現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)

現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)第一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三主要內(nèi)容8.1原子發(fā)光的機理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非線性光學(xué)8.9全息照相8.10光盤存儲技術(shù)8.11傅里葉光學(xué)的幾個基本概念8.12阿貝成象原理8.13阿貝－波特實驗和空間濾波第二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三8.1原子發(fā)光的機理

玻爾的氫原子模型理論為半經(jīng)典半量子理論玻爾理論的基本假設(shè).（１）、核外電子繞核作圓周運動（２）、電子軌道，能量，角動量量子化（３）、能量改變的量子化（即為原子發(fā)光機理）第三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三１．模型（核近似不動）第四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三２．量子化（軌道，能量，角動量）

能級圖：用一條條水平線的高低來代表能量的大小的圖形.第五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三３．能量改變量子化（原子發(fā)光的機理）玻爾又假設(shè)：當電子在某一個固定的允許軌道上運動時，并不發(fā)射光子。當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,電子的總能量發(fā)生變化.這部分能量的改變值就以光子的形式輻射出來。反之，當電子從一個能量較小的狀態(tài)躍遷到一個能量較大的狀態(tài)時，它吸收光子。吸收：,發(fā)射：,E1

為基態(tài)，能量最低，其它態(tài)為激發(fā)態(tài)。第六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三8.2光與原子相互作用一、吸收其中B12稱為受激吸收愛因斯坦系數(shù)，稱為吸收速率。第七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三二、自發(fā)輻射n21

=n2

A21其中A21稱為自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)。第八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三三、受激輻射其中B21

稱為受激輻射愛因斯坦系數(shù)。只有當外來光子的能量正好滿足關(guān)系式時，才能引起受激輻射第九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三四、三個系數(shù)的關(guān)系B12=

B21=

Ａ第十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三8.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一、光放大與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)二、能級物質(zhì)不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，三能級系統(tǒng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)有可能，四能級系統(tǒng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)——行。第十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三8.4光振蕩１、受激輻射與自發(fā)輻射自發(fā)輻射：n21

=n2A21

受激輻射：２、光學(xué)諧振腔：能在某一方向上實現(xiàn)受激輻射占主導(dǎo)地位的光學(xué)裝置。第十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三8.5激光的單色性一、譜線寬度頻寬：自然線寬：根據(jù)關(guān)系式c=λ

形成的譜線寬度多普勒寬度譜線寬度：第十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三二、諧振腔的共振頻率共振：當腔長與光波頻率滿足時，多光束干涉的結(jié)果得到極大值的情況。共振頻率：符合共振條件的光波頻率。兩個相鄰共振頻率之差：兩個相鄰共振波長之差：第十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三三、激光的單色性激光的單色性定義為△/0或△λ/λ0，其中0、λ0為激光譜線的中心頻率和中心波長，△和△λ為相應(yīng)的頻率寬度和譜線寬度。①、放電管所發(fā)光波的頻率輪廓②、橫坐標代表腔共振頻率，即射出光波頻率③、共振輪廓第十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三在激光器的輸出光束中，如果只存在一個共振頻率，則稱為一個縱向模式或稱為縱向單模，簡稱單縱模。在激光技術(shù)中，如同時存在幾個共振頻率，則稱為縱向多模。常用方法：腔內(nèi)插入F-P標準具進行選模第十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三8.6激光的相干性一、時間相干性和空間相干性相干性：空間任意兩點光振動之間相互關(guān)聯(lián)的程度。相干時間：原子的平均發(fā)光時間間隔△tH。相干長度：在相干時間內(nèi)光經(jīng)過的路程△LH，△LH=c△tH。邁克耳孫干涉儀————光的時間相干性；楊氏實驗——光的空間相干性。第十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三二、普通光源的相干性普通光源中，受激輻射過程總小于自發(fā)輻射過程，相干性較差。獲得方法：①、用單色儀分光，通過狹縫所得的光，單色性很好，時間相干性很高。②、楊氏實驗中，光通過極小的開孔（縫），其空間相干性很高，但光強已弱到幾乎不能利用第十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三三、激光中的衍射損耗激光在諧振腔內(nèi)振蕩的過程中，在光束橫截面上形成具有各種不同形式的穩(wěn)定分布，在光束橫截面上的這種穩(wěn)定分布，稱橫向模式，即其光強分布不均勻，原因主要是衍射第十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三四、激光的相干性

1、時間相干性激光的△非常小，比普通光要小得多，所以激光的相干時間△t很大，即激光的時間相干性很好。2、空間相干性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。正是由于激光器的衍射作用，使激光的空間相干性提高了。第二十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三8.8非線性光學(xué)一、極化強度和極化波原子在光源作用下，正負電中心拉開，被極化成電偶極子單位體積內(nèi)的原子的極化偶極距矢量和P稱電極化強度極化場發(fā)射次極電磁波二、線性光學(xué)當入射光中的電場強度E遠小于原子的內(nèi)場強時，則光在物質(zhì)中感生的電極化強度次級輻射與入場光相互替力的結(jié)果，決定物質(zhì)對入射光場的反射，折射，散射等幾種不同頻率光與物質(zhì)作用，各頻光線性獨立，反射，折射，散射，不產(chǎn)生新頻率光的獨立性原理第二十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三物質(zhì)對光場的響應(yīng)與光的場強的關(guān)系為非線性關(guān)系。

式中，，都是物質(zhì)有關(guān)的系數(shù)當外界光場強E遠小于時，要觀察非線性光學(xué)現(xiàn)象需要高強度激光束。只有激光引進以后，非線性光研究才得以快速發(fā)展。四、非線性光學(xué)現(xiàn)象1、激光信頻技術(shù)2、受激拉曼散射3、激光自聚焦第二十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三8.9全息照相一、全息照相既能記錄光波振幅的信息，又能記錄光波相位信息的攝影.

全息照相分兩步：記錄和還原光的振幅第二十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三二、基本原理三、全息照相的攝制與再現(xiàn)裝置第二十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三四、全息照相的特點（與普通照相比較）

1、以干涉衍射的規(guī)律為基礎(chǔ)（普：以幾何光學(xué)的規(guī)律為基礎(chǔ)）

2、立體圖象，如實反映視差，三維。和觀察實物一樣，看遠近物象，需眼睛重新調(diào)焦。如果被遮住，偏頭即可見。（普：平面，二維）

3、物的信息遍布整個全息片.如果有缺損,仍然能再現(xiàn)被攝物,只是象的分辨率減小.即:點與面對應(yīng)

(普:物象點點對應(yīng),缺損不行)

4、可以重疊象

(普:不行,象模糊不清)

5、易于復(fù)制

6、要求相干光源----激光(普:一般光源)

7、如果再現(xiàn)光波大于記錄光波,則再現(xiàn)物光束被放大如，則物光束相應(yīng)縮小第二十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三五、全息照相的應(yīng)用1、全息干涉測量2、全息顯微術(shù)3、超聲全息術(shù)4、全息存儲術(shù)第二十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三8.10光盤存儲技術(shù)激光光盤是繼縮微技術(shù)和磁性存儲介質(zhì)之后所發(fā)展起來的一種嶄新的信息存儲系統(tǒng)。它是通過用激光束照射旋轉(zhuǎn)的記錄介質(zhì)層來改變記錄介質(zhì)對光的反射和透射強度，從而進行二進制信息的記錄?；驹?基于光子同物質(zhì)之間的直接相互作用，導(dǎo)致記錄介質(zhì)產(chǎn)生能夠識別的物理和化學(xué)等性質(zhì)的變化，從而達到信息記錄的目的。特點:存儲容量大、高清晰高保真圖像、數(shù)字式信號讀取方式、讀出速度快、保存時間長、價格低廉第二十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三8.11傅里葉光學(xué)一、概述激光出現(xiàn)后，光學(xué)的重要發(fā)展之一，是將數(shù)學(xué)中的傅里葉變換和通訊中的線性系統(tǒng)理論引入光學(xué)，形成的光學(xué)分支——付里葉光學(xué)。

通訊理論：輸入信息：物平面的光強分布輸出信息：象平面的光強分布物（輸入）象（輸出）光學(xué)系統(tǒng)傳遞和處理的信息是空間函數(shù)。數(shù)學(xué)觀點：

空間函數(shù)與時間函數(shù)的數(shù)學(xué)變化規(guī)律沒有實質(zhì)性的差別。

第二十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三二、空間頻率單色平面波為隨t無限延續(xù)，隨空間子無限延伸的波動

時間頻率空間頻率時間角頻率空間角頻率空間頻率：在某方向單位長度內(nèi)重復(fù)系統(tǒng)或余弦分布的幾何圖形或物理量的次數(shù)。第二十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三三、復(fù)振幅單色平面波復(fù)振幅：若不考慮光波隨時間的變化，可用復(fù)振幅表示光波。任意方向為平面波面上任一點P的位置矢量第三十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三8.12阿貝成像原理一、原理

第三十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三二、付里葉變換在光學(xué)成象中的應(yīng)用

(一)付里葉變換和付里葉積分

1、付里葉級數(shù)設(shè)周期函數(shù)，t時間（或空間）變量，周期T展成付氏級數(shù)基頻第三十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三由令周期作代換所以物理含義：把展開成一系列基元函數(shù)第三十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三3、付里葉變換互為付里葉變換對4、付里葉變換的性質(zhì)（1）線性（2）對稱性（3）位移律（4）尺度變化（5）實函數(shù)的對稱性（6）帕斯瓦定理是能量定恒定理的一種表述第三十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三（二）討論兩次付里葉變換的成象過程1次：付里葉變換的作用是將空間位置分布變成空間頻率分布。2次：將空間頻率分布重新