光子学与光电子学 教学课件 ppt 作者 原荣 第3章 光的干涉及衍射

1、光子学与光电子学 原荣 邱琪,1,第3章 光的干涉及应用,3.1 光的干涉及应用 3.2 光的衍射及应用 3.3 阵列波导光栅器件 3.4 光纤转速传感器光纤陀螺 3.5 全息技术,光子学与光电子学 原荣 邱琪,2,3.1.1 从机械谐振到光学谐振,干涉就是两列波或多列波叠加时，因为相位关系有时相互加强，有时相互消弱的一种波的基本现象。 例如，在水池中，在相隔不远的两处同时分别投进一块石头，就会产生同样的水波，都向四周传播。 例如，长L的一根弦线两端被夹住时所作的各种固有振动。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,3,图3.1.1 水池中两列水波的干涉波纹,仔细观察两列水波会合处的情景，即可发现其幅度时而因相长干涉增大，时而因相消干涉减小,光子学与光电子学 原荣 邱琪,4,图3.1.2 一根长为 L 的绷紧弦线及其三种可能的振动方式,在振动弦线中，边界条件要求弦线两端各有一个节点，这意思是说，选择波长 时一定要使 （3.1.1）,光子学与光电子学 原荣 邱琪,5,光的干涉和衍射 激光器和滤波器基础,光子学与光电子学 原荣 邱琪,6,图3.1.3 法布里珀罗(F-P)谐振腔及其特性,不是任意一

2、个波长都能在谐振腔内形成驻波，对于给定的m，只有满足式（3.1.3）的波长才能形成驻波，并记为m，称为腔模式，如图3.1.3（b）所示。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,7,法布里-珀罗谐振腔发明家法国物理学家法布里（Fabry, 18671945）和玻罗（Perot, 18631925）,光子学与光电子学 原荣 邱琪,8,自由频谱范围（FSR）,所以对应这些模式的频率是谐振腔的谐振频率,式中f 是对应基模（m = 1）的频率，在所有模式中它的频率最低。两个相邻模式的频率间隔是 称为自由频谱范围（FSR）。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,9,3.1.2 法布里-珀罗（F-P）光学谐振器,假如谐振腔没有损耗，即两个镜面对光全反射，那么式（3.1.4）定义的频率的峰值将很尖锐。如果镜面对光不是全反射，一些光将从谐振腔辐射出去，峰值就不尖锐，而具有一定的宽度。很显然，这种简单的镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,10,F-P谐振腔的精细度,镜面反射率R 越小意味着谐振腔有越大的

3、辐射损耗，从而影响到腔体内电场强度的分布。由式（3.1.4）可知，R 越小峰值展宽越大，而且电场强度最大值和最小值的差也越小，如图3.1.4c所示。 该图也定义了法布里珀罗谐振腔的频谱宽度，它是单个腔模式曲线半最大值的全宽（FWHM），可用下面式（3.1.7）的简单表达式计算,式中 F 称为谐振腔的精细度，它随谐振腔损耗的减小而增加（因R增加）。精细度越大，模式峰值越尖锐。精细度是模间隔对频谱宽度的比.,光子学与光电子学 原荣 邱琪,11,图3.1.4 入射光通过由部分反射镜组成的法布里珀罗谐振腔，其透射光可作为滤波器的输出,法布里-珀罗光学谐振腔已广泛应用到激光器、干涉滤波器和分光镜中。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,12,商用干涉滤波器,考虑一束光入射进法布里-珀罗谐振腔，如上图所示。谐振腔由部分反射和透射的两个平板组成，因此入射光束的一部分进入谐振腔。我们知道只有特定腔模的光才能在腔内存在，因为其它波长的光产生相消干涉。 于是，假如入射光束中有一个波长的光与腔模中的一个对应，它就可以在腔内维持振荡，因此就产生了透射光束。输出光是腔内光强的一部分。商用干涉滤波器就是基于这种原理，只

4、是两个腔体用一组电介质镜串联组成，其结构更复杂而已，如图3.5.5所示。 我们可以调节腔长L来扫描不同的波长，从而实现调谐。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,13,表3.1.1 各种激光器的组成和作用,光子学与光电子学 原荣 邱琪,14,3.1.3 固体激光器,固体激光器主要由工作物质、法布里-珀罗谐振腔和泵浦源组成。 工作物质是均匀掺入少量激活离子的光学晶体或光学玻璃。 常用的泵浦源有电泵浦源和光泵浦源两类。泵浦源能将工作物质中的粒子从低能级激发到高能级，使处于高能级的粒子数大于处于低能级的粒子数，构成粒子数的反转，这是产生激光的必要条件。处于高能级级的的原子或分子称为受激原子或分子。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,15,图3.1.7 固体激光器的能级系统,在构成晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带的电子跃迁到低能带上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出，如图3.1.7所示。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,16,脉冲固体激光器泵浦源,脉冲固体激光器泵浦源采用脉冲氙灯，连续激光器采用氪灯或碘钨灯。泵浦灯的发射光谱覆盖很宽的波长范围，其中只有与激光工作物质吸收波长相匹配

5、波段的光可有效用于光激励。采用放电灯激励的固体激光器如图3.1.6所示。 为了使气体放电灯发出的非相干光有效地射入激光工作物质，聚光装置是必不可少的，通常采用内壁镀有高反射率的椭圆柱聚光腔，激励灯和激光工作物质棒分别置于两个焦点上。 相互平行的全反射镜和部分反射镜构成F-P光学谐振腔。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,17,3.1.4 气体激光器,气体激光器（gas laser）的工作物质是气体或金属蒸气，通过气体放电产生激励，实现粒子数反转。它的种类很多，波长覆盖了从紫外到远红外整个光谱区，目前已向两端扩展X射线波段和毫米波波段。 由于气体工作物质均匀性好，输出光束的质量相当高，其单色性和方向性一般优于固体和半导体激光器，是很好的相干光源。 代表性的气体激光器有氦-氖（He-Ne）激光器、氩离子（Ar+）激光器和二氧化碳（CO2）激光器。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,18,图3.1.8 内腔式氦氖气体激光器,氦-氖激光器工作物质由氦气和氖气组成，是一种原子气体激光器。在激光器电极上施加几千伏电压，使毛细管中的氦氖气体成为激活介质，发生辉光放电，产生粒子数反转。 如果在激光管的轴线上安

6、装高反射率的多层介质膜反射镜作为F-P谐振腔，则可获得连续激光输出。 氦-氖激光器主要输出波长有632.8 nm、1.15 m和3.39 m，波长稳定度为106左右，输出功率为一毫瓦至数十毫瓦，主要用于精密计量、全息技术和准直测量等。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,19,图3.1.9 纵向二氧化碳激光器,二氧化碳激光器的工作物质主要是二氧化碳，掺入少量的N2和He等气体，是典型的分子气体激光器。输出激光波长范围是911 m的红外区域，典型的波长是10.6 m。 二氧化碳激光器的激励方式通常有低气压纵向连续激励和横向激励两种，它是气体激光器中连续输出功率最大和转换效率最高的一种器件，输出功率从十瓦到数千瓦。大气压横向激励激光器以脉冲放电方式工作，输出能量大，峰值功率可达千兆瓦，脉冲宽度为23 s。恒流横向激励激光器可以获得几万瓦的输出功率。 二氧化碳激光器已广泛应用于金属材料切割、热处理、宝石加工和手术治疗等方面。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,20,3.1.5 染料激光器,染料激光器（dye laser）的工作物质是液体，通常有两类液体，一类是溶于适当溶剂中的有机染料，另一类是含有稀土

7、金属离子的无机化合物。 染料激光器采用光泵浦的方式，可用闪光灯泵浦或激光泵浦。激光泵浦又有脉冲光泵浦和连续光泵浦之分。 有机染料对紫外光或可见光具有很强的吸收带，染料分子的能级由准连续的能带组成，这种宽带结构使得染料激光在很宽的范围内实现连续调谐。使用不同的染料溶液，已在紫外（330 nm）到近红外（1.85 m）相当宽的范围内，获得了连续可调谐的激光输出。 染料激光器除了可调谐性能外，另一个重要特点是可以获得很窄的超短激光脉冲。 因此，染料激光器在激光光谱、同位素分离、医学及科研领域获得了广泛的应用。近来，有人又想把它用于激光武器中。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,21,3.1.6 化学激光器,化学激光器是特殊的气体激光器。一般气体激光器的工作物质是氦气（He）、氖气（Ne）、氩气（Ar）、二氧化碳（CO2）气或其混合气体；而化学激光器的工作物质是氟化氢（HF）、氟化氘（DF）、氧碘气体。 气体激光器是在电极上施加高电压，使毛细管中的气体成为激活介质，通过气体放电产生激励，实现粒子数反转； 而化学激光器是通过化学反应释放能量，使谐振腔内的粒子数反转。这就是化学激光器和一般气体激光器在

8、本质上的区别。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,22,化学激光器工作原理和工作波长,在化学激光器中，化学反应产生的原子或分子往往处于图3.1.7能级图中的高能级（激发态），在特殊情况下，可能会有足够数量的原子或分子被激发到高能级，形成粒子数反转，当这些高能原子或分子返回到低能级时，就使受激发射能量等于其能级差的光子，形成激光发射。 光波波长为近红外到中红外范围，氟化氢（HF）激光器的波长范围是2.63.3 m，氟化氘（DF）激光器是3.64.1 m，一氧化碳（CO）激光器是4.95.8 m。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,23,化学激光器的优点和产生激光的能源,化学激光器具有输出能量大、光束质量好的优点，比如波长为3.64.1 m的DF激光器，最大输出功率可达2.2 MW，大气透过率约为100%，氧碘激光器的能量转换效率高达40%。 化学激光器有脉冲和连续两种工作方式。为使化学反应迅速进行，必须有大量的自由原子或分子产生，通常采用紫外照射、电子轰击、电弧加热工作物质或者利用工作物质自身的化学反应实现。前者需要外部能源，后者则不需要。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,24,3.1.7 碱金属

9、蒸气激光器,碱金属蒸气激光器（DPAL）是一种新型的半导体激光泵浦的气体激光器，增益介质是蒸气状态的铷、铯、钾、钠等。 它综合了传统气体激光器和固体激光器的优势，采用气体介质流动散热，高功率二极管激光器阵列泵浦，具有95%以上的量子效率，易于获得高质量的光束，激光波长较短，钾766.70 nm，铷794.98 nm，铯894.95 nm，使得衍射光斑功率密度更高，激光介质可重复使用，结构简单。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,25,碱金属铷原子能级图,铷原子是一种三能级系统，当铷原子吸收780 nm泵浦光的能量后，激发到高能级52P3/2，因为52P3/2能级和52P1/2能级间的能级差很小，所以52P3/2能级的原子很容易自发辐射回到52P1/2能级； 当52P1/2能级的原子跃迁回基态能级52S1/2时，就发出能量等于这两能级差的光子，该光子的波长为795 nm。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,26,铷蒸气激光器工作原理图,半导体激光器阵列有19个发光单元，经压窄线宽和光束整形后，光束经偏振分光器射入长约7 mm的铷蒸气室，铷室充入79 kPa的甲烷作为缓冲气体。谐振腔长约为105 mm。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,27,3.1.8 法布里-珀罗 滤波器,基本法布里-珀罗（F-P）干涉仪是由两块平行镜面组成的光学谐振腔构成的，一块镜面固定，另一块可移动，以改变谐振腔的长度。镜面是经过精细加工并镀有金属反射膜或多层介质膜的玻璃板。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,28,图3.1.12 F-P滤波器的传输特性,它具有多个谐振峰，每两个谐振峰间的频率间距为自由光谱区FSR,光子学与光电子学 原荣 邱琪,29,F-P调谐滤波器的自由光谱范围FSR,每两个谐振峰间的频率间距（自由光谱范围）FSR可用下面的式（3.1.10）量度：,式中， n是构成F-P滤波器的材料折射率，L是谐振腔长度。 FSR就是滤波器的自由光谱区。 假如滤波器设计成只允许复用信道中的一个信道通过，如图3.1.12（c）中的信道的频率正好对准传输特性的谐振峰，所以只有vj = v1的信道才能通过滤波器，而其它信道被抑制了。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,30,F-P滤波器的精细

《光子学与光电子学 教学课件 ppt 作者 原荣 第3章 光的干涉及衍射》由会员E****分享，可在线阅读，更多相关《光子学与光电子学 教学课件 ppt 作者 原荣 第3章 光的干涉及衍射》请在金锄头文库上搜索。