《现代光学基础姚》PPT课件

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1、第八章现代光学基础主要内容8.1原子发光的机理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8.8非线性光学8.9全息照相8.10光盘存储技术8.11傅里叶光学的几个基本概念8.12阿贝成像原理8.1原子发光的机理一、玻尔的氢原子模型氢和类氢原子中的电子绕核作圆周运动电子轨道角动量量子化n=1,2,3,…主量子数电子的轨道半径电子的轨道速度二、能级图能级图：用一条条水平线的高低来代表能量的大小的图形.能量是负的，表示要把电子从核产生的场中移开须对电子做功三、原子发光的机理玻尔又假设：当电子

2、在某一个固定的允许轨道上运动时，并不发射光子。当电子从一个能量较大的状态跃迁到一个能量较小的状态时,电子的总能量发生变化.这部分能量的改变值就以光子的形式辐射出来。反之，当电子从一个能量较小的状态跃迁到一个能量较大的状态时，它吸收光子。例如：见右图吸收：发射：E1为基态，能量最低，其它态为激发态。8.2光与原子相互作用一、吸收当光子的能量正好等于原子的能级间隔时，可被原子吸收。设有其中称为受激吸收爱因斯坦系数，称为吸收速率。二、自发辐射自发地从激发态返回较低能态而放出光子的过程。其中A21称为自发辐射爱因斯坦系数。原子在能级E2上的平均寿命为一般

3、激发态寿命约为特点：这种过程与外界作用无关，除激光器光源外，普通光源的发光都是自发辐射。三、受激辐射处于激发态的原子，在外来光子的影响下，引起从高能态向低能态的跃迁，并把两个状态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去的过程其中B21称为受激辐射爱因斯坦系数，称为受激辐射速率。结论：（1）只有当外来光子能量正好满足关系式时，才能引起受激辐射。（2）受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率、相同的发射方向、相同的偏振态和相同的相位。四、吸收、自发辐射和受激辐射三系数的关系8.3粒子数反转一、受激辐射与吸收激光：受激激辐射实现光放大光放大：一个光子射

4、入，出射两个更多特征一样的光子必须要求：受激辐射超过吸收、自发辐射二能级物质不能实现粒子数反转，三能级系统实现粒子数反转有可能，四能级系统实现粒子数反转比三能级容易。二、能实现粒子数反转的物质8.4光振荡一、受激辐射与自发辐射受激辐射和自发辐射光子数之比：如要R>>1，必须很大。可设计特殊装置。二、光学谐振腔：能在某一方向上实现受激辐射占主导地位的光学装置。三、稳定谐振腔的几种结构（1）平行谐振腔（2）同心谐振腔（3）共焦谐振腔四、光振荡的阈值条件能够实现激光振荡的必要条件为阈值条件总结：产生激光的三个条件：1、具备能实现粒子数反转的工作物质2、

5、稳定的光学谐振腔3、满足激光振荡的阈值条件8.5激光的单色性一、谱线宽度1.自然宽度原子发光的寿命与发光频率宽度成反比的根据关系式自然谱线宽度2.多普勒宽度为中心频率二、谐振腔的共振频率共振：光在腔内来回反射一次的光程差多光束干涉的结果得到极大值的情况共振频率：符合共振条件的光波频率两个相邻共振频率之差：两个相邻共振波长之差：三、激光的单色性激光的单色性定义为或其中、为激光谱线的中心频率和中心波长，△和△λ为相应的频率宽度和谱线宽度。图中：①放电管所发光波的频率轮廓②横坐标代表腔共振频率，即射出的光波频率③共振轮廓在激光器的输出光束中，如果只存

6、在一个共振频率，则称为一个纵向模式或称为纵向单模，简称单纵模。在激光技术中，如同时存在几个共振频率，则称为纵向多模。常用方法：腔内插入F-P标准具进行选模四、选模8.6激光的相干性一、时间相干性和空间相干性相干性：空间任意两点光振动之间相互关联的程度相干时间：原子的平均发光时间间隔相干长度：在相干时间内光经过的路程可在迈克耳孙干涉仪中讨论光的时间相干性可在杨氏实验中讨论光的空间相干性二、普通光源的相干性普通光源中，受激辐射过程总小于自发辐射过程，相干性较差。获得方法：（1）用单色仪分光，通过狭缝所得的光，单色性很好，时间相干性很高。（2）杨氏实验

7、中，光通过极小的开孔（缝），其空间相干性很高，但光强已弱到几乎不能利用激光在谐振腔内振荡的过程中，在光束横截面上形成具有各种不同形式的稳定分布，在光束横截面上的这种稳定分布，称横向模式，即其光强分布不均匀，原因主要是衍射取激光器的轴向作为z轴，以谐振腔的中心点为原点，并在与主轴z垂直的平面上取x轴和y轴，用符号TEMmn来表示各种横向模式。这里m、n均为正整数，分别表示在x轴和y轴方向上光强为零的那些零点的序数，称为模式序数。TEM00称为低次模式，其它的模式皆称为高次模式。三、激光中的衍射损耗四、激光的相干性1、时间相干性激光的△非常小，比普

8、通光要小得多，所以激光的相干时间△t很大，即激光的时间相干性很好。2、空间相干性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