀(jì)念日時頒 發(fā)第一屆.（詳見：光學(xué)網(wǎng)名師之窗物理學(xué)家） 8 部分著名的物理學(xué)家： 9 一、玻爾的氫原子模型 玻爾理論的基本假設(shè). 電子的角

3、動量 ， n=1,2,3,主量子數(shù). 電子的軌道半徑： ， 0 2 22 4 1 , k r Ze k r m 2 h nrm Z n a Zkme h nr n 2 1 22 2 2 4 10 h = 6.62617610-34 Js, e = 1.6021910-19 C, m = 9.1095610-31 kg， 0 = 8.8541910-12 F/m 第一軌道半徑： a1 0.053 nm 電子的軌道速度： Am me h kme h a53. 010529166. 0 4 4 4 10 22 2 0 22 2 1 nh Zke 2 2 11 二、能級圖 負(fù)號表示要把電子從 原子中移

4、開必須對電 子作功. 能級圖：用一條條水 平線的高低來代表能 量的大小的圖形. eVEE n z hn kZme r Ze kEEE r Ze kmE r Ze kE kpn kp 6 .13,2 2 22 1 , 11 2 2 22 224 2 2 2 2 2 12 三、原子發(fā)光的機(jī)理 玻爾又假設(shè)：當(dāng)電子在某一個固定的允 許軌道上運(yùn)動時，并不發(fā)射光子。當(dāng)電 子從一個能量較大的狀態(tài)躍遷到一個能 量較小的狀態(tài)時,電子的總能量發(fā)生變化. 這部分能量的改變值就以光子的形式輻 射出來。反之，當(dāng)電子從一個能量較小 的狀態(tài)躍遷到一個能量較大的狀態(tài)時， 它吸收光子。 13 吸收： ， 發(fā)射： ， E1為基態(tài)

5、， 能量最低， 其它態(tài)為激發(fā)態(tài)。 1221 EEhv 1551 EEh 14 8.2 光與原子相互作用 一、吸收 二、自發(fā)輻射 三、受激輻射 四、三個系數(shù)的關(guān)系 15 一、吸 收 只有當(dāng)光子的能量正好等于原子的能級 間隔E2 E1 時，這樣的光子才能被吸收。 其中B12 稱為受激吸收愛因斯坦系數(shù)， 稱為 吸收速率。 )()(B)( 11212111212112 vunnvunnvunn， )()(B)( 11212111212112 vunnvunnvunn， 16 二、自發(fā)輻射 自發(fā)地從激發(fā)態(tài)返回較低能態(tài)而放出光 子的過程自發(fā)輻射過程。 n21 = n2 A21 其中A21 稱為自發(fā)輻射愛因

6、斯坦系數(shù)。 原子在能級E2 上的平均壽命為 。 特點(diǎn)：這種過程與外界作用無關(guān)，除激光器 光源外，普通光源的發(fā)光都是自發(fā)輻射。 21 1 A 17 三、受激輻射 處于激發(fā)態(tài)的原子，在外來光子的影 響下，引起從高能態(tài)向低能態(tài)的躍遷，并 把兩個狀態(tài)之間的能量差以輻射光子的形 式發(fā)射出去的過程受激輻射。 其中B21 稱為受激輻射愛因斯坦系數(shù)。 21222121 )(Bnvunn 18 注意： 只有當(dāng)外來光子的能量 正好 滿足關(guān)系式 時，才能引起受激輻射。 受激輻射發(fā)出來的光子與外來光 子具有相同的頻率、相同的發(fā)射方向、 相同的偏振態(tài)和相同的相位。 21 h 1221 EEh 19 四、三個系數(shù)的關(guān)系

7、B12 = B21 = B 3 3 21 21 8 c hv B A 20 8. 3 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 一、光放大與粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 二、能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì) 二能級物質(zhì)不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 三能級系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)有可能，四 能級系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)行。 21 8. 4 光振蕩 光學(xué)諧振腔：能在某一方向上實(shí)現(xiàn)受激 輻射占主導(dǎo)地位的光學(xué)裝置。 作用：正反饋、諧振、輸出。 激光：雪崩式驟然增加。 22 8. 5 激光的單色性 一、譜線寬度 二、諧振腔的共振頻率 三、激光的單色性 四、選模 23 一、譜線寬度 頻寬： 自然線寬：根據(jù)關(guān)系式 c = 形成的譜線寬度, 多普勒寬度： 譜線寬度： t v 1 12

8、c uc 1 0 2 c 詳見：尹國盛廣西物理2003，No.3. 24 二、諧振腔的共振頻率 共振：當(dāng)腔長與光波頻率滿足 時， 多光束干涉的結(jié)果得到極大值的情況。 共振頻率 ：符合共振條件的光波頻率。 兩個相鄰共振頻率之差： 兩個相鄰共振波長之差： 。 . 2 , ,2,2 2 c jc jj 又 2 c j 2 2 ； 2 c 25 三、激光的單色性 激光的單色性定義為 /0 或 /0 ， 其中0 、0 為激光譜線的中心頻率 和中心波長， 和為相應(yīng)的頻 率寬度和譜線寬度。 26 四、選 模 在激光器的輸出光束 中，如果只存在一個共振 頻率，則稱為一個縱向模 式或稱為縱向單模，簡稱 單縱模。

9、在激光技術(shù)中， 如同時存在幾個共振頻率， 則稱為縱向多模。 可利用F-P標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn) 行選模，條件是： . cos2 2 ind c k k 27 8.6 激光的相干性 一、時間相干性和空間相干性 二、普通光源的相干性 三、激光器的橫向模式 四、激光的相干性 28 一、時間相干性和空間相干性 相干性：空間任意兩點(diǎn)光振動之間相互關(guān)聯(lián)的 程度。 相干時間：原子的平均發(fā)光時間間隔tH 。 相干長度：在相干時間內(nèi)光經(jīng)過的路程lH ， lH = c tH 。 邁克耳孫干涉儀光的時間相干性； 楊氏實(shí)驗光源的空間相干性。 二、普通光源的相干性 29 三、激光器的橫向模式 在激光束橫截面上呈現(xiàn)各種光強(qiáng)的 不同圖樣

10、的穩(wěn)定分布稱為激光束的橫向 模式，簡稱橫模。 取激光器的軸向作為直角坐標(biāo)系的z 軸，以諧振腔的中心點(diǎn)為原點(diǎn)，并在與 主軸z垂直的平面上取x軸和y軸，用符號 TEMmn 來表示各種橫向模式。 30 這里m、n均為正整 數(shù)，分別表示在x軸和y 軸方向上光強(qiáng)為零的那 些零點(diǎn)的序數(shù)，稱為模 式序數(shù)。TEM00 稱為低 次模式，其它的模式皆 稱為高次模式。 31 四、激光的相干性 激光的相干性也包括時間相干性和空間相干性。 原子發(fā)光時間和所發(fā)光的頻率寬度成反比， 即 而激光的非常小，比普通光要小得多， 激光的相干時間t 很大，即激光的時間相 干性很好。 衍射使激光的能量受到了損失，但卻為激 光的空間相干

11、性創(chuàng)造了條件。正是由于激光器 的衍射作用，使激光的空間相干性提高了。 t v 1 32 作 業(yè) 閱讀：P453489 選作：P533 1、2、3、4 33 8. 7 激光器的種類 目前激光器的種類很多， 有很多種分類方法： 34 1.按激光器工作物質(zhì)性質(zhì)分 導(dǎo)體激光器泵浦激光器；砷化鎵半半導(dǎo)體激光器：二極管 準(zhǔn)分子氣體激光器 離子氣體激光器 分子氣體激光器 原子氣體激光器 氣體激光器： 器、化學(xué)激光器液體激光器：燃料激光 固體激光器：紅寶石等 35 2.按激光器工作方式分 超短脈沖激光器 可調(diào)諧激光器 準(zhǔn)連續(xù)激光器 連續(xù)激光器 重復(fù)頻率激光器 脈沖激光器 36 3.按激光器的諧振腔分 4.按激

12、光器的激勵方式分 總之，不管怎樣分，每一類都包括許多激光器。 環(huán)形激光器：內(nèi)腔式 波導(dǎo)激光器：全外腔式 光器光泵浦激光器：固體激 激光器電泵浦激光器：He-He 37 8.8 非線性光學(xué) 一、概念： 激光出現(xiàn)之前的光學(xué)基本研究的是弱 光束在介質(zhì)中的傳播、反射、折射、干涉、 衍射、線性吸收和線性散射等現(xiàn)象。這些 散射滿足波的疊加原理，光場在物質(zhì)中感 生的電極化強(qiáng)度與外界電場強(qiáng)度成正比， 即： ， 物質(zhì)對光場的響應(yīng)與光的場強(qiáng)成線性 關(guān)系線性光學(xué)。 EE xP 0 38 隨著激光這種強(qiáng)光束的出現(xiàn)，物質(zhì)對 光場的響應(yīng)與光的場強(qiáng)為非線性關(guān)系 非線性光學(xué)，即： Or ：P = 4)4( 0 3)3( 0

13、2)2( 00 ExExExxEP 32 EEE 39 二、內(nèi)容 強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用； 二階非線性； 三階非線性； 受激拉曼散射（紅、紫伴線）； 光混頻（倍、和、差）； 激光自聚焦； 光學(xué)相位共軛； 光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)； 光學(xué)混沌； 超快過程 40 三、發(fā)展 早期10年（19611970）： 晶體、液體、氣體 全面深入20年（19711990）： 半導(dǎo)體、光纖通信、無機(jī)非線性晶 體 新進(jìn)展15年（19912005）： 新型光學(xué)晶體、飛秒化學(xué)、飛秒生 物 41 四、方法 非線性干涉法； 簡并四波混頻法； 自衍射； 橢圓偏振術(shù)； 光束畸變； z 掃描。 詳見：尹國盛物理2002，31（11）：70871

14、2。 42 8.9 全息照相 一、 全息照相 二、 基本原理 三、 全息照相的攝制與再現(xiàn)裝置 四、 全息照相的特點(diǎn) 五、 全息照相的一些應(yīng)用 43 一、全息照相 既能記錄光波 振幅的信息，又能 記錄光波相位信息 的攝影. 二、基本原理 （雙光束干涉） 44 三、 全息照相的攝制與再現(xiàn)裝置 45 四、 全息照相的特點(diǎn) 它是一個十分逼真的立體像。它和觀察 到的實(shí)物完全一樣，具有相同的視覺效應(yīng)。 可以把全息照片分成若干小塊，每一塊 都可以完整地再現(xiàn)原來的物像（孫悟空似的分 身術(shù)）。 同一張底片上，經(jīng)過多次曝光后，可以 重疊許多像，而且每一個像又能不受其他像的 干擾而單獨(dú)地顯示出來，即一張底板能同時記

15、 錄許多景物。 全息照片易于復(fù)制。 普通光再現(xiàn)、彩色立體電視、彩色立體電影等。 46 五、全息照相的一些應(yīng)用 全息干涉測量 全息顯微術(shù) 全息技術(shù)在海洋學(xué)中的應(yīng)用 全息照相制作光學(xué)元件 全息防偽技術(shù) 47 8.10 光盤存儲技術(shù) 激光光盤是繼縮微技術(shù) 和磁性存儲介質(zhì)之后所發(fā)展 起來的一種嶄新的信息存儲 系統(tǒng)。它是通過用激光束照 射旋轉(zhuǎn)的記錄介質(zhì)層來改變 記錄介質(zhì)對光的反射和透射 強(qiáng)度，從而進(jìn)行二進(jìn)制信息 的記錄。其基本原理是基于 光子同物質(zhì)之間的直接相互 作用，導(dǎo)致記錄介質(zhì)產(chǎn)生能 夠識別的物理和化學(xué)等性質(zhì) 的變化，從而達(dá)到信息記錄 的目的。 48 它具有存儲容量大、高清晰高保真圖像、 數(shù)字式信號

16、讀取方式、讀出速度快、保存時 間長、價格低廉等特點(diǎn)。 其主要存儲機(jī)制有：磁光存儲、光致變 色存儲、光子燒孔存儲、雙光子吸收存儲、 光折變存儲、熱光存儲、四波混頻存儲、全 息存儲、光電存儲、光致分子取向存儲、納 米存儲等。 按其功能的不同，光盤可分為：只讀、 只寫式，可寫式，可擦除式等。 詳見：黃明舉河大學(xué)報2001，No.1. 49 討論題（8） 1. 什么是激光？ 2. 激光的工作原理是什么?它主要有 哪些特點(diǎn)？ 3. 激光器的模式有哪兩種？ 4. 世界上第一臺激光器是什么時間由 誰研制出來的?它有什么意義？ 50 5.激光器有哪些種類？ 6.按照玻爾理論，電子的軌道半徑如何計算？ 總能量如

17、何計算？ 7.什么是線性光學(xué)？什么是非線性光學(xué)？ 8.什么是全息照相？它的基本原理是什么？ 9.全息照相主要有哪些特點(diǎn)？ 10.全息照相有哪些主要應(yīng)用？ 51 討論題答案（8） 1.答：激光是光受激輻射放大的簡稱，它是 由激光器產(chǎn)生的，波長在1mm以下的相干電 磁輻射，它由物質(zhì)的粒子受激發(fā)射放大產(chǎn)生， 具有良好的單色性、相干性和方向性。 2.答：激光的工作原理是通過輻射的受激發(fā)射 而實(shí)現(xiàn)光放大。它的主要特點(diǎn)有：單色性佳、 亮度高、相干性強(qiáng)、方向性好等。 52 3.答：世界上第一臺激光器是1960年由梅曼研制出 來的。它的意義在于開創(chuàng)了現(xiàn)代光學(xué)的新時代， 它是現(xiàn)代光學(xué)開始的標(biāo)志。 4.答：激光器

18、的模式有縱向模式和橫向模式。 5.答：激光器的種類很多，如果按激光器工作物質(zhì) 性質(zhì)可以分為固體激光器、液體激光器、氣體激 光器和半導(dǎo)體激光器等；如果按激光器工作方式 可以分為脈沖激光器、重復(fù)頻率激光器、連續(xù)激 光器、準(zhǔn)連續(xù)激光器、可調(diào)諧激光器和超短脈沖 激光器等；如果按激光器的諧振腔可以分為波導(dǎo) 激光器和環(huán)形激光器等；如果按激光器的激勵方 式可以分為電泵浦激光器、光泵浦激光器和二極 管泵浦激光器等等。 53 6.答：電子的軌道半徑和總能量分別按下列公 式計算： ； 。 7.答：物質(zhì)對光場的響應(yīng)與光的場強(qiáng)成線性關(guān) 系的光學(xué)稱為線性光學(xué)。物質(zhì)對光場的響應(yīng) 與光的場強(qiáng)為非線性關(guān)系的光學(xué)稱為非線性 光學(xué)。 8.答：既能記錄光波振幅的信息，又能記錄光 波相位信息的攝影稱為全息照相。它的基本 原理是雙光束干涉。 053nm.