大学物理光学 第8章现代光学基础

1、Chap.8 Basics of Modern Optics第8章 现代光学基础,Chap.8 Basics of Modern Optics,现代光学以1960年梅曼成功研制出的第一台红宝石激光器为标志。 “激光”“Laser”“Lihgt amplification by stimulated emission of radiation”. 它是光受激辐射放大的简称，它通过辐射的受激发射而实现光放大。它是一种单色性佳、亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。 我国国家标准给它下的定义是：“由激光器产生的，波长在1mm以下的相干电磁辐射，它由物质的粒子受激发射放大产生，具有良好的单色性、相干性

2、和方向性”（GB/T 1531394）。,主 要 内 容,8. 1 光与物质相互作用 8. 2 激光原理 8. 3 激光的特性 8. 4 激光器的种类 8. 5 非线性光学 8. 6 信息存储技术 8. 7 激光在生物学中的应用,8.1 光与物质相互作用,一、原子发光的机理 二、爱因斯坦关于受激辐射的预言,一、原子发光的机理,19世纪末的三大发现： 伦琴：1895年X射线1901年获诺贝尔奖； 贝克勒尔：1896年放射性1903年获诺贝尔奖； 汤姆孙：1897年电子1906年获诺贝尔奖. 汤姆孙卢瑟福玻尔海森伯 西瓜模型行星模型壳层模型不确定关系 1897年1911年 1913年 1927年

3、(1906年 1922年 1932年) 英物理世界千年特刊评出的10名最杰出物理学家： 爱因斯坦（美籍德国人、1921） 牛顿英国人 麦克斯韦英国人 玻尔丹麦人、1922 海森伯(德国人、1932) 伽利略意大利人 费曼美国人、1965 狄拉克法国人、1933 、薛定谔奥地利人、1933 卢瑟福英籍新西兰人 诺贝尔奖是1901.12.10.诺贝尔逝世5周年纪念日时颁发第一届.,部分著名的物理学家：,（一）、玻尔的氢原子模型,玻尔理论的基本假设. 电子的角动量 ， n=1,2,3,主量子数. 电子的轨道半径： ， h=6.62617610-34 Js, e= 1.6021910-19C, m=9

4、.1095610-31 kg，0 =8.8541910-12 F/m 第一轨道半径： 电子的轨道速度：,（二）、能级图,负号表示要把电子从原子中移开必须对电子作功. 能级图：用一条条水平线的高低来代表能量的大小的图形.,（三）、原子发光的机理,玻尔又假设：当电子在某一个固定的允许轨道上运动时，并不发射光子。当电子从一个能量较大的状态跃迁到一个能量较小的状态时,电子的总能量发生变化.这部分能量的改变值就以光子的形式辐射出来。反之，当电子从一个能量较小的状态跃迁到一个能量较大的状态时，它吸收光子。 吸收： , 发射： , E1为基态，能量最低， 其它态为激发态。,二、 光与原子相互作用,（一）、吸

5、收 （二）、自发辐射 （三）、受激辐射 （四）、三个系数的关系,（一）、吸 收,只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔E2 E1 时，这样的光子才能被吸收。 其中B12 称为受激吸收爱因斯坦系数， 称为吸收速率。,（二）、自发辐射,自发地从激发态返回较低能态而放出光子的过程自发辐射过程。 n21 = n2 A21 其中A21 称为自发辐射爱因斯坦系数。 原子在能级E2 上的平均寿命为 。 特点：这种过程与外界作用无关，除激光器光源外，普通光源的发光都是自发辐射。,（三）、受激辐射,处于激发态的原子，在外来光子的影响下，引起从高能态向低能态的跃迁，并把两个状态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去

6、的过程受激辐射。 其中B21 称为受激辐射爱因斯坦系数。 注意：只有当外来光子的能量 正好满足关系式 时，才能引起受激辐射。 受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率、相同的发射方向、相同的偏振态和相同的相位。,（四）、三个系数的关系,B12 = B21 = B,原子体系吸收的光能量：,受激辐射产生的光能量：,净生光能量可表示为：,8. 2 激光原理,一、光放大与粒子数反转,有,令,解得：,n2 n1,时, , 光强将按指数增强。,n2 n1时, , 光强将按指数衰减。,通常情况下，n2总是小于n1， 总是负的，,吸收大于受激辐射。,在特殊情况下，n2大于n1， 为正的，称为,粒子数反转。

7、这时受激辐射大于吸收。,二、能实现粒子数反转的物质 二能级物质不能实现粒子数反转，三能级系统实现粒子数反转有可能，四能级系统实现粒子数反转行。,三、 光振荡,光学谐振腔：能在某一方向上实现受激辐射 占主导地位的光学装置。 作用：正反馈、谐振、输出。 激光：雪崩式骤然增加。,8. 3 激光的特性,一、谱线宽度 二、激光的单色性 三、激光的相干性,一、谱线宽度,1、谱线宽度 频宽： 自然线宽：根据关系式 c = 形成的谱线宽度, 多普勒宽度： 谱线宽度：,2、谐振腔的共振频率,共振：当腔长与光波频率满足 时，多光束干涉的结果得到极大值的情况。 共振频率 ：符合共振条件的光波频率。 两个相邻共振频率

8、之差： 两个相邻共振波长之差： 。,二、激光的单色性,激光的单色性定义为 /0 或/0 ， 其中0 、0 为激光谱线的中心频率和中心波长， 和为相应的频率宽度和谱线宽度。,三、 激光的相干性,1、时间相干性和空间相干性 相干性：空间任意两点光振动之间相互关联的程度。 相干时间：原子的平均发光时间间隔tH 。 相干长度：在相干时间内光经过的路程lH ， lH = c tH 。 迈克耳孙干涉仪光的时间相干性； 杨氏实验光源的空间相干性。 2、普通光源的相干性,3、激光器的横向模式,在激光束横截面上呈现各种光强的不同图样的稳定分布称为激光束的横向模式，简称横模。 取激光器的轴向作为直角坐标系的z轴，

9、以谐振腔的中心点为原点，并在与主轴z垂直的平面上取x轴和y轴，用符号TEMmn 来表示各种横向模式。这里m、n均为正整数，分别表示在x轴和y轴方向上光强为零的那些零点的序数，称为模式序数。TEM00 称为低次模式，其它的模式皆称为高次模式。,4、激光的相干性,激光的相干性也包括时间相干性和空间相干性。 原子发光时间和所发光的频率宽度成反比，即 而激光的非常小，比普通光要小得多， 激光的相干时间t 很大，即激光的时间相干性很好。 衍射使激光的能量受到了损失，但却为激光的空间相干性创造了条件。正是由于激光器的衍射作用，使激光的空间相干性提高了。,8. 4 激光器的种类,目前激光器的种类很多，有很多

10、种分类方法： 1.按激光器工作物质性质分,2.按激光器工作方式分,3.按激光器的谐振腔分 4.按激光器的激励方式分 总之，不管怎样分，每一类都包括许多激光器。,8.5 非线性光学,一、概念： 激光出现之前的光学基本研究的是弱光束在介质中的传播、反射、折射、干涉、衍射、线性吸收和线性散射等现象。这些散射满足波的叠加原理，光场在物质中感生的电极化强度与外界电场强度成正比，即： ， 物质对光场的响应与光的场强成线性关系线性光学。 随着激光这种强光束的出现，物质对光场的响应与光的场强为非线性关系非线性光学，即： Or ：P =,二、内容： 强光与物质的相互作用；二阶非线性；三阶非线性；受激拉曼散射（红

11、、紫伴线）；光混频（倍、和、差）；激光自聚焦；光学相位共轭；光学双稳态；光学混沌；超快过程 三、发展： 早期10年（19611970）：晶体、液体、气体 全面深入20年（19711990）：半导体、光纤通信、无机非线性晶体 新进展14年（19912004）：新型光学晶体、非秒化学、飞秒生物 四、方法： 非线性干涉法；简并四波混频法；自衍射；椭圆偏振术；光束畸变； z 扫描。,8.6 信息存储技术,一、全息照相 1、 全息照相 2、 基本原理 3、 全息照相的摄制与再现装置 4、 全息照相的特点 5、 全息照相的一些应用 二、光盘存储技术,一、全息照相,1、全息照相 既能记录光波振幅 的信息，又

12、能记录 光波相位信息的摄 影. 2、基本原理,3、 全息照相的摄制与再现装置,4、 全息照相的特点,1） 它是一个十分逼真的立体像。它和观察到的实物完全一样，具有相同的视觉效应。 2） 可以把全息照片分成若干小块，每一块都可以完整地再现原来的物像（孙悟空似的分身术）。 3） 同一张底片上，经过多次曝光后，可以重叠许多像，而且每一个像又能不受其他像的干扰而单独地显示出来，即一张底板能同时记录许多景物。 4） 全息照片易于复制。 普通光再现、彩色立体电视、彩色立体电影等。,5、全息照相的一些应用,1）全息干涉测量 2）全息显微术 3）全息技术在海洋学中的应用 4）全息照相制作光学元件 5）全息防伪技术,二、 光盘存储技术,激光光盘是继缩微技术和磁性存储介质之后所发展起来的一种崭新的信息存储系统。它是通过用激光束照射旋转的记录介质层来改变记录介质对光的反射和透射强度，从而进行二进制信息的记录。其基本原理是基于光子同物质之间的直接相互作用，导