1、第八章,现代光学基础,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”（光受激辐射放大）,它是一种单色性佳、亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。,目前，在激光理论，激光技术，激光应用等各个方面，都取得了巨大进展，而且带动了全息光学，非线性光学，傅里叶光学，激光光谱光，光化学，光通讯，光存贮，光信息等新兴学科的发展。,我国激光器1961年9月问世：长春光学精密机械研究所，王之江领导设计并和邓锡铭、汤显
2、里、杜继禄等共同实验研制成的。,8.1 光与物质的相互作用,图8-1,8.1.1原子的发光机理 一、玻尔的氢原子模型,（1）,玻尔引用量子论，提出一个假设： 电子的角动量 ，只能等于 的整数倍，即,n（主量子数）=1，2，3， （2）,由（1）和（2）得：,二、能级图,三、原子发光的机理,E1为基态，能量最低， 其它态为激发态。,吸收 发射,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。,
3、8.2 光与原子相互作用,光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，这种相互作用，有三种主要过程：吸收，自发辐射和受激辐射。,一.吸收,只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔E2E1 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。,二、自发辐射,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。,自发地从激发态返回较低能态而放出光子的过程称为自发辐射过程。,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,三、受激辐射,注意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
4、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,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、三个系数的关系,B12 = B21 = B,8.3 粒子数反转,一、光放大与粒子数反转,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，四能级系统很容易实现粒子数反转。,二、能实现粒子数反转的物质,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
5、骤然增加,8.5 激光的单色性,一、谱线宽度,谱线宽度,多普勒宽度,形成的谱线宽度,自然线宽：根据关系式 c =,频宽,二、谐振腔的共振频率,两个相邻共振波长之差,两个相邻共振频率之差,共振频率 ：符合共振条件的光波频率。,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。,三、激光的单色性,激光的单色性定义为 /0 或/0,其中0 、0 为激光谱线的中心频率和中心波长， 和为相应的频率宽度和谱线宽度。,四、选模,可利用F-P标准具进行选模，条件是,在激光技术中，如同时存在几个共振频率，则称为纵向多模。,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
6、单模，简称单纵模。,8.5 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,杨氏实验光源的空间相干性。,迈克耳孙干涉仪光的时间相干性；,lH = c tH,相干长度：在相干时间内光经过的路程lH,相干时间：原子的平均发光时间间隔tH 。,相干性：空间任意两点光振动之间相互关联的程度。,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
7、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。,四、激光的相干性,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。,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。,原子发光时间和所发光的频率宽度成反比，即,激光的相干性也包括时间相干性和空间相干性。, 8.9 全息照相,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,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。 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）。 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。 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,全息干涉测量 全息显微术 全息技术在海洋学中的应用 全息照相制作光学元件 全息防伪技术,结束,
