大學(xué)物理光學(xué) 第8章現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)

1、Chap.8 Basics of Modern Optics第8章 現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ),Chap.8 Basics of Modern Optics,現(xiàn)代光學(xué)以1960年梅曼成功研制出的第一臺(tái)紅寶石激光器為標(biāo)志。 “激光”“Laser”“Lihgt amplification by stimulated emission of radiation”. 它是光受激輻射放大的簡(jiǎn)稱，它通過(guò)輻射的受激發(fā)射而實(shí)現(xiàn)光放大。它是一種單色性佳、亮度高、相干性強(qiáng)、方向性好的相干光束。 我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給它下的定義是：“由激光器產(chǎn)生的，波長(zhǎng)在1mm以下的相干電磁輻射，它由物質(zhì)的粒子受激發(fā)射放大產(chǎn)生，具有良好的單色性、相干性

2、和方向性”（GB/T 1531394）。,主 要 內(nèi) 容,8. 1 光與物質(zhì)相互作用 8. 2 激光原理 8. 3 激光的特性 8. 4 激光器的種類 8. 5 非線性光學(xué) 8. 6 信息存儲(chǔ)技術(shù) 8. 7 激光在生物學(xué)中的應(yīng)用,8.1 光與物質(zhì)相互作用,一、原子發(fā)光的機(jī)理 二、愛因斯坦關(guān)于受激輻射的預(yù)言,一、原子發(fā)光的機(jī)理,19世紀(jì)末的三大發(fā)現(xiàn)： 倫琴：1895年X射線1901年獲諾貝爾獎(jiǎng)； 貝克勒爾：1896年放射性1903年獲諾貝爾獎(jiǎng)； 湯姆孫：1897年電子1906年獲諾貝爾獎(jiǎng). 湯姆孫盧瑟福玻爾海森伯 西瓜模型行星模型殼層模型不確定關(guān)系 1897年1911年 1913年 1927年

3、(1906年 1922年 1932年) 英物理世界千年特刊評(píng)出的10名最杰出物理學(xué)家： 愛因斯坦（美籍德國(guó)人、1921） 牛頓英國(guó)人 麥克斯韋英國(guó)人 玻爾丹麥人、1922 海森伯(德國(guó)人、1932) 伽利略意大利人 費(fèi)曼美國(guó)人、1965 狄拉克法國(guó)人、1933 、薛定諤奧地利人、1933 盧瑟福英籍新西蘭人 諾貝爾獎(jiǎng)是1901.12.10.諾貝爾逝世5周年紀(jì)念日時(shí)頒發(fā)第一屆.,部分著名的物理學(xué)家：,（一）、玻爾的氫原子模型,玻爾理論的基本假設(shè). 電子的角動(dòng)量 ， n=1,2,3,主量子數(shù). 電子的軌道半徑： ， h=6.62617610-34 Js, e= 1.6021910-19C, m=9

4、.1095610-31 kg，0 =8.8541910-12 F/m 第一軌道半徑： 電子的軌道速度：,（二）、能級(jí)圖,負(fù)號(hào)表示要把電子從原子中移開必須對(duì)電子作功. 能級(jí)圖：用一條條水平線的高低來(lái)代表能量的大小的圖形.,（三）、原子發(fā)光的機(jī)理,玻爾又假設(shè)：當(dāng)電子在某一個(gè)固定的允許軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，并不發(fā)射光子。當(dāng)電子從一個(gè)能量較大的狀態(tài)躍遷到一個(gè)能量較小的狀態(tài)時(shí),電子的總能量發(fā)生變化.這部分能量的改變值就以光子的形式輻射出來(lái)。反之，當(dāng)電子從一個(gè)能量較小的狀態(tài)躍遷到一個(gè)能量較大的狀態(tài)時(shí)，它吸收光子。 吸收： , 發(fā)射： , E1為基態(tài)，能量最低， 其它態(tài)為激發(fā)態(tài)。,二、 光與原子相互作用,（一）、吸

5、收 （二）、自發(fā)輻射 （三）、受激輻射 （四）、三個(gè)系數(shù)的關(guān)系,（一）、吸 收,只有當(dāng)光子的能量正好等于原子的能級(jí)間隔E2 E1 時(shí)，這樣的光子才能被吸收。 其中B12 稱為受激吸收愛因斯坦系數(shù)， 稱為吸收速率。,（二）、自發(fā)輻射,自發(fā)地從激發(fā)態(tài)返回較低能態(tài)而放出光子的過(guò)程自發(fā)輻射過(guò)程。 n21 = n2 A21 其中A21 稱為自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)。 原子在能級(jí)E2 上的平均壽命為 。 特點(diǎn)：這種過(guò)程與外界作用無(wú)關(guān)，除激光器光源外，普通光源的發(fā)光都是自發(fā)輻射。,（三）、受激輻射,處于激發(fā)態(tài)的原子，在外來(lái)光子的影響下，引起從高能態(tài)向低能態(tài)的躍遷，并把兩個(gè)狀態(tài)之間的能量差以輻射光子的形式發(fā)射出去

6、的過(guò)程受激輻射。 其中B21 稱為受激輻射愛因斯坦系數(shù)。 注意：只有當(dāng)外來(lái)光子的能量 正好滿足關(guān)系式 時(shí)，才能引起受激輻射。 受激輻射發(fā)出來(lái)的光子與外來(lái)光子具有相同的頻率、相同的發(fā)射方向、相同的偏振態(tài)和相同的相位。,（四）、三個(gè)系數(shù)的關(guān)系,B12 = B21 = B,原子體系吸收的光能量：,受激輻射產(chǎn)生的光能量：,凈生光能量可表示為：,8. 2 激光原理,一、光放大與粒子數(shù)反轉(zhuǎn),有,令,解得：,n2 n1,時(shí), , 光強(qiáng)將按指數(shù)增強(qiáng)。,n2 n1時(shí), , 光強(qiáng)將按指數(shù)衰減。,通常情況下，n2總是小于n1， 總是負(fù)的，,吸收大于受激輻射。,在特殊情況下，n2大于n1， 為正的，稱為,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

7、這時(shí)受激輻射大于吸收。,二、能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì) 二能級(jí)物質(zhì)不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，三能級(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)有可能，四能級(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)行。,三、 光振蕩,光學(xué)諧振腔：能在某一方向上實(shí)現(xiàn)受激輻射 占主導(dǎo)地位的光學(xué)裝置。 作用：正反饋、諧振、輸出。 激光：雪崩式驟然增加。,8. 3 激光的特性,一、譜線寬度 二、激光的單色性 三、激光的相干性,一、譜線寬度,1、譜線寬度 頻寬： 自然線寬：根據(jù)關(guān)系式 c = 形成的譜線寬度, 多普勒寬度： 譜線寬度：,2、諧振腔的共振頻率,共振：當(dāng)腔長(zhǎng)與光波頻率滿足 時(shí)，多光束干涉的結(jié)果得到極大值的情況。 共振頻率 ：符合共振條件的光波頻率。 兩個(gè)相鄰共振頻率

8、之差： 兩個(gè)相鄰共振波長(zhǎng)之差： 。,二、激光的單色性,激光的單色性定義為 /0 或/0 ， 其中0 、0 為激光譜線的中心頻率和中心波長(zhǎng)， 和為相應(yīng)的頻率寬度和譜線寬度。,三、 激光的相干性,1、時(shí)間相干性和空間相干性 相干性：空間任意兩點(diǎn)光振動(dòng)之間相互關(guān)聯(lián)的程度。 相干時(shí)間：原子的平均發(fā)光時(shí)間間隔tH 。 相干長(zhǎng)度：在相干時(shí)間內(nèi)光經(jīng)過(guò)的路程lH ， lH = c tH 。 邁克耳孫干涉儀光的時(shí)間相干性； 楊氏實(shí)驗(yàn)光源的空間相干性。 2、普通光源的相干性,3、激光器的橫向模式,在激光束橫截面上呈現(xiàn)各種光強(qiáng)的不同圖樣的穩(wěn)定分布稱為激光束的橫向模式，簡(jiǎn)稱橫模。 取激光器的軸向作為直角坐標(biāo)系的z軸，

9、以諧振腔的中心點(diǎn)為原點(diǎn)，并在與主軸z垂直的平面上取x軸和y軸，用符號(hào)TEMmn 來(lái)表示各種橫向模式。這里m、n均為正整數(shù)，分別表示在x軸和y軸方向上光強(qiáng)為零的那些零點(diǎn)的序數(shù)，稱為模式序數(shù)。TEM00 稱為低次模式，其它的模式皆稱為高次模式。,4、激光的相干性,激光的相干性也包括時(shí)間相干性和空間相干性。 原子發(fā)光時(shí)間和所發(fā)光的頻率寬度成反比，即 而激光的非常小，比普通光要小得多， 激光的相干時(shí)間t 很大，即激光的時(shí)間相干性很好。 衍射使激光的能量受到了損失，但卻為激光的空間相干性創(chuàng)造了條件。正是由于激光器的衍射作用，使激光的空間相干性提高了。,8. 4 激光器的種類,目前激光器的種類很多，有很多

10、種分類方法： 1.按激光器工作物質(zhì)性質(zhì)分,2.按激光器工作方式分,3.按激光器的諧振腔分 4.按激光器的激勵(lì)方式分 總之，不管怎樣分，每一類都包括許多激光器。,8.5 非線性光學(xué),一、概念： 激光出現(xiàn)之前的光學(xué)基本研究的是弱光束在介質(zhì)中的傳播、反射、折射、干涉、衍射、線性吸收和線性散射等現(xiàn)象。這些散射滿足波的疊加原理，光場(chǎng)在物質(zhì)中感生的電極化強(qiáng)度與外界電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，即： ， 物質(zhì)對(duì)光場(chǎng)的響應(yīng)與光的場(chǎng)強(qiáng)成線性關(guān)系線性光學(xué)。 隨著激光這種強(qiáng)光束的出現(xiàn)，物質(zhì)對(duì)光場(chǎng)的響應(yīng)與光的場(chǎng)強(qiáng)為非線性關(guān)系非線性光學(xué)，即： Or ：P =,二、內(nèi)容： 強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用；二階非線性；三階非線性；受激拉曼散射（紅

11、、紫伴線）；光混頻（倍、和、差）；激光自聚焦；光學(xué)相位共軛；光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)；光學(xué)混沌；超快過(guò)程 三、發(fā)展： 早期10年（19611970）：晶體、液體、氣體 全面深入20年（19711990）：半導(dǎo)體、光纖通信、無(wú)機(jī)非線性晶體 新進(jìn)展14年（19912004）：新型光學(xué)晶體、非秒化學(xué)、飛秒生物 四、方法： 非線性干涉法；簡(jiǎn)并四波混頻法；自衍射；橢圓偏振術(shù)；光束畸變； z 掃描。,8.6 信息存儲(chǔ)技術(shù),一、全息照相 1、 全息照相 2、 基本原理 3、 全息照相的攝制與再現(xiàn)裝置 4、 全息照相的特點(diǎn) 5、 全息照相的一些應(yīng)用 二、光盤存儲(chǔ)技術(shù),一、全息照相,1、全息照相 既能記錄光波振幅 的信息，又

12、能記錄 光波相位信息的攝 影. 2、基本原理,3、 全息照相的攝制與再現(xiàn)裝置,4、 全息照相的特點(diǎn),1） 它是一個(gè)十分逼真的立體像。它和觀察到的實(shí)物完全一樣，具有相同的視覺效應(yīng)。 2） 可以把全息照片分成若干小塊，每一塊都可以完整地再現(xiàn)原來(lái)的物像（孫悟空似的分身術(shù)）。 3） 同一張底片上，經(jīng)過(guò)多次曝光后，可以重疊許多像，而且每一個(gè)像又能不受其他像的干擾而單獨(dú)地顯示出來(lái)，即一張底板能同時(shí)記錄許多景物。 4） 全息照片易于復(fù)制。 普通光再現(xiàn)、彩色立體電視、彩色立體電影等。,5、全息照相的一些應(yīng)用,1）全息干涉測(cè)量 2）全息顯微術(shù) 3）全息技術(shù)在海洋學(xué)中的應(yīng)用 4）全息照相制作光學(xué)元件 5）全息防偽技術(shù),二、 光盤存儲(chǔ)技術(shù),激光光盤是繼縮微技術(shù)和磁性存儲(chǔ)介質(zhì)之后所發(fā)展起來(lái)的一種嶄新的信息存儲(chǔ)系統(tǒng)。它是通過(guò)用激光束照射旋轉(zhuǎn)的記錄介質(zhì)層來(lái)改變記錄介質(zhì)對(duì)光的反射和透射強(qiáng)度，從而進(jìn)行二進(jìn)制信息的記錄。其基本原理是基于光子同物質(zhì)之間的直接相互作用，導(dǎo)