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1、第八章 现代光学基础,主讲人：夏立新河南科技大学理学院物理系,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8.11 傅里叶光学的几个基本概念8.12阿贝成象原理8.13阿贝波特实验和空间滤波,8.1 原子发光的机理,玻尔的氢原子模型理论为半经典半量子理论 玻尔理论的基本假设.（）、核外电子绕核作圆周运动（）、电子轨道，能量，角动量量子化（）、能量改变的量子化（即为原子发光机理）,模型（核近似不动）,量子化（轨道，能量，角
2、动量）,能级图：用一条条水平线的高低来代表能量的大小的图形.,能量改变量子化（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。,8.2 光与原子相互作用,一、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,n21=n2 A21,其中A21 称为自发辐射爱因斯坦系数。,三、受激辐射,其中B21
3、 称为受激辐射爱因斯坦系数。,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,四、三个系数的关系,B12=B21=,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，四能级系统实现粒子数反转行。,8.4 光振荡,、受激辐射与自发辐射 自发辐射：n21=n2A21 受激辐射：、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。,8.5 激光的单色性,一、谱线宽度,频宽：自然线宽：根据关系式 c=形成的谱线宽度多普勒宽度谱线宽度：,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
4、。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：,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。、放电管所发光波的频率轮廓、横坐标代表腔共振频率，即射出光波频率、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,8.6 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
5、。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；杨氏实验光的空间相干性。,二、普通光源的相干性 普通光源中，受激辐射过程总小于自发辐射过程，相干性较差。获得方法：、用单色仪分光，通过狭缝所得的光，单色性很好，时间相干性很高。、杨氏实验中，光通过极小的开孔（缝），其空间相干性很高，但光强已弱到几乎不能利用,三、激光中的衍射损耗 激光在谐振腔内振荡的过程中，在光束横截面上形成具有各种不同形式的稳定分布，在光束横截面上的这种稳定分布，称横向模式，即其光强分布不均匀，原因主要是衍射,四、激光的相干性 1、时间相干性,激光的非常小，比普通光要小得多，所以激光的相干
6、时间t 很大，即激光的时间相干性很好。,2、空间相干性 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。,8.8 非线性光学,一、极化强度和极化波 原子在光源作用下，正负电中心拉开，被极化成电偶极子 单位体积内的原子的极化偶极距矢量和 P称电极化强度 极化场发射次极电磁波二、线性光学 当入射光中的电场强度E远小于原子的内场强时，则光在物质中感生的电极化强度 次级辐射与入场光相互替力的结果，决定物质对入射光场的反射，折射，散射等 几种不同频率光与物质作用，各频光线性独立，反射，折射，散射，不产生新频率 光的独立性原理,物质对光场
7、的响应与光的场强的关系为非线性关系。式中，都是物质有关的系数当外界光场强E远小于时，要观察非线性光学现象需要高强度激光束。只有激光引进以后，非线性光研究才得以快速发展。四、非线性光学现象1、激光信频技术2、受激拉曼散射3、激光自聚焦,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.全息照相分两步：记录和还原光的振幅,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（与普通照相比较）1、以干涉衍射的规律为基础（普：以几何光学的规律为基础）2、立体图象，如实反映视差，三维。和观察实物一样，看远近物 象，需眼睛重新调焦。如果被遮住，偏头即可见。（普：平
8、面，二维）3、物的信息遍布整个全息片.如果有缺损,仍然能再现被摄物,只是 象的分辨率减小.即:点与面对应(普:物象点点对应,缺损不行)4、可以重叠象(普:不行,象模糊不清)5、易于复制 6、要求相干光源-激光(普:一般光源)7、如果再现光波大于记录光波,则再现物光束被放大 如，则物光束相应缩小,五、全息照相的应用,1、全息干涉测量2、全息显微术3、超声全息术4、全息存储术,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。基本原理:基于光子同物质之间
9、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。特点: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,8.11 傅里叶光学,一、概述 激光出现后，光学的重要发展之一，是将数学中的傅里叶变换和通 讯中的线性系统理论引入光学，形成的光学分支付里叶光学。通讯理论：输入信息：物平面的光强分布 输出信息：象平面的光强分布 物（输入）象（输出）光学系统传递和处理的信息是空间函数。数学观点：空间函数与时间函数的数学变化规律没有实质性的差别。,二、空间频率,单色平面波,为随t无限延续，随空间子无限延伸的波动,空间频率：在某方向单位长
10、度内重复系统或余弦分布的几何图形或物理量的次数。,三、复振幅,单色平面波,复振幅：,若不考虑光波随时间的变化，可用复振幅表示光波。,任意方向,为平面波面上任一点P的位置矢量,8.12 阿贝成像原理,一、原理,二、付里叶变换在光学成象中的应用(一)付里叶变换和付里叶积分,1、付里叶级数,展成付氏级数,由,令周期,作代换,所以,3、付里叶变换,4、付里叶变换的性质,（1）线性,（3）位移律,（4）尺度变化,（5）实函数的对称性,（二）讨论两次付里叶变换的成象过程,1次：付里叶变换的作用是将空间位置分布变成空间频率分布。2次：将空间频率分布重新组合还原到光场的空间分布,光学传递函数：要正确评价一个光学系统成象质量的优劣，必须全面 观察物面上各种频率成分经光学系统的传播情况，用来表示这种 传播情况的函数称为光学传递函数。,8.13 阿贝波特实验和空间滤波,实验图：,空间滤波：改变象的频谱的物理过程在频谱面（后焦面）上放一些栏截物，圆孔（屏）狭缝等，改变频谱，从而使象发生改变。,
