《光学》-第14章现代光学系统教案

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1、第14章现代光学系统随着光学技术的不断发展，新的光源(激光)和接收器件(r}c})的出现，产生了许多新的光学系统，本章介绍几种现代光学系统。14.1激光}o世纪初爱因斯坦根据量子理论曾预言可能出现一种新的光束。moo年世界上第一台红宝石激光器问世，我国也丁1961年成功地研制了红宝石激光器和氦氖激光器，所以中国激光研究起步并不算晚。1。激光1)激光的特点激光与普通光源不同，它具有亮度高，方向性、单色性和相干性好等特性，这些特性是普通光源发出的光所达不到的。(均激光的方向性以及高亮度。任何一个光源总是有一个发光面，并通过发光面向外

2、发光，如口光灯，它的发光面是涂有荧光物质的玻璃管，而接电源的两个端面并不向外发光。由于光线是直线传播的，因此可用发光面上的每一点向发光方向画出的直线来代表该点发出的光线，并称两光线之间的最大夹角为该光源发出光的发散角2B，如图14-1(a)所示。图中CAA与OE之间的夹角最大，故日光灯的发散角2B二1800。而激光器则不同，由于它的发光面仅仅是一个端面h的一个圆光斑(以氦氖激光器为例，其光斑半径仅为十分之儿毫米)，所以激光器通过这一光斑向外发出的光的发散角2B0.180，如图14一1(b)仅为毫弧度数量级。图14一1发散角图(a

3、)2B=i80";(})2e=}.}s0t,激光束是在空问传播的圆锥光束，如图14一2所示。可用立体角表示光束发射的情况。面积为S的一块球面对Q点所张的立体角为。，等于这块面积S一与球半径R的平方之比，即S田二R}而当9角很小时，其立体角为。(B})2}2=zr6}当8=1}-3rad,}r=zrxl0-s。这就是说，一般的激光器只向着数量级约为1}-}的}i_体角范围内输出激光光束。由此可见，激光的方向性比普通光源发出的光好得多。一个发光面积为dS的光源，在时间d‘内向着法线方向上的立体角d。范围内发射的辐射能量为d}，则光源

4、表面在该方向卜的亮度L为d币dSd,}d}(14一1)L为单位面积的光源表面在其法线方向上的单位立体角范围内传输出的辐射功率。从式(l}一})可以看出，在其他条件不变的情况下，光束的立体角dry越小，亮度越高;发光时间d}越短，亮度也就越高。而一般的激光光束的立体角可小至10-}数量级，比普通光源发出的立体角小百万倍，因此，即使两者在单位面积上的辐射功率相差不大，激光的亮度也比普通光源高上百万倍;并且激光的发光时间很短(如红宝石激光器发一次激光的时间约为1。一4，)，所以光输出功率可以很高。总之，正是由于激光能量在空间和时间上的

5、高度集中，才使得激光具有普通光所达不到的高亮度。[2)激光的单色性和时间相干性。①激光的单色性。同一种原子从、个高能级Ez跃迁到另一个低能级E，总要发出一条频率为。的光谱线。其频率为E:一E,Y=一}L-式中:h=6.6}62}x1}-3`')一为普朗克常数。实际上，光谱线的频率并不是单一的，总有一定的频率宽度dv，这是由于原子的激发态总有一定的能级宽度以及其他原因引起的。在图1}-中，曲线}}Y表示一条光谱线内光的相对强度按频率，分布的情况。、f(。)称为光谱线的线型函数。不同的光谱线可以有不同形式的f(司0若令，。为光谱线的

6、中心频率，当v--u。时，f(。)为极大值，则将,f}v)=0.5f,}}:}}}v)时所对应的两个频率，2与。、之差的绝对值作为光谱线的频率宽度}v，即}u=}v:一}r}与频率宽度相对应，光谱线也有一个波长宽度么人，并且么人与△。有如下的关系:△}么v人v由此可见，对于一条光谱线来说，若已知△。则可求出△A，反之亦然。一般地说，宽度△A与△，越窄，光的单色性就越好。例如，在普通光源中，同位素I}rs“灯发出的波长.l=6D57}的光谱线，在低温条件下，其宽度△}=a.}a}}}〕而单模稳频氦氖激光器发出的波长}-6328的激

7、光，其△}}.lo-'}o②激光的时间相干性。以第2章讲过的迈克尔逊于涉仪为例，由光源射来的单色光，在分光镜上分为两束光a和b，这两束光经过不同的路径最后在屏.上发生干涉。而反射镜峻每移动}l2，屏尸中心处两束光干涉后的光强度f将亮、暗交替变化一次，其光程差为八L二心(K为亮暗交替的次数)。我们知道，包括激光在内的一切光束都不会是完全单色的，总有一定的波长宽度l1h，最短的波长为(h一么人I2)，最长的波长为(^十△hl})。在这一范围内，每一波长的光在屏尸中心处干涉后的合成光强度亮、暗交替的情况均如上所述，但合成强度达到峰值的

8、光程差}L的数值却因波长不同而有所不同。当光程差达到某一数值△纵。时，波长为(入一△hl}.)的第}+1个强度峰值与波长为(h十△人l})的第K个强度峰值将重合在一起，至此以后，光程差再增加，则屏P中心处已不能再观察到亮.、暗交替的现象，如图14一4所示。因此波