现代光学基础幻灯片.ppt

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1、现代光学基础第1页，共36页，编辑于2022年，星期日主要内容主要内容8.1 8.1 原子发光的机理原子发光的机理 8.2 8.2 光与原子相互作用光与原子相互作用 8.3 8.3 粒子数反转粒子数反转 8.4 8.4 光振荡光振荡 8.5 8.5 激光的单色性激光的单色性 8.6 8.6 激光的相干性激光的相干性 8.7 8.7 激光器的种类激光器的种类 8.8 8.8 非线性光学非线性光学8.9 8.9 全息照相全息照相 8.10 8.10 光盘存储技术光盘存储技术8.11 8.11 傅里叶光学的几个基本概念傅里叶光学的几个基本概念8.128.12阿贝成象原理阿贝成象原理8.138.13阿

2、贝波特实验和空间滤波阿贝波特实验和空间滤波第2页，共36页，编辑于2022年，星期日8.1 原子发光的机理 玻尔的氢原子模型理论为半经典半量子理论 玻尔理论的基本假设.（）、核外电子绕核作圆周运动 （）、电子轨道，能量，角动量量子化 （）、能量改变的量子化（即为原子发光机理）第3页，共36页，编辑于2022年，星期日模型（核近似不动）模型（核近似不动）第4页，共36页，编辑于2022年，星期日量子化（轨道，能量，角动量）量子化（轨道，能量，角动量）量子化（轨道，能量，角动量）量子化（轨道，能量，角动量）能级图：用一条条水平线的高低来代表能量的大小的图形.第5页，共36页，编辑于2022年，星期

3、日能量改变量子化（原子发光的机理）能量改变量子化（原子发光的机理）能量改变量子化（原子发光的机理）能量改变量子化（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。第6页，共36页，编辑于2022年，星期日8.2 光与原子相互作用一、吸一、吸一、吸一、吸 收收收收其中B12 称为受激吸收爱因斯坦系数，称为吸收速率。第7页，

4、共36页，编辑于2022年，星期日二、自发辐射二、自发辐射二、自发辐射二、自发辐射n21=n2 A21其中A21 称为自发辐射爱因斯坦系数。第8页，共36页，编辑于2022年，星期日三、受激辐射三、受激辐射三、受激辐射三、受激辐射其中B21 称为受激辐射爱因斯坦系数。只有当外来光子的能量 正好满足关系式 时，才能引起受激辐射第9页，共36页，编辑于2022年，星期日四、三个系数的关系四、三个系数的关系四、三个系数的关系四、三个系数的关系B12 =B21=第10页，共36页，编辑于2022年，星期日8.3 粒子数反转一、光放大与粒子数反转一、光放大与粒子数反转二、能级物质不能实现粒子数反转，三能

5、级系统实现粒子数反转有可能，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四能级系统实现粒子数反转行。行。第11页，共36页，编辑于2022年，星期日8.4 光振荡、受激辐射与自发辐射、受激辐射与自发辐射 自发辐射：自发辐射：n2121 =n2 2A2121 受激辐射：受激辐射：、光学谐振腔：、光学谐振腔：能在某一方向上实现受激辐射能在某一方向上实现受激辐射 占主导地位的光学装置。占主导地位的光学装置。第12页，共36页，编辑于2022年，星期日8.5 8.5 激光的单色性一、谱线宽度一、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

6、谱线宽度：第13页，共36页，编辑于2022年，星期日二、谐振腔的共振频率二、谐振腔的共振频率二、谐振腔的共振频率二、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。两个相邻共振频率之差：两个相邻共振波长之差：第14页，共36页，编辑于2022年，星期日三、激光的单色性三、激光的单色性三、激光的单色性三、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。、放电管所发光波的频率轮廓、横坐标代表腔共振频率，即射出光波频率、共振轮廓第15页，共36页，编辑于202

7、2年，星期日在激光器的输出光束中，如果只存在一个共振频率，在激光器的输出光束中，如果只存在一个共振频率，则称为一个纵向模式或称为则称为一个纵向模式或称为纵向单模，简称纵向单模，简称单纵模单纵模。在激光技术中，如同时存在几个共振频率，则称为在激光技术中，如同时存在几个共振频率，则称为纵向多模。纵向多模。常用方法：腔内插入常用方法：腔内插入F-PF-P标准具进行选模标准具进行选模第16页，共36页，编辑于2022年，星期日8.6 激光的相干性一、时间相干性和空间相干性一、时间相干性和空间相干性一、时间相干性和空间相干性一、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

8、：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；杨氏实验光的空间相干性。第17页，共36页，编辑于2022年，星期日二、普通光源的相干性二、普通光源的相干性 普通光源中，受激辐射过程总小于自发辐射过程，相干性较差。普通光源中，受激辐射过程总小于自发辐射过程，相干性较差。获得方法：获得方法：、用单色仪分光，通过狭缝所得的光，单色性很好，时间相干性很高。、用单色仪分光，通过狭缝所得的光，单色性很好，时间相干性很高。、杨氏实验中，光通过极小的开孔（缝），其空间相干性很高，但光、杨氏实验中，光通过极小的开孔（缝），其空间相干性很高，

9、但光强已弱到几乎不能利用强已弱到几乎不能利用第18页，共36页，编辑于2022年，星期日三、激光中的衍射损耗三、激光中的衍射损耗 激光在谐振腔内振荡的过程中，在光束横截面上形成具有各种不同形式的稳定分布，激光在谐振腔内振荡的过程中，在光束横截面上形成具有各种不同形式的稳定分布，在光束横截面上的这种稳定分布，称横向模式，即其光强分布不均匀，原因主要是在光束横截面上的这种稳定分布，称横向模式，即其光强分布不均匀，原因主要是衍射衍射第19页，共36页，编辑于2022年，星期日四、激光的相干性四、激光的相干性 1 1、时间相干性、时间相干性激光的非常小，比普通光要小得多，所以激光的相干时间t 很大，即

10、激光的时间相干性很好。2、空间相干性 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。第20页，共36页，编辑于2022年，星期日8.8 非线性光学一、极化强度和极化波一、极化强度和极化波 原子在光源作用下，正负电中心拉开，被极化成电偶极子原子在光源作用下，正负电中心拉开，被极化成电偶极子 单位体积内的原子的极化偶极距矢量和单位体积内的原子的极化偶极距矢量和 P P称电极化强度称电极化强度 极化场发射次极电磁波极化场发射次极电磁波二、线性光学二、线性光学 当入射光中的电场强度当入射光中的电场强度E E远小于原子的内场强时，则光

11、在物质中感生的电远小于原子的内场强时，则光在物质中感生的电极化强度极化强度 次级辐射与入场光相互替力的结果，决定物质对入射光场的反射，折射，次级辐射与入场光相互替力的结果，决定物质对入射光场的反射，折射，散射等散射等 几种不同频率光与物质作用，各频光线性独立，反射，折射，散射，几种不同频率光与物质作用，各频光线性独立，反射，折射，散射，不产生新频率不产生新频率 光的独立性原理光的独立性原理第21页，共36页，编辑于2022年，星期日物质对光场的响应与光的场强的关系为非线性关系。物质对光场的响应与光的场强的关系为非线性关系。式中式中 ，都是物质有关的系数都是物质有关的系数当外界光场强当外界光场强

12、E E远小于时，要观察非线性光学现象需要高强度激光束。远小于时，要观察非线性光学现象需要高强度激光束。只有激光引进以后，非线性光研究才得以快速发展。只有激光引进以后，非线性光研究才得以快速发展。四、非线性光学现象四、非线性光学现象1 1、激光信频技术、激光信频技术2 2、受激拉曼散射、受激拉曼散射3 3、激光自聚焦、激光自聚焦第22页，共36页，编辑于2022年，星期日8.9 全息照相一、一、全息照相全息照相 既能记录光波振幅的信息，又能记录光波相位信息的摄影既能记录光波振幅的信息，又能记录光波相位信息的摄影.全息照相分两步：记录和还原光的振幅全息照相分两步：记录和还原光的振幅第23页，共36

13、页，编辑于2022年，星期日二、基本原理二、基本原理三、三、全息照相的摄制与再现装置全息照相的摄制与再现装置第24页，共36页，编辑于2022年，星期日四、四、全息照相的特点（与普通照相比较）全息照相的特点（与普通照相比较）1 1、以干涉衍射的规律为基础以干涉衍射的规律为基础 （普：以几何光学的规律为基础）（普：以几何光学的规律为基础）2 2、立体图象，如实反映视差，三维。和观察实物一样，看远近物立体图象，如实反映视差，三维。和观察实物一样，看远近物 象，需眼睛重新调焦。如果被遮住，偏头即可见。象，需眼睛重新调焦。如果被遮住，偏头即可见。（普：平面，二维）（普：平面，二维）3 3、物的信息遍布

14、整个全息片物的信息遍布整个全息片.如果有缺损如果有缺损,仍然能再现被摄物仍然能再现被摄物,只是只是 象的分辨率减小象的分辨率减小.即即:点与面对应点与面对应 (普普:物象点点对应物象点点对应,缺损不行缺损不行)4 4、可以重叠象可以重叠象 (普普:不行不行,象模糊不清象模糊不清)5 5、易于复制易于复制 6 6、要求相干光源要求相干光源-激光激光(普普:一般光源一般光源)7 7、如果再现光波大于记录光波如果再现光波大于记录光波 ,则再现物光束被放大则再现物光束被放大 如如 ，则物光束相应缩小，则物光束相应缩小 第25页，共36页，编辑于2022年，星期日五、全息照相的应用五、全息照相的应用1、

15、全息干涉测量2、全息显微术3、超声全息术4、全息存储术第26页，共36页，编辑于2022年，星期日8.10 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。基本原理:基于光子同物质之间的直接相互作用，导致记录介质产生能够识别的物理和化学等性质的变化，从而达到信息记录的目的。特点:存储容量大、高清晰高保真图像、数字式信号读取方式、读出速度快、保存时间长、价格低廉第27页，共36页，编辑于2022年，星期日8.11 傅里叶光学一、概述一、概述 激光出现后，光学的

16、重要发展之一，是将数学中的傅里叶变换和通激光出现后，光学的重要发展之一，是将数学中的傅里叶变换和通 讯中的线性系统理论引入光学，形成的光学分支讯中的线性系统理论引入光学，形成的光学分支付里叶光学。付里叶光学。通讯理论：通讯理论：输入信息：物平面的光强分布输入信息：物平面的光强分布 输出信息：象平面的光强分布输出信息：象平面的光强分布 物（输入）象（输出）物（输入）象（输出）光学系统传递和处理的信息是空间函数。光学系统传递和处理的信息是空间函数。数学观点：数学观点：空间函数与时间函数的数学变化规律没有实质性的差别。空间函数与时间函数的数学变化规律没有实质性的差别。第28页，共36页，编辑于202

17、2年，星期日二、空间频率二、空间频率单色平面波为随t无限延续，随空间子无限延伸的波动 时间频率 空间频率 时间角频率 空间角频率 空间频率：在某方向单位长度内重复系统或余弦分布的几何图形或物理量的次数。第29页，共36页，编辑于2022年，星期日三、复振幅三、复振幅单色平面波 复振幅：若不考虑光波随时间的变化，可用复振幅表示光波。任意方向 为平面波面上任一点P的位置矢量 第30页，共36页，编辑于2022年，星期日8.12 阿贝成像原理一、原理一、原理 第31页，共36页，编辑于2022年，星期日二、付里叶变换在光学成象中的应用二、付里叶变换在光学成象中的应用 (一一)付里叶变换和付里叶积分付

18、里叶变换和付里叶积分 1、付里叶级数设周期函数，t时间（或空间）变量，周期T展成付氏级数基频 第32页，共36页，编辑于2022年，星期日由由令周期 作代换 所以物理含义：把展开成一系列基元函数第33页，共36页，编辑于2022年，星期日3 3、付里叶变换、付里叶变换互为付里叶变换对4、付里叶变换的性质（1）线性（2）对称性（3）位移律（4）尺度变化（5）实函数的对称性（6）帕斯瓦定理是能量定恒定理的一种表述 第34页，共36页，编辑于2022年，星期日（二）讨论两次付里叶变换的成象过程（二）讨论两次付里叶变换的成象过程1次：付里叶变换的作用是将空间位置分布变成空间频率分布。2次：将空间频率分布重新组合还原到光场的空间分布 光学传递函数：要正确评价一个光学系统成象质量的优劣，必须全面 观察物面上各种频率成分经光学系统的传播情况，用来表示这种 传播情况的函数称为光学传递函数。第35页，共36页，编辑于2022年，星期日8.13 阿贝波特实验和空间滤波实验图：实验图：空间滤波：改变象的频谱的物理过程在频谱面（后焦面）上放一些栏截物，圆孔（屏）狭缝等，改变频谱，从而使象发生改变。第36页，共36页，编辑于2022年，星期日