现代光学基础0.pptx

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1、8.18.1 原子发光的机理激光(Laser):Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation种类：固体激光器1960年（红宝石、美国休斯实验室）气体激光器1961年（He-Ne、美国贝尔实验室半导体激光器1962年（砷化镓）液体激光器1966年（无机液体）化学激光器1964年准分子激光器1977年可调谐染料激光器1975年（有机液体）第1页/共24页基态：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。h h E E2 2E E1 1E E3 3E E4 4h h E E2 2-E-E1 1=

2、h=h E E2 2-E-E3 3=h=h 发射光子吸收光子跃迁玻尔轨道第2页/共24页8.28.2 光与原子相互作用一、吸收h h E E2 2E E1 1B B1212受激吸收爱因斯坦系数只吸收特定频率 的光子u(u()：光的辐射能密度光与物质相互作用归结 为光与原子相互作用吸收自发辐射受激辐射吸收：外来激励下，原子由低能态高能态，吸收光子从能级E E11 E E22的原子数：n1处于能级E1的原子数第3页/共24页二、自发辐射和受激辐射h h E E2 2E E1 1自发辐射光子数：A A2121：自发辐射爱因斯坦系数自发辐射：自发地从高能态低能态，放出光子只辐射特定频率 的光子n2：处

3、于能级E2的原子数h h E E2 2E E1 1h h h h 受激辐射光子数：B B2121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，放出光子自发辐射是无规的（方向、初位相）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第4页/共24页三、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：根据玻尔兹曼定律第5页/共24页8.38.3 粒子数反转一、受激辐射与吸收系统处于热平衡状态时，要实现光放大，得有：即粒子数反转分布实现的条件外界输入能量工作物质有合适的能级结构激活介质h h E E2 2E E1 1h h h h 受激辐射

4、：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？吸收占优势第6页/共24页二、三能级系统h h E E2 2亚稳态E E1 1h h h h E E3 3A A3232A A3131n n3 3如果有 A A3232AA3131A A3232AA2121，则处于能态的原子数大大增加，使 n n2 2nn1 1，实现粒子数反转基态E E33激发态，寿命短，经自发辐射，E E3 3 E E2 2，E E33 E E1 1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）能量红宝石激光器第7页/共24页三、四能级系统E1E2E3E

5、4He-NeHe-Ne激光器COCO22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第8页/共24页8.48.4 光振荡一、受激辐射与自发辐射若辐射源温度约为室温（T=300KT=300K）下，受激辐射光子数远小于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，也发生自发辐射当T=50000KT=50000K，受激辐射光子数等于自发辐射光子数。受激辐射在某一方向发生振荡，超过自发辐射第9页/共24页二、光学谐振腔使得在某一方向上实现受激辐射占主导地位的装置。全反射镜R R1 1=100

6、%=100%部分反射镜R R2 2=98%=98%工作物质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。激光输出谐振腔第10页/共24页三、光振荡的阈值条件：增益系数阈值增益：才能实现光振荡而输出激光振荡过程中有损耗：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LI0I1I2R1R2R2 I1I3经过一个来回阈值条件第11页/共24页8.58.5 激光的单色性一、谱线宽度1.1.自然线宽：平均寿命2.2.多普勒展宽3.3.碰撞展宽He-NeHe-Ne激光 632.8nm632.8nm自然线宽：101033HzHz多普勒展宽：101099

7、HzHz碰撞展宽：101088HzHz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，使谱线展宽第12页/共24页二、谐振腔的共振频率和纵模：共振频率n n：工作物质折射率谐振腔作用：1.1.光振荡实现光放大。2.2.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-珀罗干涉仪当透射（输出）干涉主最大即：如同法-珀，每一个纵模有一定的线宽第13页/共24页8.68.6 激光的相干性1.1.激光的时间相干性2.2.激光的空间相干性相干长度：l=l=c c激光在谐振腔内

8、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。由反射镜衍射引起横模单模 TEMTEM0000高斯形分布 多模TEMTEMmnmnTEMTEM2121第14页/共24页*8.78.7 激光器的种类产生激光的两个必要条件：产生激光的两个必要条件：1.粒子数反转分布（要有激活介质，激励能源）粒子数反转分布（要有激活介质，激励能源）2.达到阈值条件（谐振腔，足够的激励能量）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.谐振腔第15页/共24页按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。一、气体激

9、光器工作物质：He-NeHe-Ne，COCO2 2，N N22等工作物质：NeNeHeHe辅助气体NeNe通过高压放电激励氖原子实现粒子数反转。特点：1.1.单色性好；2.2.方向性好；3.3.效率低（0.1%0.1%）。HeHe：Ne=5Ne=5 7 7：11四能级系统波长：3390nm 1150nm 632.8nm*8.78.7 激光器的种类第16页/共24页二、固体激光器红宝石、掺钕的钇铝石榴石(YAG)(YAG)、钕玻璃等工作物质：AlAl2 2O O3 3晶体基质中掺0.05%Cr0.05%Cr+形成通过强光激励（脉冲氙灯激发）实现粒子数反转。三能级系统特点：1.1.小而坚固；2.2

10、.脉冲激光；3.3.效率高（0.2%0.2%）工作物质：波长：694.3nm 第17页/共24页三、液体激光器如染料激光器工作物质：染料（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，四能级系统特点：1.1.光谱谱带很宽，可选择不同的染料、溶剂、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（浓度、温度，调节谐振腔等选择输出波长（可调谐可调谐）2.2.效率高工作物质：有机化合物，无机化合物第18页/共24页四、半导体激光器特点：1.1.体积小；2.2.质量轻；3.3.消耗小；4.4.单色性差。工作物质：半导体材料如砷化镓激光器在PN结

11、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第19页/共24页8.98.9 全息照相一般照相：记录光强全息照相：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：S S1 1S S2 2P PP P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：第20页/共24页全息照片：重现：用同样的参考光束去照射全息照片，透射光为参考光束：物光束：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，是个实像第21页/共24页特点：1.1.逼真2.2.任何一小部分都包含了全部信息3.3.重叠多个象4.4.易于复制全息照相的应用：1.1.全息干涉测量2.2.全息显微术3.3.海洋学研究4.4.制成各种元件（光栅、商标、防伪标记）第22页/共24页8.108.10 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 0”。加上激光束信号，磁化反转，成为“1 1”。擦除：加反向磁场，磁化反转，恢复到“0 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CDCD片第23页/共24页感谢您的观看！第24页/共24页