第八章現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)

1、.第八章第八章現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ). 8.1 8.1 原子發(fā)光的機(jī)理原子發(fā)光的機(jī)理 8.2 8.2 光與原子相互作用光與原子相互作用 8.3 8.3 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 8.4 8.4 光振蕩光振蕩 8.5 8.5 激光的單色性激光的單色性 * *8.78.7激光器的種類激光器的種類 8.6 8.6 激光的相干性激光的相干性 8.9 8.9 全息照相全息照相8.10 8.10 光盤存儲(chǔ)技術(shù)光盤存儲(chǔ)技術(shù)內(nèi)容內(nèi)容.8.1 8.1 原子發(fā)光的機(jī)理原子發(fā)光的機(jī)理激光激光: 是光受激輻射放大的簡(jiǎn)稱，通過輻射的受激發(fā)射是光受激輻射放大的簡(jiǎn)稱，通過輻射的受激發(fā)射 而實(shí)現(xiàn)光放大。而實(shí)現(xiàn)光放大。 激光器的

2、種類激光器的種類: :氣體激光器氣體激光器19611961年年He-NeHe-Ne激光器（美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室激光器（美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室) )半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器19621962年砷化鎵激光器年砷化鎵激光器液體激光器液體激光器19661966年無(wú)機(jī)液體年無(wú)機(jī)液體化學(xué)激光器化學(xué)激光器19641964年年受激準(zhǔn)分子激光器受激準(zhǔn)分子激光器 19771977年準(zhǔn)分子激光器年準(zhǔn)分子激光器可調(diào)諧激光器可調(diào)諧激光器19751975年有機(jī)液體年有機(jī)液體固體激光器固體激光器19601960年紅寶石激光器（美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室年紅寶石激光器（美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室）.基態(tài)：能量最低狀態(tài)，最穩(wěn)定；基態(tài)：能量最低狀態(tài)，最穩(wěn)定；激發(fā)態(tài)：能

3、量較高狀態(tài)，不穩(wěn)定；激發(fā)態(tài)：能量較高狀態(tài)，不穩(wěn)定；亞穩(wěn)態(tài)：能量較高狀態(tài)，比較穩(wěn)定。亞穩(wěn)態(tài)：能量較高狀態(tài)，比較穩(wěn)定。h h E E2 2E E1 1E E3 3E E4 4h h E E2 2-E-E1 1=h=h E E2 2-E-E3 3=h=h 發(fā)射光子發(fā)射光子吸收光子吸收光子躍遷躍遷玻爾軌道玻爾軌道.8.2 8.2 光與原子相互作用光與原子相互作用一、吸收一、吸收h h E E2 2E E1 1hEE12 unn112 unBn11212B B1212 受激吸收愛因斯坦系數(shù)受激吸收愛因斯坦系數(shù)只吸收特定頻率只吸收特定頻率 的的光子光子u(u( ) )：光的輻射能密度光的輻射能密度光與物質(zhì)

4、的相互作用可以歸結(jié)為光與原子的相互作用。光與物質(zhì)的相互作用可以歸結(jié)為光與原子的相互作用。吸收吸收自發(fā)發(fā)射自發(fā)發(fā)射受激發(fā)射受激發(fā)射吸收吸收：外來激勵(lì)下，原子由低能態(tài)外來激勵(lì)下，原子由低能態(tài)高能態(tài)，高能態(tài)，吸收光子吸收光子N1 :處于能級(jí)處于能級(jí)E1E1的原子數(shù)的原子數(shù)從能級(jí)從能級(jí)E1 E1 E2 E2 的原子數(shù)：的原子數(shù)：.二、自發(fā)輻射和受激輻射二、自發(fā)輻射和受激輻射h h E E2 2E E1 1hEE1222121nAnA A2121：自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)自發(fā)輻射：自發(fā)輻射：自發(fā)地從自發(fā)地從高能態(tài)高能態(tài)低能態(tài)，放出光子低能態(tài)，放出光子n n2 2 ：處于能級(jí)處于能級(jí)E E

5、2 2的原子數(shù)的原子數(shù)自發(fā)輻射是無(wú)規(guī)的（方向、初位相）自發(fā)輻射是無(wú)規(guī)的（方向、初位相）只輻射特定頻率只輻射特定頻率 的的光子光子自發(fā)輻射光子數(shù)：自發(fā)輻射光子數(shù)：.h h E E2 2E E1 1h h h h unBn22121B B2121 受激輻射愛因斯坦系數(shù)受激輻射愛因斯坦系數(shù)受激輻射受激輻射: : 外來激勵(lì)下，原子由外來激勵(lì)下，原子由高能態(tài)高能態(tài)低能態(tài)，放出光子低能態(tài)，放出光子受激輻射光子數(shù)：受激輻射光子數(shù)：受激輻射與外來光子具有相同頻率、相同方向、受激輻射與外來光子具有相同頻率、相同方向、相同初位相和偏振態(tài)相同初位相和偏振態(tài).三、吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三系數(shù)間的關(guān)系三、吸收、自發(fā)輻

6、射和受激輻射三系數(shù)間的關(guān)系BBB122133218chBA unBn1121222121nAn unBn22121吸收吸收 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 受激輻射受激輻射處于熱平衡狀態(tài)時(shí)有：處于熱平衡狀態(tài)時(shí)有：212112nnn按照玻爾茲曼定律：按照玻爾茲曼定律：.8.3 8.3 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一、受激輻射和吸收一、受激輻射和吸收系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)：系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)：212121,nnnn要實(shí)現(xiàn)光放大要實(shí)現(xiàn)光放大 ：12nn 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件：外界輸入能量外界輸入能量工作物質(zhì)有合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)工作物質(zhì)有合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)激活介質(zhì)激活介質(zhì)h h E E

7、2 2E E1 1h h h h 受激輻射受激輻射一個(gè)光子成兩個(gè)光子一個(gè)光子成兩個(gè)光子 光放大光放大但有外來光激勵(lì)下，也同時(shí)會(huì)發(fā)生吸收，但有外來光激勵(lì)下，也同時(shí)會(huì)發(fā)生吸收，究竟是吸收占優(yōu)勢(shì)還是受激輻射占優(yōu)勢(shì)？究竟是吸收占優(yōu)勢(shì)還是受激輻射占優(yōu)勢(shì)？ uBnn112 uBnn221所以宏觀效果是吸收，所以宏觀效果是吸收， 外來光外來光減弱減弱.二、二、 三能級(jí)系統(tǒng)三能級(jí)系統(tǒng)h h E2亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)E E1 1h h h h E E3 3A A3232A A3131n n3 3如果有如果有 A A3232AA31 31 A A3232AA2121 ，則處于能態(tài)的原子數(shù)大大增加則處于能態(tài)的原子數(shù)大大增加

8、，使使 n n2 2nn1 1，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。基態(tài)基態(tài)E E3 3 激發(fā)態(tài)，壽命短激發(fā)態(tài)，壽命短E E3 3 E E2 2 ，E E3 3 E E1 1由于基態(tài)積聚大量原子，要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需要非常由于基態(tài)積聚大量原子，要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需要非常強(qiáng)的外界輸入（抽運(yùn)）能量強(qiáng)的外界輸入（抽運(yùn)）能量. .紅寶石激光器紅寶石激光器.三、四能級(jí)系統(tǒng)三、四能級(jí)系統(tǒng)E1E2E3E4He-NeHe-Ne 激光器激光器COCO2 2 激光器激光器亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)E E3 3 、E E2 2間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，由于間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，由于E E2 2本身是激發(fā)態(tài)，本身是激發(fā)態(tài)，粒子數(shù)少，容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)

9、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)少，容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn).8.4 8.4 光振蕩光振蕩一、一、受激輻射和自發(fā)輻射受激輻射和自發(fā)輻射 uBnnAnn2122121221T=300KT=300K，11/2121kThenn1210自發(fā)輻射自發(fā)輻射受激輻射受激輻射處于高能態(tài)的原子除受激輻射外，也發(fā)生自發(fā)輻射處于高能態(tài)的原子除受激輻射外，也發(fā)生自發(fā)輻射T=50000KT=50000K，受激輻射光子數(shù)受激輻射光子數(shù)自發(fā)輻射光子數(shù)自發(fā)輻射光子數(shù)=要實(shí)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)光放大光放大，必須：受激輻射光子數(shù)，必須：受激輻射光子數(shù)大于大于自發(fā)輻自發(fā)輻 射光子數(shù)射光子數(shù).二、光學(xué)諧振腔二、光學(xué)諧振腔全反射鏡全反射鏡R R1 1=100%=100%部

10、分反射鏡部分反射鏡R R2 2=98%=98%只有沿軸向的光子數(shù)來回振蕩產(chǎn)生光放大，這是只有沿軸向的光子數(shù)來回振蕩產(chǎn)生光放大，這是一種雪崩式的放大過程。一種雪崩式的放大過程。諧振腔諧振腔作用作用: :使得在某一方向上實(shí)現(xiàn)受激輻射占主導(dǎo)地位的裝置。使得在某一方向上實(shí)現(xiàn)受激輻射占主導(dǎo)地位的裝置。工作物質(zhì)工作物質(zhì)激光輸出激光輸出.三、光振蕩的閾值條件三、光振蕩的閾值條件 211ln21RRlmm過程中有過程中有損耗損耗： ：工作物質(zhì)的吸收、散射等工作物質(zhì)的吸收、散射等 反射鏡反射率低于反射鏡反射率低于100%100% 必須要光放大大于損耗，才會(huì)有激光輸出必須要光放大大于損耗，才會(huì)有激光輸出LI0I1

11、I2R1R2R2 I1LeII01LeIRI122I3LeIRRI1213LeRRII22103/m增益系數(shù)增益系數(shù)經(jīng)過一個(gè)來回經(jīng)過一個(gè)來回閾值增益：閾值增益：閾值條件閾值條件實(shí)現(xiàn)光振蕩而輸出激光實(shí)現(xiàn)光振蕩而輸出激光.8.5 8.5 激光的單色性激光的單色性一、譜線寬度一、譜線寬度1. 1. 自然線寬自然線寬1 ：平均壽命平均壽命2. 2. 多普勒展寬多普勒展寬3. 3. 碰撞展寬碰撞展寬He-NeHe-Ne 激光器激光器632.8 nm632.8 nm自然線寬自然線寬 ：10103 3 HzHz多普勒展寬多普勒展寬 ：10109 9 HzHz洛倫茲展寬：洛倫茲展寬：10108 8 HzHz原

12、子處于某一能級(jí)的壽命是有限的，相當(dāng)輻射有限長(zhǎng)波列原子處于某一能級(jí)的壽命是有限的，相當(dāng)輻射有限長(zhǎng)波列發(fā)光原子熱運(yùn)動(dòng)，有一定的速度，由多普勒效應(yīng)造成發(fā)光原子熱運(yùn)動(dòng)，有一定的速度，由多普勒效應(yīng)造成原子間碰撞，使壽命縮短，使譜線展寬原子間碰撞，使壽命縮短，使譜線展寬實(shí)際發(fā)出的激光都不是單色的，有一定的頻率范圍實(shí)際發(fā)出的激光都不是單色的，有一定的頻率范圍 譜線寬度。譜線寬度。.二、二、 諧振腔的共振頻率和縱模諧振腔的共振頻率和縱模nlck2 ：共振頻率共振頻率n n：工作物質(zhì)折射率工作物質(zhì)折射率1. 1. 光振蕩實(shí)現(xiàn)光振蕩實(shí)現(xiàn)光放大光放大。2. 2. 選頻選頻激光輸出有幾個(gè)頻率，某一個(gè)稱為一個(gè)縱模激光輸

13、出有幾個(gè)頻率，某一個(gè)稱為一個(gè)縱模諧振腔諧振腔法布里法布里- -珀羅干涉儀珀羅干涉儀knl 2透射（輸出）干涉主最大透射（輸出）干涉主最大如同法如同法- -珀，每一個(gè)縱模有一定的線寬珀，每一個(gè)縱模有一定的線寬當(dāng)當(dāng)諧振腔作用：諧振腔作用：.8.6 8.6 激光的相干性激光的相干性1. 1. 時(shí)間相干性時(shí)間相干性2. 2.空間相干性空間相干性相干長(zhǎng)度：相干長(zhǎng)度：l=l= c c1cl激光在諧振腔內(nèi)振蕩的過程中，在光束橫截面上形成各激光在諧振腔內(nèi)振蕩的過程中，在光束橫截面上形成各種不同形式的穩(wěn)定分布，這種穩(wěn)定分布稱為激光束的橫種不同形式的穩(wěn)定分布，這種穩(wěn)定分布稱為激光束的橫向模式，簡(jiǎn)稱橫模。向模式，簡(jiǎn)

14、稱橫模。由反射鏡衍射引起由反射鏡衍射引起低次模式低次模式 TEMTEM00 00 高斯分布高斯分布 高次模式高次模式 TEMTEMmnmnTEMTEM2121橫模橫模.* *8.7 8.7 激光器的種類激光器的種類m粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（要有激活介質(zhì)，激勵(lì)能源）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（要有激活介質(zhì)，激勵(lì)能源）2. 2. 構(gòu)成激光器的三大要件：構(gòu)成激光器的三大要件：1. 1.激勵(lì)能源激勵(lì)能源2. 2.工作物質(zhì)（激活介質(zhì)）工作物質(zhì)（激活介質(zhì)）3. 3.諧振腔諧振腔產(chǎn)生激光的兩個(gè)必要條件：產(chǎn)生激光的兩個(gè)必要條件：達(dá)到閾值條件（諧振腔，足夠的激勵(lì)能量）達(dá)到閾值條件（諧振腔，足夠的激勵(lì)能量）.按照激光器工作物質(zhì)性質(zhì)分

15、類，可分為氣體激光器、按照激光器工作物質(zhì)性質(zhì)分類，可分為氣體激光器、固體激光器、液體激光器固體激光器、液體激光器 和半導(dǎo)體激光器等。和半導(dǎo)體激光器等。一、氣體激光器一、氣體激光器工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：He-NeHe-Ne，COCO2 2，N N2 2 工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：NeNeHeHe輔助氣體輔助氣體通過高壓放電激勵(lì)氖原子實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)通過高壓放電激勵(lì)氖原子實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。特點(diǎn)特點(diǎn)：1. 1.單色性好；單色性好；2. 2.方向性好；方向性好；3. 3.效率低效率低（0.1%0.1%）。）。He He ：Ne =5Ne =5 7 7：1 1 四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)波長(zhǎng)：波長(zhǎng)：3390nm 1150

16、nm 632.8nm .二、固體激光器二、固體激光器紅寶石紅寶石、摻釹的釔鋁石榴石摻釹的釔鋁石榴石(YAG)(YAG)、釹玻璃等、釹玻璃等AlAl2 2O O3 3晶體基質(zhì)中摻晶體基質(zhì)中摻CrCr3 3O O2 2形成形成特點(diǎn)：特點(diǎn)：1. 1. 小而堅(jiān)固；小而堅(jiān)固； 2. 2. 脈沖激光；脈沖激光； 3. 3.效率高（效率高（0.2%0.2%）工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：波長(zhǎng)：波長(zhǎng)：694.3nm 三能級(jí)系統(tǒng)三能級(jí)系統(tǒng)通過強(qiáng)光激勵(lì)（脈沖氙燈激發(fā)）實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)通過強(qiáng)光激勵(lì)（脈沖氙燈激發(fā)）實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn).三、液體激光器三、液體激光器染料激光器染料激光器工作物質(zhì)：有機(jī)物化合物工作物質(zhì)：有機(jī)物化合物通過光激

17、勵(lì)（氮分子激光器、閃光燈、固體激光通過光激勵(lì)（氮分子激光器、閃光燈、固體激光器等）形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。器等）形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。特點(diǎn)特點(diǎn)：1. 1. 可調(diào)諧可調(diào)諧2. 2.效率高效率高工作物質(zhì)工作物質(zhì)： 無(wú)機(jī)液體無(wú)機(jī)液體, , 有機(jī)液體有機(jī)液體四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)光譜譜帶很寬，可選擇不同的染料、溶劑、光譜譜帶很寬，可選擇不同的染料、溶劑、濃度、溫度，調(diào)節(jié)諧振腔等選擇輸出波長(zhǎng)濃度、溫度，調(diào)節(jié)諧振腔等選擇輸出波長(zhǎng).四、半導(dǎo)體激光器四、半導(dǎo)體激光器特點(diǎn)：特點(diǎn)：1. 1. 體積?。惑w積??；2. 2. 質(zhì)量輕；質(zhì)量輕；3. 3. 消耗?。幌男?；4. 4. 單色性差。單色性差。（如砷化鎵激光器）（如砷化鎵激光器

18、）工作物質(zhì)工作物質(zhì)： GaAsGaAs在在PNPN結(jié)工作區(qū)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，晶體自然結(jié)工作區(qū)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，晶體自然界面構(gòu)成諧振腔平面界面構(gòu)成諧振腔平面.8.9 8.9 全息照相全息照相0coskrtAE一般照相：記錄光強(qiáng)一般照相：記錄光強(qiáng). .2AI 12122121212122212121*)(iiiiiieAAeAAAAeAeAeAeAI S S1 1S S2 211ieAP PP P點(diǎn)：點(diǎn)：22ieA平面像平面像立體攝影：記錄幾個(gè)方向的平面像，再用立體視鏡，立體攝影：記錄幾個(gè)方向的平面像，再用立體視鏡， 見到具有立體感的像見到具有立體感的像光波：光波：全息照相：既能記錄光波振幅，又能記錄位相信息全息照相：既能記錄光波振幅，又能記錄位相信息 的照相技術(shù)。又稱全息術(shù)的照相技術(shù)。又稱全息術(shù)由楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)：由楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)：.全息照片：全息照片：1212,21,212221,yxiyxieAAeyxAAyxAAI重現(xiàn)重現(xiàn)：yxiyxiiiiieyxAtAeeyxAtAetAyxAeAIetA,221,2221122211221111,),(11ieA),(22),(yxieyxA記錄了干涉后的光強(qiáng)分布，記錄了干涉后的光強(qiáng)分布，但包括了物的振幅和位相信息但包括了物的振幅和位相信息原來物的全部信息原來物的全部信