第八章现代光学基础

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1、第九章现代光学基础本章内容：原子发光机理；光与物质相互作用；激光知识；全息光学§9.1原子发光机理玻尔的氢原子模型理论，为半经典半量子理论。有几个基本建设1、核外电子绕核作圆周运动；2、电子轨道、能量、角动量量子化3、能量改变的量子化（即为原子发光机理）1、模型（核近似不动）电子核作圆周运动对氢原子2、量子化（轨道、能量、角动量）普朗克常数由此表示电子成为自由电子，不受核场束傅E为负表示要把电子从核产生的场中移开，须对电子做功定Z。25电子轨道（不是连续的）能级图，原子处于不同的能级状态。E1：基、E

2、2、E3、E4、E5激发态3、能量改变量子化（原子发肖机理）电子在一固定轨道上运动时，不发射光子，但当电子从一轨道跃迁到另一轨道时，所状态不同，能量值不同，能量改变。从必吸能能量为光子提供，光频V则若必旋能则发光的频率因核认为不动，电学能认为是原子所有的能量E1：基态E2、E3、E4、E5激发态§9.2光与原子相互作用一、光子与原子作用：吸收、辐射一、吸收设E1n1（原子密度）；U（r）（辐射能量密度）则单体单时内的原子数二、自发辐射激发态寿命25自发辐射爱斯系数三、受激辐射只有当，才能引起受激辐且发

3、射的光了与外来光子一样。四、B12、A21、B21三者之间的关系平衡（在光与物作用时，存在三种过程）即热平衡按能分布送从玻耳兹曼定律能低，粒子数多又故25§9.3粒子数反转激光：受激激辐射实现光放大光放大：一个光子射入，出射两个更多特征一样，因而要使受激辐射>吸收，自发辐射一、受激辐射与吸收单体、单时、原子体了吸收量受激辐射能则产生净光能量S（截面）t（辐作用时间）单时光强I（单时，单面的光能）要辐射能量（1）当指数规增强（2）减弱热平衡即如使不是热平衡公布粒子数反转，使粒子吸能，激发到高能级，称为激

4、励（发）抽运，泵浦。什么物质（具什么能级）才能实现二、二能级系统（即物质只具有二个能级）向此体系供能25稳定即当不能实现粒子数反转。三、三能级系统E1：基态E2、E3为激发态，寿命短且E2：亚稳态在激励源作用下，E1的粒子被抽到，则减少，但上的粒子寿命短，粒子将很快通过碰撞交出部分能量以无发射跃迁方式转移到亚放态上，寿命较长，即在上停留时间较长，在减少的同时，不断增多，当，即实现了亚稳态和基态之间的粒子数反转分布。缺点：效率不高，因抽运前几乎全部粒子都处于基态，只有激励很强且抽运很快，才可使。四、四能

5、级系统：亚稳态：激发态、寿命短：基态§4光振荡251、受激辐射与自发辐射自：受：粒子数比：常温（T=300k）R<<12、光学谐振腔当工作物质受外界激励后，有许多粒子跃迁到激发态，在10-8~10-11范围内，跳回基态。发射出自发辐射光子，各向同性、偏离轴向的很快逸出谐振膛，只有沿轴向的在两端受反弹的反射，这些光子就成分引起受激辐射的外界因素，从而产生轴向受激辐射，受辐的光子和引起受辐的光子有相同频率，发射方向，偏状和位相。不断往复通过已反转的工作物质，即不断引起受激辐射，光子不断得放大和振荡，雪崩式

6、从部反射中输出激光。稳定谐振腔的几种结构（1）平行谐振腔（2）同心（3）共焦3、阈值条件25存在损耗因素：反镜吸收，透射、衍射，透射光即为激光。工作物不均匀：折射、散射。T、R、透、反率；输出（透射）的即为激出在来回反射过程中，一方面工作物使光得增益另一方面，光的反射、透射产生光损必须增益大于损耗，光强不断增大，才有稳定激光输出。（1）在M1处I1（2）经工作物到M2（3）经M2反射：（4）再经工物到：（5）再经M1反射：光在工物中正好一个来回要有激光必即令阈值条件形成激光的两个必要条件（1）激光器中

7、工作物能级间粒子数反转公布（2）激光器区须满足阈值条件§9.4激光的单色性都知：激光的单色性好，单色性由什么决定先介绍原子发射的谱线一、谐线宽度1、自然宽度原子发光的寿命与发光频率宽度成反比的即25只有真正单色无频宽，但不可能，因而线宽，自然线宽（因发光时间引起）2、多普勒宽度热运动引起T0时间接近离开热运动引起，运动方向相对按收回有正、有负，使谱线频宽变宽。一般光源泉都存在上述两种宽度，不是单色的谱线宽（最大光强一半行对应）二、谐振腔的共振频率激光单色性好，一定是谐振腔的作用，光来回反射，产生多光束

8、干涉，合成振幅是加强或减弱，由干涉条件决定，设腔长b，波长，每束光束来回一次的位相差，则光强极大共振频率多光束干涉得极大，共振其他波长的光，不符合共振条件而干涉相消，不能存在。说明：同一腔内，同存的共振频不止一个（v）半波长的四倍等于腔长波长的较长25半波长的十倍等于腔长波长较短相邻两共频差值（大，小，腔内共频数目越多发射出的光波中含的频率数目就越多三、激光的单色性例：氖放电管腔相邻共频差则发出的数目为即氦放电管通过谐振腔后射出的光波只存在10个不同的频