大學(xué)物理光學(xué) 第8章現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)

1、Chap.8 Basics of Modern Optics第8章 現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)Chap.8 Basics of Modern Optics 現(xiàn)代光學(xué)以1960年梅曼成功研制出的第一臺紅寶石激光器為標(biāo)志。 “激光”“Laser”“Lihgt amplification by stimulated emission of radiation”. 它是光受激輻射放大的簡稱，它通過輻射的受激發(fā)射而實(shí)現(xiàn)光放大。它是一種單色性佳、亮度高、相干性強(qiáng)、方向性好的相干光束。 我國國家標(biāo)準(zhǔn)給它下的定義是：“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

2、方向性”（GB/T 1531394）。主 要 內(nèi) 容 8. 1 光與物質(zhì)相互作用 8. 2 激光原理 8. 3 激光的特性 8. 4 激光器的種類 8. 5 非線性光學(xué) 8. 6 信息存儲技術(shù) 8. 7 激光在生物學(xué)中的應(yīng)用8.1 光與物質(zhì)相互作用 一、原子發(fā)光的機(jī)理 二、愛因斯坦關(guān)于受激輻射的預(yù)言一、原子發(fā)光的機(jī)理 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； 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 (190

3、6年 1922年 1932年) 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.部分著名的物理學(xué)家：（一）、玻爾的氫原子模型（一）、玻爾的氫原子模型 玻爾理論的基本假設(shè)玻爾理論的基本假設(shè). 電子的角動量電子的角動量 ， n=1,2,3,主量子數(shù)主量子數(shù). 電子的軌道半徑：電子的軌道半徑： ， h=6.6261

4、7610-34 Js, e= 1.6021910-19C, m=9.1095610-31 kg， 0 =8.8541910-12 F/m 第一軌道半徑：第一軌道半徑： 電子的軌道速度：電子的軌道速度： 022241,krZekrm2hnrmZnaZkmehnrn2122224Ammehkmeha53. 010529166. 04441022202221nhZke22（二）、能級圖（二）、能級圖 負(fù)號表示要把電子從原子中移開必須對電子作功負(fù)號表示要把電子從原子中移開必須對電子作功. 能級圖：用一條條水平線的高低來代表能量的大小的圖形能級圖：用一條條水平線的高低來代表能量的大小的圖形. eVEEn

5、zhnkZmerZekEEErZekmErZekEkpnkp6 .13,22221,11222222422222（三）、原子發(fā)光的機(jī)理（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)生變電子的總能量發(fā)生變化化.這部分能量的改變值就以光子的形式輻射出來。反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)躍遷到一個能量較之，當(dāng)電子從一個能量較小的狀態(tài)躍

6、遷到一個能量較大的狀態(tài)時，它吸收光子。大的狀態(tài)時，它吸收光子。 吸收：吸收： , 發(fā)射：發(fā)射： , E1為基態(tài)，能量最低，為基態(tài)，能量最低， 其它態(tài)為激發(fā)態(tài)。其它態(tài)為激發(fā)態(tài)。 1221EEhv1551EEh二、二、 光與原子相互作用光與原子相互作用 （一）、吸收（一）、吸收 （二）、自發(fā)輻射（二）、自發(fā)輻射 （三）、受激輻射（三）、受激輻射 （四）、三個系數(shù)的關(guān)系（四）、三個系數(shù)的關(guān)系 （一）、吸（一）、吸 收收 只有當(dāng)光子的能量正好等于原子的能級只有當(dāng)光子的能量正好等于原子的能級間隔間隔E2 E1 時，這樣的光子才能被吸收。時，這樣的光子才能被吸收。 其中其中B12 稱為受激吸收愛因斯坦系數(shù)

7、，稱為受激吸收愛因斯坦系數(shù)， 稱為稱為吸收速率吸收速率。)()(B)(11212111212112vunnvunnvunn，)()(B)(11212111212112vunnvunnvunn，（二）、自發(fā)輻射（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)而放出光子的過程程自發(fā)輻射過程。自發(fā)輻射過程。 n21 = n2 A21 其中其中A21 稱為自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)。稱為自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)。 原子在能級原子在能級E2 上的平均壽命為上的平均壽命為 。 特點(diǎn)：這種過程與外界作用無關(guān)，除激光器光源外，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)

8、光都是自發(fā)輻射。普通光源的發(fā)光都是自發(fā)輻射。211A（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)射出去的過程輻射光子的形式發(fā)射出去的過程受激輻射。受激輻射。 其中其中B21 稱為受激輻射愛因斯坦系數(shù)。稱為受激輻射愛因斯坦系數(shù)。 注意：注意：只有當(dāng)外來光子的能量只有當(dāng)外來光子的能量 正好滿足關(guān)系式正好滿足關(guān)系式 時，才能引起受激輻射。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受激輻射發(fā)出來的光子與外來

9、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。率、相同的發(fā)射方向、相同的偏振態(tài)和相同的相位。 21222121)(Bnvunn 1221EEh21h（四）、三個系數(shù)的關(guān)系 B12 = B21 = B3321218chvBA 單位時間單位體積內(nèi)原子體系吸收的光能量：Bhun)(1受激輻射產(chǎn)生的光能量：Bhun)(2凈生光能量可表示為：BhunnztSE)()(dd128. 2 激光原理激光原理 一、光放大與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一、光放大與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)設(shè) 為光強(qiáng), , (c為光速) )(I)(/)(cutSEI有 cBhInnzI/)()(dd12令 2212128/)()(Acnn解得：ze

10、IzI)(0)(),(n2 n1,時, , 光強(qiáng)將按指數(shù)增強(qiáng)。0)(0)(n2 n1時, , 光強(qiáng)將按指數(shù)衰減。 通常情況下，n2總是小于n1， 總是負(fù)的，)(吸收大于受激輻射。 )(在特殊情況下，n2大于n1， 為正的，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這時受激輻射大于吸收。 二、能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)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)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)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)行。行。三、三、 光振蕩光振蕩 光學(xué)諧振腔：能在某一方向上實(shí)現(xiàn)受激輻射光學(xué)諧振腔：能在某一方向上實(shí)現(xiàn)受激輻射 占

11、主導(dǎo)地位的光學(xué)裝置。占主導(dǎo)地位的光學(xué)裝置。 作用：正反饋、諧振、輸出。作用：正反饋、諧振、輸出。 激光：激光：雪崩式雪崩式驟然增加。驟然增加。8. 3 激光的特性 一、譜線寬度一、譜線寬度 二、激光的單色性二、激光的單色性 三、激光的相干性三、激光的相干性一、譜線寬度一、譜線寬度 1、譜線寬度、譜線寬度 頻寬：頻寬： 自然線寬：根據(jù)關(guān)系式自然線寬：根據(jù)關(guān)系式 c = 形成的形成的譜線寬度譜線寬度, 多普勒寬度：多普勒寬度： 譜線寬度：譜線寬度： cuc10tv112cuc102c2、諧振腔的共振頻率 共振：當(dāng)腔長與光波頻率滿足共振：當(dāng)腔長與光波頻率滿足 時，多時，多光束干涉的結(jié)果得到極大值的情

12、況。光束干涉的結(jié)果得到極大值的情況。 共振頻率共振頻率 ：符合共振條件的光波頻率。：符合共振條件的光波頻率。 兩個相鄰共振頻率之差：兩個相鄰共振頻率之差： 兩個相鄰共振波長之差：兩個相鄰共振波長之差： 。.2,2,22cjcjj又2cj22；2c二、激光的單色性二、激光的單色性 激光的單色性定義為激光的單色性定義為 / 0 或或/0 ， 其中其中 0 、0 為激光譜線的中心為激光譜線的中心頻率和中心波長，頻率和中心波長， 和和為相應(yīng)的頻率寬度和譜線寬度。為相應(yīng)的頻率寬度和譜線寬度。三、 激光的相干性1、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。相干性：空間任意兩點(diǎn)光

13、振動之間相互關(guān)聯(lián)的程度。 相干時間：原子的平均發(fā)光時間間隔相干時間：原子的平均發(fā)光時間間隔t tH H 。 相干長度：在相干時間內(nèi)光經(jīng)過的路程相干長度：在相干時間內(nèi)光經(jīng)過的路程l lH H ， lH = c tH 。 邁克耳孫干涉儀邁克耳孫干涉儀光的光的時間相干性；時間相干性； 楊氏實(shí)驗(yàn)楊氏實(shí)驗(yàn)光源的空間相干性。光源的空間相干性。2、普通光源的相干性3、激光器的橫向模式 在激光束橫截面上呈現(xiàn)各種在激光束橫截面上呈現(xiàn)各種光強(qiáng)的不同圖樣的穩(wěn)定分布稱為光強(qiáng)的不同圖樣的穩(wěn)定分布稱為激光束的橫向模式，簡稱橫模。激光束的橫向模式，簡稱橫模。 取激光器的軸向作為直角坐取激光器的軸向作為直角坐標(biāo)系的標(biāo)系的z軸

14、，以諧振腔的中心點(diǎn)軸，以諧振腔的中心點(diǎn)為原點(diǎn)，并在與主軸為原點(diǎn)，并在與主軸z垂直的平垂直的平面上取面上取x軸和軸和y軸，軸，用符號用符號TEMmn 來表示各種橫向模式。來表示各種橫向模式。這里這里m、n均為正整數(shù)，分別表示在均為正整數(shù)，分別表示在x軸和軸和y軸方向上光強(qiáng)為零的那些零點(diǎn)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)。的序數(shù)，稱為模式序數(shù)。TEM00 稱為低次模式，其它的模式皆稱稱為低次模式，其它的模式皆稱為高次模式。為高次模式。4、激光的相干性 激光的相干性也包括時間相干性和空間相激光的相干性也包括時間相干性和空間相干性。干性。 原子發(fā)光時間和所發(fā)光的頻率寬度成反比，原子發(fā)光時間

15、和所發(fā)光的頻率寬度成反比，即即 而激光的而激光的 非常小，比普通光要小得多，非常小，比普通光要小得多， 激光的相干時間激光的相干時間t 很大，即激光的時間相很大，即激光的時間相干性很好。干性很好。 衍射使激光的能量受到了損失，但卻為激衍射使激光的能量受到了損失，但卻為激光的空間相干性創(chuàng)造了條件。正是光的空間相干性創(chuàng)造了條件。正是由于激光器由于激光器的衍射作用，使激光的空間相干性提高了。的衍射作用，使激光的空間相干性提高了。tv18. 4 激光器的種類激光器的種類 目前激光器的種類很多，有很多種分類方法：目前激光器的種類很多，有很多種分類方法： 1.按激光器工作物質(zhì)性質(zhì)分按激光器工作物質(zhì)性質(zhì)分導(dǎo)

16、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 2.按激光器工作方式分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 3.按激光器的諧振腔分按激光器的諧振腔分 4.按激光器的激勵方式分按激光器的激勵方式分 總之，不管怎樣分，每一類都包括許多激光器?？傊还茉鯓臃?，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-He8.5 非線性光學(xué)非線性光學(xué) 一、概念：一、概念

17、： 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：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)。線性光學(xué)。 隨著激光這種強(qiáng)光束的出現(xiàn)，隨著激光這種強(qiáng)光束的出現(xiàn)，物質(zhì)對光場的響應(yīng)與物質(zhì)對光場的響應(yīng)與光的場強(qiáng)為非線性關(guān)系光的場強(qiáng)為非線性關(guān)系非線

18、性光學(xué)，非線性光學(xué)，即：即： Or ：P =EExP04)4(03)3(02)2(00ExExExxEP32EEE 二、內(nèi)容：二、內(nèi)容： 強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用；強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用；二階非線性；二階非線性；三三階非線性；階非線性；受激拉曼散射（紅、紫伴線）；受激拉曼散射（紅、紫伴線）；光混光混頻（倍、和、差）；頻（倍、和、差）；激光自聚焦；激光自聚焦；光學(xué)相位共軛；光學(xué)相位共軛；光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)；光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)；光學(xué)混沌；光學(xué)混沌；超快過程超快過程 三、發(fā)展：三、發(fā)展： 早期早期10年（年（19611970）：晶體、液體、氣體）：晶體、液體、氣體 全面深入全面深入20年（年（19711990）：半導(dǎo)體、

19、光纖通信、）：半導(dǎo)體、光纖通信、無機(jī)非線性晶體無機(jī)非線性晶體 新進(jìn)展新進(jìn)展14年（年（19912004）：新型光學(xué)晶體、非秒）：新型光學(xué)晶體、非秒化學(xué)、飛秒生物化學(xué)、飛秒生物 四、方法：四、方法： 非線性干涉法；非線性干涉法；簡并四波混頻法；簡并四波混頻法；自衍射；自衍射；橢圓偏振術(shù)；橢圓偏振術(shù)；光束畸變；光束畸變； z 掃描。掃描。8.6 信息存儲技術(shù)信息存儲技術(shù) 一、全息照相全息照相 1、 全息照相全息照相 2、 基本原理基本原理 3、 全息照相的攝制與再現(xiàn)裝置全息照相的攝制與再現(xiàn)裝置 4、 全息照相的特點(diǎn)全息照相的特點(diǎn) 5、 全息照相的一些應(yīng)用全息照相的一些應(yīng)用 二、光盤存儲技術(shù)二、光盤

20、存儲技術(shù)一、全息照相一、全息照相 1、全息照相、全息照相 既能記錄光波既能記錄光波振幅振幅 的信息，又能記錄的信息，又能記錄 光波光波相位相位信息的攝信息的攝 影影. 2、基本原理、基本原理 3、 全息照相的攝制與再現(xiàn)裝置全息照相的攝制與再現(xiàn)裝置 4、 全息照相的特點(diǎn)全息照相的特點(diǎn) 1） 它是一個十分逼真的立體像。它和觀察到的實(shí)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)。物完全一樣，具有相同的視覺效應(yīng)。 2） 可以把全息照片分成若干小塊，每一塊都可以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)）。完整地再現(xiàn)原來的物像（孫悟空似的分身術(shù)）。 3） 同一張底片上，經(jīng)過多次曝光后，可以重疊許同一張底片上，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，即顯示出來，即一張底板能同時記錄許多景物。一張底板能同時記錄許多景物。 4） 全息照片全息照片易于復(fù)制易于復(fù)制。 普通光再現(xiàn)、彩色立體電視、彩色立體電影等。普通光再現(xiàn)、彩色立體電視、彩色立體電影等。 5、全息照相的一些應(yīng)用1）全息干涉測量）全息干涉測量2）全息顯微術(shù)）全息顯微