第八章现代光学基础

1、1.1.理解理解有关激光的亚稳态能级有关激光的亚稳态能级, , 受激发射光激励受激发射光激励, , 粒粒子数反转子数反转, , 光振荡等基本概念；光振荡等基本概念； 2.2.理解理解激光的特性极其应用；激光的特性极其应用； 3.3.了解红宝石激光器、了解红宝石激光器、He-NeHe-Ne激光器和半导体激光器激光器和半导体激光器; ; 4.4.理解理解全息照相的基本原理；全息照相的基本原理； 5.5.认识空间频率认识空间频率, ,空间滤波等傅里叶光学的基本概念空间滤波等傅里叶光学的基本概念. .教教 学学 目目 标标 8.18.1 原子发光的机理原子发光的机理基本概念：基本概念： 原子能级；原子

2、能级； 原子能级图；原子能级图； 具有确定能量的原子不辐射电磁波；仅当电子具有确定能量的原子不辐射电磁波；仅当电子在不同的在不同的“轨道轨道”跃迁或者说在不同的跃迁或者说在不同的能级能级间间跃跃迁迁时才辐射。频率满足时才辐射。频率满足 mnEEh ;41v12202rZerm. ,nr. 22,hp 2vhnrm 量子理论：量子理论： n =1 基态基态 2 第一激第一激发态发态 L.S. B.S. P.S. -13.6eV电离电离一个一个基态基态氢原子需要氢原子需要13.6eV能量；能量；电离电离一个一个第一激发第一激发态态氢原子需要氢原子需要3.4eV能能量。量。 3456pknEEE ;

3、41320rZeE.p ;241v21202rZemEk 由由1、2得：得：2220242)4(2hnZme 61322eVnZ. -3.4eV吸收（共振吸收）吸收（共振吸收） 共振吸收共振吸收E1E2跃迁辐射跃迁辐射E2E1受激辐射受激辐射E2E1跃迁辐射跃迁辐射:E2-E1 = hv 受激辐射受激辐射:hv = E2-E1hv = E2-E1 原子的线状光谱原子的线状光谱原子中电子轨道的量子化原子中电子轨道的量子化8.2一一.吸收吸收(absorption)E2 E1 n2n1h 外来光被吸收，使原子从外来光被吸收，使原子从E1E2)(11vundtdn 写成等式写成等式B12 吸收常量吸

4、收常量 unBdtdnn112112 u( ):频率为频率为 =(E2-E1)/h 附近附近,单位频率间隔的外来光单位频率间隔的外来光的能量密度的能量密度.8.2光与原子相互作用光与原子相互作用 光与物质的相互作用光与物质的相互作用归结为光与原子的相互作用归结为光与原子的相互作用 显然：显然： uBdtndnw121112 为单位时间内原子受激吸收光的几率为单位时间内原子受激吸收光的几率(吸收速率吸收速率). E2 E1 n2n1h 单位时间内单位时间内从从E2E1自发辐射的原子数自发辐射的原子数:22ndtdn 二二. . 自发辐射自发辐射 (spontaneous radiation)写成

5、等式写成等式2nAdtdnn21221 ii. 发射光的传播方向、偏振方向、频率、初相位都不相同.自发辐射寿命（习题自发辐射寿命（习题9用）用）特点：特点：显然：显然： 12122 Adtndn为单位时间内原子自发辐射的几率为单位时间内原子自发辐射的几率(吸收速率吸收速率). i. 发射光与外界作用无关； 非相干光机理非相干光机理三三.受激辐射受激辐射(stimulatedradiation)E2 E1 n2n1全同光子全同光子!h ii. 发射光与外来光的传播方向、偏振方向、频率、初相位都相同. 单位时间内单位时间内,从从E2E1受激辐射的原子数受激辐射的原子数:)(22vundtnd 写成

6、等式写成等式 unBdtndn221221 B21 : 受激受激辐射常量辐射常量显然：显然： uBdtnndw212221 为单位时间内原子受激辐射光的几率为单位时间内原子受激辐射光的几率(受激辐射速率受激辐射速率).特点：特点： i. 发射光必须满足：E2-E1 = hv； 相干光机理四吸收、自发辐射和受激辐射三系数之间的关系四吸收、自发辐射和受激辐射三系数之间的关系热平衡时：热平衡时：212112221nnndtnddtdndtdn 即：即：)()(212212121vuBnAnvuBn 或：或：21122121)()(BBn/nAvu 又因为由大量原子组成的系统又因为由大量原子组成的系统

7、,在温度不太低的在温度不太低的平衡态平衡态，原子，原子数目数目按能级的分布按能级的分布服从服从玻耳兹曼统计分布玻耳兹曼统计分布:kTENNen kTEEenn1212 )()(211221vBeBAvukT/hv 所以：所以：118)(32 kT/hvecvhvv 单色能单色能量密度量密度 比较，得：比较，得：,BB2112 331221/8/chvBA 自发辐射寿命自发辐射寿命能级寿命能级寿命 tAennnAdtdn212022212 进一步分析：进一步分析： 211A 吸收常量吸收常量 hhcBB883331221 爱因斯坦在爱因斯坦在1917年年从理论上得出三个系数的关系，从理论上得出三

8、个系数的关系，为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础.没有实验家没有实验家,理论家就会迷失方向。理论家就会迷失方向。没有理论家没有理论家,实验家就会迟疑不决。实验家就会迟疑不决。8.3一一.为何要粒子数反转为何要粒子数反转(populationinversion) ,nuBdtnd2212 1121nuBdtdn 所以，必须：所以，必须：n2n1（粒子数反转）粒子数反转）.因：因：B21=B12要产生要产生激光激光,起码起码:dtdndtnd12 能量密度为能量密度为u( )的外来光照射发光（激活）介质的外来光照射发光（激活）介质时时,可能引起可能引起

9、受激辐射受激辐射过程过程,也可能引起也可能引起吸收吸收过程过程.8.3粒子数反转粒子数反转 一般情况一般情况:数量级估计：数量级估计：T103K；kT1.3810-20J0.086eV;E2-E11eV10860112 neenn.kTEE51012(k =1.3810-23J/K;1eV=1.610-19J) c/v= hc / (E2-E1) 1.24m mm ;如如:氢原子氢原子基态能量基态能量:13.6eV， 第一激发态能量第一激发态能量:3.4eV， 526118086013.6-3.412101312 .eeenn.kTEE二二.粒子数反转的两个条件粒子数反转的两个条件1.外界有能

10、量输入外界有能量输入.将粒子源源不断地激发到高将粒子源源不断地激发到高能级能级(称为称为“泵激泵激”或或“抽运抽运”、“泵浦泵浦”)；2.体系中有亚稳态能级体系中有亚稳态能级.使被激发到该能级的粒使被激发到该能级的粒子不会立即返回基态子不会立即返回基态三能级系统三能级系统能量能量 快快 慢慢 能量能量 粒子数粒子数 E2 E1 E0 n2 n1 n0 四能级系统四能级系统能量能量 快快 慢慢 能量能量 粒子数粒子数 E2 E1 E0 n2 n1 n0 快快 n3 E3 8.48.4 光振荡光振荡一一.受激辐射与自发辐射受激辐射与自发辐射 要产生要产生激光激光,还必须还必须: 受激辐射受激辐射自

11、发辐射自发辐射 二二.光学谐振腔光学谐振腔 (opticalharmonicoscillator) 激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔激光器有两个反射镜，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 分分 析析 三三.稳定谐振腔结构稳定谐振腔结构W0 R1 R1 平面平行腔平面平行腔R2 R2 d0W波面球面腔球面腔xyz共焦腔共焦腔半球腔半球腔cR RFF 共心球面腔共心球面腔R Rcc 迈克耳孙复合腔迈克耳孙复合腔FP标准具选模标准具选模dcvmd22 cosLncvcosLn 222d3 M1 M2 M3 M4 d1 d2 M1 M2

12、L 四四.光学谐振腔的阈值条件光学谐振腔的阈值条件 利用半波片选模利用半波片选模 )(2212eoeonndcvmdnn 工作物质工作物质W波晶片波晶片反射镜反射镜d激光器内受激辐射光激光器内受激辐射光来回传播时，并存着来回传播时，并存着光的放大光的放大 光的吸收、散射、衍射、透射（包括部光的吸收、散射、衍射、透射（包括部分反射镜一端的激光输出）等分反射镜一端的激光输出）等. 增益增益 损耗损耗 激光形成阶段：激光形成阶段：增益损耗增益损耗激光稳定阶段：激光稳定阶段：增益损耗增益损耗1.激光在工作物质内传播时的净增益激光在工作物质内传播时的净增益设：设：0处，光强为处，光强为I0有：有：d I

13、 Idx写成等式：写成等式：d I=a a I dx定义：定义：增益系数增益系数a a (gaincoefficient)xeIIa a0 表示：表示：单位长度上光强增加的比例单位长度上光强增加的比例一般一般a a 不是常数，不是常数，为简单起见，先近似地认为为简单起见，先近似地认为a a 是常数是常数.IdxdI a a2.考虑激光在两端反射镜处的损耗考虑激光在两端反射镜处的损耗I0 输出输出全反射镜全反射镜部分反射部分反射镜镜I11R2RLI2I0激光激光刚从刚从左反射镜出发时的光强；左反射镜出发时的光强； I1被被右反射镜反射后，出发时的光强；右反射镜反射后，出发时的光强；R1、R2左、

14、右两端反射镜的左、右两端反射镜的反射率反射率;显然有显然有I1= R2I0e a aL ,I2= R 1I1e a aL=R 1R2 I0e2a aLI2=R1I1e a aL所以所以 在激光形成阶段在激光形成阶段即即R1R2e 2a aL1mRRlnLa aa a 21121或或须须 I2/I01a am :称为称为阈值增益阈值增益，即产生激光的最小增益。即产生激光的最小增益。 在激光稳定阶段在激光稳定阶段即即mRRlnLa aa a 21121须：须： I2/I0=1I2再被再被左反射镜反射后，出发时的光强左反射镜反射后，出发时的光强. 称为称为阈值条件阈值条件 (thresholdcon

15、dition) 1.在激光的形成阶段在激光的形成阶段a a a am,光放大，光放大，那么光强会不会无限放大下去？那么光强会不会无限放大下去？2.在激光的稳定阶段在激光的稳定阶段怎么又会怎么又会a a=a am?这是由于光强增大伴随着这是由于光强增大伴随着粒子数反转程度的减弱粒子数反转程度的减弱, N 。（负反馈）（负反馈）不会！不会！原因是实际的增益系数原因是实际的增益系数a a 不是常量不是常量,当当I 时，会时，会 a a .v0va a 8.5电偶极子辐射为电偶极子辐射为 随时间衰减的非正弦随时间衰减的非正弦电磁波，从而对应着一定的频带宽度电磁波，从而对应着一定的频带宽度. .8.5激

16、光的单色性激光的单色性 一一.谱线宽度谱线宽度 1.自然加宽自然加宽 如如:一一有限有限波列（光子）波列（光子） 220200/t|t |/t|t |tviexpftF 01vt t dttvviexpfvf200 所以有所以有: tvvtvvsintf 000 因为因为任一任一非周期非周期函数函数:F(t ) 可用傅里叶积分表示可用傅里叶积分表示 dvvtiexpvftF 2 其中：其中： dtvtiexptFvf 2 频谱宽度：频谱宽度： tv 1 波列长度：波列长度： tcL c/vv/vc 22 谱线宽度谱线宽度:v 0 )(2 ft /10 Hzt/v5210101 Ei+1 Ei+

17、1 Ei Ei 21111 hEEii pTpzp)( ，一一定定2.多普勒加宽多普勒加宽 3.碰撞加宽碰撞加宽 原子边运动边辐射，产生多普勒效应，使谱线加宽原子边运动边辐射，产生多普勒效应，使谱线加宽. . 原子辐射时相互作用、碰撞而导致谱线加宽原子辐射时相互作用、碰撞而导致谱线加宽. . molDM/Tv.c/uvv02010167 4.Stark加宽加宽 内、外电场引起原子辐射谱线加宽内、外电场引起原子辐射谱线加宽. . 5.塞曼加宽塞曼加宽 外磁场引起原子辐射谱线加宽外磁场引起原子辐射谱线加宽. . 6.自吸加宽自吸加宽 谱线被同种基态原子吸收，引起自蚀谱线被同种基态原子吸收，引起自蚀

18、. .与同种基态原子碰撞与同种基态原子碰撞 共振加宽共振加宽 光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用： 1.使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线）；（沿轴线）； 2.增强增强光放大光放大作用（延长了工作物质）；作用（延长了工作物质）； 3.使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性（选频）。（选频）。 阈值条件为阈值条件为mRRlnLa aa a 21121对于可能有多种跃迁的情况，可以利对于可能有多种跃迁的情况，可以利用阈值条件来选出一种跃迁用阈值条件来选出一种跃迁.选频之一：选频之一：二二.谐振腔的共振频率谐振腔的共振频率 我们可以控制我们可以控制R1、R2的大小：的大小：

19、对对0.6328m mm:R1、R2大大a a m小小(易满足阈值条件，可易满足阈值条件，可形成激光形成激光)； 对对1.15m mm、3.39m mm:R1、R2小小a a m大（不易满足大（不易满足阈值条件，难形成激光）阈值条件，难形成激光）. 例如：氦氖激光器例如：氦氖激光器,Ne原子的原子的0.6328 m mm,1.15m mm,3.39m mm受激辐射光中受激辐射光中,只让波长为只让波长为0.6328m mm 的光输出，的光输出，a ama aq 1 q 1 q 激光振荡中的模式竞争激光振荡中的模式竞争 设氦氖激光器设氦氖激光器Ne原原子的子的632.8nm受激受激辐射光的谱线宽度

20、辐射光的谱线宽度为为 ,如图所示如图所示. 1.3 109Hz对于单一的跃迁，还可以利用对于单一的跃迁，还可以利用选择纵模间选择纵模间隔隔的方法，进一步在谱线宽度内再选频的方法，进一步在谱线宽度内再选频.选频之二：选频之二： )(0 I)(0 I2)(0 I 0 0由于：由于： c 激光的谱线宽度小到激光的谱线宽度小到 10-9nm nm.3989210711010310318632 取绝对值取绝对值 2c c 2 由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，所以有所以有光程：光程：2 jnL (j =1、2、3、) 真空中的波长真空中的波长 L j =1 j =2

21、 j =3 jnLj2 n谐振腔内媒质的折射率谐振腔内媒质的折射率可以存在的纵模频率为：可以存在的纵模频率为： nLcjcjj2 相邻两个纵模频率的间隔为：相邻两个纵模频率的间隔为： nLcjj21 数量级估计：数量级估计： 1；n1.0； c108m s 1051112103288z.nLc 而氦氖激光器而氦氖激光器0.6328m mm谱线的宽度为谱线的宽度为 =1.3109HZ 因此，在因此，在 区间中，可以存在的纵模个数为区间中，可以存在的纵模个数为 81051103189 .N 0I012345678 0 利用利用加大纵模频率间隔加大纵模频率间隔 的方法的方法,可以使可以使 区区间中只

22、存在一个纵模频率。间中只存在一个纵模频率。 比如比如缩短缩短管长管长到到10cm， 即即 L/10 则则 10 在在 区间中，可能存在的纵模个数区间中，可能存在的纵模个数N=1. 输出激光谱线宽度输出激光谱线宽度自然线宽自然线宽: Hzv3out101 out 0 I 8.6激光除了有纵向驻波模式外，激光除了有纵向驻波模式外，还有横向驻波模式还有横向驻波模式. 基横模基横模在激光光束的横截面上各点的位在激光光束的横截面上各点的位相相同相相同,空间相干性最好空间相干性最好.8.6激光的相干性激光的相干性 量子光学量子光学 量量 子子 光光 学学玻尔的玻尔的量子论量子论 波粒二象性波粒二象性 普朗

23、克的普朗克的 量量子假设子假设 爱因斯坦的爱因斯坦的光量子论光量子论 黑体辐射黑体辐射 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应 引发引发光子学光子学 实验实验基础基础原子结构和原子结构和原子光谱原子光谱 实验实验基础基础激激 光光 德布罗意波德布罗意波 量子光场量子光场 光场的相干态光场的相干态 测不准关系测不准关系 几率波几率波 一气体激光器一气体激光器1.He一一Ne气体激光器气体激光器He-Ne激光器中激光器中He是辅助物质，是辅助物质，Ne是是激活物质，激活物质，He与与Ne之比为之比为51 1011*8.7激光器的种类激光器的种类 典型值：典型值：He：1mmHg;Ne：0.1mmH

24、g;电压：电压：5kV. 亚稳态亚稳态共振转移共振转移亚稳态亚稳态电子碰撞激发电子碰撞激发管壁效应驰豫管壁效应驰豫He-Ne激光器的工作原理：激光器的工作原理： 由于由于电子的碰撞电子的碰撞, ,He被激发被激发( (到到2 21 1S0和和2 23 3S1能级能级) )的概率比的概率比 Ne原子被激发的概率大；原子被激发的概率大； He的的2 23 3S，2 21 1S 这两个能级都是亚稳态，寿命分这两个能级都是亚稳态，寿命分别为别为101044s和和5 5101066s。很难回到基态；很难回到基态； 在在He的这两个激发态上的这两个激发态上 集聚了较多的原子。集聚了较多的原子。 由于由于N

25、e的的 2p55s 和和 2p54s与与 He的的2 21 1S 和和2 23 3S 的的能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产生能量的生能量的“共振转移共振转移”；（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外， 还要设法减少下能级的粒子数）还要设法减少下能级的粒子数） 正好正好Ne的的2p55s，2p54s能级能级是是亚稳态亚稳态( (10-7s) ) ，比下能级比下能级 2p54p， 2p53p 的寿命的寿命( (10-8s) ) 要短得要短得多多，这样就可以形成粒子数的反转。，这样就可以形成粒子数的反转。 在碰撞

26、中在碰撞中 He把能量传递给把能量传递给 Ne而回到基态，而而回到基态，而 Ne则被激发到则被激发到2p55s 或或 2p54s ； 放电管做得比较细放电管做得比较细（毛细管），（毛细管），可使原子与管壁可使原子与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，碰撞频繁。借助这种碰撞，2p53s 态的态的Ne原子可原子可以将能量交给管壁发生以将能量交给管壁发生“无辐射跃迁无辐射跃迁”而回到基而回到基态，以及时减少态，以及时减少2p53 3s 态的态的Ne原子数，有利于激原子数，有利于激光下能级光下能级2p54 4p与与2p53 3p态的抽空。态的抽空。 Ne原子原子可以产生多条激光谱线可以产生多条激光谱线, 图中

27、标明了最强图中标明了最强的三条的三条: :0.6328m m，1.15m mm,3.39m m它们都是它们都是从亚稳态到非亚稳态、从亚稳态到非亚稳态、非基态非基态之间发生，之间发生，因此较易实现粒子数反转。因此较易实现粒子数反转。2.Ar离子气体激光器离子气体激光器 单色性极好，输出功率大单色性极好，输出功率大. 输出波长：输出波长：514.5nm，488.0nm. Ar离子的能级示意图离子的能级示意图 Ar离子激光器的结构图离子激光器的结构图 放电管的外面加放电管的外面加螺旋管，产生约螺旋管，产生约 0.1T的轴向磁场，约的轴向磁场，约束带电粒子沿管轴作螺旋运动，加强了放电中心区的电子密度束

28、带电粒子沿管轴作螺旋运动，加强了放电中心区的电子密度. .二二.固体激光器固体激光器 固体激光器的基本结构固体激光器的基本结构最大单脉冲能量最大单脉冲能量:10J,峰值功率峰值功率:3108W 工作物质工作物质:含铬含铬(Cr3+)粒子的红宝石粒子的红宝石激励源激励源:脉冲氙灯脉冲氙灯.激光激光脉宽脉宽:30ns 一种红宝石激光器的参数：一种红宝石激光器的参数：R1= 694.3nmR2= 692.9nm一种一种YAG激光器的参数：激光器的参数： 最大脉冲能量（最大脉冲能量（1064nm）: 900mJ, 脉宽脉宽: 10ns , 峰值功率峰值功率: 1108W振动弛豫振动弛豫:VR无辐射无辐

29、射跃迁跃迁辐射跃迁辐射跃迁内转换内转换:IC系间交叉系间交叉:ISC荧光荧光:F磷光磷光:P分子能量的耗散途径分子能量的耗散途径三三.染料激光器染料激光器 多电子原子的光物理过程多电子原子的光物理过程三重态吸收三重态吸收磷光磷光荧光荧光吸收吸收ICISCICISCT1S1S0T2VRVRVR染料分子典型的能级跃迁染料分子典型的能级跃迁夫兰克夫兰克-康登原理康登原理激激发发弛豫弛豫荧光荧光系际交叉系际交叉弛豫弛豫能量能量三重态三重态吸收吸收0S2S1S1Ts1210 2T内转换内转换s12141010 s810 s310 磷光磷光 激激发发发发射射某些激光染料可调谐的光谱范围某些激光染料可调谐的

30、光谱范围染料染料可调谐范围（可调谐范围（nm）溶剂溶剂甲酚紫甲酚紫648 692乙醇乙醇若丹明若丹明101613 672乙醇乙醇若丹明若丹明B591 642乙醇乙醇若丹明若丹明6G570 616乙醇乙醇二氯荧光素二氯荧光素539 574乙醇乙醇荧光素钠荧光素钠516 543乙醇乙醇香豆素香豆素153513 580乙醇乙醇香豆素香豆素152490 570乙醇乙醇香豆素香豆素47438 495乙醇乙醇香豆素香豆素2427 480乙醇乙醇四甲基伞形酮四甲基伞形酮411 448乙醇乙醇扩束装置扩束装置YAG脉冲染料激光器工作原理示意图脉冲染料激光器工作原理示意图532nmlaserbeamDyelas

31、er 振荡级：若丹明振荡级：若丹明/甲醇甲醇149mg/l放大级：放大级：若丹明若丹明/甲醇甲醇19mg/lM四四.半导体激光器半导体激光器半导体激光器是光纤通讯中的重要光源，在创半导体激光器是光纤通讯中的重要光源，在创建信息高速公路的工程中起着极重要的作用建信息高速公路的工程中起着极重要的作用.最简单的最简单的GaAs同质结半导体激光器，核心部分是同质结半导体激光器，核心部分是:p型型GaAs和和n型型GaAs构成的构成的P-N结结（通过（通过重掺杂重掺杂补偿工艺制得）补偿工艺制得）典型尺寸：典型尺寸：长长L=250500m mm宽宽=510m mm厚厚d=0.10.2m mm1.四价的本征

32、半导体四价的本征半导体Si、Ge等，掺入五价的等，掺入五价的杂质杂质元元素（如素（如P、As等）形成电子型等）形成电子型(n型型)半导体。半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中带中紧靠导带紧靠导带处处, ED10-2eV，极易形成电子导电，极易形成电子导电.2.四价的本征半导体四价的本征半导体Si、Ge等，掺入三价的等，掺入三价的杂质杂质元元素（如素（如B、Ga、In等）形成空穴型等）形成空穴型(p型型)半导体半导体.量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中带中紧靠价带紧靠价带处处

33、, ED10-2eV ,极易产生空穴导电极易产生空穴导电.3.由由p型和型和n型两种半导体相接壤而形成一个型两种半导体相接壤而形成一个P- N结，就构成一个结，就构成一个半导体发光二极管半导体发光二极管.考虑到考虑到P-N结的存在，结的存在，半导体中电子的能量半导体中电子的能量应考虑进应考虑进“内建场内建场”带带来的电子附加势能。来的电子附加势能。4.P- N 结处结处电子的能带应电子的能带应出现弯曲现象出现弯曲现象空带空带 空带空带 P-N结结 0eU 施主能级施主能级 受主能级受主能级 满带满带 满带满带 5激励能源是外加电激励能源是外加电压压(电泵电泵)在在正向偏压正向偏压下工作下工作.

34、P-N结结掺掺Te:5s25p4 掺掺Zn:4s2 当正向电压大到一定程度时当正向电压大到一定程度时,在某些特定的能级之间在某些特定的能级之间造成粒子数反转的状态造成粒子数反转的状态,形成形成电子与空穴复合发光电子与空穴复合发光. 自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射 P-N结本身就形成一个光学谐振腔，它的两个端面结本身就形成一个光学谐振腔，它的两个端面就相当于两个反射镜，形成激光振荡就相当于两个反射镜，形成激光振荡.适当镀膜后可适当镀膜后可达到所要求的很高的反射系数，并利于达到所要求的很高的反射系数，并利于选频。选频。 6.半导体激光器的特点半导体激光器的特点功率可达功率可达102mW效率高效率

35、高制造方便制造方便成本低成本低所需电压低所需电压低(10V )体积小体积小极易与光纤接合极易与光纤接合缺点：缺点：频谱较宽频谱较宽(应是两能带之间的跃迁应是两能带之间的跃迁 7nm )1.量子阱激光器；量子阱激光器；2.自由电子激光器自由电子激光器(P.498);3.X射线激光器射线激光器.五激光器发展方向五激光器发展方向8.9一一.波前全息记录和物光波前重现波前全息记录和物光波前重现物体发出物体发出(或反射或反射)的光称为的光称为物光物光，物光包含的全部，物光包含的全部信息有信息有：由波长所描绘的由波长所描绘的颜色颜色，由振幅所确定的，由振幅所确定的光光强度强度，由相位所表由相位所表示的示的

36、振动状态振动状态。反射镜反射镜参考光参考光R感光胶片感光胶片物光物光O物物反射镜反射镜激光器激光器扩束器扩束器分光板分光板普通照相，仅记录普通照相，仅记录光强度和颜色。光强度和颜色。（平面照片）（平面照片）全息照相，同时记全息照相，同时记录振幅和相位。录振幅和相位。（立体形象）（立体形象）8.9全息照相全息照相反射反射镜镜参考光参考光R感光胶感光胶片片物光物光O物物反射反射镜镜激光激光器器扩束扩束器器分光分光板板感光胶片感光胶片上上记录记录了了参考光参考光R与与物光物光o相干叠加的干涉图相干叠加的干涉图样，与原物的形象不同，却样，与原物的形象不同，却携带了物光波前上各点的全携带了物光波前上各点

37、的全部信息，故称部信息，故称全息图全息图。 此记录过程称为此记录过程称为波前的全息波前的全息记录记录。 重现的物光重现的物光全息图全息图照明光照明光C像像 利用全息图将物体的形象利用全息图将物体的形象重新显现出来的过程，称为重新显现出来的过程，称为物光波前重现物光波前重现。 人眼看到的形象是波前所人眼看到的形象是波前所产生的虚像。产生的虚像。特点特点：若全息图被打碎成多块碎片，其中的一片碎：若全息图被打碎成多块碎片，其中的一片碎 片片就可就可重现原物的完整形象重现原物的完整形象。二二.全息照相原理全息照相原理理论保证：惠更斯理论保证：惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理菲涅耳菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公

38、式基尔霍夫衍射积分公式dSrecoscos)Q(Ei)P(ESikr )(200 ）S 原物不存在时原物不存在时任意一点任意一点P的光振动由波前上的的光振动由波前上的复振幅分布惟一确定，这在数学复振幅分布惟一确定，这在数学上称为上称为无源空间的边值定解无源空间的边值定解。S原物存在时原物存在时）波前的全息记录是用干涉方法获得的。波前的全息记录是用干涉方法获得的。物光物光O：)(OOO)()(y,xiey,xAy,xE 参考光参考光R：)(RRR)()(y,xiey,xAy,xE 两者相干叠加，在波前上产生的光强分布为两者相干叠加，在波前上产生的光强分布为)( )(RORO EEEE)y, x(

39、 IOROR2R2OEEEEAA全息图以干涉图样形式记录波前光强的分布全息图以干涉图样形式记录波前光强的分布I (x,y)。 透光率函数透光率函数与光强分布与光强分布I(x,y)成线性关系，即成线性关系，即( , )t x y OROR2O2R00)(EEEEAAtItt 设照明光与参考光相同，即设照明光与参考光相同，即则透过全息干板后的衍射光为：则透过全息干板后的衍射光为：)()(Cy,xEty,xEt O2RO2RC2OC2R0EEEAEAEAt )(RRRe)()(y,xiy,xAy,xE )(Cy,xE式中：式中：第一项第一项 代表照明光代表照明光C C，称为，称为0 0级波。级波。第二项第二项 受受 调制的照明光，表现为噪声信息，调制的照明光，表现为噪声信息， 处于处于0 0级波附近。级波附近。 AO2第三项第三项 与物光成正比，称为与物光成正比，称为 1 1级波，此光是级波，此光是 发散光，可重现原物的虚像。发散光，可重现原物的虚像。