量子光学基础 (2)精选文档.ppt

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1、量子光学基础本讲稿第一页，共四十七页物理学物理学经典物理经典物理现代物理现代物理力学力学热学热学电磁学电磁学光学光学相对论相对论量子论量子论非线性非线性时间时间(年年)关关键键概概念念的的发发展展力学力学电磁学热学相对论量子论1600 1700 1800 1900本讲稿第二页，共四十七页本讲稿第三页，共四十七页1.光电效应的实验定律光电效应的实验定律16.2 16.2 光电效应光电效应16.1.2 经典理论对黑体辐射的解释经典理论对黑体辐射的解释16.1.1 黑体辐射黑体辐射16.1.3 普朗克量子假设普朗克量子假设16.1 16.1 量子论的提出量子论的提出本讲稿第四页，共四十七页(1)饱和

2、电流强度与光强成正比饱和电流强度与光强成正比 实实验验发发现现,当当入入射射光光频频率率一一定定时时,光光电电流流I和和两两极极间间电电压压V的关系如图的关系如图16-2所示。所示。图16-2-VaVIo光强较大光强较大光强较小光强较小Is 当加速电压增加到一定值当加速电压增加到一定值时时,光电流达到一饱和值光电流达到一饱和值Is。实验还表明。实验还表明:饱和电流值饱和电流值Is和光强成正比。和光强成正比。AV电源电源图16-1-IKA本讲稿第五页，共四十七页 从从图图16-2的的实实验验曲曲线线可可以以看看出出，加加速速电电压压为为零零时时，光光电电流流并并不不为为零零。仅仅当当加加以以反反

3、向向电电压压Va时时,光光电电流流才才等等于于零零。这一电压值这一电压值Va称为称为截止电压截止电压(又称又称遏止电压遏止电压)。显然显然图16-2-VaVIo光强较大光强较大光强较小光强较小Is(16-1)AV电源电源图16-1-IKA本讲稿第六页，共四十七页 (2)光光电电子子的的初初动动能能随随入入射射光光的的频频率率线线性性增增加加，与与入入射射光光的强度无关。的强度无关。(3)存在红限存在红限 实实验验指指出出,对对一一给给定定的的金金属属,当当入入射射光光的的频频率率小小于于某某一一频频率率 o时时,无无论论入入射射光光强强如如何何,都都没没有有光光电电子子从从金金属属中中逸逸出出

4、(即即没没有有光光电电流流)。这这一一频频率率 o称称为为光光电电效效应应的的红红限限频频率率。实实验验指指出出,不同物质具有不同的红限频率。不同物质具有不同的红限频率。(4)立即发射，延时不超过立即发射，延时不超过10-9s。波动说的困难波动说的困难 以上实验结果是光的经典波动图像无法解释的。以上实验结果是光的经典波动图像无法解释的。按按照照光光的的波波动动说说,金金属属在在光光的的照照射射下下,其其中中的的电电子子受受到到电电磁磁波波中中电电场场作作用用而而作作受受迫迫振振动动,吸吸收收光光波波的的能能量量,从从而而逸出金属表面。逸出金属表面。本讲稿第七页，共四十七页 按按照照这这种种受受

5、迫迫振振动动的的理理论论，光光强强愈愈大大，受受迫迫振振动动的的振振幅幅愈愈大大，发发射射出出的的光光电电子子的的初初动动能能就就应应愈愈大大。但但实实验验结结果果是是光光电电子子的的初初动动能能与与入入射射光光强强无无关关，而而与与入入射射光光的的频频率率成成线线性性关关系。系。同时，只要入射光强足够大同时，只要入射光强足够大(入射能量足够多入射能量足够多)，金属，金属中的电子就能从光波中吸收足够的能量并积累到一定量值中的电子就能从光波中吸收足够的能量并积累到一定量值而逸出金属表面，根本不应存在红限。但实验指出，当入而逸出金属表面，根本不应存在红限。但实验指出，当入射光的频率小于某一频率射光

6、的频率小于某一频率 o时时,无论入射光强如何无论入射光强如何,都没有都没有光电子从金属中逸出光电子从金属中逸出(即没有光电流即没有光电流)。其次，按照波动理论，能量的积累是需要一定时间的。其次，按照波动理论，能量的积累是需要一定时间的。不会立即发射。理论计算表明不会立即发射。理论计算表明,在功率为在功率为1mW的入射光照射的入射光照射下下,逸出功为逸出功为1eV的金属，从光开始照射到释放出电子的金属，从光开始照射到释放出电子,大约大约要等待要等待16min,这同光电效应瞬时响应的实验结果完全不符合。这同光电效应瞬时响应的实验结果完全不符合。本讲稿第八页，共四十七页2.爱因斯坦光子假设爱因斯坦光

7、子假设 爱爱因因斯斯坦坦认认为为,光光不不仅仅在在发发射射和和吸吸收收时时是是以以能能量量为为h 的的颗颗粒粒形形式式进进行行的的，而而且且以以这这种种颗颗粒粒的的形形式式以以速速度度c在在空空间间传传播播。就就是是说说，一一束束光光就就是是以以光光速速c运运动动的的粒粒子子流流，这这种种粒粒子子称称为为光光子子。频率为。频率为 的光的光子能量为的光的光子能量为 E=h (16-4)式中式中,h=6.6310-34 Js，是普朗克常数。，是普朗克常数。根据爱因斯坦光子理论，光电效应方程为根据爱因斯坦光子理论，光电效应方程为(16-6)1905年，爱因斯坦用光子理论成功地解释了光电效应。年，爱因

8、斯坦用光子理论成功地解释了光电效应。本讲稿第九页，共四十七页小结小结：光子的特性：光子的特性(1)光子的能量光子的能量 E=h =hc/(2)光子的质量光子的质量 逸出功：逸出功：(16-8)动质量：动质量：(16-11)静质量：静质量：mo=0(光子的速度光子的速度 =c)(3)光子的动量光子的动量(16-12)c=本讲稿第十页，共四十七页例题例题16-1 已知铯的红限波长已知铯的红限波长 o=6500,今有波长为今有波长为 =4000的光投射到铯表面的光投射到铯表面,试问试问:(1)由此发射出来的光电子的速度是多少由此发射出来的光电子的速度是多少?(2)要使光电流为零，遏止电势差为多大要使

9、光电流为零，遏止电势差为多大?解解 (1)由光电效应方程由光电效应方程代入数据求得代入数据求得:=6.5105(m/s)(2)由公式由公式c=由此求得由此求得:Va=1.19(V)h=6.6310-34 J.s本讲稿第十一页，共四十七页 例题例题16-2 波长为波长为 的光投射到一金属表面的光投射到一金属表面,由此发射由此发射出来的光电子在匀强磁场出来的光电子在匀强磁场B中作半径中作半径R的圆运动的圆运动,求此求此金属的逸出功及遏止电势差。金属的逸出功及遏止电势差。解解 由公式由公式得得由由得得本讲稿第十二页，共四十七页例题例题16-3 以一定频率的单色光照射到某金属表面以一定频率的单色光照射

10、到某金属表面,测出其光测出其光电流的曲线如图中实线所示；然后在光强度不变的条件下增电流的曲线如图中实线所示；然后在光强度不变的条件下增大照射光的频率，测出其光电流的曲线如图中虚线所示。满大照射光的频率，测出其光电流的曲线如图中虚线所示。满足题意的图是足题意的图是图16-3VIo(A)VIo(B)VIo(C)VIo(D)(D)本讲稿第十三页，共四十七页1.散射散射 向一定方向传播的光线通过不均匀物质向一定方向传播的光线通过不均匀物质后，向各个方向传播的现象，称为后，向各个方向传播的现象，称为散射散射。按照经典波动理论，光波照射到物质上，引起物质分按照经典波动理论，光波照射到物质上，引起物质分子作

11、受迫振动，分子振动就向各个方向发出散射光。不过，子作受迫振动，分子振动就向各个方向发出散射光。不过，各个方向的散射光与入射光的频率和波长是相同的。这个各个方向的散射光与入射光的频率和波长是相同的。这个结论对一般波长是正确的。如：我们看见的阳光就是一种结论对一般波长是正确的。如：我们看见的阳光就是一种散射光。散射光。但实验发现，当波长极短的但实验发现，当波长极短的X射线被轻元素射线被轻元素(如石墨如石墨)散散射后，散射光的波长却随散射角射后，散射光的波长却随散射角 的增大而增大。这种的增大而增大。这种改变改变波长的散射波长的散射，就称为，就称为康普顿散射康普顿散射。16.4 16.4 康普顿散射

12、康普顿散射 本讲稿第十四页，共四十七页X射线7.1nm探测器探测器C1C2A1 A2WBS石墨晶体准直系统散射角I=0o I=45oI=90oI=135o 0正常散射波长改变的散射称为康普顿散射本讲稿第十五页，共四十七页2.用光子概念分析康普顿散射用光子概念分析康普顿散射xy图16-4能量守恒：能量守恒：h o+moc2=h +mc2动量动量守恒：守恒：m x:y:c=解得：解得：(16-13)理论理论:高能光子与静止的自由电子作弹性碰撞。高能光子与静止的自由电子作弹性碰撞。本讲稿第十六页，共四十七页(16-13)可见，波长的改变可见，波长的改变-o(散射波长散射波长)随散射角随散射角 的的增

13、大而增大而增大。这与实验完全符合。增大。这与实验完全符合。散射波长的最小值和最大值分别是：散射波长的最小值和最大值分别是：当当=0，min=o;当当=180,max=o+2 c康普顿波长：康普顿波长：(16-14)xy图16-4m 本讲稿第十七页，共四十七页 康普顿散射的理论和实验的完全相符康普顿散射的理论和实验的完全相符,不仅有力地证不仅有力地证明了光具有波粒二象性明了光具有波粒二象性,而且还证明了光子和微观粒子的而且还证明了光子和微观粒子的相互作用过程也是严格遵守动量守恒定律和能量守恒定律相互作用过程也是严格遵守动量守恒定律和能量守恒定律的。的。本讲稿第十八页，共四十七页 例题例题16-5

14、 用波长用波长 o=0.014的的X射线作康普顿散射实验射线作康普顿散射实验,反冲电子的最大动能是多小？反冲电子的最大动能是多小？解解 根据能量守恒根据能量守恒,反冲电子的动能为反冲电子的动能为 事实上事实上 的最大值只为的最大值只为 max=o+2 c，由此得，由此得反冲电子反冲电子的最大动能为的最大动能为 上式有极上式有极值的条件是一阶导数为零，由此得值的条件是一阶导数为零，由此得，最大最大动能是动能是=1.110-13 J本讲稿第十九页，共四十七页 例题例题16-6 波长波长 o=0.1的的X射线与静止的自由电子碰撞。射线与静止的自由电子碰撞。在入射方向成在入射方向成90角的方向上观察时

15、角的方向上观察时,散射散射X射线的波长多大射线的波长多大?反冲电子的动能和动量各如何反冲电子的动能和动量各如何?解解 将将 =90代入代入:由此得康普顿散射波长为由此得康普顿散射波长为 =o+=0.1+0.024=0.124反冲电子的动能反冲电子的动能=3.810-15 J本讲稿第二十页，共四十七页x:y:将将 =90代入得代入得=8.510-23(SI)xy图16-4m 由动量由动量守恒：守恒：本讲稿第二十一页，共四十七页 例题例题16-7 将波长将波长 o=0.03的的X射线投射到石墨上射线投射到石墨上,测测得反冲电子的速度得反冲电子的速度 =0.6c,求求:(1)电子因散射而获得的能电子

16、因散射而获得的能量是静能的几倍量是静能的几倍?(2)散射光子的波长散射光子的波长=?散射角散射角 =?解解 (1)电子因散射而获得的能量电子因散射而获得的能量:=0.25moc2(2)又又 =0.0434由由得：得：=63.4本讲稿第二十二页，共四十七页 自自从从1897年年发发现现并并确确定定电电子子是是原原子子的的组组成成粒粒子子以以来来，原原子子结结构构问问题题及及其其运运动动规规律律一一直直是是物物理理学学家家关关注注的的一一个个重重要要问问题题。原原子子光光谱谱是是提提供供原原子子内内部部信信息息的的重重要要资资料料。不不同同原原子子的的辐辐射射光光谱谱特特征征也也完完全全不不同同,

17、故故研研究究原原子子光光谱谱的的规律是探索原子结构的重要线索。规律是探索原子结构的重要线索。1.氢原子光谱的规律性氢原子光谱的规律性 (1)氢氢原原子子光光谱谱是是由由一一些些分分立立的的细细亮亮线线组组成成，即即是是分分立立的线光谱的线光谱。65634863 4340 3646图16-516.3 16.3 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔理论玻尔理论本讲稿第二十三页，共四十七页 (2)谱线的波数谱线的波数(波长波长)由下式确定：由下式确定：(16-18)k=1,n=2,3,赖曼系赖曼系(紫外区紫外区);k=2,n=3,4,巴耳末系巴耳末系(可见光区可见光区);k=3,n=4,5,帕邢系帕邢系(红外

18、区红外区);式中式中R=1.097107m-1,称为里德伯称为里德伯(J.R.Ryderg)恒量。恒量。里里德德伯伯公公式式(16-18)是是一一经经验验公公式式。如如何何从从理理论论上上解解释释原原子子为为什什么么会会发发出出这这样样的的光光谱谱？原原子子的的内内部部结结构构及及运运动状态到底是什么样子动状态到底是什么样子?本讲稿第二十四页，共四十七页2.卢瑟福原子的核型结构卢瑟福原子的核型结构 1911年年卢卢瑟瑟福福(E.Rutherford)在在 粒粒子子散散射射实实验验的的基基础础上上提提出出了了原原子子的的核核型型结结构构:原原子子有有一一个个小小(直直径径约约10-15m)而而重

19、重(几几乎乎集集中中了了原原子子的的全全部部质质量量)的的核核；原原子子中的中的电子电子在原子核的周围在原子核的周围绕核转动绕核转动。卢卢瑟瑟福福提提出出的的核核型型结结构构尽尽管管有有充充分分的的实实验验基基础础,但但却却不不能能解解释释原原子子的的稳稳定定性性问问题题和和原原子子为为什什么么会会发发出线状光谱。出线状光谱。本讲稿第二十五页，共四十七页 因为据经典电磁理论因为据经典电磁理论,绕核作变速运动的电子必将绕核作变速运动的电子必将不断地向外辐射电磁能量。不断地向外辐射电磁能量。这就产生了两个后果：这就产生了两个后果：一是由于原子系统的能量连续不断地减少一是由于原子系统的能量连续不断地

20、减少,频率也将连频率也将连续的改变，原子应发出连续的光谱。这与原子线状光谱的续的改变，原子应发出连续的光谱。这与原子线状光谱的实验事实不符。实验事实不符。二是电子能量的不断减少二是电子能量的不断减少,它将沿螺线逐渐接近原它将沿螺线逐渐接近原子核子核,最终落在核上，这意味着原子的毁灭。但事实最终落在核上，这意味着原子的毁灭。但事实上原子系统是稳定的。上原子系统是稳定的。1913年年,玻尔玻尔(N.Bohr)在卢瑟福的核型结构的基在卢瑟福的核型结构的基础上础上,把量子概念应用于原子系统把量子概念应用于原子系统,提出三条基本假提出三条基本假设作为他氢原子理论的基础设作为他氢原子理论的基础,使氢光谱规

21、律获得很好使氢光谱规律获得很好的解释。的解释。本讲稿第二十六页，共四十七页3.玻尔理论的基本假设玻尔理论的基本假设 对氢原子核外电子的运动对氢原子核外电子的运动,玻尔提出玻尔提出:(1)定态假设定态假设 原原子子系系统统只只能能处处于于一一系系列列不不连连续续的的能能量量状状态态(能能级级E1,E2,),处处于于这这些些状状态态的的原原子子,其其相相应应的的电电子子在在一一定定的的轨轨道道上上绕绕核核作作圆圆周周运运动动,但但不不辐辐射射能能量量。这这些些状状态态称称为为原原子子系系统的稳定态统的稳定态(简称简称定态定态)。(2)轨道角动量量子化假设轨道角动量量子化假设 电电子子绕绕核核作作圆

22、圆周周运运动动，但但其其轨轨道道角角动动量量L决决定定于于下下述述条件条件:量子数n=1,2,(16-19)式中：式中：本讲稿第二十七页，共四十七页 (3)量子跃迁假设量子跃迁假设 原原子子从从定定态态n跃跃迁迁到到k发发出出(或或吸吸收收)光光的的频频率率 由由下式决定下式决定:(16-20)4.玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论 三个基本假设经典理论三个基本假设经典理论(牛顿定律牛顿定律)消去消去 ,得轨道半径得轨道半径rn：(16-21)n=1,2,玻尔半径玻尔半径:=5.2910-11m本讲稿第二十八页，共四十七页氢原子系统的动能：氢原子系统的动能：氢原子系统的势能：氢原子系统的势能：氢

23、原子系统的能量：氢原子系统的能量：(16-22)n=1,2,即即本讲稿第二十九页，共四十七页代入常量值，得代入常量值，得氢原子氢原子系统的能量为系统的能量为n=1,2,.(16-22)(1)能量是能量是量子化量子化的的负值负值。n=1,基态，基态，E1=-13.6eV,r1=ao;n=2,第第1激发态，激发态，E2=-3.4eV,r2=4ao;n=3,第第2激发态，激发态，E3=-1.51eV,r2=9ao;n=4,第第3激发态，激发态，E4=-0.85eV,r2=16ao;能量为负值能量为负值表示原子中的电子处于表示原子中的电子处于束缚束缚态。态。本讲稿第三十页，共四十七页(2)电离能电离能

24、 (使基态氢原子中的电子远离核所需作的功使基态氢原子中的电子远离核所需作的功)为为 E电离电离=13.6eV,与实验很好符合。与实验很好符合。(3)当原子从能态当原子从能态En跃迁到跃迁到Ek时时,发射光子的频率为发射光子的频率为=1.097107m-1与实验公式与实验公式(16-18)完全相同。完全相同。(里德伯恒量里德伯恒量)相应相应本讲稿第三十一页，共四十七页-13.6eV-3.4eV-1.51eV-0.85eVn=1,2,.图16-6n=1(基态基态)n=2(第第1激发态激发态)n=3(第第2激发态激发态)n=4(第第3激发态激发态)赖曼系赖曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系本讲稿第三十

25、二页，共四十七页例题例题16-8 可见光能否使基态氢原子受到激发？要使基态氢可见光能否使基态氢原子受到激发？要使基态氢原子发出可见光原子发出可见光,至少应供给多少能量？至少应供给多少能量？解解 激发激发使处于基态的氢原子跃迁到激发态。使处于基态的氢原子跃迁到激发态。可见光光子的能量可见光光子的能量(取取 =4000)：=3.1eV E=(13.6-3.4)eV=10.2 eV E,所以可见光不能使基态氢原所以可见光不能使基态氢原子受到激发。子受到激发。要使基态氢原子发出可见光要使基态氢原子发出可见光,至少应供给的能量为至少应供给的能量为 -13.6-3.4-1.51-0.851234图16-7

26、巴耳末系巴耳末系 使基态氢原子跃迁到最低使基态氢原子跃迁到最低的一个激发态所需的能量为的一个激发态所需的能量为13.6-1.51=12.09 eV本讲稿第三十三页，共四十七页例题例题16-9 大量氢原子处于第大量氢原子处于第3激发态，跃迁过程中能发出几激发态，跃迁过程中能发出几条谱线？各属于哪个线系？条谱线？各属于哪个线系？解解 实验证明实验证明,基态是稳定的。基态是稳定的。处于激发态上的原子寿命极短，通常处于激发态上的原子寿命极短，通常约为约为10-810-10s。因此处于激发态上。因此处于激发态上的原子都自发的倾向于向低能态跃的原子都自发的倾向于向低能态跃迁。迁。在图在图16-8中，画出了

27、这种量子中，画出了这种量子跃迁的形势。跃迁的形势。-13.6-3.4-1.51-0.851234图16-8 赖曼系赖曼系:3条；条；巴耳末系：巴耳末系：2条；条；帕邢系：帕邢系：1条。条。本讲稿第三十四页，共四十七页例题例题16-10 用动能为用动能为12.2eV的电子轰击基态氢原子，求的电子轰击基态氢原子，求能发出哪些波长的谱线。能发出哪些波长的谱线。解解 设电子能把它的动能尽量多的交给基态氢原子，设电子能把它的动能尽量多的交给基态氢原子，那么，基态氢原子能跃迁到的最高能级是那么，基态氢原子能跃迁到的最高能级是 。-13.6-3.4-1.51-0.85E1E2E3E4图16-9E3其量子跃迁

28、的形势如图其量子跃迁的形势如图16-9所示。所示。计算波长有两种方法：计算波长有两种方法：本讲稿第三十五页，共四十七页-13.6-3.4-1.51-0.85E1E2E3E4图16-9E2E1：k=1,n=2,=1215。E3E1：k=1,n=3,=1026。E3E2：k=2,n=3,=6563。R=1.097107m-1 玻尔理论虽然圆满解释了氢原子及类氢原子的光谱，玻尔理论虽然圆满解释了氢原子及类氢原子的光谱，但对谱线的强度无法计算；对其它原子更无能为力。从但对谱线的强度无法计算；对其它原子更无能为力。从理论上讲，只不过是在经典理论的基础上加上了一些量理论上讲，只不过是在经典理论的基础上加上

29、了一些量子条件，它远不是真正的量子论。子条件，它远不是真正的量子论。真正的量子论我们将在第十七章中介绍。真正的量子论我们将在第十七章中介绍。本讲稿第三十六页，共四十七页 自自从从1960年年制制成成第第一一台台红红宝宝石石激激光光器器以以来来，激激光光器器的的研研制制、激激光光理理论论以以及及激激光光技技术术等等方方面面都都取取得得了了巨巨大大的的进进展展,并并已广泛应用于国计民生的各个方面。已广泛应用于国计民生的各个方面。本本节节仅仅就就激激光光形形成成的的基基本本原原理理和和它它的的特特性性及及其其应应用用作作一一扼扼要的介绍。要的介绍。1.光的吸收和辐射光的吸收和辐射E2-E1E1E2光

30、的吸收光的吸收-E2-E1=hvE1E2光的辐射光的辐射图16-10-16.5 16.5 激光激光本讲稿第三十七页，共四十七页2.自发辐射和受激辐射自发辐射和受激辐射E1E2图16-11 自发辐射自发辐射-E2-E1=hv 处于激发态的原子处于激发态的原子,在没有外界作用的情况下在没有外界作用的情况下,自发的从自发的从激发态返回基态激发态返回基态,从而辐射出光子。这种辐射称为从而辐射出光子。这种辐射称为自发辐射自发辐射。特点特点:自发辐射过程是一随机过程自发辐射过程是一随机过程,各个原子的辐射是自各个原子的辐射是自发地、独立地进行的发地、独立地进行的,因而各个原子辐射因而各个原子辐射光子的频率

31、、相位、光子的频率、相位、偏振状态、传播方向均不同偏振状态、传播方向均不同,所以自发辐射的光是不相所以自发辐射的光是不相干的。普通光源发光就属于自发辐射。干的。普通光源发光就属于自发辐射。本讲稿第三十八页，共四十七页 处于激发态的原子处于激发态的原子,在自发辐射前受到能量在自发辐射前受到能量hv=E2-E1的外来光子的剌激的外来光子的剌激,从高能态从高能态E2跃迁到低能态跃迁到低能态E1,同时辐射出一个与外来光子状态相同的光子。这种辐同时辐射出一个与外来光子状态相同的光子。这种辐射称为射称为受激辐射受激辐射。特特点点:受受激激辐辐射射辐辐射射发发出出的的光光子子状状态态(频频率率、相相位位、偏

32、偏振状态以及传播方向振状态以及传播方向)完全相同。完全相同。E1E2图16-12 受激辐射受激辐射-E2-E1=hv本讲稿第三十九页，共四十七页 一个光子的输入一个光子的输入,由于受激辐射而得到两个完全相由于受激辐射而得到两个完全相同的光子同的光子,这两个又可变为四个这两个又可变为四个这就形成了雪崩式这就形成了雪崩式的的光放大光放大过程。过程。由由于于受受激激辐辐射射出出的的大大量量光光子子状状态态(频频率率、相相位位、传传播播方方向向、偏偏振振态态)相相同同，即即光光子子简简并并度度大大，所所以以受受激激辐辐射射发发出出的的光光相相干干性好，亮度极高性好，亮度极高,从而出现光源的质的飞跃。从

33、而出现光源的质的飞跃。因此，因此，受激辐射是形成激光的基础。受激辐射是形成激光的基础。本讲稿第四十页，共四十七页 有了受激辐射有了受激辐射,是否就能得到激光输出呢？是否就能得到激光输出呢？否否！要要知知道道，光光通通过过工工作作物物质质时时，不不仅仅有有受受激激辐辐射射形形成的光放大，还有光的吸收。成的光放大，还有光的吸收。根据玻耳兹曼分布律，通常温度下，处于低能态的根据玻耳兹曼分布律，通常温度下，处于低能态的原子数总是多于处于高能态的原子数。这叫正常分布。原子数总是多于处于高能态的原子数。这叫正常分布。光通过这种媒质时，吸收光子的原子多，受激辐射发出光通过这种媒质时，吸收光子的原子多，受激辐

34、射发出光子的原子少，因此光通过这种媒质时总的效果是光强光子的原子少，因此光通过这种媒质时总的效果是光强减弱。减弱。要获得真正的光放大，必须使受激辐射胜过光的吸收要获得真正的光放大，必须使受激辐射胜过光的吸收而占优势而占优势,这就要求处于高能态上的原子数这就要求处于高能态上的原子数N2多于低能态多于低能态原子数原子数N1,这种分布称为这种分布称为粒子数反转粒子数反转分布。分布。实现实现粒子数反转是产生激光的必要条件。粒子数反转是产生激光的必要条件。3.粒子数反转粒子数反转本讲稿第四十一页，共四十七页 第一第一,外界向工作物质输入能量外界向工作物质输入能量,把尽可能多的原子从把尽可能多的原子从低能

35、级激发到高能级低能级激发到高能级,这一过程称为激励这一过程称为激励(也称为抽运或泵也称为抽运或泵浦浦)。第二第二,工作物质要有工作物质要有(能发生粒子数反转的能发生粒子数反转的)适当的能适当的能级结构。级结构。下面以下面以He-Ne激光器为例加以说明。激光器为例加以说明。6328实现粒子数反转的两个条件是：实现粒子数反转的两个条件是：亚稳态亚稳态E2基态基态E1电子碰电子碰撞激励撞激励HeNeE1E2E3碰撞交碰撞交换能量换能量图16-11-本讲稿第四十二页，共四十七页4.光学谐振腔光学谐振腔 虽然光通过粒子数反转的工作物质能实现光放大，虽然光通过粒子数反转的工作物质能实现光放大，但由于初始光

36、子来自自发辐射，同时这种光子又不只一但由于初始光子来自自发辐射，同时这种光子又不只一个，所以这样的受激辐射所辐射出的光的频率、相位、个，所以这样的受激辐射所辐射出的光的频率、相位、偏振状态、传播方向并不完全相同。偏振状态、传播方向并不完全相同。要要得得到到频频率率、相相位位、偏偏振振状状态态、传传播播方方向向完完全全相相同同的的激激光束光束,还要一个新装置还要一个新装置光学谐振腔光学谐振腔。因此一个因此一个激光器激光器由三个基本部分由三个基本部分组成组成:激光工作物质、激励激光工作物质、激励(能源能源)装置和光学谐振腔。装置和光学谐振腔。图16-12 激光器的组成激光器的组成全反射全反射反射反

37、射99%工作物质工作物质光学谐振腔光学谐振腔.激励装置激励装置本讲稿第四十三页，共四十七页 在谐振腔中在谐振腔中,光信号能多次反复地沿着腔轴的方向通光信号能多次反复地沿着腔轴的方向通过工作物质过工作物质,不断获得光放大不断获得光放大,信号越来越强信号越来越强,达到饱和达到饱和,形形成激光输出。成激光输出。(2)改善方向性。改善方向性。光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用有三：有三：图16-13 光学谐振腔光学谐振腔全反射全反射反射反射99%.输出激光束输出激光束 凡是传播方向偏离腔轴方向的光子凡是传播方向偏离腔轴方向的光子,很快逸出腔外被淘汰很快逸出腔外被淘汰,只有沿着腔轴方向传播的光子才能在管中

38、不断地往返运行而得只有沿着腔轴方向传播的光子才能在管中不断地往返运行而得到光放大到光放大,所以输出激光具有很好的方向性。所以输出激光具有很好的方向性。(1)产生和维持光放大。产生和维持光放大。本讲稿第四十四页，共四十七页(3)提高单色性。提高单色性。激激光光在在谐谐振振腔腔中中来来回回反反射射，相相干干叠叠加加，形形成成以以反反射射镜镜为为波波节的驻波。节的驻波。只有满足上式波长的光才可能在腔内形成稳定的振荡只有满足上式波长的光才可能在腔内形成稳定的振荡而不断得到加强，其它波长的光很快就会衰减而淘汰。谐而不断得到加强，其它波长的光很快就会衰减而淘汰。谐振腔的这种选频作用，极大地提高了输出激光的

39、单色性。振腔的这种选频作用，极大地提高了输出激光的单色性。k=1,2,.或频率或频率k=1k=2k=3.L由于两端为波节由于两端为波节,所以腔长：所以腔长：本讲稿第四十五页，共四十七页 按照工作物质来分按照工作物质来分,可分为可分为 气气体体激激光光器器、半半导导体体激激光光器器、固固体体激激光光器器和和液液体体激激光光器等。器等。按照激光输出方式来分按照激光输出方式来分,又可分为又可分为 连续输出激光器和脉冲输出激光器。连续输出激光器和脉冲输出激光器。5.激光器的类型激光器的类型6.激光的特性及应用激光的特性及应用 (1)方向性好方向性好 激光方向性好的特性激光方向性好的特性,可用于定位、导

40、向、测距等。可用于定位、导向、测距等。(2)单色性好单色性好 激光单色性好的特性激光单色性好的特性,可用于精密测量、激光通讯、可用于精密测量、激光通讯、等离子体测试等。等离子体测试等。本讲稿第四十六页，共四十七页 (3)能量集中能量集中(亮度高亮度高)激光器的脉冲输出功率可达激光器的脉冲输出功率可达1013。激光使能量高度集中的特性激光使能量高度集中的特性,可用于打孔、焊接、可用于打孔、焊接、切割，制造激光武器等。在医学上切割，制造激光武器等。在医学上,可用激光作为手术可用激光作为手术刀。刀。(4)相干性好相干性好 由于激光的单色性好由于激光的单色性好,因而它的时间相干性极好。可因而它的时间相干性极好。可用于快速、精密的无损检测，用作激光全息照相的光源。用于快速、精密的无损检测，用作激光全息照相的光源。本讲稿第四十七页，共四十七页