第八章 现代光学基础ppt课件.ppt

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1、第八章现代光学基础第八章现代光学基础§8.1光与物质的相互作用§8.2激光原理§8.3激光的特性*§8.4激光器的种类*§8.5非线性光学§8.6信息存储技术第八章现代光学基础激光(Laser):LightAmplificationofStimulatedEmissionofRadiation种类：固体激光器——1960年（红宝石、美国休斯实验室）半导体激光器——1962年（砷化镓）液体激光器——1966年（无机液体）化学激光器——1964年准分子激光器——1977年可调谐染料激光器——1975年

2、（有机液体）§8.1光与物质的相互作用一原子的发光机理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1.玻尔的氢原子模型电子的轨道半径电子的轨道速度2.能级图3.原子发光的机理玻尔又假设：当电子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

3、量最低，其它态为激发态。二、光与原子相互作用1.吸收h•E2E1B12——受激吸收爱因斯坦系数只吸收特定频率的光子u()：光的辐射能密度光与物质相互作用归结为光与原子相互作用吸收自发辐射受激辐射吸收：外来激励下，原子由低能态高能态，吸收光子从能级E1E2的原子数：n1处于能级E1的原子数2.自发辐射和受激辐射hE2E1•自发辐射光子数：A21：自发辐射爱因斯坦系数自发辐射：自发地从高能态低能态，放出光子只辐射特定频率的光子n2：处于能级E2的原子数hE2E1•hh受激辐射光子

4、数：B21——受激辐射爱因斯坦系数受激辐射：外来激励下，原子由高能态低能态，放出光子自发辐射是无规的（方向、初位相）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3.吸收、自发辐射和受激辐射三系数间的关系吸收自发辐射受激辐射处于热平衡状态时有：根据玻尔兹曼定律§8.2激光原理一、粒子数反转系统处于热平衡状态时，要实现光放大，得有：即粒子数反转分布实现的条件外界输入能量工作物质有合适的能级结构—激活介质hE2E1•hh受激辐射：一个光子成两个光子光放大但有外来光激励下，也同时

5、会发生吸收，究竟是吸收占优势还是受激辐射占优势？吸收占优势2.四能级系统E1E2E3E4He-Ne激光器CO2激光器—亚稳态E3、E2间粒子数反转分布，由于E2本身是激发态，粒子数少，容易实现粒子数反转二、实现粒子数反转的物质hE2—亚稳态E1•hhE3A32A31n3如果有A32>A31A32>A21，则处于能态的原子数大大增加，使n2>n1，实现粒子数反转—基态E3激发态，寿命短，经自发辐射，E3E2，E3E1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）能量红

6、宝石激光器1.三能级系统三、光学谐振腔使得在某一方向上实现受激辐射占主导地位的装置。全反射镜R1=100%部分反射镜R2=98%工作物质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。激光输出谐振腔四、光振荡的阈值条件：增益系数阈值增益：才能实现光振荡而输出激光振荡过程中有损耗：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LI0I1I2R1R2R2I1I3经过一个来回阈值条件§8.3激光的特性一、谱线宽度原子发光的寿命与发光频率宽度成反比的1.

7、自然宽度根据关系式自然谱线宽度为中心频率2.多普勒宽度二、激光的单色性1.谐振腔的共振频率共振频率：符合共振条件的光波频率共振：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两个相邻共振频率之差：两个相邻共振波长之差：2、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，如果只存在一个共振频率，则称为一个纵向模式或称为纵向单

8、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3.选模三、激光的相干性1.激光的时间相干性2.激光的空间相干性相干长度：l=c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单模TEM00——高斯形分布多模TEMmnTEM21*§8.4激光器的种类产生激光的两个必要条件：粒子数反转分布（要有激活介质，激励能源）2.达到阈值条件（谐