Chap.8 Basics of Modern Optics

主讲人：尹国盛 教授河南大学物理与信息光电子学院

Chap.8 Basics of Modern Optics

现代光学以 1960 年梅曼成功研制出的第一台红宝石激光器为标志。

“ 激光”——“ Laser”——“Lihgt amplification by stimulated emission of radiation”.

它是光受激辐射放大的简称，它通过辐射的受激发射而实现光放大。它是一种单色性佳、亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。

我国国家标准给它下的定义是：“由激光器产生的，波长在 1mm 以下的相干电磁辐射，它由物质的粒子受激发射放大产生，具有良好的单色性、相干性和方向性”（ GB/T 15313——94 ）。

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

8.1 原子发光的机理

一、玻尔的氢原子模型

二、能级图

三、原子发光的机理

一、玻尔的氢原子模型 19 世纪末的三大发现： 伦琴： 1895 年—— X 射线—— 1901 年获诺贝尔奖； 贝克勒尔： 1896 年——放射性—— 1903 年获诺贝尔奖； 汤姆孙： 1897 年——电子—— 1906 年获诺贝尔奖 . 汤姆孙　→　卢瑟福　→　玻尔　→　海森伯 西瓜模型　　行星模型　壳层模型　不确定关系 1897 年　　　 1911 年 1913 年 1927 年 (1906 年 1922 年 1932 年 ) 英《物理世界》千年特刊评出的 10 名最杰出物理学家： ⒈ 爱因斯坦（美籍德国人、 1921 ） ⒉牛顿﹙英国人﹚ ⒊ 麦克斯韦﹙英国人﹚ ⒋玻尔﹙丹麦人、 1922﹚ ⒌ 海森伯 ( 德国人、 1932) ⒍ 伽利略﹙意大利人﹚ ⒎ 费曼﹙美国人、 1965 ﹚ ⒏ 狄拉克﹙法国人、 1933 ﹚ 、薛定谔﹙奥地利人、 1933﹚ ⒑ 卢瑟福﹙英籍新西兰人﹚ 诺贝尔奖是 1901.12.10. 诺贝尔逝世 5 周年纪念日时颁发第一届 .

部分著名的物理学家：

一、玻尔的氢原子模型 玻尔理论的基本假设 .

电子的角动量 ， n=1,2,3,… 主量子数 . 电子的轨道半径： ，

h=6.626176×10-34 J·s, e= 1.60219×10-19C,m=9.10956×10-31 kg ， 0 =8.85419×10-12 F/m

第一轨道半径： 电子的轨道速度：

0

2

22

4

1,

kr

Zek

rm

2

hnrm

Z

na

Zkme

hnr

n

2

1

22

2

2

4

Amme

h

kme

ha 53.010529166.0

4

4

410

22

2

0

22

2

1

nh

Zke22

二、能级图

负号表示要把电子从原子中移开必须对电子作功 . 能级图：用一条条水平线的高低来代表能量的大小的图形 .

eVEEn

z

hn

kZme

r

ZekEEE

r

ZekmE

r

ZekE

kpn

kp

6.13,22

22

1,

112

2

22

224

2

2

2

2

2

三、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。

吸收： , 发射： ,

E1 为基态，能量最低，其它态为激发态。

1221EEhv

1551 EEh

8.2 光与原子相互作用

一、吸收

二、自发辐射

三、受激辐射

四、三个系数的关系

一、吸 收 只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔 E2 － E1 时，这样的光子才能被吸收。

其中 B12 称为受激吸收爱因斯坦系数， 称为吸收速率。

)()(B)(11212111212112vunnvunnvunn ，，)()(B)(

11212111212112vunnvunnvunn ，，

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—自发辐射过程。

n21 = n2 A21

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 。

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。

21

1A

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—受激辐射。

其中 B21 称为受激辐射爱因斯坦系数。 注意：①只有当外来光子的能量 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。

21222121)(B nvunn

1221EEh

21h

四、三个系数的关系

B12 = B21 = B

3

3

21

218

c

hv

B

A

8. 3 粒子数反转 一、光放大与粒子数反转二、能实现粒子数反转的物质 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——行。

8. 4 光振荡 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。

作用：正反馈、谐振、输出。 激光：雪崩式———骤然增加。

8. 5 激光的单色性

一、谱线宽度

二、谐振腔的共振频率

三、激光的单色性

四、选模

一、谱线宽度 频宽：

自然线宽：根据关系式 c =λ 形成的谱线宽度 ,

多普勒宽度：

谱线宽度：

详见《广西物理》 2003 ， No.3.

c

uc10

tv 1

12

c

uc10

2

c

二、谐振腔的共振频率

共振：当腔长与光波频率满足 时，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： 。

.2

,

,2,22

cjc

jj

又

2cj

2

2

；2c

三、激光的单色性

激光的单色性定义为△ /0

或△ λ/λ0 ，其中 0 、 λ0 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。

四、选 模 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。

可利用 F-P 标准具进行选模，条件是：

.cos2 2ind

ckk

8.6 激光的相干性

一、时间相干性和空间相干性二、普通光源的相干性三、激光器的横向模式四、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△ tH 。 相干长度：在相干时间内光经过的路程△ lH ， △lH = c △tH 。迈克耳孙干涉仪————光的时间相干性；杨氏实验——光源的空间相干性。

二、普通光源的相干性

三、激光器的横向模式 在激光束横截面上呈现各种

光强的不同图样的稳定分布称为激光束的横向模式，简称横模。

取激光器的轴向作为直角坐标系的 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 TEM

mn 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。 TEM

00 称为低次模式，其它的模式皆称为高次模式。

四、激光的相干性 激光的相干性也包括时间相干性和空间相

干性。∵ 原子发光时间和所发光的频率宽度成反比，即

而激光的△非常小，比普通光要小得多，∴ 激光的相干时间△ t 很大，即激光的时间

相干性很好。 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条件。正是由于激光器的衍射作用，使激光的空间相干性提高了。

tv 1

8. 7 激光器的种类 目前激光器的种类很多，有很多种分类方法：

1.按激光器工作物质性质分

导体激光器泵浦激光器；砷化镓半半导体激光器：二极管

准分子气体激光器离子气体激光器分子气体激光器原子气体激光器

气体激光器：

器、化学激光器液体激光器：燃料激光固体激光器：红宝石等

8. 7 激光器的种类

2.按激光器工作方式分

超短脉冲激光器可调谐激光器准连续激光器连续激光器重复频率激光器脉冲激光器

8.7 激光器的种类 3.按激光器的谐振腔分

4.按激光器的激励方式分

总之，不管怎样分，每一类都包括许多激光器。

环形激光器：内腔式波导激光器：全外腔式

光器光泵浦激光器：固体激激光器电泵浦激光器： He-He

祝同学们：

身体好，心情好，学习好，元旦快乐！

8.8 非线性光学 一、概念： 激光出现之前的光学基本研究的是弱光束在介质中

的传播、反射、折射、干涉、衍射、线性吸收和线性散射等现象。这些散射满足波的叠加原理，光场在物质中感生的电极化强度与外界电场强度成正比，即：

， 物质对光场的响应与光的场强成线性关系—线性光学。 随着激光这种强光束的出现，物质对光场的响应与

光的场强为非线性关系——非线性光学，即：

Or ： P =

EExP

0

4)4(

0

3)3(

0

2)2(

00ExExExxEP

32 EEE

8.8 非线性光学 二、内容： ①强光与物质的相互作用；②二阶非线性；③三阶

非线性；④受激拉曼散射（红、紫伴线）；⑤光混频（倍、和、差）；⑥激光自聚焦；⑦光学相位共轭；⑧光学双稳态；⑨光学混沌；⑩超快过程……

三、发展： ①早期 10 年（ 1961—1970 ）：晶体、液体、气体……

②全面深入 20 年（ 1971—1990 ）：半导体、光纤通信、无机非线性晶体……

③新进展 14 年（ 1991—2004 ）：新型光学晶体、非秒化学、飞秒生物……

四、方法： ①非线性干涉法；②简并四波混频法；③自衍射；④椭圆偏振术；⑤光束畸变；⑥ z 扫描。

详见《物理》 2002 ， 31 （ 11 ）： 708—712 。

8.9 全息照相

一、 全息照相 二、 基本原理 三、 全息照相的摄制与再现装置 四、 全息照相的特点 五、 全息照相的一些应用

一、全息照相 既能记录光波振幅的信息，又能记录光波相位信息的摄影 .

二、基本原理

三、 全息照相的摄制与再现装置

四、 全息照相的特点 ⒈ 它是一个十分逼真的立体像。它和观察到的实

物完全一样，具有相同的视觉效应。 ⒉ 可以把全息照片分成若干小块，每一块都可以完整地再现原来的物像（孙悟空似的分身术）。

⒊ 同一张底片上，经过多次曝光后，可以重叠许多像，而且每一个像又能不受其他像的干扰而单独地显示出来，即一张底板能同时记录许多景物。

⒋ 全息照片易于复制。

普通光再现、彩色立体电视、彩色立体电影等。

五、全息照相的一些应用

⒈ 全息干涉测量 ⒉ 全息显微术 ⒊ 全息技术在海洋学中的应用 ⒋ 全息照相制作光学元件 ⒌ 全息防伪技术

8.10 光盘存储技术 激光光盘是继缩微技术和磁性存储介质之后所发展起来的一种崭新的信息存储系统。它是通过用激光束照射旋转的记录介质层来改变记录介质对光的反射和透射强度，从而进行二进制信息的记录。其基本原理是基于光子同物质之间的直接相互作用，导致记录介质产生能够识别的物理和化学等性质的变化，从而达到信息记录的目的。它具有存储容量大、高清晰高保真图像、数字式信号读取方式、读出速度快、保存时间长、价格低廉等特点。其主要存储机制有：磁光存储、光致变色存储、光子烧孔存储、双光子吸收存储、光折变存储、热光存储、四波混频存储、全息存储、光电存储、光致分子取向存储、纳米存储等。按其功能的不同，光盘可分为：只读、只写式，可写式，可擦除式等。 详见《河大学报》 2001No.1.