1. 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

2.  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 ）。

3. 主 要 内 容主 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

4. 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

5. 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.

6. 部分著名的物理学家：

7. 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 -19 C,  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：

8. 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.

9. 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：,  E 1 为基态，能量最低，  其它态为激发态。

10. 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

11. 一、吸 收  只有当光子的能量正好等于原子的能级 间隔 E 2 － E 1 时，这样的光子才能被吸收。  其中 B 12 称为受激吸收爱因斯坦系数， 称为 吸收速率。

12. 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。  n 21 = n 2 A 21  其中 A 21 称为自发辐射爱因斯坦系数。 原子在能级 E 2 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。

13. 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 B 21 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。

14. 四、三个系数的关系  B 12 = B 21 = B

15. 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。

16. 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。

17. 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

18. 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.

19. 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： 。

20. 三、激光的单色性  激光的单色性定义为△ / 0 或△ λ/λ 0 ，  其中 0 、 λ 0 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。

21. 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：

22. 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

23. 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△ t H 。  相干长度：在相干时间内光经过的路程△ l H ，  △ l H = c △ t H 。  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

24. 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。

25. 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。

26. 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

27. 8. 7 激光器的种类  2. 按激光器工作方式分

28. 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。

29. 祝同学们：  身体好，  心情好，  学习好，  元旦快乐！

30. 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 =

31. 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 。

32. 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

33. 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

34. 三、 全息照相的摄制与再现装置

35. 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。

36. 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

37. 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.