應(yīng)用光電 第二講

1、2020/7/15，1，光的非相干疊加，其中，so，or，第2章，光的基本性質(zhì)，2.3.2光的疊加，2020/7/15，2，相干光的條件，綜上所述，我們稱兩束光能產(chǎn)生相干疊加相干光，并且相干疊加必須滿足相同的振動(dòng)頻率和方向。如果在第2章，光的基本特性，2020/7/15，3中，當(dāng)具有相同頻率、振動(dòng)方向、相同相位或固定相位差的光波相遇時(shí)，會(huì)在相遇區(qū)域發(fā)生干涉。光波的干涉可以描述如下：兩排光波在空間相遇，疊加的光波形成規(guī)則的光強(qiáng)分布。第二章，光的基本性質(zhì)，光波的干涉，2020/7/15，4，楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，第二章，光的基本性質(zhì)，楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)裝置的原理，第二章，光的基本性質(zhì)，2020

2、/7/15，6，光在傳播時(shí)會(huì)四處傳播，這就是光的衍射現(xiàn)象。至于為什么衍射現(xiàn)象在日常生活中很少見，那是因?yàn)橹挥挟?dāng)障礙物的大小與光的波長(zhǎng)相似時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)明顯的衍射現(xiàn)象。第2章光的基本性質(zhì)，光衍射，2020/7/15，7，單縫衍射模式：第2章光的基本性質(zhì)，明暗和不等條紋(中心亮條紋)，光的相干性，2020/7/15，8，2.3.3，1。普通光源的發(fā)光機(jī)制(處于激發(fā)態(tài)的原子(或分子)的非自發(fā)發(fā)射)。原子發(fā)出的光是具有一定頻率、振動(dòng)方向和有限長(zhǎng)度的光波(通常稱為光波列)。第二章：光的基本屬性。在普通光源中，每個(gè)原子的激發(fā)和輻射是不均勻的，這是一個(gè)隨機(jī)過程。2020年7月15日，普通光源是自

3、發(fā)發(fā)射的光。特點(diǎn)：多波長(zhǎng)，任意方向，不相關(guān)。普通光源向四面八方輻射，光線以4p球形立體角散射。第二章，光的基本性質(zhì)，2020/7/15，10，單色光，單頻光波稱為單色光。任何光源發(fā)出的光波都有一定的頻率(或波長(zhǎng)范圍)，其中對(duì)應(yīng)于不同頻率(或波長(zhǎng))的強(qiáng)度是不同的。對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)的波長(zhǎng)范圍越窄，光的單色性越好。譜線寬度：強(qiáng)度通常降低到0的兩點(diǎn)之間的波長(zhǎng)范圍。譜線寬度是標(biāo)志譜線單色性的物理量。第二章光的基本性質(zhì)，2020年7月15日，波列長(zhǎng)度與光源的譜線寬度成反比，即光源的單色性好，光源的譜線寬度小，波列長(zhǎng)度長(zhǎng)。單色性越好，相干性越好。第二章，光的基本性質(zhì)，2020年7月15日，相干光波：兩個(gè)頻率相同、

4、振動(dòng)方向相同、相位差恒定的光波。沿傳播方向的相干長(zhǎng)度。相干區(qū)域：垂直于光傳播方向的橫截面上的相干區(qū)域。相干體：相干體是指空間體中每個(gè)點(diǎn)的光波場(chǎng)具有明顯的相干性。關(guān)于光的相干性的討論，第2章光的基本性質(zhì)，描述時(shí)間相干性的等效物理量：描述空間相干性的等效物理量：2020/7/15，13，1空間相干性：同時(shí)波場(chǎng)中不同點(diǎn)之間的相關(guān)性。這種一致性來自光源中不同原子的獨(dú)立性。事實(shí)上，光源總是有一定的寬度。我們可以把它想象成許多線性光源。這些具有小間隔的線性光源在屏幕上形成彼此靠近的干涉圖案。這些干涉圖樣的非相干疊加使得總干涉圖樣變得模糊，甚至將干涉條紋的可見度降低到零。第二章是光的基本屬性。屬于同一光子狀

5、態(tài)的光子是相干的，應(yīng)該包含在相干體積中。相空間的體積等于光源的相干體積。2020/7/15，14，2時(shí)間相干性：波場(chǎng)中相同點(diǎn)和不同時(shí)間光波場(chǎng)特性的相關(guān)性。這種一致性來自原子發(fā)光的不連續(xù)性。光源的時(shí)間相干性取決于它的單色性，因?yàn)楣獾膯紊詻Q定了它的亮度在光學(xué)中，原子發(fā)光的持續(xù)時(shí)間稱為相干時(shí)間，相應(yīng)的波列長(zhǎng)度l稱為相干長(zhǎng)度。第二章光的基本性質(zhì)，2020年7月15日，相干長(zhǎng)度：?jiǎn)紊栽胶茫喔砷L(zhǎng)度越長(zhǎng)。普通光源用幾厘米的激光就能達(dá)到105公里。第二章光的基本性質(zhì)，2020年7月7日。光的空間相干性和時(shí)間相干性不能嚴(yán)格分開。例如，在楊氏實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)研究遠(yuǎn)離屏幕中心點(diǎn)的干涉條紋時(shí)，不僅出現(xiàn)了空間相干性問題

6、，還出現(xiàn)了時(shí)間相干性問題。我們通常所說的光源可以分為兩類：普通光源和激光光源。對(duì)于普通光源，它們產(chǎn)生的波列具有較寬的頻帶和較差的單色性，因此時(shí)間相干性也較差。普通光源不用作相干光源。2020/7/15/17，相干光場(chǎng)的強(qiáng)度(相干光強(qiáng)度)，它是描述光的相干性的參數(shù)之一。從相干的光子描述來看，相干光的強(qiáng)度取決于相干光子的數(shù)量。光子簡(jiǎn)并度：處于相同光子狀態(tài)的光子數(shù)。用.表示。相干光強(qiáng)度與光子簡(jiǎn)并度的關(guān)系：相干光強(qiáng)度取決于光子簡(jiǎn)并度。光子簡(jiǎn)并度越大，相干光強(qiáng)度越大。光子簡(jiǎn)并具有以下相同的含義：同態(tài)光子數(shù)、同模光子數(shù)、相干體光子數(shù)和同相晶格光子數(shù)。第二章，光的基本性質(zhì)，2.4光子簡(jiǎn)并，2020/7/15

7、，18，一個(gè)好的相干光源應(yīng)該具有盡可能高的相干光強(qiáng)度，足夠大的相干面積和足夠長(zhǎng)的相干時(shí)間。對(duì)于普通光源，增加相干面積、相干時(shí)間和相干光強(qiáng)是矛盾的。為了增加相干面積和時(shí)間，相干光的強(qiáng)度將被削弱。這是普通光源給相干光技術(shù)發(fā)展帶來的局限。然而，激光是一種將光強(qiáng)和相干性統(tǒng)一起來的強(qiáng)相干光源。第2章，光的基本性質(zhì)，19。光具有波粒二象性。光是橫波。光的偏振特性。光的干涉和衍射。光的相干性。光子的簡(jiǎn)并性。如何產(chǎn)生相干光？第2章，光的基本性質(zhì)，2020/7/15，20，第3章，激光原理和技術(shù)，主要內(nèi)容，3.1相干光源，非相干光源和激光3.2光與物質(zhì)相互作用的理論3.3激光產(chǎn)生和傳播的基礎(chǔ)3.4激光的基本結(jié)構(gòu)

8、和輸出3.5激光的特性3.6激光的類型3.7激光脈沖技術(shù)3.8激光模式選擇技術(shù)3.9激光頻率穩(wěn)定技術(shù)3.10其他激光技術(shù)，2020/7/15，22，3 光源裝置主要是3.1.1光源的分類相干光源：在時(shí)間和空間上相位同步的光波的形成。 非相干光源：原子或分子系統(tǒng)的自發(fā)輻射。2020/7/15/23，照明光源氣體放電燈、熒光燈；白熾燈；本征場(chǎng)致發(fā)光燈(固體燈)。顯示光源側(cè)重于顯示圖像的清晰度、對(duì)比度和色彩飽和度，如液晶顯示器、陰極射線管和發(fā)光二極管。信息處理光源注重光的單色性和高速脈沖性，如高速高亮度發(fā)光二極管和光譜分度儀光源。非相干光源包括：2020/7/15，24，激光氣體激光器，固態(tài)激光器，

9、染料激光器，半導(dǎo)體激光器和等離子體激光器。非線性光學(xué)器件主要是激光與非線性光學(xué)材料相互作用產(chǎn)生的各種新型相干光源，如光學(xué)參量振蕩器、高次諧波激光器、和頻差頻發(fā)生器、受激拉曼散射等。相干光源包括：非相干光源的發(fā)展歷史。1878年12月，斯萬在英國發(fā)明了電燈泡。1879年10月，愛迪生制造了一個(gè)更好的燈泡。1938年，紐曼和其他人開發(fā)了熒光燈。目前，有固體燈取代熒光燈的趨勢(shì)。固體燈：利用超高亮度白光二極管或其他電致發(fā)光管來制造優(yōu)點(diǎn)：體積小、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、電壓低。應(yīng)用：現(xiàn)有的家用燈樣品，如交通燈、路標(biāo)、宣傳品和廣告牌等，正在變得實(shí)用。相干光源特點(diǎn)：方向：小發(fā)散頻譜：?jiǎn)我贿B續(xù)性：無限連續(xù)亮度：時(shí)

10、空相位同步傳輸增益極高，出射光強(qiáng)度增強(qiáng)，激光非線性光源，(b)激光器發(fā)出的相干光、激光器、激光：激光器發(fā)出的受激放大光，(輻射受激發(fā)射光放大)單色亮度高，出射光強(qiáng)度遠(yuǎn)大于入射光強(qiáng)度，為信息處理提供了穩(wěn)定的載體介質(zhì)。譯名：光量子放大器，激光，拉塞激光(錢學(xué)森)，激光發(fā)展史，1916，美國愛因斯坦，提出概念并指出獲得的途徑(關(guān)于輻射的量子理論)，1954，美國湯斯，成功研制MASER(冷凍氨分子)，1958， 美國和前蘇聯(lián)的科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)提出了實(shí)現(xiàn)激光振蕩的具體設(shè)想：1960年前蘇聯(lián)的N.G.Basow/M.Prohorov(提出實(shí)現(xiàn)三能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光)，美國的麥曼紅寶石激光器(波長(zhǎng)69

11、4.3納米)用了44年才從理論走向?qū)崿F(xiàn)。 原因有二：當(dāng)時(shí)社會(huì)對(duì)激光的需求并不迫切，沒有引起資助部門的重視；學(xué)者們被微波發(fā)生器的金屬封閉腔模型所束縛，沒有找到關(guān)鍵技術(shù)。激光發(fā)展史，1960年秋，賈凡等在美國研制了1.15米連續(xù)振蕩氦-氖氣體激光器。1962年，內(nèi)森、霍爾和奎斯特77K GaAs半導(dǎo)體激光器在美國生產(chǎn)。1966年，索羅金等人泵浦了羅丹明6G可調(diào)諧液體有機(jī)染料激光器。1966年，丁默克、布爾特、梅恩加利斯和其他窄帶半導(dǎo)體近紅外可調(diào)諧激光器在美國低溫下工作。1970年，林等雙異質(zhì)結(jié)連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器在美國問世。1980年以后，等離子體激光器、超晶格量子阱激光器、光纖激光器、分布反饋(

12、DFB)激光器、分布布拉格發(fā)射(DBR)激光器和超快激光器的波長(zhǎng)分別為：紫外、可見和紅外峰值功率：100TW，最高平均功率：MW，調(diào)諧范圍：從200納米到4米。非線性相干光源的發(fā)展歷史，光源：激光與各種非線性光學(xué)材料的相互作用1961年，Mc。美國的斯萊德和赫爾沃斯發(fā)明了激光調(diào)Q方法，為我們打開了道路。1962年，Woodburg等人，1969年受激拉曼激光器，Patel等人，美國自旋反轉(zhuǎn)拉曼激光器，1965年，美國和蘇聯(lián)成功實(shí)現(xiàn)了光學(xué)參量振蕩，獲得了另一種可調(diào)諧相干光源。1968年，超短脈沖激光器通過鎖模技術(shù)制造出來。1969年，獲得了亞皮秒(10-13秒)的光脈沖?，F(xiàn)在，4-5飛秒(10-

13、15秒)激光已經(jīng)商業(yè)化，向阿秒10-18秒邁進(jìn)。1970年，Mooradian等人提出了寬調(diào)諧范圍、高效率、連續(xù)振蕩、自旋反轉(zhuǎn)拉曼激光器。1971年，美國杜威用光學(xué)差頻法獲得了波長(zhǎng)可調(diào)的紅外光源；1972年，騰駿等人在日本制造了和頻黃燈；三次諧波產(chǎn)生和光學(xué)整流效應(yīng)也相繼實(shí)現(xiàn)。31，3.1.2激光應(yīng)用技術(shù)，20fs，3.3ns，激光焊接，鉆孔，32，激光應(yīng)用技術(shù)，慣性約束聚變(激光點(diǎn)火)，2020/7/15，33，激光應(yīng)用技術(shù)，34，激光應(yīng)用技術(shù)事實(shí)上，這四個(gè)特性可以歸結(jié)為一個(gè)特性，即激光具有高光子簡(jiǎn)并性。也就是說，激光在大的相干產(chǎn)物中可以具有高的相干光強(qiáng)度。3.1.3激光特性，2020/7/1

14、5，37，1。定向激光發(fā)散角小，達(dá)到mrad級(jí)，接近衍射極限。2.單色激光的譜線寬度窄，單色性好。3.高亮度激光發(fā)射面小，發(fā)散角小，線寬窄，因此具有較高的光譜輻射亮度。4.相干激光發(fā)散角小，線寬窄，因此具有良好的空間和時(shí)間相干性。例如，頻率穩(wěn)定的He-Ne激光器的線寬為v10kHz，相干長(zhǎng)度為L(zhǎng)c=c/v=30千米。3.1.3激光特性，2020/7/15，38，1。光與物質(zhì)相互作用經(jīng)典模型的極化強(qiáng)度為：介質(zhì)對(duì)光波場(chǎng)的響應(yīng)由宏觀物理量極化率或介電常數(shù)來描述，然后是：3.2.1光與物質(zhì)相互作用經(jīng)典。根據(jù)簡(jiǎn)諧振子模型，原子中的電子被與位移成正比的彈性恢復(fù)力束縛在某個(gè)平衡位置：xo(原子中的正中心)振

15、動(dòng)(假設(shè)為一維運(yùn)動(dòng))，當(dāng)電子偏離平衡位置并有位移x時(shí)，它們受到恢復(fù)力f的作用假設(shè)沒有其他力作用在電子上，電子的運(yùn)動(dòng)方程是：其中k是彈性系數(shù)，m是電子質(zhì)量，是電子的固有頻率。2020/7/15，40，當(dāng)電子在原子內(nèi)部以固有頻率作簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，它將向外輻射電磁波，輻射場(chǎng)將對(duì)電子阻尼力作出與電子速度成正比的反應(yīng)。這時(shí)，如果有光波入射，那么光波的電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)電子施加一個(gè)電磁力，所以方程變成：考慮到入射光場(chǎng)是簡(jiǎn)諧電場(chǎng)，可以將：代入運(yùn)動(dòng)方程，得到的解為：2020/7/15，41。從方程的解可以看出，在簡(jiǎn)諧振子模型下，電子受迫振動(dòng)的頻率與驅(qū)動(dòng)光波的頻率相同。這個(gè)相位對(duì)于介質(zhì)中的所有原子都是一樣的。(1)當(dāng)它是時(shí)間時(shí)，它被稱為光和物質(zhì)之間的非共振相互作用過程。(2)當(dāng)它是時(shí)間時(shí)，它被稱為光和物質(zhì)之間的共振相互作用過程。2020/7/15，42，3.2.2光輻射的量子理論基礎(chǔ)，1。三個(gè)躍遷(1)受激吸收和受激43，(2)自發(fā)輻射，光子能量，自發(fā)躍遷概率：在單位時(shí)間和單位體積內(nèi)，上層粒子的減少量是：所以有：2020/7/15，44，(3)受激輻射，受激輻射的概率：這叫做愛因斯坦受激輻射系數(shù)。2020/7/15，45，2。愛因斯坦關(guān)系，讓一個(gè)原子系統(tǒng)有兩個(gè)特定的能級(jí)，它的簡(jiǎn)并性是，在溫度t時(shí)，能級(jí)的原子占有密度分別是，那么原子系統(tǒng)從輻射場(chǎng)吸收能量后，單位時(shí)間內(nèi)躍遷到能級(jí)的原子數(shù)是：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的原子數(shù)是：也