现代光学基础8

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1、第九章现代光学基础本章内容：原子发光机理；光厶物质相互作用；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。有儿个基本建设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、能量改变的最子化（即为原子发光机理）1、模型（核近似不动）电子核作圆周运动mV£_1r4兀£（）z.e22E=-mv22Ze4亦（）厂2（4兀£（）门对氢原子Z=12/de2能量为负E］二一2（4亦（）斤）2、量子化（轨道、能量、角动量）（h、mvr=n{——）2龙/?=6.26x10~34

2、丿•S普朗克常数由此rn=n2rjzZE、Eh=0表示电子成为口山电子，不受核场束傅E为负表示要把电子从核产生的场中移开，须对电子做功定乙电子轨道（不是连续的）能级图，原子处于不同的能级状态。E］：基、E2、E3、E,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。从厶TE2-E、必吸能能量为光子提供，光频V则E2-E{=防21若爲T厶凤-耳必旋能则耳-巴=hr3［发光的频率因核认为不动，电学能认为是原子

3、所有的能量Ei：基态E2、E3、E4xE5激发态§9.2光与原子相互作用一、光子与原子作丿小吸收、辐射一、吸收£2—E设（原子密度）；U（r）（辐射能量密度）窝J£

4、片Et则单体单时内耳t&的原子数n12（#，（b,（c）/?12oonjW（V）h12=B］2H,M（r）=n}201?二、自发辐射激发态寿命10一8$刃2】=“2人21自发辐射爱斯系数三、受激辐射/?；]=B2ln2u(v)n2[=n2w2l只有当hv2i=E2-d,才能引起受激辐且发射的光了与外来光子一样。四、Bl2、人21、B2I三者之

5、间的关系平衡（在光与物作用时，存在三种过程）即n,Bl2w(v)=n2A2l+n2B2]u(y)M(V)=n2热平衡节初一骨］［一鈴按能分布送从玻耳兹曼足律E2>£]“，呦-铲＜1能低,粒了数多ce/KT§9.3粒子数反转激光：受激激辐射实现光放大光放人：一个光子射入，出射两个更多/n4寺征一样，因而要使受激辐射〉吸收，自发辐射一、受激辐射与吸收单休、单时、原子体了吸收量n12/?v=n^Bufy^hv受激辐射能n2lhv=n2Bp(v)hv则产牛净光能量佃-n})Bp(v)hvS(截而)t(辐作用时间)

6、单时=昱一=（斤2-）P（V）B/?Vtdvtsgy光强I（单时，单面的光能）x?（v））=-"八J厂/、dzdJ/（y）=—=Cp（v）t右=—-tsdZtsaz务=（“2f）今斷=（"2-“冲）診D診dgg）十®要辐射能量几>1。••・^(v)>0(1)当a(v)>0,(n2-«1)>0指数规增强(2)6z(v)<0,(n2-Hj)<0减弱热平衡n20)不是热平衡公布粒子数反转，使粒子吸能，激发到高能级，称为激励(发)抽运，泵浦。什么物质(具什么能级)

7、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*•*B]?=B?=B••"12=吗=Bu（v）=coqn2如/、*—^=0（%_心）_〃朋dt稳定如=0dtn2_co/?!A2}+coA2X+co>co即n200=i即么ti不能实现粒子数反转。>ocA?I+3®三、三能级系统EI：基态M^2311血0)52E2、Eg为激发态，寿命短且E2：亚稳态在激励源作用下，E

8、的粒子被抽到E3,则①减少，但伦上的粒子寿命短，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£.±

9、,d寿命较长，即在上停留时间鮫长，在®减少的同时，勺不断增多，当〃2〉也，即实现了亚稳态尽和基态3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J：基态，只有激励很强且抽运很快，才可使n2>/?!o四、四能级系统E）Eg:亚稳态e4：激发态、寿命短E]:基态§4光振荡1、受激辐射少口发辐射6：n21=n2A21受：H2=S2in2W(V)粒子数比：/?=«(v)£常温(T=300QR«12、光学谐振腔全彎镜工作物质部分反射镜当工作物质受外界激励后，有许多粒子跃迁到激发态，在lO^lO-1

10、1范围内，跳冋基态。发射出自发辐射光子，各向同性、偏离轴向的很快逸出谐振脾，只冇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，从而产牛轴向受激轴射，受辐的光子和引起受辎的光子有相同频率，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，雪崩式从部反射中输出激光。稳定谐振腔的几种结构(I)平行谐振腔(2)同心(3)共焦3、阈值条件存在损耗因素：反镜吸收，透射、衍射，