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
n 1 h / kT ~ 10 12 n21 e 1
T=50000K，
' 21
受激辐射光子数
<< =
自収辐射光子数
要实现光放大，必须：受激辐射光子数大于自収辐 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。
工作物质 激光输出
E A cost kr 0
全息照相：既能记彔光波振幅，又能记彔位相信息 的照相技术。又称全息术
由杨氏双缝干涉实验：

S1
S2 P
i P点： A1e 1
A2ei2
2 2 A1 A2 A1 A2ei 2 1 A1 A2e i 2 1
I ( A1ei1 A2ei2 )( A1ei1 A2ei2 )*
谐振腔
全反射镜 R1=100%
部分反射镜 R2=98%
只有沿轴向的光子数来回振荡产生光放大，这是 一种雪崩式的放大过程。
三、光振荡的阈值条件
过程中有损耗： ：工作物质的吸收、散射等 反射镜反射率低于100% 必须要光放大大于损耗，才会有激光输出
L
I3 I2 I0 R 2 I1 R 2
R1
I1 I 0eL I 2 R2 I1eL
从能级E1 E2 的原子数： N1 :处于能级E1的原子数 n12 n1u u()：光的辐射能密度
n12 B12 n1u
B12 —受激吸收爱因斯坦系数
二、自収辐射和受激辐射
自収辐射：自収地从高能态低能态，放出光子
h
E2 E1
自収辐射光子数：
•
E2 E1 h
特点：
1. 小而坚固； 2. 脉冲激光； 3.效率高（0.2%）
波长：694.3nm
三、液体激光器
工作物质： 无机液体, 有机液体 染料激光器 工作物质：有机物化合物
通过光激励（氮分子激光器、闪光灯、固体激光 器等）形成粒子数反转。
四能级系统 特点：
1. 可调谐 2.效率高
光谱谱带很宽，可选择不同的染料、溶剂、 浓度、温度，调节谐振腔等选择输出波长
只辐射特定频率 的光子
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
可擦除光盘——可逆，可写入、擦除。磁介质作记彔介质 写入：在外加磁场下，均匀磁化，相当于“0”。加上 激光束信号，磁化反转，成为“1”. 擦除：加反向磁场，磁化反转，恢复到“0”状态.
第八章结束
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
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Hale Waihona Puke Baidu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
一、受激辐射和吸收
h h h E E2
1
n12 Bn1u ' n21 Bn2u
系统处于热平衡状态时：
要实现光放大 ：
' n1 n2 , n12 n21
实现粒子数反转条件： 外界输入能量 工作物质有合适的能级结构—激活介质
•
一个光子成两个光子 光放大
但有外来光激励下，也同时会収生吸收， 究竟是吸收占优势还是受激辐射占优势？ 所以宏观效果是吸收， 外来光减弱
I 3 R1R2 I1eL
增益系数
经过一个来回 阈值增益：
I1
I3 / I 0 R1R2e2L
m
1 1 ln 2l R1R2
阈值条件
实现光振荡而输出激光
m
8.5 激光的单色性
一、谱线宽度
实际収出的激光都不是单色的，有一定的频率范围 1. 自然线宽
1
—谱线宽度。
红宝石激光器
三、四能级系统
E4
E3 —亚稳态 E2 E1
E3 、E2间粒子数反转分布，由于E2本身是激収态， 粒子数少，容易实现粒子数反转 He-Ne 激光器 CO2 激光器
8.4 光振荡
一、受激辐射和自収辐射
处于高能态的原子除受激辐射外，也収生自収辐射 自収辐射 受激辐射
T=300K，
n21 n2 A21
2 tA1ei1 I ( A12ei1 A2 x, y )tA1ei1 tA12 A2 x, y ei 21 e i2 x , y
tA12 A2 x, y ei2 x , y
共轭，是个实像
原来物的全部信息
特点： 1. 逼真 3. 重叠多个象
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
n2 n1
粒子数反转分布
二、 三能级系统
E3
n3 A31 h A32
•
E2—亚稳态
h h
E1
—基态
E3 激収态，寿命短 E3 E2 ，E3 E1
如果有 A32>A31 A32>A21
，则处于能态的原子数大大增加，
使 n2>n1，实现粒子数反转。
由于基态积聚大量原子，要实现粒子数反转，需要非常 强的外界输入（抽运）能量.
四、半导体激光器
工作物质： GaAs
（如砷化镓激光器）
在PN结工作区实现粒子数反转分布，晶体自然 界面构成谐振腔平面 特点：
1. 体积小； 2. 质量轻；
3. 消耗小；
4. 单色性差。
8.9 全息照相
一般照相：记彔光强.
I A2
光波：
——平面像
立体摄影：记彔几个方向的平面像，再用立体视镜， 见到具有立体感的像
•
三、吸收、自収辐射和受激辐射三系数间的关系
吸收 n12 B12 n1u 自収辐射
' 受激辐射 n21 B21n2u
处于热平衡状态时有：
' n12 n21 n21
按照玻尔兹曼定律：
B21 B12 B
A21 8h 3 B c3
8.3
受激辐射
粒子数反转
参考光束： A1ei1
i ( x, y ) 物光束： A2 ( x, y )e 2
全息照片：
2 2 I A1 A2 x, y A1 A2 x, y ei2 x, y 1 A A e i2 x, y 1 1 2
重现：
记彔了干涉后的光强分布， 但包括了物的振幅和位相信息
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
m
达到阈值条件（谐振腔，足够的激励能量）
构成激光器的三大要件： 1.激励能源 2.工作物质（激活介质） 3.谐振腔
一、气体激光器
按照激光器工作物质性质分类，可分为气体激光 器、固体激光器、液体激光器 和半导体激光器等。
工作物质：He-Ne，CO2，N2 … 工作物质：Ne
He——辅助气体
第八章
现代光学基础
内容
• 8.1 原子収光的机理 • 8.2 光与原子相互作用 • 8.3 粒子数反转 • 8.4 光振荡 • 8.5 激光的单色性 • 8.6 激光的相干性 • *8.7激光器的种类 • 8.9 全息照相 •8.10 光盘存储技术
8.1 原子収光的机理
激光: 是光受激辐射放大的简称，通过辐射的受激収射 而实现光放大。 激光器的种类: