現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)

現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)第1頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日8.1

原子發(fā)光的機(jī)理8.2

光與原子相互作用8.3

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)8.4

光振蕩8.5

激光的單色性8.6

激光的相干性8.7

激光器的種類8.8

全息照相8.9

光盤存儲技術(shù)第2頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日8.1原子發(fā)光的機(jī)理激光(Laser):LightAmplificationofStimulatedEmissionofRadiation種類：固體激光器——1960年（紅寶石、美國休斯實驗室）氣體激光器——1961年（He-Ne、美國貝爾實驗室半導(dǎo)體激光器——1962年（砷化鎵）液體激光器——1966年（無機(jī)液體）化學(xué)激光器——1964年準(zhǔn)分子激光器——1977年可調(diào)諧染料激光器——1975年（有機(jī)液體）它是光受激輻射放大的簡稱,

是一種單色性佳、亮度高、相干性強(qiáng)、方向性好的相干光束。第3頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日基態(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；亞穩(wěn)態(tài)：能量較高狀態(tài)，比較穩(wěn)定。hE2E1E3E4hE2-E1=hE2-E3=h發(fā)射光子吸收光子躍遷??玻爾軌道第4頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日8.2光與原子相互作用一、吸收h?E2E1B12——受激吸收愛因斯坦系數(shù)只吸收特定頻率的光子u()：光的輻射能密度光與物質(zhì)相互作用歸結(jié)為光與原子相互作用吸收自發(fā)輻射受激輻射吸收：外來激勵下，原子由低能態(tài)高能態(tài)，吸收光子從能級E1E2的原子數(shù)：n1處于能級E1的原子數(shù)第5頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日二、自發(fā)輻射和受激輻射hE2E1?自發(fā)輻射光子數(shù)：A21：自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)自發(fā)輻射：自發(fā)地從高能態(tài)低能態(tài)，放出光子只輻射特定頻率的光子n2：處于能級E2的原子數(shù)hE2E1?hh受激輻射光子數(shù)：B21——受激輻射愛因斯坦系數(shù)受激輻射：外來激勵下，原子由高能態(tài)低能態(tài)，放出光子自發(fā)輻射是無規(guī)的（方向、初位相）受激輻射與外來光子具有相同頻率、相同方向、相同初位相和偏振態(tài)第6頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日三、吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三系數(shù)間的關(guān)系吸收自發(fā)輻射受激輻射處于熱平衡狀態(tài)時有：根據(jù)玻爾茲曼定律第7頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日8.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一、受激輻射與吸收系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，要實現(xiàn)光放大，得有：即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布實現(xiàn)的條件外界輸入能量工作物質(zhì)有合適的能級結(jié)構(gòu)—激活介質(zhì)hE2E1?hh受激輻射：一個光子成兩個光子

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)勢還是受激輻射占優(yōu)勢？吸收占優(yōu)勢第8頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日二、三能級系統(tǒng)hE2—亞穩(wěn)態(tài)E1?hhE3A32A31n3如果有A32>A31A32>A21，則處于能態(tài)的原子數(shù)大大增加，使n2>n1，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)—基態(tài)E3激發(fā)態(tài)，壽命短，經(jīng)自發(fā)輻射，E3

E2，E3

E1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(qiáng)的外界輸入（抽運(yùn)）能量紅寶石激光器第9頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日三、四能級系統(tǒng)E1E2E3E4He-Ne激光器CO2激光器—亞穩(wěn)態(tài)E3、E2間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，由于E2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)第10頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日8.4光振蕩一、受激輻射與自發(fā)輻射若輻射源溫度約為室溫（T=300K）下，受激輻射光子數(shù)遠(yuǎn)小于自發(fā)輻射光子數(shù)要實現(xiàn)光放大，必須：受激輻射光子數(shù)大于自發(fā)輻射光子數(shù)自發(fā)輻射受激輻射處于高能態(tài)的原子除受激輻射外，也發(fā)生自發(fā)輻射當(dāng)T=50000K，受激輻射光子數(shù)等于自發(fā)輻射光子數(shù)。受激輻射在某一方向發(fā)生振蕩，超過自發(fā)輻射第11頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日二、光學(xué)諧振腔使得在某一方向上實現(xiàn)受激輻射占主導(dǎo)地位的裝置。全反射鏡R1=100%部分反射鏡R2=98%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，這是一種雪崩式的放大過程。激光輸出諧振腔第12頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日三、光振蕩的閾值條件：增益系數(shù)閾值增益：才能實現(xiàn)光振蕩而輸出激光振蕩過程中有損耗：工作物質(zhì)的吸收、散射等反射鏡反射率低于100%必須要光放大大于損耗，才會有激光輸出LI0I1I2R1R2R2I1I3經(jīng)過一個來回閾值條件第13頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日8.5激光的單色性一、譜線寬度1.自然線寬：平均壽命2.多普勒展寬3.碰撞展寬He-Ne激光632.8nm自然線寬：103Hz多普勒展寬：109Hz碰撞展寬：108Hz實際發(fā)出的激光都不是單色的，有一定的頻率范圍——譜線寬度原子處于某一能級的壽命是有限的，相當(dāng)輻射有限長波列發(fā)光原子熱運(yùn)動，有一定的速度，由多普勒效應(yīng)造成原子間碰撞，使壽命縮短，使譜線展寬第14頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日二、諧振腔的共振頻率和縱模：共振頻率n：工作物質(zhì)折射率諧振腔作用：1.光振蕩實現(xiàn)光放大。2.選頻——激光輸出有幾個頻率，某一個稱為一個縱模諧振腔——法布里-珀羅干涉儀當(dāng)透射（輸出）干涉主最大即：如同法-珀，每一個縱模有一定的線寬第15頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日8.6激光的相干性1.激光的時間相干性2.激光的空間相干性相干長度：l=c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橫向模式，簡稱橫模。——由反射鏡衍射引起橫模單模TEM00——高斯形分布多模TEMmnTEM21第16頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日*8.7激光器的種類產(chǎn)生激光的兩個必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（要有激活介質(zhì)，激勵能源）2.達(dá)到閾值條件（諧振腔，足夠的激勵能量）構(gòu)成激光器的三大要件：1.激勵能源2.工作物質(zhì)（激活介質(zhì)）3.諧振腔第17頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日按激光器工作物質(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(dǎo)體激光器。一、氣體激光器工作物質(zhì)：He-Ne，CO2，N2等工作物質(zhì)：NeHe——輔助氣體Ne通過高壓放電激勵氖原子實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。特點：1.單色性好；2.方向性好；3.效率低（0.1%）。He：Ne=57：1四能級系統(tǒng)波長：3390nm1150nm632.8nm

*8.7激光器的種類第18頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日二、固體激光器紅寶石、摻釹的釔鋁石榴石(YAG)、釹玻璃等工作物質(zhì)：Al2O3晶體基質(zhì)中摻0.05%Cr+++形成通過強(qiáng)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)特點：1.小而堅固；2.脈沖激光；3.效率高（0.2%）工作物質(zhì)：波長：694.3nm第19頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日三、液體激光器如染料激光器工作物質(zhì)：染料（有機(jī)物化合物）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)特點：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（可調(diào)諧）2.效率高工作物質(zhì)：有機(jī)化合物，無機(jī)化合物第20頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日四、半導(dǎo)體激光器特點：1.體積??；2.質(zhì)量輕；3.消耗?。?.單色性差。工作物質(zhì)：半導(dǎo)體材料如砷化鎵激光器在PN結(jié)工作區(qū)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，晶體自然界面構(gòu)成諧振腔平面第21頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日8.9全息照相一般照相：記錄光強(qiáng)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)由楊氏雙縫干涉實驗：S1S2PP點：——平面像立體攝影：記錄幾個方向的平面像，再用立體視鏡，見到具有立體感的像光波：第22頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日全息照片：重現(xiàn)：用同樣的參考光束去照射全息照片，透射光為參考光束：物光束：記錄了干涉后的光強(qiáng)分布，但包括了物的振幅和位相信息原來物的全部信息共軛，是個實像第23頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日特點：1.逼真2.任何一小部分都包含了全部信息3.重疊多個象4.易于復(fù)制全息照相的應(yīng)用：1.全息干涉測量2.全息顯微術(shù)3.海洋學(xué)研究4.制成各種元件（光柵、商標(biāo)、防偽標(biāo)記）第24頁，共25頁，2023年，2月20日，星期日8.10光盤存儲技術(shù)只讀性光盤可擦除光盤——可逆，可寫入、擦