第八章现代光学基础
基础光学第8章晶体光学
L (no ne )d
产生的相位差为
2
(no
ne )d
可人为地控制o光和e光的相位差，通常把这个相位
差叫做波片的相位延迟，因此波片也称为相位延迟片。
（1）四分之一波片
o光和e光的光程差满足
源自文库
L (no ne )d (2m 1) 4 , m 0, 1, 2, 3,
在棱镜顶角 不是很大的情况下，
射出棱镜的两束偏振光的夹角为
o e 2 arcsin[(no ne ) tan ]
波晶片—偏振态的改变
波片示意图
利用双折射晶体中o光和e光折射 率的不同而引起的相位差来制作 波晶片（也称为波片）。
Ae Acos, Ao Asin
或o光和e光的相位差满足
2
(no
ne )d
(2m 1)
2
,
m 0, 1,
2, 3,
在 m 0 时，可得最小波片厚度应为
d 4 no ne
【例8.1】一束波长为 的线偏振光通过一个1/4波片后，
其偏振态如何？
【解】设入射线偏振光的振动方程为
E Acos(t )
（2）渥拉斯顿(Wollaston)棱镜
方解石晶体 ne no ，因此e光的
第08章 现代光学系统 工程光学课件
1(n2)2n 1 2n2 2
n
mn
n
n
2
0
1
0
(9.27)
即要光线在光纤内发生全反射，则入射在光纤输入端面的光线最大入射角Um应 满足上式。
2. 阶跃光纤的数值孔径
我们定义
n 0
sinU为max 光纤的数值孔径NA，即
NAnsinU
0
m ax
n12n2 2
(9.28)
光纤的数值孔径是光纤的重要参数，它代表着光纤的传光能力，即能传输多大立体角 内的光线。要想使光纤通过较多的光线，就必须增大光纤的数值孔径，根据上式，须 增大n1和n2的差值。
5. 高斯光束的位相因子
基模高斯光束的位相因子可表述为
00(x,y,z)k[z2R r(2z)]tan1w z0 2
(9.6)
相位因子描述了高斯光束传播过程中波面一点(x, y, z)相对于原点(0, 0, 0)的相位滞后
6. 高斯光束的远场发散角
发散角是激光光束的重要参量，它描述了光束的发散程度。从图9.2可以看 出，高斯光束的发散角θ可以用光斑半径分布双曲线的渐近线与z轴的夹角 来表示，则有
在实际应用中的激光准直系统中，通常采用二次透镜变换的方法，即第一次使用短 焦距透镜对高斯光束进行压缩得到较小的w0’，第二次使用焦距较大的透镜，减小 高斯光束的发散角，激光准直系统的原理如图9.4所示。
第八章现代光学系统
1 1 λ = −i 2 q ( 0 ) R ( 0 ) πω ( 0 )
因为 R ( 0 ) = ∞ ， ω ( 0 ) = ω0 所以 q0 = q ( 0 ) = −i
πω02 λ
⎡ ⎛ λ z ⎞2 ⎤ ⎡ ⎛ πω 2 ⎞2 ⎤ 1 1 λ 2 2 0 = −i 2 把 R ( z ) = z ⎢1 + ⎜ ⎟ ⎥ 和 ω ( z ) = ω0 ⎢1 + ⎜ 2 ⎟ ⎥ 代入式 πω λz ⎠ ⎥ q ( z ) R ( z ) πω ( z ) ⎢ ⎢ ⎣ ⎝ ⎦ ⎣ ⎝ 0⎠ ⎥ ⎦
1 1 1 − = R2 R1 f ′
当透镜为薄透镜时，高斯光束在透镜 L 前后的通光孔径应相等，即：
ω1 = ω2 ω1 和 ω2 分别为透镜 L 前后的光束截面半径。
上面讨论了高斯光束经透镜的变换关系，但实际应用中，往往只知道高斯光 束的束腰半径 ω0 和束腰到透镜的距离 z， 而经透镜变换后光束的束腰位置 z ′ 和束
Φ ( z ) = arctg
λz πω02
高斯光束的截面半径轨迹为一对双曲线，双曲线的渐近线可以表示高斯光 束的远场发散程度，如图 8-3 所示。
图 8-3 高斯光束的发散角 高斯光束的孔径角为：
tgθ =
λ πω0
4、高斯光束传播的复参数表示 假设有一个复参数 q ( z ) ，并令
第八章现代光学基础.doc
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：222
2422h 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 ν
2 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 Zk
me 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(2
22242222242=---=∆ππ
3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v
hc ~。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
v
v v hc hv ~10310626.61060.1 11060.110~8341919⨯⨯⨯=⨯=⨯⨯===---焦耳伏库仑 故 13
3419
80490010310626.61060.1~---=⨯⨯⨯⨯=米v = 8049厘米-1 4 (1)钠低压放电管发出A
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。
第八章工程光学基础
矫正: 对于近视矫正采用眼前放一负透镜.使 其焦点恰好等于远点距. 对于远视矫正采用眼前放一正透镜.使 其焦点恰好等于远点距.
对于近视眼，配一负透镜f ’=-500mm 的镜片，无穷远物体能清晰的成像在视网膜 上。
镜片规格f ’=-500mm=-0.5米 几何光学中称之为
1 1 2 屈光度的镜片 f' 0.5m
用作图法或解析法可求出成一放大正立虚像。 2. 放大镜（目镜）的放大倍率——视角放大 率 （1）设一微小物体，物高为y，用肉眼直 接观察时
不能离眼太近，放在l=-250mm处
此时，视角（张角）
y y 眼 tan 眼 l 250
网膜上成像 y眼 ' z tan 眼 Z为人眼后节点到视网膜上的距离.
由以上公式可知，显微镜的分辨率主要 取决于显微镜物镜的数值孔径。 距离为的两个点不仅应通过物镜被分辨， 而且要通过整个显微镜被放大，以使被物镜 分辨的细节能被眼睛区分开。设眼睛容易分 辨的角距离为2’~4’，有
0.00029 2 0.00029 2
'
f '目
4 0.00029 4 0.00029
（5）视网膜 它是眼睛的感光部分，视网膜上布满了视觉神 经，上面分布着锥状细胞（感色和白日视觉）和 柱状细胞（夜视敏感）。通过它们把视网膜上成 的像传入大脑，就产生了视觉，即看到了物体。 外界物体经水晶体成一清晰像在视网膜上时，人 眼就能看清该物体。 （6）瞳孔 在水晶体的前面有一层虹彩（虹膜），它的 中间有个圆孔叫瞳孔。瞳孔的大小可以改变。在 白昼的时候外界光线较强，瞳孔会比较小，在昏 暗的情况下瞳孔会自动扩大，以使更多的光线 （光能）进入眼睛。这叫“适应”。瞳孔的大小 可由2mm到8mm。
知乎 现代光学基础
现代光学基础
现代光学基础是米的研究和利用.以满层医药.案余教有及其他领域的应用求。它是以电波理论，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量、光析、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和技术领域，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裔的基本知识和技术，是当今发展创新技术和发展未来技术应用的重要基石。
现代光学基础
现代光学基础
现代光学是研究光的性质、传播规律以及光与物质相互作用的科学。以下是现代光学的一些基础概念：
1.光的波粒二象性：光既可以被看作波动，也可以被看作粒子，这一概念被称为波粒二象性。这个理论解释了光的一些行为，如干涉和衍射。
2.电磁波理论：光被解释为一种电磁波，这是光学的基础理论之一。光的传播速度是由真空中的光速确定的。
3.光的传播：光在介质中传播时会发生折射和反射。这些现象可以通过折射定律和反射定律来描述。
4.光的干涉和衍射：光的波动性导致了干涉和衍射现象。干涉是两个或多个波的相互作用，衍射是光在遇到障碍物时发生弯曲的现象。
5.光的偏振：光是电磁波，具有电场和磁场的振荡。偏振是指在特定方向上的振荡。
6.光的波导现象：光可以在一些特定的结构中被引导，形成波导。光纤是一个常见的波导结构，用于信息传输。
7.光的色散：光在不同介质中的传播速度不同，导致光的色散现象，即不同波长的光在介质中传播速度不同，产生折射。
8.光的吸收和发射：光可以被物质吸收，也可以引起物质的发射。这是激光和荧光等现象的基础。
9.激光：激光是一种高度聚焦、单色、相干的光，常用于科学研究、通信、医疗和制造等领域。
10.光学仪器：光学在许多领域中都有广泛应用，包括显微镜、望远镜、摄影机、激光器等光学仪器。
这些基础概念构成了现代光学的理论基础，涵盖了光的性质、传播规律以及与物质相互作用的各个方面。光学是一门广泛应用的科学，对科学研究和技术应用都有着深远的影响。
现代光学基础题解指导
现代光学基础题解指导现代光学是光学科学领域中的一个重要分支，它以光的特性、光的传播、光的干涉、衍射和反射等方面的研究为主要内容。作为现代光学科学的基础，光学基础理论对于研究现代光学和各种光学应用具有重要意义。因此，本文将结合相关的知识点提供现代光学基础题解指导，帮助读者更好地掌握光学基础理论。
一、光的基本性质
1.光线是什么？光线的传播规律是什么？
在光学中，光线是描述光传播的基本概念之一。在一定范围内，光线是沿直线传递的，称为光线的传播规律。实际上，光通过透明介质中的传播路径并不一定是直线，而是沿曲线传播。然而，当两个物体之间的距离相对较小时，可以把光线近似看作直线。
2.什么是光的波动性和粒子性？
光的波动性表现为光的干涉、衍射和偏振等现象。光的波长、频率和速度等数值能够满足波动方程，因此光具有波动性。光的粒子性表现为光子的作用，光子是光的基本粒子，具有能量和动量等性质。光子的能量是由光的频率决定的。
二、光的传播
1.光的折射定律是什么？
当光从一种介质进入另一种介质时，会发生折射现象，而折射角和入射角之比保持不变。这是因为光传播速度不同的介质中，光的波长不变，但光传播速度发生变化，因而光的传播方向也随之变化。
2.光的色散现象是什么？
光的色散现象指光在经过透明介质时，由于介质的折射率随光的波长变化而变化，光的不同色彩就会分散出来。这可以通过将光通过棱镜来观察。
三、光的干涉
1.什么是光的相干性？
光的相干性是指两个光源，在光束中光波的各个点上的相位关系是固定的。具有相同频率的两束光是相同相位的。当光传播过程中两束光波的相位关系始终稳定无变化时，称光源相干。
现代光学基础
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
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）
2 rn 4 2 me 2 zk
2
（2）
由（1）和（2）式得：
（3）
（4）
2e 2 zk n
1 ze 2 En E p Ek m 2 (k ) 2 r 4 2 2 me4 1 1 me4 2 me z k 2 2 2 2 2 2 2 8 n n n 32 2 2 2
c 2 A21 (r ) (n2 n1 ) 8 2 dI (r ) (r ) I ( ) dz
( ) 指数增强， ( ) 指数衰减 0 0
物理光学-第七章-现代光学基础1综述
2 2 h e 1 2 0 rn n 2 vn 2 0 h n me
v
m
r
E1 E2 E3 E4
1 me En 2 2 2 n 8 0 h (n 1,2,3)
能量是量子化的
将 r n ，vn 代入上式，得：
4
其它激发态：
( E1 , E1 4 ,
En
E1
23
2 稳定谐振腔结构
非稳定谐振Baidu Nhomakorabea结构
（1）发布里－珀罗谐振腔（平行谐振腔）
24
（2）同心谐振腔
（3）共焦谐振腔
25
稳定谐振腔的条件：
l l 0 1 1 1 R1 R2
R为曲率半径，l为腔长。
26
3 光振荡的阈值条件 考虑激光在两端反射镜处的损耗－阈值条件
2 (n )l
增益系数
1 2 (n )l (n )l ln , 阈值条件: R1R2e 1 R1R2 c 2 A21 粒子反转数达到一定数值， (n ) (n2 n1 ) 增益系数才足够大，有可能 2 8n 28 抵偿光的损耗，产生光振荡。
R1R2e
1
在激光形成阶段
钱学森1964年12月建议“激光”，在第三届光受激辐射 学术会议上通过。
2
§8.1 原子发光机理
8.1 玻尔的氢原子模型
光学 第八章
(2) 单轴晶体中的主截面与主平面
主截面：包含晶体光轴与界面法线的平面 主平面：包含光轴及晶体中某条光线的平面
法 线 光轴 主 截 面 主平面 法 线
自然光
晶体
自然光
晶体
主截面 入射面
主平面 主平面 主平面 光轴
图8.1-4 主截面与主平面
§1
双折射
说明：当入射面与主截面重合时，o光和e光的主平面都与入射面重合。并
A
D
c
a
e→o
c
第一块晶体内： e光和o光的折射率都是no 第二块晶体内： o光的折射率是no e光的折射率是ne
B
C
o→e
图8.2-2 洛匈棱镜（负晶体）
§2 产生线偏振光的元件 (2) 尼科耳棱镜
① 结构：一块长宽比为3:1的方解石晶体两端面平行地磨去一部分，使
∠A‘BD’=∠D‘CA’=68o ，然后将晶体对切，并用加拿大树胶将 切开的两个面均匀地胶合在一起。
件的重要材料之一。
§1
双折射
石英： 又称水晶，属三角晶系晶体，其化学成分为二氧化硅（SiO2 ），呈 锥状。纯质的石英晶体呈无色透明状，因而也是制造偏振光学器件的重要 材料之一。
102o
102o 102o
78o 78o
102o
(a) 方解石晶体
(b) 石英晶体
《光学》课程教学大纲
《光学》课程教学大纲
课程名称：光学课程类别：专业必修课
适用专业：物理学考核方式：考试
总学时、学分：56 学时 3.5 学分其中实验学时：0 学时
一、课程性质、教学目标
《光学》是普通物理学的一个重要组成部分，是四年制本科物理学专业的一门专业必修基础课程。它是研究光的本性、光的传播和光与物质相互作用的一门基础科学。通过本课程的学习，应使学生掌握光学的基本概念、基本原理、基本规律和处理问题的基本技巧，并能解决具体的实际问题；知悉现代光学知识及发展趋势，了解光学在科研、生产和生活实践中的应用以及学科发展的历史概况；培养学生的科学思维、科学品质和科学素养。
该课程主要包括物理光学、几何光学、分子光学、量子光学和现代光学五部分基本内容。是学生学习原子物理、电动力学和量子力学等后继课程的基础，是“近代物理的敲门砖”。为学生毕业后进入科学研究工作或从事中学物理教学工作打下良好的基础。其具体的课程教学目标为：
课程教学目标1：了解光的干涉现象和衍射现象；熟练掌握干涉衍射的基本原理、条纹特征、光强分布及其应用；掌握干涉仪的基本
原理及其应用。使学生能运用所学的干涉衍射知识解释生活中的一些光学现象，并能够胜任中学有关光学知识的教学工作。
课程教学目标2：深刻理解几何光学的基本原理；掌握光学元件的成像规律；学会运用几何光学的光线作图法寻找成像规律；掌握常用光学仪器的基本原理。培养学生理论与实践相结合的能力，会分析解决相关物理中的实际问题。
课程教学目标3：了解光与物质的相互作用；理解光的量子性；领悟光的量子性的主要实验证据；理解激光的特性及其应用。使学生能用所学的知识解释相关的自然现象，培养学生学习物理的兴趣。
第八章 现代光学基础
光的粒子性：光具有粒子性 质，能够被物质吸收和反射
光的波动性：光具有波动性 质，能够传播能量和信息
波粒二象性的统一：光既具 有波动性又具有粒子性，是
波粒二象性的统一体
光的波粒二象性的应用：在 光学、物理学、化学等领域
有着广泛的应用
代表人物：亚里士多德、托勒密 主要观点：光是直线传播的，物体颜色由物体反射的光决定 实验验证：小孔成像实验 应用领域：天文学、医学、军事等
光的干涉：当两束或多束光波相遇时，它们会相互叠加产生干涉现象
光的衍射：光波在遇到障碍物或通过孔洞时，会绕过障碍物或孔洞传播，这种现象称为光的衍射
光的偏振：光波在传播过程中，其电矢量或磁矢量在某一特定方向上保持不变的特性称为光的偏 振
光是一种电磁波
光具有粒子性
光的粒子性表现 为光子
光子能量与频率 成正比
光纤通信：利用光纤传输信 息，具有高速、大容量、低 损耗等优点
量子通信：利用量子力学原 理传输信息，具有高度保密
性和安全性
光学雷达：利用光学手段进 行雷达探测，具有高精度、
高分辨率等优点
激光加工：激光切割、焊接、打标等 光学检测：光学显微镜、光学干涉仪等 光学成像：摄像头、望远镜等 工业自动化：机器人视觉、自动化生产线等
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。
第八章 现代光学基础
• •
E4 h E3 E2 h E1
跃迁
玻尔轨道
E2-E1=h
収射光子
E2-E3=h
吸收光子
8.2 光与原子相互作用
一、吸收
光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用。
吸收 自収収射 受激収射 吸收：外来激励下，原子由低能态高能态，吸收光子
h
•
E2 E1
E2 E1 h 只吸收特定频率 的光子
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.
固体激光器——1960年红宝石激光器（美国休斯实验室） 气体激光器——1961年He-Ne激光器（美国贝尔实验室) 半导体激光器——1962年砷化镓激光器 化学激光器——1964年 液体激光器——1966年无机液体 可调谐激光器——1975年有机液体 受激准分子激光器 ——1977年准分子激光器
基态：能量最低状态，最稳定； 激収态：能量较高状态，不稳定； 亚稳态：能量较高状态，比较稳定。
' n21 n2 B21u
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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
Fra Baidu bibliotek
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
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
往返振荡，不断得到放大
(4) 满足阈值条件下形成激光
激 光 器
1. 激光器的组成
谐振腔
工作物质
激励系统
激 光 器
2. 激光器的分类 按工作物质分类
固体激光器
气体激光器
液体激光器
半导体激光器
气体激光器
工作物质：原子气体、分子气体和离子气体
氦氖激光器
氩离子激光器
液体激光器
工作物质：有机染料溶液和无机化合物溶液。
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
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
•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）。
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。
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
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。
Tolman
激 光 发 展 简 史
实验基础：
Prokhorov和H.Townes分别独立报导了第一 个微波受激辐射放大器(Maser)（1953）
Prokhorov
Townes
激 光 发 展 简 史
1958年Townes和Schawlow抛弃了尺度必须和波长
可比拟的封闭式谐振腔的老思路，提出利用尺度远 大于波长的开放式光谐振腔实现Laser的新想。
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
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
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。
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
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
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
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 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。
(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
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
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