第八章 現(xiàn)代光學基礎(chǔ)

1、第八章第八章 現(xiàn)代光學基礎(chǔ) 8.1 原子發(fā)光的機理原子發(fā)光的機理 8.2 光與原子相互作用光與原子相互作用 8.3 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 8.4 光振蕩光振蕩 8.5 激光的單色性激光的單色性 8.6 激光的相干性激光的相干性 8.7 激光器的種類激光器的種類 8.8 全息照相全息照相 8.9 光盤存儲技術(shù)光盤存儲技術(shù)8.18.1 原子發(fā)光的機理原子發(fā)光的機理激光激光(Laser):Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation種類：固體激光器種類：固體激光器1960年（紅寶石、美國休斯實驗室）年（紅寶石、美國休斯實驗室）氣體激光

2、器氣體激光器1961年（年（He-Ne、美國貝爾實驗室、美國貝爾實驗室半導體激光器半導體激光器1962年（砷化鎵）年（砷化鎵）液體激光器液體激光器1966年（無機年（無機液體液體）化學激光器化學激光器1964年年準分子激光器準分子激光器1977年年可調(diào)諧染料激光器可調(diào)諧染料激光器1975年（有機年（有機液體液體）它是光受激輻射放大的簡稱它是光受激輻射放大的簡稱, 是一種單色性佳、是一種單色性佳、亮度高、相干性強、方向性好的相干光束。亮度高、相干性強、方向性好的相干光束。基態(tài)：能量最低狀態(tài)，最穩(wěn)定；基態(tài)：能量最低狀態(tài)，最穩(wěn)定；激發(fā)態(tài)：能量較高狀態(tài)，不穩(wěn)定；激發(fā)態(tài)：能量較高狀態(tài)，不穩(wěn)定；亞穩(wěn)態(tài)：能

3、量較高狀態(tài)，比較穩(wěn)定。亞穩(wěn)態(tài)：能量較高狀態(tài)，比較穩(wěn)定。h h E E2 2E E1 1E E3 3E E4 4h h E E2 2-E-E1 1=h=h E E2 2-E-E3 3=h=h 發(fā)射光子發(fā)射光子吸收光子吸收光子躍遷躍遷玻爾軌道玻爾軌道8.28.2 光與原子相互作用光與原子相互作用一、一、吸收吸收h h E E2 2E E1 1hEE12 unn112 unBn11212B B1212受激吸收愛因斯坦系數(shù)受激吸收愛因斯坦系數(shù)只吸收特定頻率只吸收特定頻率 的的光子光子u(u( ) )：光的輻射能密度：光的輻射能密度光與物質(zhì)相互作用歸結(jié)光與物質(zhì)相互作用歸結(jié) 為光與原子相互作用為光與原子相

4、互作用吸收吸收自發(fā)輻射自發(fā)輻射受激輻射受激輻射吸收吸收：外來激勵下，原子由低能態(tài)：外來激勵下，原子由低能態(tài)高能態(tài)，高能態(tài)，吸收光子吸收光子從能級從能級E E1 1 E E2 2 的原子數(shù)：的原子數(shù)：n1處于能級處于能級E1的原子數(shù)的原子數(shù)二、二、自發(fā)輻射和受激輻射自發(fā)輻射和受激輻射h h E E2 2E E1 1hEE12自發(fā)輻射光子數(shù)：自發(fā)輻射光子數(shù)：22121nAnA A2121：自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)：自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)自發(fā)輻射：自發(fā)輻射：自發(fā)地從自發(fā)地從高能態(tài)高能態(tài)低能態(tài)低能態(tài)，放出光子，放出光子只輻射特定頻率只輻射特定頻率 的的光子光子n2 ：處于能級：處于能級E2的原子數(shù)的原子數(shù)h

5、 h E E2 2E E1 1h h h h unBn22121受激輻射光子數(shù)：受激輻射光子數(shù)：B B2121受激輻射愛因斯坦系數(shù)受激輻射愛因斯坦系數(shù)受激輻射：受激輻射：外來激勵下，原子由外來激勵下，原子由高能態(tài)高能態(tài)低能態(tài)低能態(tài)，放出光子，放出光子自發(fā)輻射是無規(guī)的（方向、初位相）自發(fā)輻射是無規(guī)的（方向、初位相）受激輻射受激輻射與外來光子具有相同頻率、與外來光子具有相同頻率、相同方向、相同相同方向、相同初位相和偏振態(tài)初位相和偏振態(tài)三、三、吸收、自發(fā)輻射和受激輻射吸收、自發(fā)輻射和受激輻射 三系數(shù)間的關(guān)系三系數(shù)間的關(guān)系BBB122133218chBA unBn1121222121nAn unBn2

6、2121吸收吸收自發(fā)輻射自發(fā)輻射受激輻射受激輻射處于熱平衡狀態(tài)時有：處于熱平衡狀態(tài)時有：212112nnn根據(jù)玻爾茲曼定律根據(jù)玻爾茲曼定律8.38.3 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一、一、受激輻射與吸收受激輻射與吸收 uBnn112 uBnn221系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，212121,nnnn要實現(xiàn)光放大，得有：要實現(xiàn)光放大，得有：12nn 即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布實現(xiàn)的條件實現(xiàn)的條件外界輸入能量外界輸入能量工作物質(zhì)有合適的能級結(jié)構(gòu)工作物質(zhì)有合適的能級結(jié)構(gòu)激活介質(zhì)激活介質(zhì)h h E E2 2E E1 1h h h h 受激輻射：受激輻射：一個光子成兩個光子一個光子成兩個光子

7、 光放大光放大但有外來光激勵下，也同時會發(fā)生吸收，究竟是吸收占優(yōu)勢但有外來光激勵下，也同時會發(fā)生吸收，究竟是吸收占優(yōu)勢還是還是受激輻射受激輻射占優(yōu)勢？占優(yōu)勢？吸收占優(yōu)勢吸收占優(yōu)勢二、二、三能級系統(tǒng)三能級系統(tǒng)h h E E2 2亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)E E1 1h h h h E E3 3A A3232A A3131n n3 3如果有如果有 A A3232AA31 31 A A3232AA21 21 ，則處于能態(tài)的原子數(shù)大大增加，則處于能態(tài)的原子數(shù)大大增加，使使 n n2 2nn1 1，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)基態(tài)基態(tài)E E3 3 激發(fā)態(tài)，壽命短，經(jīng)自發(fā)輻射，激發(fā)態(tài)，壽命短，經(jīng)自發(fā)輻射，E E3 3

8、E E2 2 ，E E3 3 E E1 1由于基態(tài)積聚大量原子，要由于基態(tài)積聚大量原子，要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需要非常強的實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需要非常強的外界輸入（抽運）能量外界輸入（抽運）能量 紅寶石激光器紅寶石激光器三、三、四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)E1E2E3E4He-NeHe-Ne激光器激光器COCO2 2 激光器激光器亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)E3 、E2間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，由于間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，由于E2本身是激發(fā)態(tài)，本身是激發(fā)態(tài)，粒子數(shù)少，容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)少，容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)8.48.4 光振蕩光振蕩一、一、受激輻射與自發(fā)輻射受激輻射與自發(fā)輻射 uBnnAnn2122121221若輻射源溫度約為室溫（

9、若輻射源溫度約為室溫（T=300KT=300K）下，）下，11/2121kThenn受激輻射光子數(shù)遠小于受激輻射光子數(shù)遠小于自發(fā)輻射光子數(shù)自發(fā)輻射光子數(shù)1210要實現(xiàn)要實現(xiàn)光放大，光放大，必須：受激輻射光子數(shù)大于自發(fā)輻射光子數(shù)必須：受激輻射光子數(shù)大于自發(fā)輻射光子數(shù)自發(fā)輻射自發(fā)輻射受激輻射受激輻射處于高能態(tài)的原子除處于高能態(tài)的原子除受激輻射外，也發(fā)生自發(fā)輻射受激輻射外，也發(fā)生自發(fā)輻射當當T=50000KT=50000K，受激輻射光子數(shù)等于自發(fā)輻射光子數(shù)。受激輻射光子數(shù)等于自發(fā)輻射光子數(shù)。受激輻射受激輻射在某一方向發(fā)生振蕩，超過在某一方向發(fā)生振蕩，超過自發(fā)輻射自發(fā)輻射二、二、光學諧振腔光學諧振腔使

10、得在某一方向上實現(xiàn)受激輻射占主導地位的裝置。使得在某一方向上實現(xiàn)受激輻射占主導地位的裝置。全反射鏡全反射鏡R R1 1=100%=100%部分反射鏡部分反射鏡R R2 2=98%=98%工作物質(zhì)工作物質(zhì)只有沿軸向的光子數(shù)來回振蕩產(chǎn)生光放大，這是只有沿軸向的光子數(shù)來回振蕩產(chǎn)生光放大，這是一種雪崩式的放大過程。一種雪崩式的放大過程。激光輸出激光輸出諧振腔諧振腔三、三、光振蕩的閾值條件光振蕩的閾值條件 ：增益系數(shù)：增益系數(shù)211ln21RRlm閾值增益：閾值增益：m才能實現(xiàn)光振蕩而輸出激光才能實現(xiàn)光振蕩而輸出激光振蕩振蕩過程中有損耗：工作物質(zhì)的吸收、散射等過程中有損耗：工作物質(zhì)的吸收、散射等 反射鏡

11、反射率低于反射鏡反射率低于100%必須要光放大大于損耗，才會有激光輸出必須要光放大大于損耗，才會有激光輸出LI0I1I2R1R2R2 I1LeII01LeIRI122I3LeIRRI1213經(jīng)過一個來回經(jīng)過一個來回LeRRII22103/閾值條件閾值條件m8.58.5 激光的單色性激光的單色性一、一、譜線寬度譜線寬度1. 1. 自然線寬自然線寬1 ：平均壽命：平均壽命2. 2. 多普勒展寬多普勒展寬3. 3. 碰撞展寬碰撞展寬He-NeHe-Ne激光激光 632.8 nm632.8 nm自然線寬：自然線寬：10103 3 HzHz多普勒展寬：多普勒展寬：10109 9 HzHz碰撞展寬：碰撞展

12、寬：10108 8 HzHz實際發(fā)出的激光都不是單色的，有一定的頻率范圍實際發(fā)出的激光都不是單色的，有一定的頻率范圍譜線寬度譜線寬度原子處于某一能級的壽命是有限的，相當輻射有限長波列原子處于某一能級的壽命是有限的，相當輻射有限長波列發(fā)光原子熱運動，有一定的速度，由發(fā)光原子熱運動，有一定的速度，由多普勒效應造成多普勒效應造成原子間原子間碰撞，使碰撞，使壽命縮短，使譜線展寬壽命縮短，使譜線展寬二、二、諧振腔的共振頻率和縱模諧振腔的共振頻率和縱模nlck2 ：共振頻率共振頻率n n：工作物質(zhì)折射率：工作物質(zhì)折射率諧振腔作用：諧振腔作用：1. 1. 光振蕩實現(xiàn)光放大。光振蕩實現(xiàn)光放大。2. 2. 選頻

13、選頻激光輸出有幾個頻率，某一個稱為一個縱模激光輸出有幾個頻率，某一個稱為一個縱模諧振腔諧振腔法布里法布里- -珀羅干涉儀珀羅干涉儀knl 2當當透射（輸出）干涉主最大透射（輸出）干涉主最大即：即：如同如同法法- -珀，每一個縱模有一定的線寬珀，每一個縱模有一定的線寬8.68.6 激光的相干性激光的相干性1.1.激光的時間相干性激光的時間相干性2.2.激光的空間相干性激光的空間相干性相干長度：相干長度：l=l= c c1cl激光在諧振腔內(nèi)振蕩的過程中，在光束橫截面上形成激光在諧振腔內(nèi)振蕩的過程中，在光束橫截面上形成各種不同形式的穩(wěn)定分布，這種穩(wěn)定分布稱為激光束的各種不同形式的穩(wěn)定分布，這種穩(wěn)定分

14、布稱為激光束的橫向模式，簡稱橫模。橫向模式，簡稱橫模。由反射鏡衍射引起由反射鏡衍射引起橫模橫模單模單模 TEMTEM00 00 高斯形分布高斯形分布 多模多模 TEMTEMmnmnTEMTEM2121* *8.78.7 激光器的種類激光器的種類產(chǎn)生激光的兩個必要條件：產(chǎn)生激光的兩個必要條件：m1. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（要有激活介質(zhì)，激勵能源）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（要有激活介質(zhì)，激勵能源）2. 達到達到閾值條件閾值條件 （諧振腔，足夠的（諧振腔，足夠的激勵能量）激勵能量）構(gòu)成激光器的三大要件：構(gòu)成激光器的三大要件：1. 激勵能源激勵能源2. 工作物質(zhì)（激活介質(zhì)）工作物質(zhì)（激活介質(zhì)）3. 諧振腔諧振腔按激光

15、器工作物質(zhì)性質(zhì)分類，可分為氣體激光器、按激光器工作物質(zhì)性質(zhì)分類，可分為氣體激光器、固體激光器、液體激光器和半導體激光器。固體激光器、液體激光器和半導體激光器。一、一、氣體激光器氣體激光器工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：He-NeHe-Ne，COCO2 2，N N2 2 等等工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：NeNeHeHe輔助氣體輔助氣體NeNe通過高壓放電激勵氖原子實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。通過高壓放電激勵氖原子實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。特點：特點：1. 1. 單色性好；單色性好； 2. 2. 方向性好；方向性好；3. 3. 效率低（效率低（0.1%0.1%）。）。He He ：Ne =5Ne =5 7 7：1 1 四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)

16、波長：波長：3390nm 1150nm 632.8nm * *8.78.7 激光器的種類激光器的種類二、二、固體激光器固體激光器紅寶石、摻釹的釔鋁石榴石紅寶石、摻釹的釔鋁石榴石(YAG)(YAG)、釹玻璃等、釹玻璃等工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：AlAl2 2O O3 3晶體基質(zhì)中摻晶體基質(zhì)中摻0.05% Cr0.05% Cr+形成形成通過強光激勵（脈沖氙燈激發(fā)）實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。通過強光激勵（脈沖氙燈激發(fā)）實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 三能級系統(tǒng)三能級系統(tǒng)特點：特點：1. 1. 小而堅固；小而堅固； 2. 2. 脈沖激光；脈沖激光； 3.3.效率高（效率高（0.2%0.2%）工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：波長：波長：694.

17、3nm 三、三、液體激光器液體激光器如染料激光器如染料激光器工作物質(zhì)：染料（有機物化合物）工作物質(zhì)：染料（有機物化合物）通過光激勵（氮分子激光器、閃光燈、固體激光通過光激勵（氮分子激光器、閃光燈、固體激光器等）形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，四能級系統(tǒng)器等）形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，四能級系統(tǒng)特點：特點： 1.1. 光譜譜帶很寬，可選擇不同的染料、溶劑、光譜譜帶很寬，可選擇不同的染料、溶劑、濃度、溫度，調(diào)節(jié)諧振腔等選擇輸出波長（濃度、溫度，調(diào)節(jié)諧振腔等選擇輸出波長（可調(diào)諧可調(diào)諧）2. 2. 效率高效率高工作物質(zhì)：有機化合物，無機化合物工作物質(zhì)：有機化合物，無機化合物四、四、半導體激光器半導體激光器特點：特點：1. 1.

18、 體積??；體積??；2. 2. 質(zhì)量輕；質(zhì)量輕；3. 3. 消耗?。幌男。?. 4. 單色性差。單色性差。工作物質(zhì)：半導體材料工作物質(zhì)：半導體材料如砷化鎵激光器如砷化鎵激光器在在PN結(jié)工作區(qū)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，晶體自然界面結(jié)工作區(qū)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，晶體自然界面構(gòu)成諧振腔平面構(gòu)成諧振腔平面8.98.9 全息照相全息照相0coskrtAE一般照相：記錄光強一般照相：記錄光強2AI 全息照相：既能記錄光波振幅，又能記錄位相信息的照相全息照相：既能記錄光波振幅，又能記錄位相信息的照相 技術(shù)。又稱全息術(shù)技術(shù)。又稱全息術(shù)由楊氏雙縫干涉實驗：由楊氏雙縫干涉實驗：12122121212122212121*)

19、(iiiiiieAAeAAAAeAeAeAeAI S S1 1S S2 211ieAP PP P點：點：22ieA平面像平面像立體攝影：記錄幾個方向的平面像，再用立體視鏡，見到立體攝影：記錄幾個方向的平面像，再用立體視鏡，見到 具有立體感的像具有立體感的像光波：光波：全息照片：全息照片：1212,21,212221,yxiyxieAAeyxAAyxAAI重現(xiàn)：用同樣的參考光束去照射全息照片，透射光為重現(xiàn)：用同樣的參考光束去照射全息照片，透射光為yxiyxiiiiieyxAtAeeyxAtAetAyxAeAIetA,221,2221122211221111,),(參考光束：參考光束：11ieA物光束：物光束：),(22),(y