第八节 现代光学系统ppt课件.ppt

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1、第八节现代光学系统激光光学系统傅里叶变换光学系统扫描光学系统光电光学系统一、激光光学系统1、激光的物理基础----受激辐射受激吸收：当外来光子的能量大于或等于原子的两个能级差时，就会把原子从低能态激发到高能态。自发辐射（荧光）：处于高能态的原子在没有受到外来光子作用而自发地返回低能级，并同时发出光辐射的过程。受激辐射：在能量相应于两个能级差的外来光子作用下，会诱导处于高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出数量加倍的光子，即光被放大了。这正是产生激光的基本过成。受激发射的光子与入射光子频率、相位相同，偏振方向和传播方向也相同。因此由受激发射跃迁所产生的光子具

2、有很好的相干性和方向性。按照原子的量子理论，光和原子的相互作用可能引起受激吸收、自发辐射、受激辐射三种跃迁过程。在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。如果想获得越来越强的光，也就是说产生越来越多的光子，就必须要使受激辐射产生的光子多于受激吸收所吸收的光子。光子对于高低能级的原子是一视同仁的。在光子作用下，高能级原子产生受激辐射的机会和低能级的原子产生受激吸收的机会是相同的。是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原子数量之比。若位于高能态的原子远远多于位于低能态的原子，就得到被高度放大的光。在通常热平衡的原子体系中，原子

3、数目按能级的分布服从玻尔兹曼分布规律。因此，位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。受激吸收和受激辐射之间的关系2、产生激光的先决条件在热平衡条件下，受激吸收能量大于受激发射能量。要实现受激发射能量大于受激吸收能量，必须使高能态的原子数目多于低能态的原子数目，即粒子数反转。首先是原子能级起码要具有三级，即原子能级系统中要有亚稳态存在，其次运用外界激发方式实现粒子数反转。在激光器中，激光工作物质是产生光辐射和放大的物质基础，激光跃迁上、下能级之间的自发发射是激光器中光辐射信号的初始来源，光信号的

4、放大是通过该两能级间的受激辐射来实现。激光器工作原理3、激光器的三大要素工作物质工作物质是指能够产生受激辐射的材料，可以是气体、液体、固体或半导体。关键是能在这种介质中实现粒子数反转，以获得产生激光的必要条件。最基本的要求是：光学性质均匀、光学透明性良好且性能稳定、量子效率较高、具有亚稳态能级等。谐振腔：也称共振腔，是指光子可在其中来回振荡的光学腔体。形式：平-平腔，平-凹腔作用：1、提供光学正反馈，让光辐射不断地在工作物质中往返传播，受激辐射强度不断增强，最终达到和维持激光振荡。2、对腔体内振荡光束的方向、频率、场的空间分布的限制作用在激光器两端，平行装

5、上两块反射率很高的镜片，一块为全反射镜片，一块为部分反射、少量透射镜片。全反射镜片的作用是将入射的光全部按原路径反射回去，部分反射镜片的作用是将能量未达到一定限度的部分光子按原路径反射回去，而达到一定能量限度的光子则透射而出。这样，透射而出的这部分光子就成为我们需要的、经过放大了的激光；而被反射回工作介质的光，则继续诱发新一轮的受激辐射，光将逐渐被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，直到能量达到一定的限度，从部分反射镜片中输出。泵浦源：激励源，是指向工作物质供给能量的能源，依靠它把工作物质中的原子、分子从基态激

6、发到高能态，并形成粒子数反转。这种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。常用的泵浦方式有：电子注入：二极管激光器（LD)；光学泵浦：固体激光器、光纤激光器、染料激光器等；气体放电泵浦：离子激光器、原子或分子气体激光器、金属蒸气激光器等；粒子束泵浦：高压气体激光器；化学泵浦：可分为直接泵浦、能量转移泵浦和光分解泵浦；4、激光光束（高斯光束）的特性激光作为一种光源，其光束截面内的光强分部是不均匀的，即光束波面上各点的振幅是不相等的，其振幅A与光束截面半径r的函数关系为：光束波面的振幅A呈高斯函数分布5、高斯光束的传播高斯光束传播中的三个重要参数：高斯光束的截面半径

7、ω(z)；高斯光束的波面曲率半径R(z)；高斯光束的位相因子；结论：高斯光束的传播与同心光束的传播不同，同心光束的传播只有一个曲率半径参数，而高斯光束的传播必须由两个参数（R(z)和ω(z)）来表征。高斯光束的束腰半径ω0是光束截面最小处的光束截面半径，我们称其为高斯光束的束腰。高斯光束在均匀的透明介质中传播时，其光束截面半径ω(z)与z不成线性关系。结论：高斯光束在传播过程中，光束波面的曲率半径由无穷大逐渐变小，达到最小后又开始变大，直至达到无限远时变成无穷大。高斯光束的波面曲率半径：高斯光束的发散角（1）高斯光束的聚焦结论：要想获得良好的聚焦光点，通常

8、应尽量采用短焦距透镜。6、高斯光束的聚焦与准直（2）高斯光束的准直