第八章 现代光学基础.

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1 第八章 现代光学基础

2 内容 8.1 原子发光的机理 8.2 光与原子相互作用 8.3 粒子数反转 8.4 光振荡 8.5 激光的单色性 8.6 激光的相干性 *8.7激光器的种类 8.9 全息照相 8.10 光盘存储技术

3 8.1 原子发光的机理 激光: 是光受激辐射放大的简称，通过辐射的受激发射 而实现光放大。 激光器的种类:
是光受激辐射放大的简称，通过辐射的受激发射 而实现光放大。 激光器的种类: 固体激光器——1960年红宝石激光器（美国休斯实验室） 气体激光器——1961年He-Ne激光器（美国贝尔实验室) 半导体激光器——1962年砷化镓激光器 化学激光器——1964年 液体激光器——1966年无机液体 可调谐激光器——1975年有机液体 受激准分子激光器 ——1977年准分子激光器

4 基态：能量最低状态，最稳定； 激发态：能量较高状态，不稳定； 亚稳态：能量较高状态，比较稳定。 E4 E3 玻尔轨道 h • • E2 h E1 E2-E1=h 发射光子 跃迁 E2-E3=h 吸收光子

5 8.2 光与原子相互作用 一、吸收 光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用。 吸收 自发发射 受激发射
8.2 光与原子相互作用 一、吸收 光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用。 吸收 自发发射 受激发射 吸收：外来激励下，原子由低能态高能态，吸收光子 • E2 E1 h 只吸收特定频率 的光子 从能级E1  E2 的原子数： N1 :处于能级E1的原子数 u()：光的辐射能密度 B12 —受激吸收爱因斯坦系数

6 二、自发辐射和受激辐射 自发辐射：自发地从高能态低能态，放出光子 E2 • h E1 只辐射特定频率 的光子 自发辐射光子数：
n2 ：处于能级E2的原子数 A21：自发辐射爱因斯坦系数 自发辐射是无规的（方向、初位相）

7 受激辐射: 外来激励下，原子由高能态低能态，放出光子
h E2 E1 • 受激辐射光子数： B21—— 受激辐射爱因斯坦系数 受激辐射与外来光子具有相同频率、相同方向、 相同初位相和偏振态

8 三、吸收、自发辐射和受激辐射三系数间的关系
处于热平衡状态时有： 按照玻尔兹曼定律：

9 8.3 粒子数反转 一、受激辐射和吸收 受激辐射 E2 • 一个光子成两个光子 光放大 h E1 系统处于热平衡状态时： 粒子数反转分布
粒子数反转 一、受激辐射和吸收 受激辐射 h E2 E1 • 一个光子成两个光子 光放大 但有外来光激励下，也同时会发生吸收，究竟是吸收占优势还是受激辐射占优势？ 系统处于热平衡状态时： 所以宏观效果是吸收， 外来光减弱 要实现光放大 ： 粒子数反转分布 实现粒子数反转条件： 外界输入能量 工作物质有合适的能级结构—激活介质

10 二、 三能级系统 n3 E3 A32 A31 • h E1 —基态 E3 激发态，寿命短 E3  E2 ，E3  E1
如果有 A32>A31 A32>A21 ，则处于能态的原子数大大增加， 使 n2>n1，实现粒子数反转。 由于基态积聚大量原子，要实现粒子数反转，需要非常强的外界输入（抽运）能量. 红宝石激光器

11 三、四能级系统 E1 E2 E3 E4 —亚稳态 E3 、E2间粒子数反转分布，由于E2本身是激发态，粒子数少，容易实现粒子数反转
He-Ne 激光器 CO2 激光器

12 8.4 光振荡 << = 一、受激辐射和自发辐射 处于高能态的原子除受激辐射外，也发生自发辐射 自发辐射 受激辐射
8.4 光振荡 一、受激辐射和自发辐射 处于高能态的原子除受激辐射外，也发生自发辐射 自发辐射 受激辐射 T=300K， 受激辐射光子数 << 自发辐射光子数 = T=50000K， 要实现光放大，必须：受激辐射光子数大于自发辐 射光子数

13 二、光学谐振腔 作用: 使得在某一方向上实现受激辐射占主导地位的装置。 谐振腔
工作物质 激光输出 谐振腔 全反射镜 R1=100% 部分反射镜 R2=98% 只有沿轴向的光子数来回振荡产生光放大，这是一种雪崩式的放大过程。

14 三、光振荡的阈值条件 过程中有损耗： ：工作物质的吸收、散射等 反射镜反射率低于100% 必须要光放大大于损耗，才会有激光输出 经过一个来回
L 增益系数 I3 I2 R2 I1 R2 R1 I0 I1 经过一个来回 阈值增益： 阈值条件 实现光振荡而输出激光

15 8.5 激光的单色性 一、谱线宽度 实际发出的激光都不是单色的，有一定的频率范围 —谱线宽度。 1. 自然线宽
原子处于某一能级的寿命是有限的，相当辐射有限长波列 ：平均寿命 2. 多普勒展宽 发光原子热运动，有一定的速度，由多普勒效应造成 3. 碰撞展宽 原子间碰撞，使寿命缩短，使谱线展宽 自然线宽 ：103 Hz He-Ne 激光器 多普勒展宽 ：109 Hz 632.8 nm 洛伦兹展宽：108 Hz

16 二、 谐振腔的共振频率和纵模 谐振腔——法布里-珀罗干涉仪 当 透射（输出）干涉主最大 谐振腔作用： 1. 光振荡实现光放大。
n：工作物质折射率 ：共振频率 谐振腔作用： 1. 光振荡实现光放大。 2. 选频——激光输出有几个频率，某一个称为一个纵模 如同法-珀，每一个纵模有一定的线宽

17 8.6 激光的相干性 1. 时间相干性 相干长度：l=c 低次模式 TEM00 ——高斯分布 横模 TEM21 高次模式 TEMmn
8.6 激光的相干性 1. 时间相干性 相干长度：l=c 2.空间相干性 激光在谐振腔内振荡的过程中，在光束横截面上形成各种不同形式的稳定分布，这种稳定分布称为激光束的横向模式，简称横模。——由反射镜衍射引起 低次模式 TEM00 ——高斯分布 横模 高次模式 TEMmn TEM21

18 *8.7 激光器的种类 产生激光的两个必要条件： 粒子数反转分布（要有激活介质，激励能源） 2. 达到阈值条件（谐振腔，足够的激励能量）
*8.7 激光器的种类 产生激光的两个必要条件： 粒子数反转分布（要有激活介质，激励能源） 2. 达到阈值条件（谐振腔，足够的激励能量） 构成激光器的三大要件： 1.激励能源 2.工作物质（激活介质） 3.谐振腔

19 一、气体激光器 按照激光器工作物质性质分类，可分为气体激光器、固体激光器、液体激光器 和半导体激光器等。
工作物质：He-Ne，CO2，N2 … 工作物质：Ne He——辅助气体 He ：Ne =57：1 四能级系统 通过高压放电激励氖原子实现粒子数反转。 特点： 1.单色性好； 2.方向性好； 3.效率低（0.1%）。 波长：3390nm 1150nm nm

20 二、固体激光器 红宝石、掺钕的钇铝石榴石(YAG)、钕玻璃等 通过强光激励（脉冲氙灯激发）实现粒子数反转 三能级系统 特点：
工作物质： Al2O3晶体基质中掺Cr3O2形成 通过强光激励（脉冲氙灯激发）实现粒子数反转 三能级系统 特点： 1. 小而坚固； 2. 脉冲激光； 3.效率高（0.2%） 波长：694.3nm

21 三、液体激光器 工作物质： 无机液体, 有机液体 染料激光器 工作物质：有机物化合物 通过光激励（氮分子激光器、闪光灯、固体激光
器等）形成粒子数反转。 四能级系统 特点： 1. 可调谐 光谱谱带很宽，可选择不同的染料、溶剂、 浓度、温度，调节谐振腔等选择输出波长 2.效率高

22 四、半导体激光器 工作物质： GaAs 在PN结工作区实现粒子数反转分布，晶体自然界面构成谐振腔平面 特点： 1. 体积小； 2. 质量轻；
（如砷化镓激光器） 在PN结工作区实现粒子数反转分布，晶体自然界面构成谐振腔平面 特点： 1. 体积小； 2. 质量轻； 3. 消耗小； 4. 单色性差。

23 8.9 全息照相 全息照相：既能记录光波振幅，又能记录位相信息 的照相技术。又称全息术 由杨氏双缝干涉实验： P点： 一般照相：记录光强.
8.9 全息照相 一般照相：记录光强. ——平面像 立体摄影：记录几个方向的平面像，再用立体视镜， 见到具有立体感的像 光波： 全息照相：既能记录光波振幅，又能记录位相信息 的照相技术。又称全息术 由杨氏双缝干涉实验： P点：  S1 S2 P

24 参考光束： 物光束： 全息照片： 记录了干涉后的光强分布， 但包括了物的振幅和位相信息 重现： 共轭，是个实像 原来物的全部信息

25 特点： 1. 逼真 2. 任何一小部分都包含了全部信息 3. 重叠多个象 4. 易于复制 全息照相的应用： 1. 全息干涉测量 2. 全息显微术 3. 海洋学研究 4. 制成各种元件（光栅、商标、防伪标记）

26 8.10光盘存储技术 第八章结束 单次刻录： 金属薄膜作记录介质，较大功率 激光束聚焦于表面，功率大小由信号
强弱控制，烧蚀成凹坑式信息通道。 只读性光盘 用户使用： 光刻胶作记录介质，在原盘上压制 而成。常用CD片 可擦除光盘——可逆，可写入、擦除。磁介质作记录介质 写入：在外加磁场下，均匀磁化，相当于“0”。加上 激光束信号，磁化反转，成为“1”. 擦除：加反向磁场，磁化反转，恢复到“0”状态. 第八章结束