第十六章現(xiàn)代光學(xué)簡(jiǎn)介

1、1第十六章第十六章 現(xiàn)代光學(xué)簡(jiǎn)介現(xiàn)代光學(xué)簡(jiǎn)介 激光光學(xué)系統(tǒng) 全息術(shù)（傅里葉光學(xué)） 紅外光學(xué)系統(tǒng) 導(dǎo)波光學(xué)基礎(chǔ)216-1 16-1 激光光學(xué)系統(tǒng)激光光學(xué)系統(tǒng)一、激光原理一、激光原理光與物質(zhì)之間的共振相互作用是激光器發(fā)光的物質(zhì)基礎(chǔ)，這個(gè)相互作用包括原子的自發(fā)輻射躍遷、受激輻射躍遷自發(fā)輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷和受激吸收躍遷三種過(guò)程。原子內(nèi)部的電子在與外界交換能量時(shí)，可以從一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變?yōu)榱硪环N運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)每一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，原子具有確定的內(nèi)部能量值，即確定的能級(jí)能級(jí)。能量值大的能級(jí)為高能級(jí)高能級(jí)，最低能級(jí)為基態(tài)基態(tài)。處于高能級(jí)E2的原子，自發(fā)躍遷至低能級(jí)E1時(shí)，發(fā)射一個(gè)的能量h=E2=E1

2、的光子。處于低能級(jí) E1的原子，受能量為h=E2=E1的光子作用時(shí)，吸收光子躍遷到高能級(jí) E2。3處于高能級(jí)E2的原子，受能量為h=E2=E1的光子作用時(shí)，躍遷至低能級(jí)E1時(shí)，并發(fā)射與外來(lái)一樣的光子，受激輻射的光與入射光具有相同頻率、位相、偏振方向和傳播方向。二、激光產(chǎn)生的原理及條件二、激光產(chǎn)生的原理及條件1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在激光器工作物質(zhì)內(nèi)部，由于外界能源的激勵(lì)，破壞了熱平衡，使得處于高能級(jí)E2的粒子數(shù)密度N2大大增加，達(dá)到2211122 ,gNNgNNg121為處于低能級(jí)E的粒子數(shù)密度;為處于高能級(jí)E 的粒子數(shù)密度;g為上下能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重或簡(jiǎn)并度.這種處于非熱平衡狀態(tài)時(shí)的粒子數(shù)分布

3、，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是介質(zhì)對(duì)光產(chǎn)生放大作用的條件及產(chǎn)生激光的前提前提。42）泵浦）泵浦在室溫下絕大多數(shù)粒子處在基態(tài)，把粒子從基態(tài)激發(fā)到高能級(jí)，使在某兩個(gè)能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過(guò)程，稱為泵浦泵浦。實(shí)現(xiàn)泵浦的常用方法：外來(lái)光照射介質(zhì)（光泵浦）、利用氣體放電實(shí)現(xiàn)泵浦（電泵浦）、依靠反應(yīng)本身放出的化學(xué)能實(shí)現(xiàn)泵浦（化學(xué)泵浦）。3）光的受激放大）光的受激放大激光器由三部分組成：激光工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔。能夠形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的發(fā)光粒子為激活粒子（分子、原子、離子）；激活粒子寄存場(chǎng)所為基質(zhì)（固、液體）；基質(zhì)和激活粒子統(tǒng)稱為激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)。5由泵浦源對(duì)激光工作

4、物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)，由光學(xué)諧振腔作用得到穩(wěn)定、持續(xù)、有一定功率的高質(zhì)量激光輸出。光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔是由放置在激光工作物質(zhì)兩邊的兩個(gè)反射鏡組成。一個(gè)為全反射鏡，另一個(gè)為輸出鏡，是部分反射、部分透射的反射鏡。其作用其作用：產(chǎn)生和維持激光振蕩；改善輸出激光質(zhì)量。4 4）激光形成的條件）激光形成的條件適當(dāng)?shù)募す夤ぷ魑镔|(zhì)，其激活粒子具有受激輻射的能級(jí)結(jié)構(gòu)；外界激勵(lì)源，使產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；激光諧振腔，使受激輻射的光在腔內(nèi)維持振蕩。三、激光的縱模和橫模三、激光的縱模和橫模能夠在諧振腔內(nèi)存在的穩(wěn)定的光波基本形式稱為光學(xué)諧振腔的振蕩模式。這里穩(wěn)定指：振幅和相位在空間的相對(duì)分布是確定的；有確定的頻率。6四、激光器的種類

5、與應(yīng)用四、激光器的種類與應(yīng)用根據(jù)工作物質(zhì)分：固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器。按輸出波長(zhǎng)分：紅外激光器、可見(jiàn)激光器、紫外激光器。按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分：脈沖式激光器、連續(xù)波激光器、調(diào)Q激光器。固體激光器固體激光器：所采用的工作物質(zhì)是把能產(chǎn)生受激發(fā)射作用的金屬離子滲入晶體或玻璃基質(zhì)中而制成（紅寶石激光器）。優(yōu)點(diǎn)：輸出功率大、體積小、堅(jiān)固、儲(chǔ)存能量能力較強(qiáng)。氣體激光器氣體激光器：使用工作物質(zhì)種類最多，激光發(fā)射波長(zhǎng)分布范圍最廣的一類激光器。優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)紊浴⒎较蛐远急绕渌す馄骱?、輸出功率穩(wěn)定，廣用于測(cè)量、通訊、全息、機(jī)加工方面（He-Ne激光器）。液體激光器：液體激光器：采用的工作物質(zhì)為有機(jī)染料

6、溶液和稀土化合物的無(wú)機(jī)化合物溶液。特點(diǎn)：輸出激光的波長(zhǎng)可調(diào)諧和波長(zhǎng)覆蓋區(qū)域較寬（若丹明6G染料激光器）。7半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器：以半導(dǎo)體材料做工作物質(zhì)的。特點(diǎn)：體積最小、重量輕、可實(shí)現(xiàn)集成光路，但功率小、發(fā)散角大、單色性差、輸出特性受溫度的影響明顯（電注入式砷化鎵二極管激光器）?？傊す饩哂校悍较蛐院?、單色性好、亮度高的特點(diǎn)?？傊す饩哂校悍较蛐院谩紊院?、亮度高的特點(diǎn)。打孔、切割、焊接、熱處理測(cè)長(zhǎng)、測(cè)速遠(yuǎn)距離探測(cè)、制導(dǎo)、測(cè)距816-2 16-2 全息術(shù)全息術(shù)全息術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的物理光學(xué)的一個(gè)新分支，是由伽伯（Gabor）在1948年提出的。20世紀(jì)60年代激光的出現(xiàn)，解決了高相干性

7、和大強(qiáng)度光源問(wèn)題，全息術(shù)得到迅速發(fā)展，在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。一、全息術(shù)的原理一、全息術(shù)的原理全息術(shù)是利用“干涉記錄、衍射再現(xiàn)”原理的兩步無(wú)透射成像法，把從三維物體來(lái)的光波前記錄在感光材料上（得到全息圖），再按照需要照明此全息圖，使原來(lái)記錄的物光波的波前再現(xiàn)的一種新的照相技術(shù)，是一種立體成像技術(shù)。9一）物光波面的記錄一）物光波面的記錄即是將物光波的全部振幅和位相記錄在感光材料上。因感光材料只對(duì)光的強(qiáng)度具有感光度，因此采用相干光，把具有振幅和位相信息的物光波和參考光波相干涉產(chǎn)生的干涉條紋以強(qiáng)度分布形式記錄成全息圖。所以全息圖實(shí)際上是一干涉圖。二）物光波面的再現(xiàn)物光波面的再現(xiàn)全息圖可看作為一個(gè)透過(guò)系數(shù)

8、為t的衍射屏，相當(dāng)于一塊復(fù)合光柵。因全息圖記錄的是物光場(chǎng)分布包含的許多不同空間頻率成分所對(duì)應(yīng)的沿不同方向傳播的平面波與參考波相干涉形成的許多光柵，當(dāng)再現(xiàn)照明光波照射全息圖時(shí)，全息圖后的衍射光場(chǎng)中包含有再現(xiàn)的物光波，他們疊加形成物體的再現(xiàn)像。 10二、全息術(shù)的特點(diǎn)二、全息術(shù)的特點(diǎn)1）全息術(shù)能夠記錄物體光波振幅和位相的全部信息，并能再現(xiàn)，因此應(yīng)用全息術(shù)可得到與原物完全相同的立體像。2）全息術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種干涉和衍射現(xiàn)象。全息圖的記錄和再現(xiàn)需要單色光源，且單色光源的相干長(zhǎng)度大于物光波和參考光波之間的光程差，最好用強(qiáng)度大的光源，最理想的光源為激光光源。3）全息圖的任何局部都能再現(xiàn)原物的基本形狀。即使破損

9、后部分全息圖仍能再現(xiàn)物體的像。三、全息術(shù)的應(yīng)用三、全息術(shù)的應(yīng)用1）全息光學(xué)元件實(shí)際上是一張用感光記錄介質(zhì)制作的全息圖，具有普通光學(xué)元件的成像、分光、濾波和偏振等功能，且重量輕、制作方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于激光技術(shù)、傳感器、光通信和信息處理。112）全息顯示）全息顯示全息顯示是利用全息術(shù)能再現(xiàn)物體的真實(shí)三維圖象的特點(diǎn)，是全息術(shù)最基本的應(yīng)用之一。已成功制作人體骨骼、地鐵模型、大型雕塑像等。其應(yīng)用涉及藝術(shù)、廣告、印刷、軍事等領(lǐng)域。3）全息干涉計(jì)量）全息干涉計(jì)量是最成功、最廣泛的應(yīng)用，全息干涉計(jì)量技術(shù)具有許多普通干涉計(jì)量所不能比的優(yōu)點(diǎn)，如可用于各種材料的無(wú)損檢測(cè)，非拋光表面和形狀復(fù)雜表面的檢驗(yàn)；可研究物體的

10、微小變形、振動(dòng)和高速運(yùn)動(dòng)等。4）光學(xué)全息存儲(chǔ)）光學(xué)全息存儲(chǔ)是一種存儲(chǔ)容量大、數(shù)據(jù)傳輸速率高、隨機(jī)存取時(shí)間短并能進(jìn)行處理的信息存儲(chǔ)方式。具有冗余性高、數(shù)據(jù)不易丟失、數(shù)據(jù)傳輸率高、存儲(chǔ)密度高等優(yōu)點(diǎn)。1216-3 16-3 紅外光學(xué)系統(tǒng)紅外光學(xué)系統(tǒng)紅外輻射俗稱紅外線，其波長(zhǎng)從0.11000m，是太陽(yáng)光譜的一部分。其最大特點(diǎn)就是具有光熱效應(yīng)，能輻射熱量，是光譜中的最大光熱效應(yīng)區(qū)。是一種不可見(jiàn)光，與電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。自然界中的任何物體，只要溫度在絕對(duì)零度以上（-273），都能產(chǎn)生紅外光輻射。紅外光的光熱效應(yīng)對(duì)不同的物體是不同的，熱能強(qiáng)度也不同。如黑體（能全部吸收投射到其表面的紅外輻射的物體）、鏡體（能全部反射紅外輻射的物體）、透明體（能全部穿透紅外輻射的物體）、灰體（能部分反射或吸收紅外輻射的物體）將產(chǎn)生不同的光熱效應(yīng)。13自然界不存在嚴(yán)格的黑體、鏡體和透明體，大部分屬于灰體。這些特征是把紅外光輻射技術(shù)用于衛(wèi)星遙感遙測(cè)、紅外跟蹤等軍事和科學(xué)研究項(xiàng)目的重要理論依據(jù)。典型應(yīng)用：1）紅外測(cè)溫 2）紅外成像3）紅外無(wú)損探測(cè) 4）紅外氣體分析5）紅外雷達(dá) 6）紅外偵察7）紅外報(bào)警1416-4 16-4 導(dǎo)波光學(xué)基礎(chǔ)導(dǎo)波光學(xué)基礎(chǔ)光波導(dǎo)技術(shù)是一種以光的電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，對(duì)光波實(shí)施限制和傳輸?shù)募夹g(shù)。其中介質(zhì)波導(dǎo)和光纖