光學教程第四版姚啟鈞著講義第八章8

1、1Chap.8 Basics of Modern Optics2 現(xiàn)代光學以1960年梅曼成功研制出的第一臺紅寶石激光器為標志。 “激光”“Laser”“Lihgt amplification by stimulated emission of radiation”. 它是光受激輻射放大的簡稱，它通過輻射的受激發(fā)射而實現(xiàn)光放大。它是一種單色性佳、亮度高、相干性強、方向性好的相干光束。 我國國家標準給它下的定義是：“由激光器產(chǎn)生的，波長在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、相干性和方向性”（GB/T 1531394）。3主 要 內(nèi) 容8. 1 原子發(fā)光的機

2、理 8. 2 光與原子相互作用 8. 3 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 8. 4 光振蕩 8. 5 激光的單色性 8. 6 激光的相干性 48. 7 激光器的種類 8. 8 非線性光學8. 9 全息照相 8.10 光盤存儲技術(shù)8.11 傅立葉光學的幾個基本概念8.12 阿貝成像原理8.13 阿貝-波特實驗和空間濾波58.1 原子發(fā)光的機理 一、玻爾的氫原子模型 二、能級圖 三、原子發(fā)光的機理 6一、玻爾的氫原子模型 19世紀末的三大發(fā)現(xiàn)：倫琴：1895年X射線1901年獲諾貝爾獎；貝克勒爾：1896年放射性1903年獲諾貝爾獎；G.P.湯姆孫：1897年電子1906年獲諾貝爾獎.湯姆孫盧瑟福玻爾海森伯西瓜模型

3、行星模型殼層模型不確定關(guān)系1897年1911年 1913年 1927年(1906年 1908化學獎 1922年 1932年)（18561940 18711937 18851962 19011976） 0 -15 -29 -457英物理世界千年特刊評出的10名最杰出物理學家： 愛因斯坦（美籍德國人、1921） 牛頓英國人 麥克斯韋英國人 玻爾丹麥人、1922 海森伯(德國人、1932) 伽利略意大利人 費曼美國人、1965 狄拉克法國人、1933 薛定諤奧地利人、1933 盧瑟福英籍新西蘭人 諾貝爾獎是1901.12.10.諾貝爾逝世5周年紀念日時頒發(fā)第一屆.（詳見：光學網(wǎng)名師之窗物理學家）8部

4、分著名的物理學家：9一、玻爾的氫原子模型 玻爾理論的基本假設.電子的角動量 ， n=1,2,3,主量子數(shù). 電子的軌道半徑： ， 022241,krZekrm2hnrmZnaZkmehnrn212222410h = 6.62617610-34 Js, e = 1.6021910-19 C,m = 9.1095610-31 kg，0 = 8.8541910-12 F/m 第一軌道半徑： a1 0.053 nm 電子的軌道速度：Ammehkmeha53. 010529166. 04441022202221nhZke2211二、能級圖 負號表示要把電子從原子中移開必須對電子作功.能級圖：用一條條水平

5、線的高低來代表能量的大小的圖形. eVEEnzhnkZmerZekEEErZekmErZekEkpnkp6 .13,22221,1122222242222212三、原子發(fā)光的機理玻爾又假設：當電子在某一個固定的允許軌道上運動時，并不發(fā)射光子。當電子從一個能量較大的狀態(tài)躍遷到一個能量較小的狀態(tài)時,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。反之，當電子從一個能量較小的狀態(tài)躍遷到一個能量較大的狀態(tài)時，它吸收光子。13吸收： ，發(fā)射： ， E1為基態(tài)， 能量最低，其它態(tài)為激發(fā)態(tài)。 1221EEhv1551EEh148.2 光與原子相互作用 一、吸收 二、自發(fā)輻射 三、受激輻射 四

6、、三個系數(shù)的關(guān)系 15一、吸 收 只有當光子的能量正好等于原子的能級間隔E2 E1 時，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。)()(B)(11212111212112vunnvunnvunn，)()(B)(11212111212112vunnvunnvunn，16二、自發(fā)輻射 自發(fā)地從激發(fā)態(tài)返回較低能態(tài)而放出光子的過程自發(fā)輻射過程。 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E2 上的平均壽命為 。特點：這種過程與外界作用無關(guān)，除激光器光源外，普通光源的發(fā)光都是自發(fā)輻射。211A17三、受激輻射 處于激發(fā)態(tài)的原子，在外來

7、光子的影響下，引起從高能態(tài)向低能態(tài)的躍遷，并把兩個狀態(tài)之間的能量差以輻射光子的形式發(fā)射出去的過程受激輻射。其中B21 稱為受激輻射愛因斯坦系數(shù)。21222121)(Bnvunn 18注意： 只有當外來光子的能量 正好滿足關(guān)系式 時，才能引起受激輻射。 受激輻射發(fā)出來的光子與外來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。 21h1221EEh19四、三個系數(shù)的關(guān)系 B12 = B21 = B3321218chvBA 208. 3 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 一、光放大與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)二、能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì) 二能級物質(zhì)不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，三能級系統(tǒng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)有可能，四能級系統(tǒng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

8、行。218. 4 光振蕩 光學諧振腔：能在某一方向上實現(xiàn)受激輻射占主導地位的光學裝置。 作用：正反饋、諧振、輸出。 激光：雪崩式驟然增加。228. 5 激光的單色性 一、譜線寬度 二、諧振腔的共振頻率 三、激光的單色性 四、選模 23 一、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： tv112cuc102c詳見：尹國盛廣西物理2003，No.3.24二、諧振腔的共振頻率 共振：當腔長與光波頻率滿足 時，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。兩個相鄰共振頻率之差：兩個相鄰共振波長之差： 。.2,2,22cjcjj又2cj2

9、2；2c25三、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， 和為相應的頻率寬度和譜線寬度。26四、選 模 在激光器的輸出光束中，如果只存在一個共振頻率，則稱為一個縱向模式或稱為縱向單模，簡稱單縱模。在激光技術(shù)中，如同時存在幾個共振頻率，則稱為縱向多模。 可利用F-P標準具進行選模，條件是：.cos22indckk278.6 激光的相干性 一、時間相干性和空間相干性二、普通光源的相干性三、激光器的橫向模式四、激光的相干性28一、時間相干性和空間相干性相干性：空間任意兩點光振動之間相互關(guān)聯(lián)的程度。相干時間：原子的平均發(fā)光時間間隔tH 。相干長度

10、：在相干時間內(nèi)光經(jīng)過的路程lH ， lH = c tH 。邁克耳孫干涉儀光的時間相干性；楊氏實驗光源的空間相干性。 二、普通光源的相干性29三、激光器的橫向模式 在激光束橫截面上呈現(xiàn)各種光強的不同圖樣的穩(wěn)定分布稱為激光束的橫向模式，簡稱橫模。 取激光器的軸向作為直角坐標系的z軸，以諧振腔的中心點為原點，并在與主軸z垂直的平面上取x軸和y軸，用符號TEMmn 來表示各種橫向模式。30 這里m、n均為正整數(shù)，分別表示在x軸和y軸方向上光強為零的那些零點的序數(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。31四、激光的相干性激光的相干性也包括時間相干性和空間相干性。 原子發(fā)光時

11、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， 激光的相干時間t 很大，即激光的時間相干性很好。 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。tv132作 業(yè)閱讀：P453489選作：P533 1、2、3、4338. 7 激光器的種類目前激光器的種類很多，有很多種分類方法：341.按激光器工作物質(zhì)性質(zhì)分導體激光器泵浦激光器；砷化鎵半半導體激光器：二極管準分子氣體激光器離子氣體激光器分子氣體激光器原子氣體激光器氣體激光器：器、化學激光器液體激光器：燃料激光固體激光器：紅寶石等352.按激光器工作方式分超短脈

12、沖激光器可調(diào)諧激光器準連續(xù)激光器連續(xù)激光器重復頻率激光器脈沖激光器 363.按激光器的諧振腔分4.按激光器的激勵方式分總之，不管怎樣分，每一類都包括許多激光器。環(huán)形激光器：內(nèi)腔式波導激光器：全外腔式光器光泵浦激光器：固體激激光器電泵浦激光器：He-He378.8 非線性光學一、概念： 激光出現(xiàn)之前的光學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，光場在物質(zhì)中感生的電極化強度與外界電場強度成正比，即： ， 物質(zhì)對光場的響應與光的場強成線性關(guān)系線性光學。EExP038 隨著激光這種強光束的出現(xiàn)，物質(zhì)對光場的響應與光的場強為非線性關(guān)系

13、非線性光學，即：Or ：P =4)4(03)3(02)2(00ExExExxEP32EEE39二、內(nèi)容強光與物質(zhì)的相互作用；二階非線性；三階非線性；受激拉曼散射（紅、紫伴線）；光混頻（倍、和、差）；激光自聚焦；光學相位共軛；光學雙穩(wěn)態(tài)；光學混沌；超快過程40三、發(fā)展 早期10年（19611970）： 晶體、液體、氣體 全面深入20年（19711990）： 半導體、光纖通信、無機非線性晶體 新進展15年（19912005）： 新型光學晶體、飛秒化學、飛秒生物41四、方法 非線性干涉法； 簡并四波混頻法； 自衍射； 橢圓偏振術(shù)； 光束畸變； z 掃描。詳見：尹國盛物理2002，31（11）：708

14、712。428.9 全息照相 一、 全息照相 二、 基本原理 三、 全息照相的攝制與再現(xiàn)裝置 四、 全息照相的特點 五、 全息照相的一些應用43一、全息照相 既能記錄光波振幅的信息，又能記錄光波相位信息的攝影.二、基本原理 （雙光束干涉）44 三、 全息照相的攝制與再現(xiàn)裝置45 四、 全息照相的特點 它是一個十分逼真的立體像。它和觀察到的實物完全一樣，具有相同的視覺效應。 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)原來的物像（孫悟空似的分身術(shù)）。 同一張底片上，經(jīng)過多次曝光后，可以重疊許多像，而且每一個像又能不受其他像的干擾而單獨地顯示出來，即一張底板能同時記錄許多景物。 全息照片易于

15、復制。 普通光再現(xiàn)、彩色立體電視、彩色立體電影等。46 五、全息照相的一些應用全息干涉測量全息顯微術(shù)全息技術(shù)在海洋學中的應用全息照相制作光學元件全息防偽技術(shù)478.10 光盤存儲技術(shù) 激光光盤是繼縮微技術(shù)和磁性存儲介質(zhì)之后所發(fā)展起來的一種嶄新的信息存儲系統(tǒng)。它是通過用激光束照射旋轉(zhuǎn)的記錄介質(zhì)層來改變記錄介質(zhì)對光的反射和透射強度，從而進行二進制信息的記錄。其基本原理是基于光子同物質(zhì)之間的直接相互作用，導致記錄介質(zhì)產(chǎn)生能夠識別的物理和化學等性質(zhì)的變化，從而達到信息記錄的目的。48 它具有存儲容量大、高清晰高保真圖像、數(shù)字式信號讀取方式、讀出速度快、保存時間長、價格低廉等特點。 其主要存儲機制有：磁

16、光存儲、光致變色存儲、光子燒孔存儲、雙光子吸收存儲、光折變存儲、熱光存儲、四波混頻存儲、全息存儲、光電存儲、光致分子取向存儲、納米存儲等。 按其功能的不同，光盤可分為：只讀、只寫式，可寫式，可擦除式等。 詳見：黃明舉河大學報2001，No.1.49討論題（8） 1. 什么是激光？ 2. 激光的工作原理是什么?它主要有哪些特點？ 3. 激光器的模式有哪兩種？ 4. 世界上第一臺激光器是什么時間由誰研制出來的?它有什么意義？505.激光器有哪些種類？6.按照玻爾理論，電子的軌道半徑如何計算？總能量如何計算？7.什么是線性光學？什么是非線性光學？8.什么是全息照相？它的基本原理是什么？9.全息照相主

17、要有哪些特點？10.全息照相有哪些主要應用？51討論題答案（8） 1.答：激光是光受激輻射放大的簡稱，它是由激光器產(chǎn)生的，波長在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、相干性和方向性。 2.答：激光的工作原理是通過輻射的受激發(fā)射而實現(xiàn)光放大。它的主要特點有：單色性佳、亮度高、相干性強、方向性好等。52 3.答：世界上第一臺激光器是1960年由梅曼研制出來的。它的意義在于開創(chuàng)了現(xiàn)代光學的新時代，它是現(xiàn)代光學開始的標志。 4.答：激光器的模式有縱向模式和橫向模式。 5.答：激光器的種類很多，如果按激光器工作物質(zhì)性質(zhì)可以分為固體激光器、液體激光器、氣體激光器和半導體激光器等；如果按激光器工作方式可以分為脈沖激光器、重復頻率激光器、連續(xù)激光器、準連續(xù)激光器、可調(diào)諧激光器和超短脈沖激光器等；如果按激光器的諧振腔可以分為波導激光器和環(huán)形激光器等；如果按激光器的激勵方式可以分為電泵浦激光器、光泵浦激光器和二極管泵浦激光器等等。53 6.答：電子的軌道半徑和總能量分別按下列公式計算： ； 。 7.答：物質(zhì)對光場的響應與光的場強成線性關(guān)系的光學稱為線性光學。物質(zhì)對光場的響應與光的場強為非線性關(guān)系的光學稱為非線性光學。 8.答：既能記錄光波振幅的信息，又能記錄光波相位信息