第八章现代光学基础
现代光学基础教学大纲
现代光学基础教学⼤纲现代光学基础(Fundamentals of Modern Optics)(学时50)⼀、简要说明本⼤纲是根据福建农林⼤学本科培养计划⾯向电⼦科学与技术本科专业及相关专业制定的教学⼤纲，总学时为50，总学分为3学分。
课程类别是：专业基础课。
⼆、课程的性质、地位和任务本课程以波动光学为基础，系统⽽深⼊地论述了从经典波动光学到现代变换光学所包括的基本概念和基本规律，全⾯⽽细致地分析了典型光学现象及其重要应⽤，反映了光学在诸多⽅⾯的新进展。
通过本课程的学习，使学⽣系统和全⾯地掌握波动光学的基本理论、研究⽅法和实际应⽤，为学习与光学相关的其它专业课打下基础。
三、教学基本要求和⽅法教学内容的基本要求分三级:掌握、理解、了解。
掌握：属较⾼要求。
对于要求掌握的内容（包括定理、定律、原理、物理意义及适⽤条件）都应⽐较透彻明了，并能熟练地⽤以分析和计算与⼯科本科⽔平的有关问题，对于那些由基本定律导出的定理要求会推导。
理解：属⼀般要求。
对于要求理解的内容（包括定理、定律、原理、物理意义及适⽤条件）都应明了，并能⽤以分析和计算与⼯科本科⽔平的有关问题，对于那些由基本定律导出的定理不要求会推导。
了解：属较低要求。
对于要求了解的内容，应知道所涉及问题的现象和有关实验，并能对它进⾏定性解释，还应知道与问题直接有关的物理量和公式等的物理意义1、基本要求要求学⽣较系统、全⾯的掌握光学设计理论和设计⽅法、了解光学材料及其加⼯要求。
2、教学⽅法采⽤理论和实际、传统教学与现代教学技术相结合的办法进⾏教学。
四、授课教材及主要参考书⽬教材：钟锡华主编.现代光学基础.北京⼤学出版社出版,2003.参考书：1、赵凯华、钟锡华编.光学.北京⼤学出版社出版,1984.2、⽺国光、宋菲君编.⾼等物理光学.中国科技⼤学出版社出版,1989.3、姚启钧编.光学教程.北京:⾼度教育出版社出版,2002.五、学分和学时分配六、教学主要内容及学时分配（50学时）第⼀章费马原理与变折射率光学 (3学时)1、⽬的要求：本章以费马原理作为光线光学的理论基础来分析光线径迹。
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第八章 现代光学基础1 （1）计算氢原子最低的四个能级的能量大小，并把它们画成能级图；（2）计算这四个能级之间跃迁的最小的频率是多少。
解：根据：2222422h n k Z me E π-=最低四个能级的量子数为：4321、、、=n 代入公式，计算得到：eV E 6.131-=、eV E 4.32-=、eV E 5.13-=、eV E 85.04-=（2）频率最小的跃迁是在E 3和E 4之间，能级差：eV E E E 65.034=-=∆ 由：νh E =∆解得跃迁频率：1141059.1/-⨯=∆=s E h ν2 当玻尔描述的氢原子从n=2的轨道跃迁到的n=1轨道后，问（1）轨道的半径有什么变化？（2）能量改变了多少？解：（1）由 Zkme h n r 22224π= 轨道半径的变化量：nm Zk me h Zk me h r 157.0414222222222=-=∆ππ （2）根据：2222422h n k Z me E π-= 能量的变化量：eV h k Z me h k Z me E 2.10)12()22(222242222242=---=∆ππ3令光子的波长为λλ1,,称为波数，若用符号v ~表示，则光子的能量为vhc ~。
如果一个光子具有1电子伏特的能量，那么它的波数应为若干？解：根据公式（7—6）得vv v hc hv ~10310626.61060.1 11060.110~8341919⨯⨯⨯=⨯=⨯⨯===---焦耳伏库仑 故 13341980490010310626.61060.1~---=⨯⨯⨯⨯=米v = 8049厘米-1 4 (1)钠低压放电管发出A5890=λ的黄光，其多普勒宽度为A 0197.0=∆λ，计算黄光频率、频宽及其相干长度。
（2）又一氦一氖激光器发出波长为6328A，试求此激光器的相干长度。
解：（1）钠黄光的频率为Hz cv 14810100934.5105890103⨯=⨯⨯==-λ 将c v =λ微分得： 0=∆+∆v v λλ即 ： v v λλ∆-=∆ 负号表示λ∆增加时，v ∆减少。
第八节现代光学系统
z f '时，可得
0 f
说明 与 0和 f 有 关，要想获得较小的 和加大 f ， 即采用长焦距透镜。
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，必须减小 0
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二、 傅里叶变换光学系统
1. 平面波的复振幅分布和空间频率 2. 夫琅和费衍射和傅里叶变换 3. 傅里叶变换与光学信息处理
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• 粒子束泵浦：高压气体激光器； • 化学泵浦：可分为直接泵浦、能量转移泵浦和光
分解泵浦；
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• 4、激光光束（高斯光束）的特性
– 激光作为一种光源，其光束截面内的光强分部 是不均匀的，即光束波面上各点的振幅是不相等 的，其振幅A与光束截面半径r 的函数关系为： 光束波面的振幅A呈高斯函数分布
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2 夫琅和费衍射和傅里叶变换
二维函数 f ( x, y )在满足了普遍的傅里叶 后可以表示为 :
积分存在的条件
f ( x, y ) F (u , v ) exp[ i 2 (ux vy )] dudv
F (u , v ) f ( x, y ) exp[ i 2 (ux vy )] dxdy
当z时R(z)， 高 斯 光 束 的成 波平 面面 又波 变。
结论：高斯光束在传播过程中，光束波面的曲率半径由无穷大 逐渐变小，达到最小后又开始变大，直至达到无限远时变成无 穷大。
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令双曲线的渐近线与束光对称轴 高斯光束的发散角
的 夹 角 为， 常 又 称 为 高 斯 光 束
的孔径角。
式(11 39)可写成 :
E~(x,
y)
C f
exp
ik (
f
x
2 2f
第八章现代光学基础
n2 ：处于能级E2的原子数 A21：自发辐射爱因斯坦系数
自发辐射是无规的（方向、初位相）
受激辐射: 外来激励下，原子由高能态低能态，放出光子
h
h h E
E2
1
受激辐射光子数：
' n21 B21n2u
B21—— 受激辐射爱因斯坦系数
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
谐振腔——法布里-珀罗干涉仪 当
2nl k 透射（输出）干涉主最大
c k 2nl
n：工作物质折射率
：共振频率
谐振腔作用：
1. 光振荡实现光放大。
2. 选频——激光输出有几个频率，某一个称为一个纵模 如同法-珀，每一个纵模有一定的线宽
8.6 激光的相干性
1. 时间相干性
1
相干长度：l=c
c l
2.空间相干性 激光在谐振腔内振荡的过程中，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
低次模式 TEM00 ——高斯分布 高次模式 TEMmn TEM21
*8.7 激光器的种类
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） 2.
' n21 n2 B21u
n 1 h / kT ~ 10 12 n21 e 1
T=50000K，
' 21
受激辐射光子数
<< =
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
二、光学谐振腔
作用: 使得在某一方向上实现受激辐射占主导地位的装置。
08-现代光学基础
基态
原子吸收外来电磁辐射或一个外来光子， 原子吸收外来电磁辐射或一个外来光子， 就从一个较低能级跃迁到一个较高能级 激发态 会自发的辐射出一个光子，使其 会自发的辐射出一个光子， 从激发态跃迁到一个较低能级
处于激发态的原子是不稳定的 自发辐射
12
设原子在能级E 之间发生跃迁， 设原子在能级 1与E2（E2> E1）之间发生跃迁，吸收的或辐 射出的光子能量为 h，则 ，
1
一.玻尔氢原子理论 玻尔氢原子理论
为了从原子结构出发来说明发光的基本原理， 为了从原子结构出发来说明发光的基本原理，先看一下玻 尔的氢原子理论。 尔的氢原子理论。 为了解释氢原子光谱，玻尔提出了三个基本假设： 为了解释氢原子光谱，玻尔提出了三个基本假设： 1.原子系统只能具有一系列不连续的能量稳定状态（定态）状 原子系统只能具有一系列不连续的能量稳定状态（ 原子系统只能具有一系列不连续的能量稳定状态 定态） 相应的能量分别为E 态，相应的能量分别为 1、E2… … （E1<E2< … … ）。 2.只有当原子从一个具有较高能量 n的稳定状态跃迁到另一个 只有当原子从一个具有较高能量E 只有当原子从一个具有较高能量 具有较低能量E 的稳定状态时原子才发射单色光，频率ν 具有较低能量 k的稳定状态时原子才发射单色光，频率νkn由 下式决定 E −E
v nh m = r 4π 2mr 3
2
2= 即 2 3 2 4π mr 4πε 0 r
我们得到量子化的第n个稳定轨道的半径 我们得到量子化的第 个稳定轨道的半径
h ε0 2 rn = n 2 πmze
n = 1,2,3,L
电子绕核运动时，只能在满足上式的轨道上运动， 电子绕核运动时，只能在满足上式的轨道上运动，电子现 在成了有轨电车，只能在这些特殊轨道上运动， 在成了有轨电车，只能在这些特殊轨道上运动，但它同时也是 个跳蚤，玻尔允许它跳车，但不允许它到处闲逛， 个跳蚤，玻尔允许它跳车，但不允许它到处闲逛，只允许它落 在另一个轨道上巡游，直到它要再跳为止。 在另一个轨道上巡游，直到它要再跳为止。 6
现代光学的基础
费马原理是一个描述光线传播行为的原理：光线沿光程为平稳值的路径传播。
即：⎰-PQds r n 平均值)(数学表达式：⎰==PQl L ds r n QP L )()()( 0)(L 0)(==⎰l ds r m PQδ或2.光程性原理求由聚光纤维薄片制成的微透镜焦距公式 利用物像等光程性有()(''QOQL QMQ L =22'22''')()()(hx nh s n MQ n QM n QMQ L +∆-++∆+=+=x n ns QOQ L '')(+=由于是薄片微透镜，所以x r s ,,<<∆于是)1()(),1()(,22222222∆-+≈+∆-∆++≈+∆+∆≈xx r x h x ss r s hs r h代入光程方程 x n ns xx r x n ss r ns '2'2)1()1(+=∆-++∆++)('恰巧被消除∆∆--=∆+x xr n s s r nxx r nss r n--=+'rn n xn sn -=+''令∞→s 像方焦距或称后焦距 r nn nf -='''令∞→'s 物方焦距或称前焦距 r nnf -='222100sin .n n n A N -==θ（0θ为外界入射光束与轴线之间的最大孔径角）⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧∂∂=⨯∇=⋅∇∂∂-=⨯∇=⋅∇t EH H t H E E 0000εεμμ平面波 )cos(),(0ϕω-⋅-=r k t A t r U)0设(),(0~=⋅=⋅-⋅ϕt k i r k i e Ae t r U复振幅 )cos cos (cos )(~,U z y x ik z k y k x k i rk i AeAeAe t r z y x γβα++++⋅===）（球面波 )cos(),(01ϕω-⋅-=r k t r a t r U )0(),(01~=⋅=-⋅ϕω设ti rk i eera t r U复振幅22222211~)(zy x k i rik ezy x a era P U ++⋅⋅++==)(发散球面波2221~)(z y x r er a P U rik ++==⋅-， )(汇聚球面波2020201~)()()()(z z y y x x r ea P U rik -+-+-==⋅±，（轴外源点）平面波 波前函数 （（z=0）平面上）xik Aey x U θsin ~),(=球面波 波前函数 ①2221~),(r y x r e r a y x U rik ++==⋅，（发散球面波） ②2221~r ),(++==⋅-y x r era y x U rik ，（汇聚球面波）例题：已知一列波长为λ的光波在（x ，y ）接受面上的波前函数为fxi Aey x U π2~),(-=其中常量f 的单位为1-mm，试分析与波前函数相联系的波的类型与特征。
现代光学基础
二、能级图
图8-2
§8—2 光与原子相互作用
人们对于光的种种性质的了解，都是通过观察光与物质相互作用而获 得的。光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，这种 相互作用，有三种主要过程：吸收，自发辐射和受激辐射。 （Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）
B12 B21 B
A21 8 3 B21 c3
§8—3
粒子数反转
一、受激辐射与吸收 激光就是通过辐射的受源程序发射来实现光放大的。一个 光子射入一个原子体系以后，在离开该原子体系时，成了 两个或更多个光子，而且这些光子的特征是完全相同的， 这就实现了光放大。但是光与原子相互作用时，总是同时 存在着吸收，自发辐射和受激辐射三种过程。问题在于什 n1u( ) B 么条件下受激辐射占主导地位。 n2 u( ) B 单位时间，单位体积内原子体系吸收的光能量为 ， (n2 n1 )u( ) B dv 受激辐射产生的光能量为 ，所以单位时间单位 dj 体积产生的净光能量为 ，设此原子体系的 体积元为 ，截面积为s ，t为辐射作用时间， 表示光能 dj dj 量的变化，则单位体积单位时间产生的净光能量可表示为
一、吸收
图8-3
如果有一个原子，开始时处于基态 E，若没有外来光子接近它，则它 1 将保持不变。如果有一个能量为 21 的光子接近这个原子，则它就有 可能吸收这个光子，从而提高它的能量状态。在吸收过程中，不是任 何能量的光子都能被一个原子所吸收，只有当光子的能量正好等于原 子的能级间隔E2—E1时，这样的光子才能被吸收
R
u ( ) B A21
要使 R ，则能量密度 u (必须很大，而在普通光源中，通常是很 1 ) 小的。例如在热平衡条件下，对于发射 1的热光源来说，当 m 12 T=300k时，R= 10 ，要使R=1，须：T=5000k。 但是我们可以设计一种装置，使在某一方向上的受激辐射，不断得到 放大和加强。就是说，使受激辐射在某一方向上产生振荡，而其它方 向传播的光很容易逸出腔外，以致在这一特定方向上超过自发辐射， 这样，我们就能在这一方向上实现受激辐射占主导地位的情况，这种 装置叫做光学谐振腔。
东南大学《现代光学基础》复习总结
《现代光学基础》复习总结第一章几何光学费马原理：光在指定的两点间传播，实际的光程总是一个极值。
即光沿光程为最小值、最大值或恒定值的路程传播，一般情况下，实际光程大多是极小值。
光在平面上反射不改变光的单心性，光在分界面上折射将破坏光的单心性。
在水面上沿竖直方向看水中物体时，像最清晰，像似深度y y n n y <='12，沿着倾斜角度较大的方向观看时，像的清晰度由于像散而受到破坏。
当光由光密介质射向光疏介质时，全反射临界角12arcsin n n i c =，光导纤维中光的入射临界角2221arcsin n n u -=。
通过测量棱镜的最小偏向角可计算棱镜的折射率，最小偏向角A i -=102θ，折射角22A i =，即折射率2sin2sinsin sin 021A A i i n +==θ。
球面镜反射：物像公式：f r s s '==+'1211，横向放大率ss y y '-='=β，球面镜反射将破坏光的单心性；球面镜折射：物像公式：r n n s n s n -'=-''，光焦度r n n -'=Φ，横向放大率n ns s y y '⋅'='=β，球面镜折射将破坏光的单心性。
物方焦距r n n n f -'-=，像方焦距r n n n f -''='，即n nf f '-='。
高斯物像公式：1=+''s f s f ，牛顿公式：()()f f f s f s x x '='-'-='；薄透镜成像：物像公式：221112r n n r n n s n s n -+-=-'，光焦度2211r n n r n n -+-=Φ，横向放大率ss y y '='=β，高斯公式：s f s f +''1=，牛顿公式：()()f f f s f s x x '='-'-='。
物理光学-第七章-现代光学基础1综述
E1
设 n1 、n2 —E1 、E2 原子密度。 单位体积中单位时间内，从E2 E1自发辐射的光子数：
dn21 n2 dt 自发
n21 n2 A21
A21为自发辐射爱因斯坦系数
10
3．受激辐射 (stimulated radiation) n2 E2 hn
条件： hn 21 E2 E1 E1
比较：
单色能量密度
u (n )
B12e
hn kT
A21 B21
A21 / B21 B12 hn e B21
3
kT
1
得：
B12 B21 B
A21 8 hn 3 B21 c
14
§8.3 粒子数翻转
普通光源-----自发辐射
激光光源-----受激辐射
激光又名镭射 (Laser)， 它的全名是 “辐射的受激发射光放大”。 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
u (n ) A21 n1 B12 B21 n2
玻尔兹曼定律： n
E2 E1 hn exp exp n1 kT kT
2
u (n )
A21 B12ehv kT B21
13
对于黑体辐射:
8 hn 3 1 u (n ) c3 ehn kT 1
20
六十年代初对发明激光有贡献的三位科学家。 1964年获诺贝尔物理奖。
巴索夫
汤斯
普罗恰洛夫
21
§8.4 光震荡
B21n2 u(n ) n21
n21 n2 A21
受激辐射和自发辐射光子数之比：
第八章 现代光学基础
定义：非线性光 学是指光与物质 相互作用时，光 场引起的介质极 化强度超过线性 极化强度的现象。
发展历程：自 20世纪60年代 激光问世以来， 非线性光学得到 了迅速发展。
应用领域：非线 性光学在光通信、 信息处理、量子 计算、光谱学等 领域有广泛应用。
未来展望：随着 新材料的不断发 现和技术的不断 进步，非线性光 学将会有更多的 应用前景。
定义：利用光波 在光导纤维中传 输信息的技术
原理：通过调制 技术将电信号转 换为光信号，在 光导纤维中传输， 经过解调技术还 原成电信号
应用：光纤通信、 光缆电视、光纤 传感等
优点：传输容量 大、传输速度快、 抗干扰能力强、 安全性高等
光学信息处理的基本原理 光学信息处理的应用领域 光学信息处理的优势与局限性 光学信息处理技术的发展趋势
光学仪器的发展，如望远镜、显微镜等 光的波动理论的建立，如干涉、衍射等现象的解释 光的量子理论的提出，如光电效应等现象的解释 光学材料的发展，如光学玻璃、晶体等
激光技术的出现和应用
非线性光学的发展
光学与计算机科学的结合
光学在通信和信息处理中的应 用
干涉现象：两束或多束光波在空间某些区域相遇时，相互作用产生加强或减弱的现象。 干涉条件：需要有两束或多束相干光波，即具有相同的频率、相位和振动方向。 干涉图样：干涉现象通常会产生明暗相间的条纹或彩色条纹，取决于光的波长和干涉条件。 干涉的应用：干涉被广泛应用于光学测量、光学通信、光学成像等领域。
衍射的类型：菲涅尔衍射和 夫琅禾费衍射。
光的衍射现象：光在遇到障 碍物时，会绕过障碍物继续 传播的现象。
衍射的应用：全息成像、光 谱分析等。
衍射实验：双缝干涉实验和 单缝衍射实验。
光的偏振现象：光波在振动方向上的变化 偏振光分类：自然光、线偏振光、椭圆偏振光 偏振片的作用：使自然光变为线偏振光 偏振现象的应用：液晶显示、光学通信等
现代光学基础
斯托克斯倒逆关系
入射光束振幅为1，相应 的反射光束振幅为r折射光 束振幅为t；再设一振幅r 的光束逆向传播射向界面， 相应的反射光束振幅为rr, 折射光束振幅为rt；又设 一振幅为t的光束逆向传播 射向界面，相应的反射光 束振幅为
r ,t
折射光束振幅为 t ,t 最初的两列光行波均被抵消 那么图上显示的另外两列行波（1.rr，t’t）和
p
p
w1, p w1 p
w2 p w1 p
, w1s s w1s
w2 s s w1s
斜入射时折射光束正截面 s2 不等于入射光束 正截面 s1
S 2 cos i 2 S1 cos i1
w1 I1S1
w2 I 2S2
所以光功率透射率与光强透射率的关系为
光功率反射率和透射率
光强是光功率面密度,单位是瓦／㎡ 若考虑光功率应当记及光强和正截面这两个因素 , 设入射光为 w1 反射光为 w2折射率为 w1 根据图3.6，能量恒守恒公式在此体现为光功率守
w w2 ห้องสมุดไป่ตู้1
, 1
分别对P光和S光而言为
w w2 s w1s
, 1s
定义光功率反射率、透射率
（rt，r’t）不复存在了即
rt r t 0
,
1 (tt r ) 0
, 2
解出得
r r
,
tt r 1
, 2
上式称作斯托克斯倒逆关系，其结果与菲涅耳 公式是一致的，该公式对p光和s光都成立
小结
本节从菲涅尔公式出发，研究了介质界面 反射折射时的光能量的分配规律，先后引 进了三个反射率和三个透射率给出了他们 间的各种关系
大学物理光学 第8章 现代光学基础
• 伦琴：1895年——X射线——1901年获诺贝尔奖； • 贝克勒尔：1896年——放射性——1903年获诺贝尔奖； • 汤姆孙：1897年——电子——1906年获诺贝尔奖.
• 汤姆孙 → • 西瓜模型
• • • • • • • • • •
卢瑟福 → 玻尔 → 海森伯 行星模型 壳层模型 不确定关系
• 吸收： • 发射：
hv E E , , h 51 E5 E1
21 2 1
• E1为基态，能量最低， • 其它态为激发态。
二、 光与原子相互作用
• （一）、吸收 • （二）、自发辐射 • （三）、受激辐射
• （四）、三个系数的关系
（一）、吸 收 • 只有当光子的能量正好等于原子的能级 间隔E2 －E1 时，这样的光子才能被吸收。
1897年 1911年 1913年 1927年 (1906年 1922年 1932年) 英《物理世界》千年特刊评出的10名最杰出物理学家： ⒈爱因斯坦（美籍德国人﹚ ⒌海森伯(德国人、1932) ⒍伽利略﹙意大利人﹚ ⒎费曼﹙美国人、1965﹚ ⒏狄拉克﹙法国人、1933﹚ 、薛定谔﹙奥地利人、1933﹚ ⒑卢瑟福﹙英籍新西兰人﹚ 诺贝尔奖是1901.12.10.诺贝尔逝世5周年纪念日时颁发第一届.
n2 > n1,时, ( ) 0 , 光强将按指数增强。
n2< n1时, ( ) 0 , 光强将按指数衰减。 通常情况下，n2总是小于n1， ( ) 总是负的， 吸收大于受激辐射。 在特殊情况下，n2大于n1， ( ) 为正的，称为 粒子数反转。这时受激辐射大于吸收。
4、激光的相干性
• •
• • •
激光的相干性也包括时间相干性和空间相 干性。 ∵ 原子发光时间和所发光的频率宽度成反比， 即 v 1 t 而激光的△非常小，比普通光要小得多， ∴ 激光的相干时间△t 很大，即激光的时间相 干性很好。 衍射使激光的能量受到了损失，但却为激 光的空间相干性创造了条件。正是由于激光器 的衍射作用，使激光的空间相干性提高了。
《现代光学基础教学课件》现代光学基础题目
干涉条件
两束光波的频率相同、相位差恒定、振动方向相同、光程差不超过 光波的相干长度。
干涉公式
I=I1+I2+2√(I1I2)cosΔφ
光的衍射
01
02
03
衍射现象
光波在传播过程中遇到障 碍物时，会绕过障碍物的 边缘继续传播，形成衍射 现象。
偏振应用
偏振现象在光学仪器、摄 影等领域有广泛应用。
03
光学仪器介绍
显微镜
总结词
显微镜是一种用于观察微小物体的光学仪器，它能够将微小的物体放大并清晰地 呈现出来。
详细描述
显微镜主要由目镜、物镜和载物台等部分组成。目镜用于观察放大后的图像，物 镜则将微小物体放大并投射到目镜上。载物台用于放置需要观察的物体。通过调 节显微镜的焦距和放大倍数，可以观察到不同大小的物体。
光学信息处理系统
光学信息处理系统是指 利用光学器件和光子器 件实现信息处理的系统， 如傅里叶变换光学系统、 空间光调制器等。
光学信息处理应用
光学信息处理在图像处 理、模式识别、通信等 领域有广泛应用，如光 学图像识别、光学加密 通信等。
05
光学实验与探究
分波前干涉实验
总结词
通过分波前干涉实验，可以观察到光的干涉现象，理解干涉 原理和干涉条件。
全息技术
全息原理
全息技术是利用光的干涉和衍射原理，记录并再 现物体的三维图像的一种技术。
全息材料
全息材料是指能够记录和再现全息图的材料，如 光敏树脂、尼龙薄膜等。
全息应用
全息技术在光学存储、图像处理、显示技术等领 域有广泛应用，如全息存储器、全息电视等。
《现代光学基础教学课件》jg527页PPT
气体激光器的非均匀加宽往往只有多普勒加宽一项：
% gi (,0)i
% gD(,0 D
)
4. 固体激光器的谱线加宽
线宽比气体介质大得多，线型函数难以写出具体解 析表达式，通常只能给出定性说明，可由实验测出。
①晶格振动加宽——均匀加宽
晶格振动导致激活离子能级所对应的能量在某一范围内变 化，而引起谱线加宽。
T M
1
)2
3.1.3 均匀加宽与非均匀加宽 气体激光器，固体激光器
1. 气体激光器均匀加宽
气体 激光器
自然加宽: 由于受激原子在激发态上具有有限 的寿命造成原子跃迁谱线加宽
碰撞加宽: 由于大量原子（分子）间无规则的 热运动而造成原子跃迁谱线加宽
这两种引起加宽的物理因素对激光介质中每个原子 是等同的
光场：采用Maxwell方程组描述 原子：电偶极振子
可直观、简单、定性地解释光与物质相互作用的某些现象
2.半经典理论 光场：采用Maxwell方程组描述 原子：采用量子力学描述
可较好地揭示大部分物理现象
3.量子理论（量子电动力学） 光场 原子 量子理论
激光器的严格理论，原则上可解释激光器全部特性
4.速率方程理论 自发辐射、受激辐射、受激吸收几率和爱因斯坦系数 激光器速率方程 量子理论的简化形式
/ c)
②运动原子的表观中心频率：
激光器中，原子和光波场的相互作用：
假想光源
z
频率为 的电磁波
运动原子——光接收器（中心频率 ）0
——光波固有频率
0 ——原子固有中心频率
原子以 相z 对于光源运动：
原子接受到的光波频率： (1 z )
c
现代光学基础
现代光学基础现代光学是光的研究和利用，以满足工业、医药、安全、教育及其他领域的应用需求。
它是以电磁波理论，光起源、传播、散射、衍射、吸收等光学现象，以及应用镜头、激光、光电子、显微镜、光谱仪等器件和实验装置、光栅、非结构衍射光栅等光学分辨及光学技术的总和。
现代光学基础包括基本的知识和技术，如光学理论、光谱理论、电磁场理论、测试原理，以及如何分析、调节和利用光学信号等。
由于光学技术在工业、医学及其他领域的广泛应用，现代光学基础也紧密结合应用和=研究前沿。
现代光学基础具有实用性。
如在覆片、挡板及光纤等领域，以各种原理、规律及技术，设计表面几何结构以实现特定功能、参数，满足实际需要；在三维立体显示领域，可结合投影设备、实时显微技术，将灰度、清晰度、色彩处理和光学计算技术有机结合起来，将新的效果带入显示系统。
在经典的光学理论的基础上，现代光学专业涵盖了各种技术领域，如光电子、激光、图像处理、智能计算机与自动机控制、生物光学及衍射光学等，是近几十年来最为重要的研究经验和技术研究之一。
总之，现代光学基础是研究、利用光学知识及其应用领域发展所需的基本知识和技术，是当今发展创新技术和发展未来技术应用的重要基石。
Modern optics is the research and utilization of lightto meet the application needs of industry, medicine, security, education and other fields. It is a combination of electromagnetic wave theory, optical origin, propagation, scattering, diffraction, absorption and other optical phenomena, as well as the use of lens, laser,photoelectricity, microscope, spectrometer and other instruments and experimental equipment, grating and non-structural diffraction grating and other optical resolution and optical technology.The modern optical foundation includes basic knowledge and technology, such as optical theory, spectral theory, electromagnetic field theory, test principle, and how to analyze, adjust and make use of optical signals. Due to the wide application of optical technology in industry, medicine and other fields, the modern optical foundation is also closely linked to application and research frontiers.The modern optical foundation has practicability. For example, in the fields of coating, baffle and fiber, various principles, laws and technologies are used to design the surface geometry structure to achieve specific functions and parameters to meet the actual needs; in the 3D stereo display field, the projection equipment, real-time microscopy technology can be combined to integrate the gray scale, clarity, color processing and optical computing technology, bringing new effects into the display system.Based on the classic optical theory, the modern optical specialty covers a variety of technical fields, such as photoelectron, laser, image processing, intelligent computer and automatic machine control, biophotonics and diffraction optics, which is one of the most important research experience and technical research in recent decades.In a nutshell, modern optics foundation is the basic knowledge and technology required to study and make use of optical knowledge and its application areas, which is an important cornerstone for the development of innovative technology and application of future technologies.。
现代光学基础共34页
5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
梦 境
Байду номын сангаас现代光学基础
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
4、守业的最好办法就是不断的发展。
第八章 现代光学基础
n2 ：处于能级E2的原子数 A21：自収辐射爱因斯坦系数
自収辐射是无觃的（方向、初位相）
受激辐射: 外来激励下，原子由高能态低能态，放出光子
h
h h E
E2
1
受激辐射光子数：
' n21 B21n2u
B21—— 受激辐射爱因斯坦系数
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
原子处于某一能级的寿命是有限的，相当辐射有限长波列
：平均寿命
2. 多普勒展宽 収光原子热运动，有一定的速度，由多普勒效应造成 3. 碰撞展宽 原子间碰撞，使寿命缩短，使谱线展宽
He-Ne 激光器 632.8 nm 自然线宽 ：103 Hz 多普勒展宽 ：109 Hz 洛伦兹展宽：108 Hz
二、 谐振腔的共振频率和纵模
2. 任何一小部分都包含了全部信息
4. 易于复制
全息照相的应用：
1. 全息干涉测量 2. 全息显微术
3. 海洋学研究
4. 制成各种元件（光栅、商标、防伪标记）
8.10光盘存储技术
只读性光盘 单次刻彔： 金属薄膜作记彔介质，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： 光刻胶作记彔介质，在原盘上压制 而成。常用CD片
He ：Ne =57：1
四能级系统
通过高压放电激励氖原子实现粒子数反转。
特点： 1.单色性好； 2.方向性好； 3.效率低（0.1%）。 波长：3390nm 1150nm 632.8nm
二、固体激光器
红宝石、掺钕的钇铝石榴石(YAG)、钕玻璃等
工作物质： Al2O3晶体基质中掺Cr3O2形成
通过强光激励（脉冲氙灯激収）实现粒子数反转 三能级系统
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激 光 的 特 性
4.相干性好
由于激光具有高单色性和高定向 性，决定了激光具有极好的时间相干 性和空间相干性。 特制的氦 氖激光器输出的光 束，相干长度达2107km。氪灯只有 38.5cm。
激 光 的 应 用
1.激光加工
利用聚焦激光束具有极高功率密度的 特性，可以对材料进行打孔、切割、焊接、 划片、雕刻、去重和热处理。 优点：无实体接触、加工精度高(1m 以下)、畸变小、节能。
光 的 3)受激辐射过程 光 外来光子满足频率条件: 增 ( E2 E1 ) / h 益
趋近高能级E2上的粒子时
发射一个全同光子
(频率相同、 传播方向相同、 偏振方向相同）
感应跃迁至低能级E1
光 放大
光 的 受激辐射概率 W21 : W21 = B21· (21) 光 受激辐射爱因斯坦系数 增 在光场 (21)作用下, 益 单位时间、单位体积内受 N 激辐射产生的光子数为: B21 · (21)· 2 同时存在 受激吸收 跃迁概率相等: 受激辐射
染料激光器
半导体激光器
激 光 器
按波段范围分类
紫外激光器 可见光激光器 红外激光器
按运转方式分类
脉冲激光器
连续波激光器
激 光 的 特 性
1.方向性好
激光束发散角小，接近衍射极限，约为
10-3rad量级，对应的主体角在10-6sr量
级。普通光源发出的光辐射沿4立体 角分布，比激光束大106倍。激光束是 高度平行的光束。
E2 E1 h
激活粒子的平均寿命:2
自发辐射概率为:
A21
τ2
1
光 设粒子体系处于能级E2上的粒子数密度为N2 的 光 单位体积、单位时间内因自发辐射产生的光子 增 数是： A21 N2 益
自发辐射爱因斯坦系数
一般激发态粒子寿命:
τ 107 ~ 10 8 S
某些物质存在亚稳态能级: 10 4 ~ 1 S
d I z G I z d z
z z+dz
L
z
光 学 谐 振 腔
1. 光学谐振腔的作用
一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。 激光在两反射镜间形成驻波。谐振条件为： 2nL = q L: 腔长
= qc 2nL
n: 气体折射率
光 学 谐 振 腔
振荡模式 是指能够在谐振腔内存在的稳定 的光波基本形式，用TEMmnq表示。 m和n表征该模式在垂直于腔轴内形成 驻波的节点数,称横模数。 q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节 点数，称纵模数。 1.纵模 能引起振荡的频率关系 2.横模 光场在横向不同的稳定分布。
激光打孔
激光切割
激光焊接
2.激光精密计量
激光的单色性好，相干性强，用作计 量检测，具有很高的精度。
激光测距仪
激 光 的 应 用
3.激光信息处理
激光的相干性好，用它作为光源， 能够使存储、传递、处理信息的容量 和速度大幅度增加。
激 4.激光在科学实验上的应用 光 的 由于激光具有优异的特性，激光 应 技术已成为整个科学技术领域强有力 用
数反转。
E
E3
E2
E E3
E2
亚稳态能级
E1
0
E1 N3 N2 N1 N
0
N 2 N 3 N1
N
在 E2 和E1 能级 间也有可能实现 粒子数反转。
E E3
E E3
E2
E1
0
E2 E1 N3 N2 N1 N
0
亚稳态能级
N3
N1 N2
N
光 的 光 增 益
红宝石激光器的工作物质：红宝石 —— 是掺有少量铬离子（Cr3+)的 （Al2O3)晶体。
Schawlow
激 光 发 展 简 史
美国休斯公司实验室一位从事 红宝石荧光研究的年轻人梅曼 在1960.5.16利用红宝石棒首次 观察到激光；
梅曼在7月7日正式演示了世 界第一台红宝石固态激光器；
他在Nature(8月16日)发表了一 个简短的通知。
Maiman
激 光 发 展 简 史
1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激 光器
•激光发展简史
•激光简介 •非线性光学
激 光 发 展 简 史
理论基础： 爱因斯坦的光子学说 (1905)； 波粒二象性(1909) 辐射理论(1917)：提出 了受激辐射的概念，预 测到光可以产生受激辐 射放大。
Einstein
激 光 发 展 简 史
理论基础： R.C.Tolman指出： 具有粒子数反转的介 质具有光学增益（产 生激光的基本条件之 一）（1924）。
(12 ) : 外来光场中频率 12 的能量密度
受激吸收概率: W12=B12 · (21)
受激吸收爱因斯坦系数
粒子体系在单位时间、单位体积内吸收的光子数
B12 · (21) · 1 N
低能级E1的粒子数密度
光 的 光 增 益
2)自发辐射过程
高能级上的粒子
自发地 跃迁
低能级
12
光 学 谐 振 腔
横模
I
x
TEM00
I
y
I
I
x
y
x
y
I
TEM10
TEM11
产 生 激 光 的 条 件
1. 激光形成的基本条件
激光形成的基本条件 (1) 要有适当的激光工作物质 (2) 要有外界激励源 (3) 要有激光谐振腔
产 生 激 光 的 条 件
2.激光形成的阈值条件
光在谐振腔内受到各种 r 损耗: I3 (1) 反射镜的透射损耗 I (2) 谐振腔的内部损耗 I
N2
能 级 低 能 级
E
E2
E1 N1 N2 N
N1
光 2.光与物质相互作用 的 原子 光 增 光子与 分子 相互作用 益 离子 受激吸收 自发辐射 受激辐射
光 的 光 增 益
2.光与物质相互作用
1)受激吸收过程
外来光子:
h 21 ( E2 E1 )
能级跃迁:E1
E2
光 的 光 增 益
在 3s
2p
间
实现粒子数反转分布
He
Ne
光 2) 介质的增益作用 的 实现粒子数反转后的工作物质 光 I O I 0 I L 增 增益介质 b 益 dz z 通过增益介质后, I z 光强随距离增长 I L
I z I 0 e
GZ
dI(z)
介质对光的增益系数
1961年研制出中国第一台红宝石激光器
激光原理
一、激光的产生与激光器 光的光增益 光学谐振腔 产生激光的条件 激光器 二、激光的特性与应用 激光的特性 激光的应用
光 1. 原子数按能级分布 的 热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分 光 布 增 益 高
玻尔兹曼分布律:
( E2 E1 ) N2 kT e N1
采用光激励方法： 受激和发光都在Cr3+ 上进行，是典型的三 能级系统。
光 四能级系统 比三能级系统容易实 的 光 现粒子数反转分布。 增 益
光 的 光 增 益
氦氖气体激光器是四能级系统
2 s 2 s
电子碰撞激发
3
1
共 振 转 移
3s 2s
电 子 碰 撞 激 发
3p 2p
氖原子
1s
管壁效应
自发辐射
B21 · (21)= B12 · (21)
光 通常情况下： N N 1 2 的 B21 · (21) · 1 B12 · (21) · 2 N N 光 表现为光的吸收 增 受激吸收总是占优势 益 为得到光放大,必须使
受激辐射占优势
粒子数分布反转
N2
N2 N1
的研究工具。 20世纪80年代，激光冷却和捕陷 原子在理论和实践上取得重大突破。
激 光 控 制 核 聚 变
飞 秒 激 光 系 统
激 5.激光医学领域的应用 光 的 应 用
激光眼科手术
激 6.激光在其它领域的应用 光 的 应 用
三峡广场水幕激光
激光武器
N1
视频
光 的 光 增 益
3. 介质对光的增益作用
1) 实现粒子数反转分布的条件
光激励
(A) 激励(又称泵浦)
电激励 化学激励 热激励
光 的 光 增 益
光激励
光 的 光 增 益
电激励
光 (B) 合适的能级结构 的 二能级系统 用光泵的方法不可 光 增 能实现粒子数反转分布 益
光 三能级系统 当 的 泵浦光足够强时，有 光 可能使 N N ,在能 3 1 增 级E3 于E2 间实现粒子 益
激 光 的 特 性
2.单色性好
光波的单色性可表示为
谱线宽度 中心波长
Δλ Δ = λ
氦氖激光的单色性比单色性最好的普 通光源，如氪灯好 105 倍。
激 光 的 特 性
3.亮度高
激光器能产生宽度极窄的光脉 冲，使用 开关的激光器，可输出 脉宽10-9s左右的光脉冲，使用锁模 技术，可产生10-14s的光脉冲。由于 能量被集中在极短的时间内发射出 来，因此光功率极高。
2 0
r1
4
I1 I2
光在腔内往返一次 I4 2 (G a )L 1 不会被衰减的条件， I r1r2e 0 即形成激光振荡的 阈值条件： G a (1 2 L) ln(1 r r
内
I 4 I 0 r1r2e
2(G a 内 )L
阈
内
1 2
)
产 由以上讨论可将激光工作原理总结如下： 生 激 (1) 工作物质在激励能源激励下实现粒子 光 数反转 的 条 (2) 由自发辐射产生的少数沿腔轴方向传 件 播的光子在工作物质中引起受激辐射 (3) 光学谐振腔使受激辐射的光子在腔内