现代光学基础课件

第八章现代光学基础第八章现代光学基础18.1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*8.7激光器的种类8.6激光的相干性8.9全息照相8.10光盘存储技术内容8.1原子发光的机理8.2光与原子相互作用8.328.1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: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年砷化镓激光器液体激光器——1966年无机液体化学激光器——1964年受激准分子激光器——1977年准分子激光器可调谐激光器——1975年有机液体固体激光器——1960年红宝石激光器（美国休斯实验室）8.1原子发光的机理激光:激光器的种类:气体激光器——193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。hE2E1E3E4hE2-E1=hE2-E3=h发射光子吸收光子跃迁••玻尔轨道基态：能量最低状态，最稳定；激发态：能量较高状态，不稳定；亚48.2光与原子相互作用一、吸收h•E2E1B12

—受激吸收爱因斯坦系数只吸收特定频率的光子u()：光的辐射能密度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N1:处于能级E1的原子数从能级E1E2的原子数：8.2光与原子相互作用一、吸收h•E2E1B12—5二、自发辐射和受激辐射hE2E1•A21：自发辐射爱因斯坦系数自发辐射：自发地从高能态低能态，放出光子n2：处于能级E2的原子数自发辐射是无规的（方向、初位相）只辐射特定频率的光子自发辐射光子数：二、自发辐射和受激辐射hE2E1•A21：自发辐射爱因斯坦6hE2E1•hhB21——

受激辐射爱因斯坦系数受激辐射:

外来激励下，原子由高能态低能态，放出光子受激辐射光子数：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hE2E1•hhB21——受激辐射爱因斯坦系数受激辐7三、吸收、自发辐射和受激辐射三系数间的关系吸收

自发辐射

受激辐射处于热平衡状态时有：按照玻尔兹曼定律：三、吸收、自发辐射和受激辐射三系数间的关系吸收自发辐射88.3粒子数反转一、受激辐射和吸收系统处于热平衡状态时：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hE2E1•hh受激辐射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？所以宏观效果是吸收，外来光减弱8.3粒子数反转一、受激辐射和吸收系统处于热平衡状态9二、三能级系统hE2—亚稳态E1•hhE3A32A31n3如果有

A32>A31A32>A21

，则处于能态的原子数大大增加，使n2>n1，实现粒子数反转。—基态E3激发态，寿命短E3

E2，E3

E1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.红宝石激光器二、三能级系统hE2—亚稳态E1•hhE3A32A310三、四能级系统E1E2E3E4He-Ne

激光器CO2激光器—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三、四能级系统E1E2E3E4He-Ne激光器CO2激光118.4光振荡一、受激辐射和自发辐射

T=300K，自发辐射受激辐射处于高能态的原子除受激辐射外，也发生自发辐射T=50000K，受激辐射光子数自发辐射光子数<<=要实现光放大，必须：受激辐射光子数大于自发辐射光子数8.4光振荡一、受激辐射和自发辐射12二、光学谐振腔全反射镜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。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。工作物质激光输出二、光学谐振腔全反射镜部分反射镜只有沿轴向的光子数来回振荡产13三、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LI0I1I2R1R2R2I1I3增益系数经过一个来回阈值增益：阈值条件实现光振荡而输出激光三、光振荡的阈值条件过程中有损耗：：工作物质的吸收、散射等148.5激光的单色性一、谱线宽度1.

自然线宽：平均寿命2.

多普勒展宽3.碰撞展宽He-Ne

激光器632.8nm自然线宽：103Hz多普勒展宽：109Hz洛伦兹展宽：108Hz原子处于某一能级的寿命是有限的，相当辐射有限长波列发光原子热运动，有一定的速度，由多普勒效应造成原子间碰撞，使寿命缩短，使谱线展宽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。8.5激光的单色性一、谱线宽度1.自然线宽：平均寿命215二、谐振腔的共振频率和纵模：共振频率n：工作物质折射率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谐振腔——法布里-珀罗干涉仪透射（输出）干涉主最大如同法-珀，每一个纵模有一定的线宽当谐振腔作用：二、谐振腔的共振频率和纵模：共振频率n：工作物质折射率1168.6激光的相干性1.时间相干性2.空间相干性相干长度：l=c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

高次模式TEMmnTEM21横模8.6激光的相干性1.时间相干性2.空间相干性相干长度17*8.7激光器的种类粒子数反转分布（要有激活介质，激励能源）2.

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.谐振腔产生激光的两个必要条件：达到阈值条件（谐振腔，足够的激励能量）*8.7激光器的种类粒子数反转分布（要有激活介质，激励能18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。一、气体激光器工作物质：He-Ne，CO2，N2…工作物质：NeHe——辅助气体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%）。He：Ne=57：1四能级系统波长：3390nm1150nm632.8nm

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19二、固体激光器红宝石、掺钕的钇铝石榴石(YAG)、钕玻璃等Al2O3晶体基质中掺Cr3O2形成特点：1.小而坚固；2.脉冲激光；3.效率高（0.2%）工作物质：波长：694.3nm

三能级系统通过强光激励（脉冲氙灯激发）实现粒子数反转二、固体激光器红宝石、掺钕的钇铝石榴石(YAG)、钕玻璃等A20三、液体激光器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。特点：1.可调谐2.效率高工作物质：无机液体,有机液体四能级系统光谱谱带很宽，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三、液体激光器染料激光器工作物质：有机物化合物通过光激励（氮21四、半导体激光器特点：1.体积小；2.质量轻；3.消耗小；4.单色性差。（如砷化镓激光器）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四、半导体激光器特点：1.体积小；2.质量轻；3.消耗228.9全息照相一般照相：记录光强.S1S2PP点：——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：8.9全息照相一般照相：记录光强.S1S2PP点：——23全息照片：重现：记录了干涉后的光强分布，但包括了物的振幅和位相信息原来物的全部信息共轭，是个实像参考光束：物光束：全息照片：重现：记录了干涉后的光强分布，原来物的全部信息共轭24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）特点：1.逼真2.任何一小部分都包含了全部信息3.重叠258.10光盘存储技术只读性光盘可擦除光盘——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.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。用户使用：单次刻录：光刻胶作记录介质，在原盘上压制而成。常用CD片第八章结束8.10光盘存储技术只读性光盘可擦除光盘——可逆，可写入、擦26第八章现代光学基础第八章现代光学基础278.1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*8.7激光器的种类8.6激光的相干性8.9全息照相8.10光盘存储技术内容8.1原子发光的机理8.2光与原子相互作用8.3288.1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: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年砷化镓激光器液体激光器——1966年无机液体化学激光器——1964年受激准分子激光器——1977年准分子激光器可调谐激光器——1975年有机液体固体激光器——1960年红宝石激光器（美国休斯实验室）8.1原子发光的机理激光:激光器的种类:气体激光器——1929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。hE2E1E3E4hE2-E1=hE2-E3=h发射光子吸收光子跃迁••玻尔轨道基态：能量最低状态，最稳定；激发态：能量较高状态，不稳定；亚308.2光与原子相互作用一、吸收h•E2E1B12

—受激吸收爱因斯坦系数只吸收特定频率的光子u()：光的辐射能密度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N1:处于能级E1的原子数从能级E1E2的原子数：8.2光与原子相互作用一、吸收h•E2E1B12—31二、自发辐射和受激辐射hE2E1•A21：自发辐射爱因斯坦系数自发辐射：自发地从高能态低能态，放出光子n2：处于能级E2的原子数自发辐射是无规的（方向、初位相）只辐射特定频率的光子自发辐射光子数：二、自发辐射和受激辐射hE2E1•A21：自发辐射爱因斯坦32hE2E1•hhB21——

受激辐射爱因斯坦系数受激辐射:

外来激励下，原子由高能态低能态，放出光子受激辐射光子数：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hE2E1•hhB21——受激辐射爱因斯坦系数受激辐33三、吸收、自发辐射和受激辐射三系数间的关系吸收

自发辐射

受激辐射处于热平衡状态时有：按照玻尔兹曼定律：三、吸收、自发辐射和受激辐射三系数间的关系吸收自发辐射348.3粒子数反转一、受激辐射和吸收系统处于热平衡状态时：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hE2E1•hh受激辐射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？所以宏观效果是吸收，外来光减弱8.3粒子数反转一、受激辐射和吸收系统处于热平衡状态35二、三能级系统hE2—亚稳态E1•hhE3A32A31n3如果有

A32>A31A32>A21

，则处于能态的原子数大大增加，使n2>n1，实现粒子数反转。—基态E3激发态，寿命短E3

E2，E3

E1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.红宝石激光器二、三能级系统hE2—亚稳态E1•hhE3A32A336三、四能级系统E1E2E3E4He-Ne

激光器CO2激光器—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三、四能级系统E1E2E3E4He-Ne激光器CO2激光378.4光振荡一、受激辐射和自发辐射

T=300K，自发辐射受激辐射处于高能态的原子除受激辐射外，也发生自发辐射T=50000K，受激辐射光子数自发辐射光子数<<=要实现光放大，必须：受激辐射光子数大于自发辐射光子数8.4光振荡一、受激辐射和自发辐射38二、光学谐振腔全反射镜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。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。工作物质激光输出二、光学谐振腔全反射镜部分反射镜只有沿轴向的光子数来回振荡产39三、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LI0I1I2R1R2R2I1I3增益系数经过一个来回阈值增益：阈值条件实现光振荡而输出激光三、光振荡的阈值条件过程中有损耗：：工作物质的吸收、散射等408.5激光的单色性一、谱线宽度1.

自然线宽：平均寿命2.

多普勒展宽3.碰撞展宽He-Ne

激光器632.8nm自然线宽：103Hz多普勒展宽：109Hz洛伦兹展宽：108Hz原子处于某一能级的寿命是有限的，相当辐射有限长波列发光原子热运动，有一定的速度，由多普勒效应造成原子间碰撞，使寿命缩短，使谱线展宽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。8.5激光的单色性一、谱线宽度1.自然线宽：平均寿命241二、谐振腔的共振频率和纵模：共振频率n：工作物质折射率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谐振腔——法布里-珀罗干涉仪透射（输出）干涉主最大如同法-珀，每一个纵模有一定的线宽当谐振腔作用：二、谐振腔的共振频率和纵模：共振频率n：工作物质折射率1428.6激光的相干性1.时间相干性2.空间相干性相干长度：l=c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

高次模式TEMmnTEM21横模8.6激光的相干性1.时间相干性2.空间相干性相干长度43*8.7激光器的种类粒子数反转分布（要有激活介质，激励能源）2.

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.谐振腔产生激光的两个必要条件：达到阈值条件（谐振腔，足够的激励能量）*8.7激光器的种类粒子数反转分布（要有激活介质，激励能44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。一、气体激光器工作物质：He-Ne，CO2，N2…工作物质：NeHe——辅助气体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%）。He：Ne=57：1四能级系统波长：3390nm1150nm632.8nm

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45二、固体激光器红宝石、掺钕的钇铝石榴石(YAG)、钕玻璃等Al2O3晶体基质中掺Cr3O2形成特点：1.小而坚固；2.脉冲激光；3.效率高（0.2%）工作物质：波长：694.3nm

三能级系统通过强光激励（脉冲氙灯激发）实现粒子数反转二、固体激光器红宝石、掺钕的钇铝石榴石(YAG)、钕玻璃等A46三、液体激光器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。特点：1.可调谐2