現(xiàn)代光學基礎課件

第八章現(xiàn)代光學基礎第八章現(xiàn)代光學基礎18.1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8.4光振蕩8.5激光的單色性*8.7激光器的種類8.6激光的相干性8.9全息照相8.10光盤存儲技術內(nèi)容8.1原子發(fā)光的機理8.2光與原子相互作用8.328.1原子發(fā)光的機理激光:是光受激輻射放大的簡稱，通過輻射的受激發(fā)射而實現(xiàn)光放大。激光器的種類:氣體激光器——1961年He-Ne激光器（美國貝爾實驗室)半導體激光器——1962年砷化鎵激光器液體激光器——1966年無機液體化學激光器——1964年受激準分子激光器——1977年準分子激光器可調(diào)諧激光器——1975年有機液體固體激光器——1960年紅寶石激光器（美國休斯實驗室）8.1原子發(fā)光的機理激光:激光器的種類:氣體激光器——193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48.2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的相互作用可以歸結為光與原子的相互作用。吸收自發(fā)發(fā)射受激發(fā)射吸收：外來激勵下，原子由低能態(tài)高能態(tài)，吸收光子N1:處于能級E1的原子數(shù)從能級E1E2的原子數(shù)：8.2光與原子相互作用一、吸收h?E2E1B12—5二、自發(fā)輻射和受激輻射hE2E1?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n2：處于能級E2的原子數(shù)自發(fā)輻射是無規(guī)的（方向、初位相）只輻射特定頻率的光子自發(fā)輻射光子數(shù)：二、自發(fā)輻射和受激輻射hE2E1?A21：自發(fā)輻射愛因斯坦6hE2E1?hhB21——

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)，放出光子受激輻射光子數(shù)：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)hE2E1?hhB21——受激輻射愛因斯坦系數(shù)受激輻7三、吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三系數(shù)間的關系吸收

自發(fā)輻射

受激輻射處于熱平衡狀態(tài)時有：按照玻爾茲曼定律：三、吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三系數(shù)間的關系吸收自發(fā)輻射88.3粒子數(shù)反轉一、受激輻射和吸收系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時：要實現(xiàn)光放大

：粒子數(shù)反轉分布實現(xiàn)粒子數(shù)反轉條件：外界輸入能量工作物質有合適的能級結構—激活介質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？所以宏觀效果是吸收，外來光減弱8.3粒子數(shù)反轉一、受激輻射和吸收系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)9二、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?！鶓B(tài)E3激發(fā)態(tài)，壽命短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，需要非常強的外界輸入（抽運）能量.紅寶石激光器二、三能級系統(tǒng)hE2—亞穩(wěn)態(tài)E1?hhE3A32A310三、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)反轉三、四能級系統(tǒng)E1E2E3E4He-Ne激光器CO2激光118.4光振蕩一、受激輻射和自發(fā)輻射

T=300K，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T=50000K，受激輻射光子數(shù)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)8.4光振蕩一、受激輻射和自發(fā)輻射12二、光學諧振腔全反射鏡R1=100%部分反射鏡R2=98%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。諧振腔作用:使得在某一方向上實現(xiàn)受激輻射占主導地位的裝置。工作物質激光輸出二、光學諧振腔全反射鏡部分反射鏡只有沿軸向的光子數(shù)來回振蕩產(chǎn)13三、光振蕩的閾值條件過程中有損耗：：工作物質的吸收、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增益系數(shù)經(jīng)過一個來回閾值增益：閾值條件實現(xiàn)光振蕩而輸出激光三、光振蕩的閾值條件過程中有損耗：：工作物質的吸收、散射等148.5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

激光器632.8nm自然線寬：103Hz多普勒展寬：109Hz洛倫茲展寬：108Hz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，由多普勒效應造成原子間碰撞，使壽命縮短，使譜線展寬實際發(fā)出的激光都不是單色的，有一定的頻率范圍—譜線寬度。8.5激光的單色性一、譜線寬度1.自然線寬：平均壽命215二、諧振腔的共振頻率和縱模：共振頻率n：工作物質折射率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-珀羅干涉儀透射（輸出）干涉主最大如同法-珀，每一個縱模有一定的線寬當諧振腔作用：二、諧振腔的共振頻率和縱模：共振頻率n：工作物質折射率1168.6激光的相干性1.時間相干性2.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。——由反射鏡衍射引起低次模式TEM00——高斯分布

高次模式TEMmnTEM21橫模8.6激光的相干性1.時間相干性2.空間相干性相干長度17*8.7激光器的種類粒子數(shù)反轉分布（要有激活介質，激勵能源）2.

構成激光器的三大要件：1.激勵能源2.工作物質（激活介質）3.諧振腔產(chǎn)生激光的兩個必要條件：達到閾值條件（諧振腔，足夠的激勵能量）*8.7激光器的種類粒子數(shù)反轉分布（要有激活介質，激勵能18按照激光器工作物質性質分類，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等。一、氣體激光器工作物質：He-Ne，CO2，N2…工作物質：NeHe——輔助氣體通過高壓放電激勵氖原子實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。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

按照激光器工作物質性質分類，可分為氣體激光器、固體激光器、液19二、固體激光器紅寶石、摻釹的釔鋁石榴石(YAG)、釹玻璃等Al2O3晶體基質中摻Cr3O2形成特點：1.小而堅固；2.脈沖激光；3.效率高（0.2%）工作物質：波長：694.3nm

三能級系統(tǒng)通過強光激勵（脈沖氙燈激發(fā)）實現(xiàn)粒子數(shù)反轉二、固體激光器紅寶石、摻釹的釔鋁石榴石(YAG)、釹玻璃等A20三、液體激光器染料激光器工作物質：有機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。特點：1.可調(diào)諧2.效率高工作物質：無機液體,有機液體四能級系統(tǒng)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三、液體激光器染料激光器工作物質：有機物化合物通過光激勵（氮21四、半導體激光器特點：1.體積?。?.質量輕；3.消耗小；4.單色性差。（如砷化鎵激光器）工作物質：GaAs在PN結工作區(qū)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，晶體自然界面構成諧振腔平面四、半導體激光器特點：1.體積?。?.質量輕；3.消耗228.9全息照相一般照相：記錄光強.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：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。又稱全息術由楊氏雙縫干涉實驗：8.9全息照相一般照相：記錄光強.S1S2PP點：——23全息照片：重現(xiàn)：記錄了干涉后的光強分布，但包括了物的振幅和位相信息原來物的全部信息共軛，是個實像參考光束：物光束：全息照片：重現(xiàn)：記錄了干涉后的光強分布，原來物的全部信息共軛24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.易于復制全息照相的應用：1.全息干涉測量2.全息顯微術3.海洋學研究4.制成各種元件（光柵、商標、防偽標記）特點：1.逼真2.任何一小部分都包含了全部信息3.重疊258.10光盤存儲技術只讀性光盤可擦除光盤——可逆，可寫入、擦除。磁介質作記錄介質寫入：在外加磁場下，均勻磁化，相當于“0”。加上激光束信號，磁化反轉，成為“1”.擦除：加反向磁場，磁化反轉，恢復到“0”狀態(tài).金屬薄膜作記錄介質，較大功率激光束聚焦于表面，功率大小由信號強弱控制，燒蝕成凹坑式信息通道。用戶使用：單次刻錄：光刻膠作記錄介質，在原盤上壓制而成。常用CD片第八章結束8.10光盤存儲技術只讀性光盤可擦除光盤——可逆，可寫入、擦26第八章現(xiàn)代光學基礎第八章現(xiàn)代光學基礎278.1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8.4光振蕩8.5激光的單色性*8.7激光器的種類8.6激光的相干性8.9全息照相8.10光盤存儲技術內(nèi)容8.1原子發(fā)光的機理8.2光與原子相互作用8.3288.1原子發(fā)光的機理激光:是光受激輻射放大的簡稱，通過輻射的受激發(fā)射而實現(xiàn)光放大。激光器的種類:氣體激光器——1961年He-Ne激光器（美國貝爾實驗室)半導體激光器——1962年砷化鎵激光器液體激光器——1966年無機液體化學激光器——1964年受激準分子激光器——1977年準分子激光器可調(diào)諧激光器——1975年有機液體固體激光器——1960年紅寶石激光器（美國休斯實驗室）8.1原子發(fā)光的機理激光:激光器的種類:氣體激光器——1929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308.2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的相互作用可以歸結為光與原子的相互作用。吸收自發(fā)發(fā)射受激發(fā)射吸收：外來激勵下，原子由低能態(tài)高能態(tài)，吸收光子N1:處于能級E1的原子數(shù)從能級E1E2的原子數(shù)：8.2光與原子相互作用一、吸收h?E2E1B12—31二、自發(fā)輻射和受激輻射hE2E1?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n2：處于能級E2的原子數(shù)自發(fā)輻射是無規(guī)的（方向、初位相）只輻射特定頻率的光子自發(fā)輻射光子數(shù)：二、自發(fā)輻射和受激輻射hE2E1?A21：自發(fā)輻射愛因斯坦32hE2E1?hhB21——

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)，放出光子受激輻射光子數(shù)：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)hE2E1?hhB21——受激輻射愛因斯坦系數(shù)受激輻33三、吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三系數(shù)間的關系吸收

自發(fā)輻射

受激輻射處于熱平衡狀態(tài)時有：按照玻爾茲曼定律：三、吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三系數(shù)間的關系吸收自發(fā)輻射348.3粒子數(shù)反轉一、受激輻射和吸收系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時：要實現(xiàn)光放大

：粒子數(shù)反轉分布實現(xiàn)粒子數(shù)反轉條件：外界輸入能量工作物質有合適的能級結構—激活介質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？所以宏觀效果是吸收，外來光減弱8.3粒子數(shù)反轉一、受激輻射和吸收系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)35二、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?！鶓B(tài)E3激發(fā)態(tài)，壽命短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，需要非常強的外界輸入（抽運）能量.紅寶石激光器二、三能級系統(tǒng)hE2—亞穩(wěn)態(tài)E1?hhE3A32A336三、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)反轉三、四能級系統(tǒng)E1E2E3E4He-Ne激光器CO2激光378.4光振蕩一、受激輻射和自發(fā)輻射

T=300K，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T=50000K，受激輻射光子數(shù)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)8.4光振蕩一、受激輻射和自發(fā)輻射38二、光學諧振腔全反射鏡R1=100%部分反射鏡R2=98%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。諧振腔作用:使得在某一方向上實現(xiàn)受激輻射占主導地位的裝置。工作物質激光輸出二、光學諧振腔全反射鏡部分反射鏡只有沿軸向的光子數(shù)來回振蕩產(chǎn)39三、光振蕩的閾值條件過程中有損耗：：工作物質的吸收、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增益系數(shù)經(jīng)過一個來回閾值增益：閾值條件實現(xiàn)光振蕩而輸出激光三、光振蕩的閾值條件過程中有損耗：：工作物質的吸收、散射等408.5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

激光器632.8nm自然線寬：103Hz多普勒展寬：109Hz洛倫茲展寬：108Hz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，由多普勒效應造成原子間碰撞，使壽命縮短，使譜線展寬實際發(fā)出的激光都不是單色的，有一定的頻率范圍—譜線寬度。8.5激光的單色性一、譜線寬度1.自然線寬：平均壽命241二、諧振腔的共振頻率和縱模：共振頻率n：工作物質折射率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-珀羅干涉儀透射（輸出）干涉主最大如同法-珀，每一個縱模有一定的線寬當諧振腔作用：二、諧振腔的共振頻率和縱模：共振頻率n：工作物質折射率1428.6激光的相干性1.時間相干性2.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?！煞瓷溏R衍射引起低次模式TEM00——高斯分布

高次模式TEMmnTEM21橫模8.6激光的相干性1.時間相干性2.空間相干性相干長度43*8.7激光器的種類粒子數(shù)反轉分布（要有激活介質，激勵能源）2.

構成激光器的三大要件：1.激勵能源2.工作物質（激活介質）3.諧振腔產(chǎn)生激光的兩個必要條件：達到閾值條件（諧振腔，足夠的激勵能量）*8.7激光器的種類粒子數(shù)反轉分布（要有激活介質，激勵能44按照激光器工作物質性質分類，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等。一、氣體激光器工作物質：He-Ne，CO2，N2…工作物質：NeHe——輔助氣體通過高壓放電激勵氖原子實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。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

按照激光器工作物質性質分類，可分為氣體激光器、固體激光器、液45二、固體激光器紅寶石、摻釹的釔鋁石榴石(YAG)、釹玻璃等Al2O3晶體基質中摻Cr3O2形成特點：1.小而堅固；2.脈沖激光；3.效率高（0.2%）工作物質：波長：694.3nm

三能級系統(tǒng)通過強光激勵（脈沖氙燈激發(fā)）實現(xiàn)粒子數(shù)反轉二、固體激光器紅寶石、摻釹的釔鋁石榴石(YAG)、釹玻璃等A46三、液體激光器染料激光器工作物質：有機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。特點：1.可調(diào)諧2