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) 8.1 原子發(fā)光的機(jī)理原子發(fā)光的機(jī)理 8.2 光與原子相互作用光與原子相互作用 8.3 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 8.4 光振蕩光振蕩 8.5 激光的單色性激光的單色性 8.6 激光的相干性激光的相干性 8.7 激光器的種類激光器的種類 8.8 全息照相全息照相 8.9 光盤存儲(chǔ)技術(shù)光盤存儲(chǔ)技術(shù)8.18.1 原子發(fā)光的機(jī)理原子發(fā)光的機(jī)理激光激光(Laser):Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation種類：固體激光器種類：固體激光器1960年（紅寶石、美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室）年（紅寶石、美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室）氣體激光

2、器氣體激光器1961年（年（He-Ne、美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器1962年（砷化鎵）年（砷化鎵）液體激光器液體激光器1966年（無(wú)機(jī)年（無(wú)機(jī)液體液體）化學(xué)激光器化學(xué)激光器1964年年準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器1977年年可調(diào)諧染料激光器可調(diào)諧染料激光器1975年（有機(jī)年（有機(jī)液體液體）它是光受激輻射放大的簡(jiǎn)稱它是光受激輻射放大的簡(jiǎn)稱, 是一種單色性佳、是一種單色性佳、亮度高、相干性強(qiáng)、方向性好的相干光束。亮度高、相干性強(qiáng)、方向性好的相干光束?；鶓B(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

3、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8.28.2 光與原子相互作用光與原子相互作用一、一、吸收吸收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)相互作用歸結(jié)光與物質(zhì)相互作用歸結(jié) 為光與原子相互作用為光與原子相

4、互作用吸收吸收自發(fā)輻射自發(fā)輻射受激輻射受激輻射吸收吸收：外來(lái)激勵(lì)下，原子由低能態(tài)：外來(lái)激勵(lì)下，原子由低能態(tài)高能態(tài)，高能態(tài)，吸收光子吸收光子從能級(jí)從能級(jí)E E1 1 E E2 2 的原子數(shù)：的原子數(shù)：n1處于能級(jí)處于能級(jí)E1的原子數(shù)的原子數(shù)二、二、自發(fā)輻射和受激輻射自發(fā)輻射和受激輻射h h E E2 2E E1 1hEE12自發(fā)輻射光子數(shù)：自發(fā)輻射光子數(shù)：22121nAnA 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)低能態(tài)，放出光子，放出光子只輻射特定頻率只輻射特定頻率 的的光子光子n2 ：處于能級(jí)：處于能級(jí)E2的原子數(shù)的原子數(shù)h

5、 h E E2 2E E1 1h h h h unBn22121受激輻射光子數(shù)：受激輻射光子數(shù)：B 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(lái)激勵(lì)下，原子由外來(lái)激勵(lì)下，原子由高能態(tài)高能態(tài)低能態(tài)低能態(tài)，放出光子，放出光子自發(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）受激輻射受激輻射與外來(lái)光子具有相同頻率、與外來(lái)光子具有相同頻率、相同方向、相同相同方向、相同初位相和偏振態(tài)初位相和偏振態(tài)三、三、吸收、自發(fā)輻射和受激輻射吸收、自發(fā)輻射和受激輻射 三系數(shù)間的關(guān)系三系數(shù)間的關(guān)系BBB122133218chBA unBn1121222121nAn unBn2

6、2121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根據(jù)玻爾茲曼定律根據(jù)玻爾茲曼定律8.38.3 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一、一、受激輻射與吸收受激輻射與吸收 uBnn112 uBnn221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，得有：要實(shí)現(xiàn)光放大，得有：12nn 即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布實(shí)現(xiàn)的條件實(shí)現(xiàn)的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 E2 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

7、 光放大光放大但有外來(lái)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)但有外來(lái)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)還是還是受激輻射受激輻射占優(yōu)勢(shì)？占優(yōu)勢(shì)？吸收占優(yōu)勢(shì)吸收占優(yōu)勢(shì)二、二、三能級(jí)系統(tǒng)三能級(jí)系統(tǒng)h h E E2 2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 A3232AA21 21 ，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，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，經(jīng)自發(fā)輻射，激發(fā)態(tài)，壽命短，經(jīng)自發(fā)輻射，E E3 3

8、E E2 2 ，E E3 3 E E1 1由于基態(tài)積聚大量原子，要由于基態(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)）能量外界輸入（抽運(yùn)）能量 紅寶石激光器紅寶石激光器三、三、四能級(jí)系統(tǒng)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)E3 、E2間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，由于間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，由于E2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)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)少，容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)8.48.4 光振蕩光振蕩一、一、受激輻射與自發(fā)輻射受激輻射與自發(fā)輻射 uBnnAnn2122121221若輻射源溫度約為室溫（

9、若輻射源溫度約為室溫（T=300KT=300K）下，）下，11/2121kThenn受激輻射光子數(shù)遠(yuǎn)小于受激輻射光子數(shù)遠(yuǎn)小于自發(fā)輻射光子數(shù)自發(fā)輻射光子數(shù)1210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)大于自發(fā)輻射光子數(shù)必須：受激輻射光子數(shù)大于自發(fā)輻射光子數(shù)自發(fā)輻射自發(fā)輻射受激輻射受激輻射處于高能態(tài)的原子除處于高能態(tài)的原子除受激輻射外，也發(fā)生自發(fā)輻射受激輻射外，也發(fā)生自發(fā)輻射當(dāng)當(dāng)T=50000KT=50000K，受激輻射光子數(shù)等于自發(fā)輻射光子數(shù)。受激輻射光子數(shù)等于自發(fā)輻射光子數(shù)。受激輻射受激輻射在某一方向發(fā)生振蕩，超過(guò)在某一方向發(fā)生振蕩，超過(guò)自發(fā)輻射自發(fā)輻射二、二、光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔使

10、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。全反射鏡全反射鏡R R1 1=100%=100%部分反射鏡部分反射鏡R R2 2=98%=98%工作物質(zhì)工作物質(zhì)只有沿軸向的光子數(shù)來(lái)回振蕩產(chǎn)生光放大，這是只有沿軸向的光子數(shù)來(lái)回振蕩產(chǎn)生光放大，這是一種雪崩式的放大過(guò)程。一種雪崩式的放大過(guò)程。激光輸出激光輸出諧振腔諧振腔三、三、光振蕩的閾值條件光振蕩的閾值條件 ：增益系數(shù)：增益系數(shù)211ln21RRlm閾值增益：閾值增益：m才能實(shí)現(xiàn)光振蕩而輸出激光才能實(shí)現(xiàn)光振蕩而輸出激光振蕩振蕩過(guò)程中有損耗：工作物質(zhì)的吸收、散射等過(guò)程中有損耗：工作物質(zhì)的吸收、散射等 反射鏡

11、反射率低于反射鏡反射率低于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LI0I1I2R1R2R2 I1LeII01LeIRI122I3LeIRRI1213經(jīng)過(guò)一個(gè)來(lái)回經(jīng)過(guò)一個(gè)來(lái)回LeRRII22103/閾值條件閾值條件m8.58.5 激光的單色性激光的單色性一、一、譜線寬度譜線寬度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激光激光 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碰撞展寬：碰撞展

12、寬：10108 8 HzHz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)造成多普勒效應(yīng)造成原子間原子間碰撞，使碰撞，使壽命縮短，使譜線展寬壽命縮短，使譜線展寬二、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)折射率諧振腔作用：諧振腔作用：1. 1. 光振蕩實(shí)現(xiàn)光放大。光振蕩實(shí)現(xiàn)光放大。2. 2. 選頻

13、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當(dāng)當(dāng)透射（輸出）干涉主最大透射（輸出）干涉主最大即：即：如同如同法法- -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8.68.6 激光的相干性激光的相干性1.1.激光的時(shí)間相干性激光的時(shí)間相干性2.2.激光的空間相干性激光的空間相干性相干長(zhǎng)度：相干長(zhǎng)度：l=l= c c1cl激光在諧振腔內(nèi)振蕩的過(guò)程中，在光束橫截面上形成激光在諧振腔內(nèi)振蕩的過(guò)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各種不同形式的穩(wěn)定分布，這種穩(wěn)定分

14、布稱為激光束的橫向模式，簡(jiǎn)稱橫模。橫向模式，簡(jiǎn)稱橫模。由反射鏡衍射引起由反射鏡衍射引起橫模橫模單模單模 TEMTEM00 00 高斯形分布高斯形分布 多模多模 TEMTEMmnmnTEMTEM2121* *8.78.7 激光器的種類激光器的種類產(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：m1. 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. 達(dá)到達(dá)到閾值條件閾值條件 （諧振腔，足夠的（諧振腔，足夠的激勵(lì)能量）激勵(lì)能量）構(gòu)成激光器的三大要件：構(gòu)成激光器的三大要件：1. 激勵(lì)能源激勵(lì)能源2. 工作物質(zhì)（激活介質(zhì)）工作物質(zhì)（激活介質(zhì)）3. 諧振腔諧振腔按激光

15、器工作物質(zhì)性質(zhì)分類，可分為氣體激光器、按激光器工作物質(zhì)性質(zhì)分類，可分為氣體激光器、固體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。固體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。一、一、氣體激光器氣體激光器工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：He-NeHe-Ne，COCO2 2，N N2 2 等等工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：NeNeHeHe輔助氣體輔助氣體NeNe通過(guò)高壓放電激勵(lì)氖原子實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。通過(guò)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)

16、波長(zhǎng)：波長(zhǎng)：3390nm 1150nm 632.8nm * *8.78.7 激光器的種類激光器的種類二、二、固體激光器固體激光器紅寶石、摻釹的釔鋁石榴石紅寶石、摻釹的釔鋁石榴石(YAG)(YAG)、釹玻璃等、釹玻璃等工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：AlAl2 2O O3 3晶體基質(zhì)中摻晶體基質(zhì)中摻0.05% Cr0.05% Cr+形成形成通過(guò)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(guò)強(qiáng)光激勵(lì)（脈沖氙燈激發(fā)）實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 三能級(jí)系統(tǒng)三能級(jí)系統(tǒng)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.

17、3nm 三、三、液體激光器液體激光器如染料激光器如染料激光器工作物質(zhì)：染料（有機(jī)物化合物）工作物質(zhì)：染料（有機(jī)物化合物）通過(guò)光激勵(lì)（氮分子激光器、閃光燈、固體激光通過(guò)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)，四能級(jí)系統(tǒng)器等）形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，四能級(jí)系統(tǒng)特點(diǎn)：特點(diǎn)： 1.1. 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)（可調(diào)諧可調(diào)諧）2. 2. 效率高效率高工作物質(zhì)：有機(jī)化合物，無(wú)機(jī)化合物工作物質(zhì)：有機(jī)化合物，無(wú)機(jī)化合物四、四、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器特點(diǎn)：特點(diǎn)：1. 1.

18、 體積??；體積?。?. 2. 質(zhì)量輕；質(zhì)量輕；3. 3. 消耗??；消耗?。?. 4. 單色性差。單色性差。工作物質(zhì)：半導(dǎo)體材料工作物質(zhì)：半導(dǎo)體材料如砷化鎵激光器如砷化鎵激光器在在PN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)成諧振腔平面構(gòu)成諧振腔平面8.98.9 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 全息照相：既能記錄光波振幅，又能記錄位相信息的照相全息照相：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)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)：12122121212122212121*)

19、(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，見到立體攝影：記錄幾個(gè)方向的平面像，再用立體視鏡，見到 具有立體感的像具有立體感的像光波：光波：全息照片：全息照片：1212,21,212221,yxiyxieAAeyxAAyxAAI重現(xiàn)：用同樣的參考光束去照射全息照片，透射光為重現(xiàn)：用同樣的參考光束去照射全息照片，透射光為yxiyxiiiiieyxAtAeeyxAtAetAyxAeAIetA,221,2221122211221111,),(參考光束：參考光束：11ieA物光束：物光束：),(22),(y