現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)

1、現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ) 普通光源普通光源-自發(fā)輻射自發(fā)輻射 激光光源激光光源-受激輻射受激輻射 激光又名鐳射激光又名鐳射 (Laser)， 它的全名是它的全名是“輻射的受激發(fā)射光放大輻射的受激發(fā)射光放大”。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)激光的發(fā)明激光的發(fā)明愛因斯坦的預(yù)見 受激輻射是一種在外界作用下發(fā)生的輻射，在這個(gè)過程中，輻射場(chǎng)光子是對(duì)諧振子及分子做功，使其做受迫振動(dòng)，從而改變了分子的能量。由于輻射場(chǎng)與分子之間的位相不同，這種能量可正可負(fù)，如果輻射場(chǎng)光子對(duì)諧振子作正功，分子將從低能級(jí)躍遷到高能態(tài)，分子吸收能量；相反，若是

2、對(duì)諧振子做負(fù)功，分子將從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，分子釋放出一定能量的光子。這就是受激輻射過程。微波輻射器的發(fā)明物理學(xué)家物理學(xué)家 湯斯湯斯 在1960年7月，梅曼宣布第一臺(tái)紅寶石激光器（ruby laser)誕生了。 20世紀(jì)50年代，美國(guó)科學(xué)家湯斯等人，以及原蘇聯(lián)的科學(xué)家普羅克霍洛夫等人獨(dú)立發(fā)明了一種極低噪音微波放大器 輻射受激發(fā)射微波放大器（maser） 1958年美國(guó)湯斯和肖洛提出，在一定條件下，可將上述微波激射器的原理，推廣至光波段。 受激發(fā)射光波放大器（laser）這是光學(xué)史上的重大里程碑，也是科學(xué)史上的重要里程碑 2 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 受激輻射和受激吸收受激輻射和受激吸收一一. 自發(fā)輻射

3、自發(fā)輻射(spontaneous radiation)E2E1N2N1h 各原子自發(fā)輻射的光是獨(dú)立的、無關(guān)的各原子自發(fā)輻射的光是獨(dú)立的、無關(guān)的 非相干光非相干光 。二受激輻射二受激輻射 (stimulated radiation)E2E1N2N1全同光子全同光子h 受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同相位及傳播方向均相同-有光的放大作用。有光的放大作用。三三 . 受激吸收受激吸收(absorption)E2E1N2N1h 上述外來光也有可能被吸收，使原子從上述外來光也有可能被吸收，使原子從E1E2。 愛因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實(shí)驗(yàn)

4、愛因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實(shí)驗(yàn)上獲得激光奠定了理論基礎(chǔ)。上獲得激光奠定了理論基礎(chǔ)。 3 激光產(chǎn)生的必要條件激光產(chǎn)生的必要條件一一.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(population inversion) 由大量原子組成的系統(tǒng)，在溫度不太低的由大量原子組成的系統(tǒng)，在溫度不太低的 平衡態(tài)，原子數(shù)目按能級(jí)的分布服從平衡態(tài)，原子數(shù)目按能級(jí)的分布服從 玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布：玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布： kTEnneN 若若 E2 E 1，則兩能級(jí)上的原子數(shù)目之比，則兩能級(jí)上的原子數(shù)目之比 11212 kTEEeNN 但要產(chǎn)生激光必須使原子激發(fā)但要產(chǎn)生激光必須使原子激發(fā);且且 N2 N1,稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(po

5、pulation inversion) 在受激輻射放大過程中，顯然將減少處于高能態(tài)的原子數(shù)，直至新的平衡態(tài)又重新建立，從而破壞了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，為了保持原子系統(tǒng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，需不斷地將原子從低能態(tài)抽運(yùn)至高能態(tài)，需將能量注入原子系統(tǒng)，以維持激光運(yùn)轉(zhuǎn)所必需之能量。 光泵（optical pumping）二、光泵（激勵(lì)源）（optical pumping）光泵可以是電學(xué)的，化學(xué)的，熱學(xué)的，光學(xué)的方法三三.光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔(optical harmonic oscillator)激光器有兩個(gè)反射鏡，激光器有兩個(gè)反射鏡，它們構(gòu)成一個(gè)光學(xué)諧振腔。它們構(gòu)成一個(gè)光學(xué)諧振腔。激勵(lì)能源激勵(lì)能源 全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡激光激光小結(jié)：產(chǎn)生激光的必要條件小結(jié)：產(chǎn)生激光的必要條件n . 激勵(lì)能源（使原子激發(fā)）激勵(lì)能源（使原子激發(fā)）n. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)）級(jí)）n.光學(xué)諧振腔（方向性，光放大，光學(xué)諧振腔（方向性，光放大，單色性）單色性） 3 激光的主要特性激光的主要特性方向性極