现代光学基础

1、现代光学基础 普通光源普通光源-自发辐射自发辐射 激光光源激光光源-受激辐射受激辐射 激光又名镭射激光又名镭射 (Laser)， 它的全名是它的全名是“辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大”。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)激光的发明激光的发明爱因斯坦的预见 受激辐射是一种在外界作用下发生的辐射，在这个过程中，辐射场光子是对谐振子及分子做功，使其做受迫振动，从而改变了分子的能量。由于辐射场与分子之间的位相不同，这种能量可正可负，如果辐射场光子对谐振子作正功，分子将从低能级跃迁到高能态，分子吸收能量；相反，若是

2、对谐振子做负功，分子将从高能态跃迁到低能态，分子释放出一定能量的光子。这就是受激辐射过程。微波辐射器的发明物理学家物理学家 汤斯汤斯 在1960年7月，梅曼宣布第一台红宝石激光器（ruby laser)诞生了。 20世纪50年代，美国科学家汤斯等人，以及原苏联的科学家普罗克霍洛夫等人独立发明了一种极低噪音微波放大器 辐射受激发射微波放大器（maser） 1958年美国汤斯和肖洛提出，在一定条件下，可将上述微波激射器的原理，推广至光波段。 受激发射光波放大器（laser）这是光学史上的重大里程碑，也是科学史上的重要里程碑 2 自发辐射自发辐射 受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收一一. 自发辐射

3、自发辐射(spontaneous radiation)E2E1N2N1h 各原子自发辐射的光是独立的、无关的各原子自发辐射的光是独立的、无关的 非相干光非相干光 。二受激辐射二受激辐射 (stimulated radiation)E2E1N2N1全同光子全同光子h 受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同相位及传播方向均相同-有光的放大作用。有光的放大作用。三三 . 受激吸收受激吸收(absorption)E2E1N2N1h 上述外来光也有可能被吸收，使原子从上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。 爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验

4、爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。上获得激光奠定了理论基础。 3 激光产生的必要条件激光产生的必要条件一一.粒子数反转粒子数反转(population inversion) 由大量原子组成的系统，在温度不太低的由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态，原子数目按能级的分布服从平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布：玻耳兹曼统计分布： kTEnneN 若若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比，则两能级上的原子数目之比 11212 kTEEeNN 但要产生激光必须使原子激发但要产生激光必须使原子激发;且且 N2 N1,称粒子数反转称粒子数反转(po

5、pulation inversion) 在受激辐射放大过程中，显然将减少处于高能态的原子数，直至新的平衡态又重新建立，从而破坏了粒子数反转状态，为了保持原子系统的粒子数反转状态，需不断地将原子从低能态抽运至高能态，需将能量注入原子系统，以维持激光运转所必需之能量。 光泵（optical pumping）二、光泵（激励源）（optical pumping）光泵可以是电学的，化学的，热学的，光学的方法三三.光学谐振腔光学谐振腔(optical harmonic oscillator)激光器有两个反射镜，激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。它们构成一个光学谐振腔。激励能源激励能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光小结：产生激光的必要条件小结：产生激光的必要条件n . 激励能源（使原子激发）激励能源（使原子激发）n. 粒子数反转（有合适的亚稳态能粒子数反转（有合适的亚稳态能级）级）n.光学谐振腔（方向性，光放大，光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）单色性） 3 激光的主要特性激光的主要特性方向性极