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1、材料的光学性能本讲稿第一页，共二十五页 波粒二象性波粒二象性早期以牛顿为代表的一种观点认为早期以牛顿为代表的一种观点认为,光是粒子流。光是粒子流。后来以惠更斯为代表的观点后来以惠更斯为代表的观点,认为光是一种波动。认为光是一种波动。麦克斯韦创立了电磁波理论麦克斯韦创立了电磁波理论,既能解释光的直线行进和反射既能解释光的直线行进和反射,又能解释又能解释光的干涉和衍射光的干涉和衍射,表明光是一种电磁波。表明光是一种电磁波。然而在然而在19世纪末世纪末,当人们深入研究光的发生及其与物质的相互作用当人们深入研究光的发生及其与物质的相互作用(如如黑体辐射和光电效应黑体辐射和光电效应)时时,波动说却遇到了
2、难题。波动说却遇到了难题。于是普朗克提出了光的量子假设并成功地解释了黑体辐射。接着于是普朗克提出了光的量子假设并成功地解释了黑体辐射。接着爱因斯坦进一步完善了光的量子理论爱因斯坦进一步完善了光的量子理论,不仅圆满地解释了光电效应不仅圆满地解释了光电效应,而且解释了后来的康普顿效应等许多实验。而且解释了后来的康普顿效应等许多实验。爱因斯坦理论中的光量子爱因斯坦理论中的光量子(光子光子)不同于牛顿微粒学说中的粒子。他不同于牛顿微粒学说中的粒子。他将光子的能量、动量等表征粒子性质的物理量与频率、波长等表将光子的能量、动量等表征粒子性质的物理量与频率、波长等表征波动性质的物理量联系起来征波动性质的物理
3、量联系起来,并建立了定量关系。因此光子是并建立了定量关系。因此光子是同时具有微粒和波动两种属性的特殊物质同时具有微粒和波动两种属性的特殊物质,是光的双重本性的统是光的双重本性的统一。这一切都说明一。这一切都说明,波动性和粒子性的统一不仅是光的本性波动性和粒子性的统一不仅是光的本性,而且而且也是一切微观粒子的共同属性。也是一切微观粒子的共同属性。本讲稿第二页，共二十五页 光是电磁波光是一种电磁波光是一种电磁波,它是电磁场周期性振动的传播所形成的。在光波中它是电磁场周期性振动的传播所形成的。在光波中,电场和磁电场和磁场总是交织在一起的。麦克斯韦的电磁场理论表明场总是交织在一起的。麦克斯韦的电磁场理
4、论表明,变化着的电场周围会感生出变化着的电场周围会感生出变化的磁场变化的磁场,而变化着的磁场周围又会感生出另一个变化的电场而变化着的磁场周围又会感生出另一个变化的电场,如此循环不已如此循环不已,电电磁场就以波的形式朝着各个方向向外扩展。磁场就以波的形式朝着各个方向向外扩展。光波中人眼能够感受到的又只占一小部分光波中人眼能够感受到的又只占一小部分,其波长大约在其波长大约在390-770nm范围范围,称为可称为可见光。见光。本讲稿第三页，共二十五页光的传播特性的基本规律光的传播特性的基本规律。光在均匀介质中的直线传播定律光在均匀介质中的直线传播定律;光通过两种介质的分界面时的反光通过两种介质的分界
5、面时的反射定律和折射定律射定律和折射定律;光的独立传播定律和光路可逆性光的独立传播定律和光路可逆性原理。原理。本讲稿第四页，共二十五页从反射率曲线从反射率曲线(图图4-8)可以看出可以看出,当逐渐改变入射角时当逐渐改变入射角时,随着入射角的增随着入射角的增大大,反射光线会越来越强反射光线会越来越强,而透射而透射(折射折射)光线则越来越弱。图表示光线则越来越弱。图表示,如果光是从光密介质如果光是从光密介质(例如玻璃例如玻璃)射向光疏介质射向光疏介质(如空气如空气),即时即时,则折射则折射角大于入射角。因此入射角达到某一角度时角大于入射角。因此入射角达到某一角度时,图光的全反射折射角可图光的全反射
6、折射角可等于等于,此时有一条很弱的折射光线沿界面传播。如果入射角大于此时有一条很弱的折射光线沿界面传播。如果入射角大于 ,就就不再有折射光线不再有折射光线,入射光的能量全部回到第一介质中。这种现象称入射光的能量全部回到第一介质中。这种现象称为全反射为全反射,角就称为全反射的临界角。根据折射定律可求得临界角就称为全反射的临界角。根据折射定律可求得临界角的表达式角的表达式本讲稿第五页，共二十五页不同介质的临界角大小不同不同介质的临界角大小不同,例如普通玻璃对空气的临界角为例如普通玻璃对空气的临界角为 ,水对空气的水对空气的临界角为临界角为 ,而钻石因折射率很大而钻石因折射率很大 ,故临界角很小故临
7、界角很小,容易发生全反容易发生全反射。切割钻石时射。切割钻石时,经过特殊的角度选择经过特殊的角度选择,可使进入的光线全反射并经色散后向可使进入的光线全反射并经色散后向其顶部射出其顶部射出,看起来就会显得光彩夺目。看起来就会显得光彩夺目。利用光的全反射原理利用光的全反射原理,可以制作一种新型光学元件可以制作一种新型光学元件光导纤维光导纤维,简称光纤。简称光纤。光纤是由光学玻璃、光学石英或塑料制成的直径为几光纤是由光学玻璃、光学石英或塑料制成的直径为几 至几十至几十 的细丝的细丝(称称为纤芯为纤芯),在纤芯外面覆盖直径在纤芯外面覆盖直径的包层的包层,包层的折射率比纤芯略低约包层的折射率比纤芯略低约
8、 ,两层之间形成良好的光学界面。两层之间形成良好的光学界面。当光线从一端以适当的角度射入纤维内部时当光线从一端以适当的角度射入纤维内部时,将在内外两层图光在光导纤将在内外两层图光在光导纤维中的传播之间产生多次全反射而传播到另一端维中的传播之间产生多次全反射而传播到另一端,本讲稿第六页，共二十五页一束平行光照射均质的材料时一束平行光照射均质的材料时,除了可能发生反射和折射而改变除了可能发生反射和折射而改变其传播方向之外其传播方向之外,进入材料之后还会发生两种变化。一是随着光束进入材料之后还会发生两种变化。一是随着光束的深入的深入,一部分光的能量被材料所吸收一部分光的能量被材料所吸收,其强度将被减
9、弱其强度将被减弱;二是介质中二是介质中光的传播速度比真空中小光的传播速度比真空中小,且随波长而变化且随波长而变化,这种现象称为光的色散。这种现象称为光的色散。本讲稿第七页，共二十五页吸收光谱吸收光谱研究物质的吸收特性发现研究物质的吸收特性发现,任何任何物质都只对特定的波长范围表物质都只对特定的波长范围表现为透明的现为透明的,而对另一些波长范而对另一些波长范围则不透明。例如石英在整个围则不透明。例如石英在整个可见光波段都很透明可见光波段都很透明,且吸收且吸收系数几乎不变系数几乎不变,这种现象称为这种现象称为“一般吸收一般吸收”。但是。但是,在在 的红外线区的红外线区,石英表现为强烈石英表现为强烈
10、吸收吸收,且吸收率随波长剧烈变且吸收率随波长剧烈变化化,这种现象称为这种现象称为“选择吸收选择吸收”。任何物质都有这两种形式的吸任何物质都有这两种形式的吸收收,只是出现的波长范围不同只是出现的波长范围不同而已。而已。本讲稿第八页，共二十五页吸收的物理机制吸收的物理机制光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出的能量交换过程。这一过程的进行除了服从能量守恒定律外的能量交换过程。这一过程的进行除了服从能量守恒定律外,还应当满足必要的量子条件。众所周知还应当满足必要的量子条件。众所周知,光是能量和动量量子化光是能量和动量量子化的粒子流的粒
11、子流,而材料的能量状态也是量子化的。因此而材料的能量状态也是量子化的。因此,只有当入只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时,光量子才可能被吸收光量子才可能被吸收,与此同时与此同时,材料中的电子从较低的能态跃材料中的电子从较低的能态跃迁到较高的能态。由于固体材料的能量结构比较复杂迁到较高的能态。由于固体材料的能量结构比较复杂,不同层次不同层次的能态跃迁可以吸收不同波长的光子的能态跃迁可以吸收不同波长的光子,因而形成了吸收光谱的复杂因而形成了吸收光谱的复杂结构。结构。本讲稿第九页，共二十五页(1)正常色散正常色散我们已经了解光在
12、介质中的传播速度低于真空中的光速我们已经了解光在介质中的传播速度低于真空中的光速,其关系为其关系为y=c/n,据此可以解释光据此可以解释光在通过不同介质界面时发生的折射现象。若将一束白光斜射到两种均匀介质的分界面在通过不同介质界面时发生的折射现象。若将一束白光斜射到两种均匀介质的分界面上上,就可以看到折射光束分散成按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序排列而成的彩色光就可以看到折射光束分散成按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序排列而成的彩色光带带,这是在介质中不同波长的光有不同的速度的直接结果。所以这是在介质中不同波长的光有不同的速度的直接结果。所以,介质中光速或折射率随介质中光速或折射率随波长改变
13、的现象称为色散现象。研究色散最方便的实验可以通过棱镜来进行。测量不同波长的波长改变的现象称为色散现象。研究色散最方便的实验可以通过棱镜来进行。测量不同波长的光线经棱镜折射的偏转角光线经棱镜折射的偏转角,就可以得到折射率随波长变化的曲线。下图给出了几种常用光学就可以得到折射率随波长变化的曲线。下图给出了几种常用光学材料的色散曲线材料的色散曲线,分析这些曲线可以得出如下的规律。分析这些曲线可以得出如下的规律。(a)对于同一材料而言对于同一材料而言,波长愈短则折射率愈大波长愈短则折射率愈大;(b)折射率随波长的变化率折射率随波长的变化率dn/d称为称为“色散率色散率”。波长愈短色散率愈大。波长愈短色
14、散率愈大(一般不考虑负一般不考虑负号号);(c)不同材料不同材料,对同一波长对同一波长,折射率大者色散率折射率大者色散率dn/d也大也大;(d)不同材料的色散曲间线没有简单的数量关系。不同材料的色散曲间线没有简单的数量关系。由于人们早期对色散现象的研究都是在可见光波段为透明的光学材料上进行的由于人们早期对色散现象的研究都是在可见光波段为透明的光学材料上进行的,结结果都符合上述规律果都符合上述规律,故称之为故称之为“正常色散正常色散”。这里。这里“正常正常”二字是相对于后来发现的一些二字是相对于后来发现的一些“反常反常”现象而言的。现象而言的。本讲稿第十页，共二十五页1936年科希研究了材料的年
15、科希研究了材料的折射率折射率,成功地将正常色成功地将正常色散曲线表达为此式称为散曲线表达为此式称为科希公式。科希公式。式中式中,为表征材料为表征材料特性的常数。特性的常数。简化式简化式材料的色散率材料的色散率本讲稿第十一页，共二十五页反常色散反常色散与上述正常色散不同反常色散与上述正常色散不同,如果对石英之类透明材料如果对石英之类透明材料,把测量波长把测量波长延伸到红外区域延伸到红外区域,这时所得到的色散曲线就开始明显地偏离科希公式。这时所得到的色散曲线就开始明显地偏离科希公式。进一步的研究发现进一步的研究发现,这类偏离总是出现在吸收带的附近。偏离的具体形这类偏离总是出现在吸收带的附近。偏离的
16、具体形式如图式如图4-19所示。图中所示。图中,色散曲线的色散曲线的PQ段可以准确地符合科希公式段可以准确地符合科希公式,但但从从R点起折射率开始急剧下降点起折射率开始急剧下降,而不是如科希公式所预言的、随而不是如科希公式所预言的、随的的增加缓慢下降并趋近于极限值增加缓慢下降并趋近于极限值A。在接近吸收带的短波侧。在接近吸收带的短波侧,折射率折射率n愈愈降愈快降愈快,直到进入完全不透光的吸收区。在吸收带的长波侧测得的直到进入完全不透光的吸收区。在吸收带的长波侧测得的n值很值很高高,离开吸收区后离开吸收区后,n先是迅速下降先是迅速下降,距离渐远再缓慢降低。在距离渐远再缓慢降低。在S点到点到T点点
17、的范围内的范围内,n值又可以用科希公式表示值又可以用科希公式表示,只是常数值与前面不同只是常数值与前面不同,实际上是实际上是常数常数A变大了。在经过吸收带时变大了。在经过吸收带时,色散曲线发生了明显的不连续色散曲线发生了明显的不连续,而而且且,在吸收带附近长波一侧的折射率在吸收带附近长波一侧的折射率n比短波一侧的大。折射率曲线在吸比短波一侧的大。折射率曲线在吸收带附近不符合科希公式的这种特征被称为收带附近不符合科希公式的这种特征被称为“反常色散反常色散”。后来的大。后来的大量实验表明量实验表明,多种材料在遇到吸收带时多种材料在遇到吸收带时,色散曲线都有这种不连续的性质。色散曲线都有这种不连续的
18、性质。本讲稿第十二页，共二十五页石英等透明材料在红外区的反常色散石英等透明材料在红外区的反常色散本讲稿第十三页，共二十五页 当光束通过平整光滑的表面入射到各当光束通过平整光滑的表面入射到各向同性介质中去时向同性介质中去时,它将按照折射定律它将按照折射定律沿某一方向折射沿某一方向折射,这是常见的折射现象。这是常见的折射现象。研究发现研究发现,当光束通过各向异性介质表当光束通过各向异性介质表面时面时,折射光会分成两束沿着不同的方向传折射光会分成两束沿着不同的方向传播播,见图见图,这种由一束入射光折射后分成两这种由一束入射光折射后分成两束的现象称为双折射。许多晶体具有双束的现象称为双折射。许多晶体具
19、有双折射性质折射性质,但也有些晶体但也有些晶体(例如岩盐例如岩盐)不发不发生双折射。双折射的两束光中有一生双折射。双折射的两束光中有一束光的偏折方向符合折射定律束光的偏折方向符合折射定律,所以所以称为寻常光称为寻常光(或或O光光)。另一束光的折射。另一束光的折射方向不符合折射定律方向不符合折射定律,被称为非常光被称为非常光(或或e光光)。一般地说。一般地说,非常光的折射线不在入非常光的折射线不在入射面内射面内,并且折射角以及入射面与折并且折射角以及入射面与折射面之间的夹角不但和原来光束的射面之间的夹角不但和原来光束的入射角有关入射角有关,还和晶体的方向有关。还和晶体的方向有关。图图4-22双折
20、射现象双折射现象本讲稿第十四页，共二十五页通过改变入射光束的方向通过改变入射光束的方向,可以找到在晶体中存在一些特殊可以找到在晶体中存在一些特殊的方向的方向,沿着这些方向传播的光并不发生双折射沿着这些方向传播的光并不发生双折射,这些特殊这些特殊的方向称为晶体的光轴。应该注意的方向称为晶体的光轴。应该注意,光轴所标志的是一光轴所标志的是一定的方向定的方向,而不限于某一条具体的直线。有些晶体而不限于某一条具体的直线。有些晶体,例如方例如方解石、石英等解石、石英等,只有一个光轴只有一个光轴,称为单轴晶体称为单轴晶体;具有两个光具有两个光轴的晶体称为双轴晶体轴的晶体称为双轴晶体,例如云母、硫磺、黄玉等
21、晶体。例如云母、硫磺、黄玉等晶体。图图4-23 方解石晶体的光轴方解石晶体的光轴本讲稿第十五页，共二十五页一般地说一般地说属于四角晶系、三角晶系和六角晶系的晶体为属于四角晶系、三角晶系和六角晶系的晶体为单轴晶体单轴晶体,如红宝石、电气石、石英、冰等如红宝石、电气石、石英、冰等;而属而属于正交晶系、单斜晶系和三斜晶系的晶体为双轴于正交晶系、单斜晶系和三斜晶系的晶体为双轴晶体晶体,如云母、蓝宝石、硫磺等。如云母、蓝宝石、硫磺等。具有立方结构的晶体无双折射性质。具有立方结构的晶体无双折射性质。本讲稿第十六页，共二十五页利用晶体材料的双折射性质可以制成特殊的光学元件利用晶体材料的双折射性质可以制成特殊
22、的光学元件,在光学在光学仪器和光学技术中有广泛应用。例如利用晶体的双折射仪器和光学技术中有广泛应用。例如利用晶体的双折射,将自将自然光分解成偏振方向互相垂直的两束线偏振光的洛匈棱镜和渥拉斯顿然光分解成偏振方向互相垂直的两束线偏振光的洛匈棱镜和渥拉斯顿棱镜棱镜;利用双折射和全反射原理利用双折射和全反射原理,将光束分解成两束线偏振光后再除将光束分解成两束线偏振光后再除去其中一束去其中一束,而保留另一束的起偏和检偏元件而保留另一束的起偏和检偏元件尼科尔棱镜、格兰尼科尔棱镜、格兰棱镜等棱镜等;利用晶体利用晶体O光和光和e光传播速度不同的特性光传播速度不同的特性,适当选择晶体的适当选择晶体的切割方向和厚
23、度切割方向和厚度,可以制成各种晶体波片可以制成各种晶体波片,使使O光和光和e光之间产生光之间产生预期的位相差预期的位相差,从而实现光束偏振状态的转换从而实现光束偏振状态的转换(四分之一波片四分之一波片,又又称称/4片片,可实现线偏振光和圆偏振光之间的互相转换可实现线偏振光和圆偏振光之间的互相转换;二分之一二分之一波片波片,又称又称/2片片,可根据需要随意改变线偏振光的偏振方向可根据需要随意改变线偏振光的偏振方向);利用双利用双折射元件装配的偏光干涉仪折射元件装配的偏光干涉仪,可用于测量微小的相位差可用于测量微小的相位差;偏光显偏光显微镜可用于检测材料中的应力分布微镜可用于检测材料中的应力分布;
24、利用不同厚度的晶体组合利用不同厚度的晶体组合构成的双折射滤光器已在激光技术中获得应用构成的双折射滤光器已在激光技术中获得应用,它可以用于光它可以用于光谱滤波谱滤波,实现从连续谱光源或宽带光源中选出窄带辐射。实现从连续谱光源或宽带光源中选出窄带辐射。本讲稿第十七页，共二十五页二向色性二向色性晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性(双折射双折射),而且能产生吸而且能产生吸收率的各向异性收率的各向异性(称为称为“二向色性二向色性”)。电气石是在可见光区域有明。电气石是在可见光区域有明显二向色性的晶体。一块厚度为显二向色性的晶体。一块厚度为1mm的这种
25、晶体的这种晶体,几乎可以完全吸几乎可以完全吸收寻常光收寻常光,而让非常光通过。它对非常光也有一些选择吸收而让非常光通过。它对非常光也有一些选择吸收,使得白光透射使得白光透射后呈黄绿色。具有明显二向色性的材料也可以用来制造偏振元件后呈黄绿色。具有明显二向色性的材料也可以用来制造偏振元件,即即二向色性偏振片。二向色性偏振片。除了天然晶体之外除了天然晶体之外,还可以利用特殊方法使具有明显各向异性吸收还可以利用特殊方法使具有明显各向异性吸收率的微晶率的微晶,在透明胶片中有规律地排列在透明胶片中有规律地排列,制成人造二向色性偏振片。例制成人造二向色性偏振片。例如如,一种由有机化合物碘化硫酸奎宁凝聚成的多
26、晶一种由有机化合物碘化硫酸奎宁凝聚成的多晶,具有显著的二向色性。具有显著的二向色性。如果将它们沉积在聚氯乙烯薄膜上如果将它们沉积在聚氯乙烯薄膜上,并采用机械方法将这种薄膜沿某一方并采用机械方法将这种薄膜沿某一方向拉伸向拉伸,则上述微晶就会沿着拉伸方向整齐地排列起来则上述微晶就会沿着拉伸方向整齐地排列起来,表现出和单晶表现出和单晶一样的二向色性一样的二向色性(即吸收即吸收O光而让光而让e光通过光通过)。将这种薄膜固定在两片玻。将这种薄膜固定在两片玻璃之间就可以作为偏振片使用。由于人造偏振片工艺简单璃之间就可以作为偏振片使用。由于人造偏振片工艺简单,价格便宜价格便宜,容易加工成大面积的产品容易加工
27、成大面积的产品,所以很有实用价值。所以很有实用价值。本讲稿第十八页，共二十五页材料的光发射材料的光发射材料的光发射是材料以某种方式吸收能量之后材料的光发射是材料以某种方式吸收能量之后,将其转化为光能即发射将其转化为光能即发射光子的过程。发光是人类研究最早也应用最广泛的物理效应之一。光子的过程。发光是人类研究最早也应用最广泛的物理效应之一。一般地说一般地说,物体发光可分为平衡辐射和非平衡辐射两大类。平衡物体发光可分为平衡辐射和非平衡辐射两大类。平衡辐射的性质只与辐射体的温度和发射本领有关辐射的性质只与辐射体的温度和发射本领有关,如白炽灯的发光如白炽灯的发光就属于平衡或准平衡辐射就属于平衡或准平衡
28、辐射;非平衡辐射是在外界激发下物体偏离非平衡辐射是在外界激发下物体偏离了原来的热平衡态了原来的热平衡态,继而发出的辐射。本节将只讨论固体材料的继而发出的辐射。本节将只讨论固体材料的非平衡辐射非平衡辐射。固体发光的微观过程可以分为两个步骤固体发光的微观过程可以分为两个步骤:第一步第一步,对材料进行激励对材料进行激励,即即以各种方式输入能量以各种方式输入能量,将固体中的电子的能量提高到一个非平衡态将固体中的电子的能量提高到一个非平衡态,称称为为“激发态激发态”;第二步第二步,处于激发态的电子自发地向低能态跃迁处于激发态的电子自发地向低能态跃迁,同时发射光子。如果同时发射光子。如果材料存在多个低能态
29、材料存在多个低能态,发光跃迁可以有多种渠道发光跃迁可以有多种渠道,那么材料就可能发那么材料就可能发射多种频率的光子。射多种频率的光子。本讲稿第十九页，共二十五页激励方式激励方式发光前可以有多种方式向材料注入能量。通过光的辐照将材料中的发光前可以有多种方式向材料注入能量。通过光的辐照将材料中的电子激发到高能态从而导致发光电子激发到高能态从而导致发光,称为称为“光致发光光致发光”。光激励可以采。光激励可以采用光频波段用光频波段,也可以采用也可以采用X-射线和射线和-射线波段。日常照明用的荧光射线波段。日常照明用的荧光灯就是通过紫外线激发涂布于灯管内壁的荧光粉而发光的。灯就是通过紫外线激发涂布于灯管
30、内壁的荧光粉而发光的。利用高能量的电子来轰击材料利用高能量的电子来轰击材料,通过电子在材料内部的多次散射碰通过电子在材料内部的多次散射碰撞撞,使材料中多种发光中心被激发或电离而发光的过程称为使材料中多种发光中心被激发或电离而发光的过程称为“阴极射线发光阴极射线发光”。彩色电视机的颜色就是采用电子束扫描、。彩色电视机的颜色就是采用电子束扫描、激发显象管内表面上不同成分的荧光粉激发显象管内表面上不同成分的荧光粉,使它们发射红、绿、蓝使它们发射红、绿、蓝三种基色光波而实现的。三种基色光波而实现的。通过对绝缘发光体施加强电场导致发光通过对绝缘发光体施加强电场导致发光,或者从外电路将电子或者从外电路将电
31、子(空空穴穴)注入到半导体的导带注入到半导体的导带(价带价带),导致载流子复合而发光导致载流子复合而发光,称为称为“电电致发光致发光”。作为仪器指示灯的发光二极管就是半导体复合发。作为仪器指示灯的发光二极管就是半导体复合发光的例子。光的例子。本讲稿第二十页，共二十五页材料的光吸收和光发射都是光和物质材料的光吸收和光发射都是光和物质相互作用的基本过程。年爱因斯坦在相互作用的基本过程。年爱因斯坦在研究研究“黑体辐射能量分布黑体辐射能量分布”这一当时这一当时物理学难题时曾提出物理学难题时曾提出,光与物质的相互光与物质的相互作用还有第三个基本过程作用还有第三个基本过程,即受激辐射。即受激辐射。据此他推
32、得黑体辐射的能量分布公式据此他推得黑体辐射的能量分布公式,合理地解释了实验规律。为了与受激辐射相合理地解释了实验规律。为了与受激辐射相区别区别,前面所涉及的光发射应称为自发辐前面所涉及的光发射应称为自发辐射。射。以原子为例以原子为例,并且只关心物质与发光有关并且只关心物质与发光有关的两个能级的两个能级E1和和E2,见图。自发辐射是指见图。自发辐射是指这样的过程这样的过程,即如果原子已经处于高能级即如果原子已经处于高能级E2,那么它就可能自发、独立地向低能级那么它就可能自发、独立地向低能级E1跃迁跃迁并发射一个光子并发射一个光子,其能量为其能量为 称为自发辐射跃迁概率称为自发辐射跃迁概率,也称也
33、称为自发辐射系数为自发辐射系数。本讲稿第二十一页，共二十五页如果原子处于低能级如果原子处于低能级,当有能量满足当有能量满足 的光子趋近它时的光子趋近它时,原子则可能原子则可能吸收一个光子并跃迁到高能级吸收一个光子并跃迁到高能级E2。由于这个吸收过程只有存在适当频率的外来光子。由于这个吸收过程只有存在适当频率的外来光子时才会发生时才会发生,故可称为故可称为“受激吸收受激吸收”。单位体积内单位时间发生受激吸收的。单位体积内单位时间发生受激吸收的原子数原子数 (等于被吸收的光子数等于被吸收的光子数),不但与低能级的原子密度成正比不但与低能级的原子密度成正比,还和辐射场的能量密度成正比还和辐射场的能量
34、密度成正比,故有故有其中其中 称为受激吸收系数称为受激吸收系数,而而 则为受激吸收概率。吸收结果导致则为受激吸收概率。吸收结果导致高能级原子数增加高能级原子数增加,受激辐射的过程是受激辐射的过程是:当一个能量满足当一个能量满足 的光子趋近高能级的原子时的光子趋近高能级的原子时,有可能有可能入射的光子非但没有被吸收入射的光子非但没有被吸收,反而诱导高能级原子发射一个和自己性质完全相反而诱导高能级原子发射一个和自己性质完全相同的光子来。换言之同的光子来。换言之,受激辐射的光子和入射光子具有相同的频率、方向和偏受激辐射的光子和入射光子具有相同的频率、方向和偏振状态。受激辐射是受激吸收的逆过程振状态。
35、受激辐射是受激吸收的逆过程,它的发生使高能级的原子数减少。它的发生使高能级的原子数减少。本讲稿第二十二页，共二十五页受激辐射既然存在受激辐射既然存在,为什么人们长期没有观察到呢为什么人们长期没有观察到呢?这是因为通常人们所接触到的这是因为通常人们所接触到的体系都是热平衡体系或者与热平衡偏离不远的体系。按照玻耳兹曼分布公式体系都是热平衡体系或者与热平衡偏离不远的体系。按照玻耳兹曼分布公式,能能量差在光频波段的两个能级中量差在光频波段的两个能级中,高能级的原子密度总是远小于低能级的原子密度高能级的原子密度总是远小于低能级的原子密度,而受激辐射产生的光子数与受激吸收的光子数之比等于高、低能级粒子数之
36、而受激辐射产生的光子数与受激吸收的光子数之比等于高、低能级粒子数之比比,所以受激辐射就微乎其微以至长期没有被察觉。通过计算也可以证明所以受激辐射就微乎其微以至长期没有被察觉。通过计算也可以证明,与自发与自发辐射相比辐射相比,在热平衡条件下受激辐射也完全可以忽略。怎样才能使受激辐射占主导地在热平衡条件下受激辐射也完全可以忽略。怎样才能使受激辐射占主导地位呢位呢?关键在于设法突破玻耳兹曼分布关键在于设法突破玻耳兹曼分布,使上能级的粒子数大于下能级的粒子数使上能级的粒子数大于下能级的粒子数,这个条件称为这个条件称为“粒子数反转粒子数反转”。这里的。这里的“粒子粒子”二字泛指任何具体介质二字泛指任何具
37、体介质中的微观粒子中的微观粒子,而不局限于原子。显然而不局限于原子。显然,在高、低能级均无简并的情况下在高、低能级均无简并的情况下,粒粒子数反转即要求子数反转即要求在热平衡条件下在热平衡条件下,光波通过物质体系时总是或多或少地被吸收光波通过物质体系时总是或多或少地被吸收,因而越来越弱因而越来越弱,但是实现了粒子数反转的体系却恰恰相反。由于受激辐射放出的光子数多于被吸但是实现了粒子数反转的体系却恰恰相反。由于受激辐射放出的光子数多于被吸收的光子数收的光子数,辐射场将越来越强。换言之辐射场将越来越强。换言之,实现粒子数反转的介质具有对光的放大实现粒子数反转的介质具有对光的放大作用作用,称为称为“激
38、活介质激活介质”。本讲稿第二十三页，共二十五页要使普通的介质变成激活介质要使普通的介质变成激活介质,必须进行有效的激励必须进行有效的激励,把低能级的粒子尽可能多地把低能级的粒子尽可能多地激发到高能级。激励方式可依介质种类的不同而异激发到高能级。激励方式可依介质种类的不同而异,分别有气体放电激励、分别有气体放电激励、电子束激励、强光激励、载流子注入、化学激励、气体动力学激励、核电子束激励、强光激励、载流子注入、化学激励、气体动力学激励、核能激励和激光激励等。形成激光的激励方式可能和上一节谈到的材料光能激励和激光激励等。形成激光的激励方式可能和上一节谈到的材料光发射所采用的方式类似发射所采用的方式
39、类似,但所要求激励的程度不同。一般发光并不要求达到粒但所要求激励的程度不同。一般发光并不要求达到粒子数反转。子数反转。下面列举固体激光介质激活过程的几个实例。固体激光通常采用光激励下面列举固体激光介质激活过程的几个实例。固体激光通常采用光激励(称为光称为光泵泵),因此要求介质有较宽的吸收谱带因此要求介质有较宽的吸收谱带,使得有较多发光中心离子被激发。被激使得有较多发光中心离子被激发。被激发的离子一般通过无辐射跃迁过渡到激光作用的高能级。这个过程希望有高的量发的离子一般通过无辐射跃迁过渡到激光作用的高能级。这个过程希望有高的量子效率子效率,以达到高的荧光量子效率。发射激光的高能级应具有较长的寿命
40、以达到高的荧光量子效率。发射激光的高能级应具有较长的寿命,以便可以积累较多的粒子以便可以积累较多的粒子,利于形成粒子数反转。此外利于形成粒子数反转。此外,作为发射激光的低能级作为发射激光的低能级应占有尽可能少的粒子数应占有尽可能少的粒子数,为此应尽量避免采用基态为激光跃迁的低能级。为此应尽量避免采用基态为激光跃迁的低能级。如红宝石、掺钕的钇铝石榴石等材料。如红宝石、掺钕的钇铝石榴石等材料。本讲稿第二十四页，共二十五页 习习 题题 1 一入射光以较小的入射角一入射光以较小的入射角i和折射角和折射角r穿过一透明玻璃板。证明透过后的光穿过一透明玻璃板。证明透过后的光强系数为强系数为(l-m)2。设玻璃对光的衰减不。设玻璃对光的衰减不计。计。2一透明一透明Al2O3板厚度为板厚度为1mm，用以测，用以测定光的吸收系数如果光通过板厚之后，定光的吸收系数如果光通过板厚之后，其强应降低了其强应降低了15%，计算吸收及散射，计算吸收及散射系数的总和系数的总和。本讲稿第二十五页，共二十五页