第21章 量子光学.ppt

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1、物理学发展到物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度完美、相当成熟的程度19世世纪纪的的最最后后一一天天，欧欧洲洲著著名名的的科科学学家家欢欢聚聚一一堂堂。会会上上，英英国国著著名名物物理理学学家家W汤汤姆姆生生（即即开开尔尔文文男男爵爵）发发表表了了新新年年祝祝词词。他他在在回回顾顾物物理理学学所所取取得得的的伟伟大大成成就就时时说说，物物理理大大厦厦已已经经落落成成，所所剩剩只只是是一些修饰工作一些修饰工作21-1 引言引言寻寻找找以以太太的的零零结结果果，爱爱因因斯斯坦坦创创立立了了现现代代物物理理大大厦厦之一：相对论之一：相对论热热辐辐射

2、射的的紫紫外外灾灾难难的的解解决决，普普朗朗克克等等人人建建立立了了现现代物理大厦之二：量子论代物理大厦之二：量子论所所有有物物体体在在任任何何温温度度下下都都要要发发射射电电磁磁波波，这这种种 与与 温温 度度 有有 关关 的的 辐辐 射射 称称 为为 热热 辐辐 射射(heat radiation)。如图如图1.热辐射的基本概念热辐射的基本概念一、基尔霍夫定律一、基尔霍夫定律(Kirchoff)热热辐辐射射的的电电磁磁波波的的波波长长、强强度度与与物物体体的的温温度度有有关，还与物体的性质表面形状有关。关，还与物体的性质表面形状有关。单单色色辐辐出出度度M ：为为了了描描述述物物体体辐辐射

3、射能能量量的的能能力力，定定义义物物体体单单位位表表面面在在单单位位时时间间内内发发出出的的波波长长在在 附附近近单单位位波波长长间间隔隔内内的的电磁波的能量为单色辐出度电磁波的能量为单色辐出度M 辐辐出出度度 M(T):物物体体从从单单位位面面积积上上发发射射的的所所有有各各种种波波长长的的辐辐射射总总功功率率称称为为物物体体的的总总辐辐出度出度 M(T)即即单单色色吸吸收收比比:当当辐辐射射从从外外界界入入射射到到物物体体表表面面时时，在在 到到+d 的的波波段段内内吸吸收收的的能能量量“E 吸吸收收 d”与与入入射射的的总总能能量量“E 入入射射 d”之比之比:吸收比吸收比:当辐射从外界

4、入射到物体表面时，当辐射从外界入射到物体表面时，吸收吸收能量与入射总能量之比能量与入射总能量之比:吸收能力的量度吸收能力的量度黑体：黑体：能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体显然，黑体的吸收比和单色吸收比为显然，黑体的吸收比和单色吸收比为100%黑黑体体是是理理想想模模型型，（如如图图）在在不不透透明明材材料料围围成成的的空空腔腔上上开开一一个个小小孔孔。该该小小孔孔可可认认为为是是黑黑体体的的表面。表面。黑黑体体能能吸吸收收各各种种频频率率的的电电磁磁波波，也也能能辐辐射射各各种种频率的电磁波。频率的电磁波。同同一一个个物物体体的的发发射射本本领领和和

5、吸吸收收本本领领有有内内在在联联系系，例例下图为黑白花盘子的反射和自身辐射照片下图为黑白花盘子的反射和自身辐射照片室温下的反射光照片室温下的反射光照片 1100K的自身辐射光照片的自身辐射光照片2.基尔霍夫定律基尔霍夫定律基基尔尔霍霍夫夫定定律律：实实验验发发现现，在在温温度度一一定定时时物物体体在在某某波波长长处处的的单单色色辐辐出出度度与与单单色色吸吸收收比比的的比比值值与与物体及其物体表面的性质无关，即物体及其物体表面的性质无关，即图片说明一个图片说明一个好的发射体一定也是好的吸收体。好的发射体一定也是好的吸收体。上式中，脚标不同对应不同的材料上式中，脚标不同对应不同的材料,M(,T)为

6、与材为与材料无关的普适函数料无关的普适函数M(,T)=?二、二、黑体辐射的基本规律黑体辐射的基本规律实验规律发现：实验规律发现：在在温温度度一一定定时时黑黑体体的的单单色色辐辐出出度度与与波波长长有有关关，并并存存在在一一极极大大值值，所所对对应应的的极值点极值点 m有关系有关系上上述述全全波波段段的的黑黑体体辐辐射射规规律律是是基基于于以以下下几几个个实实验规律逐步建立的：验规律逐步建立的：1.斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律（玻耳兹曼定律（J.Stefan&L.Boltzmann）=5.6710-8 W/（m2K4）Stefen 恒量恒量实验证明，黑体的总辐出度实验证明，黑体的总辐出度M(T)（每

7、条曲线下每条曲线下的面积）与温度的四次方成正比的面积）与温度的四次方成正比2.维恩位移定律（维恩位移定律（W.Wien）黑黑体体辐辐射射中中单单色色辐辐出出度度的的极极值值波波长长 m与与黑黑体体温温度度T 之之积积为常数为常数其中其中b=2.89810-3 mK 为为Wien 常数常数以上两个实验定律是遥感、高温测量和红外追踪以上两个实验定律是遥感、高温测量和红外追踪等技术的物理基础。等技术的物理基础。3.维恩公式（非前面的维恩位移定律）维恩公式（非前面的维恩位移定律）4.瑞利瑞利金斯公式金斯公式 假定电磁波能量分布服从类似于经典的麦克斯韦假定电磁波能量分布服从类似于经典的麦克斯韦速度分布律

8、，可得速度分布律，可得瑞利瑞利金斯从经典的能量均分定理出发，得到金斯从经典的能量均分定理出发，得到5.普朗克公式普朗克公式普普朗朗克克利利用用内内插插法法，使使两两个个波波段段分分别别与与维维恩恩公公式式和和瑞瑞利利金金斯斯公公式式一一致致，得得到到正确的黑体辐射公式：正确的黑体辐射公式：黑体热辐射的理论与实验结果的比较黑体热辐射的理论与实验结果的比较维维恩恩公公式式在在低低频频段段，偏离实验曲线！偏离实验曲线！瑞瑞利利金金斯斯公公式式在在高高频频段段(紫紫外外区区)与与实实验验明明显显不不符符，短短波波极极限限为为无无限限大大“紫外灾难紫外灾难”！普朗克公式在全波普朗克公式在全波段与实验结果

9、惊人段与实验结果惊人符合！符合！按按照照经经典典电电磁磁理理论论，空空腔腔内内的的热热平平衡衡辐辐射射由由一一系系列列驻驻波波组组成成，每每一一频频率率的的驻驻波波振振动动可可对对应应同同频频率率的的简简谐谐振振子子振振动动。空空腔腔中中的的电电磁磁波波能能量量分分布布可可等等效效为为一一系系列列频频率率的的简简谐谐振振子子的的能量分布。能量分布。1.经典电磁理论经典电磁理论经经典典理理论论：振振子子的的能能量量取取“连连续续值值”，其其中中维维恩恩公公式式和和瑞瑞利利金金斯斯公公式式正是基于这一假设得到的。正是基于这一假设得到的。三、普朗克的能量子假说三、普朗克的能量子假说2.普朗克的能量子

10、假说普朗克的能量子假说普朗克为了从理论上解释他所得普朗克为了从理论上解释他所得到的半经验公式，大胆地假设：到的半经验公式，大胆地假设：振振子子振振动动的的能能量量是是不不连连续续的的，只只能能取取最最小小能能量量E0 的整数倍的整数倍h，2h，3h，n h E0=h同振子的频率成正比，称为同振子的频率成正比，称为能量子能量子，其，其中中h=6.626075510-34 Js称为普朗克常数称为普朗克常数由此他导出黑体的辐出度由此他导出黑体的辐出度可得能量按波长分布可得能量按波长分布利用利用并结合并结合普普朗朗克克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,18581947)德德国

11、国物物理理学学家家，量量子子物物理理学学的的开开创创者者和和奠奠基基人人，1918年年诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖金的获得者。奖金的获得者。光光照照射射在在金金属属及及其其化化合合物物的的表表面面上上发发射射电电子子的的现现象称为光电效应。象称为光电效应。实验装置实验装置-光电管光电管电路中出现的电流形成光电流电路中出现的电流形成光电流在在阴阴极极金金属属表表面面逸逸出出的的电电子称为光电子子称为光电子一、一、光电效应光电效应1.光电效应光电效应21-3 爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦的光量子假设 红限（截止）频率红限（截止）频率只有当入射光频率只有当入射光频率 大于一定的频率大于一定的频率 0

12、时，才会产时，才会产生光电效应，生光电效应，0 称为截止频率或红限频率称为截止频率或红限频率2.光电效应的实验规律光电效应的实验规律光电流光电流光强光强当入射光的频率给定后当入射光的频率给定后(0)，光电流与入射，光电流与入射光强成正比光强成正比 在入射光强一定时在入射光强一定时光电流会随光电流会随U的增的增大，最后达到一饱大，最后达到一饱和值和值im。饱和光电流饱和光电流饱和电流与入射饱和电流与入射光强成正比光强成正比当电压为零时光电流并不为零，甚至反向电当电压为零时光电流并不为零，甚至反向电压不太大时仍有光电流存在，当反向电压大压不太大时仍有光电流存在，当反向电压大到一定数值到一定数值Ua

13、 时光电流完全变为零。称时光电流完全变为零。称Ua为遏止电压。为遏止电压。遏止电压遏止电压遏止电压随入射光频率的增加而增加，两者成遏止电压随入射光频率的增加而增加，两者成线性关系，与入射光强无关，即线性关系，与入射光强无关，即 Ua=K -U0当入射光无论如何弱，光电子在光照射的当入射光无论如何弱，光电子在光照射的瞬间可产生，驰豫时间不超过瞬间可产生，驰豫时间不超过10-9 s 光电效应瞬时发生的光电效应瞬时发生的二、爱因斯坦的光量子假设二、爱因斯坦的光量子假设光光电电效效应应的的成成因因：金金属属表表面面对对电电子子具具有有束束缚缚作作用用，电电子子脱脱离离金金属属表表面面所所需需要要的的能

14、能量量，所所需需的的最最少少能能量量称称为为逸逸出出功功(work function)，用用 A表示表示其中其中Ephoton为吸收的电磁波能量为吸收的电磁波能量电电子子逸逸出出功功、光光电电子子的的动动能能、和和光光子子的的能能量量满满足关系：足关系：若用极微弱的光照射，阴极电子积累能量达到若用极微弱的光照射，阴极电子积累能量达到逸出功逸出功A需要一段时间，光电效应不可能瞬时需要一段时间，光电效应不可能瞬时发生！发生！按照光的经典电磁理论：光波的强度与频率无按照光的经典电磁理论：光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与频率无关，不存在截关，电子吸收的能量也与频率无关，不存在截止频率！止频率！

15、1.经典物理学所遇到的困难经典物理学所遇到的困难(3)电子在离开金属面时具有的初动能电子在离开金属面时具有的初动能:2.爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设为了解释光电效应，爱因斯坦假设为了解释光电效应，爱因斯坦假设(1)光是由一颗一颗的光子（光量子光是由一颗一颗的光子（光量子）组成。每个光组成。每个光子的能量与其频率成正比，即子的能量与其频率成正比，即E=hn光电效应方程光电效应方程(2)一一个个光光子子只只能能整整个个地地被被电电子子吸吸收收或或放放出出。光光量量子具有子具有“整体性整体性”。电电子子离离开开金金属属表表面面的的动动能能至至少少为为零零，故故当当 m(n=m+1，m+2,)

16、m 取不同值时，给出不同光谱系；取不同值时，给出不同光谱系；n 对应于不同谱线对应于不同谱线巴尔末系巴尔末系（Balmer)m=2，可见光可见光 帕邢系帕邢系（Paschen)m=3，红外红外赖曼系赖曼系（Lyman)m=1，紫外光紫外光12354赖曼系赖曼系巴尔末系巴尔末系帕邢系帕邢系n=二、经典原子模型及其困难二、经典原子模型及其困难1.汤姆逊父子的面包夹葡萄干模型（汤姆逊父子的面包夹葡萄干模型（1902-4）-r10-10m整整个个原原子子呈呈胶胶冻冻状状的的球球体体，正正电电荷荷均均匀匀分分布布于于球球体体上上，而而电电子子镶镶嵌嵌在在原原子子球球内内，在在各各自自的的平平衡衡位位置置

17、作作简简谐谐振振动动并发射同频率的电磁波。并发射同频率的电磁波。简简化化为为谐谐振振子子模模型型能能解解释释可可见见光光区区的的光光谱谱，不不能能说说明明红外、紫外光谱。红外、紫外光谱。+-1909年年,卢瑟福卢瑟福(E.Rutherford)的的 粒子散射实验粒子散射实验中发现部分大角度散射事例，中发现部分大角度散射事例，并并又由此提出了原子又由此提出了原子的核结构模型：的核结构模型：2.卢瑟福的卢瑟福的 粒子散射实验和原子的粒子散射实验和原子的核结构模型核结构模型电子绕着原子核转动如同行星绕太阳转动一样满足电子绕着原子核转动如同行星绕太阳转动一样满足开普勒三定律，又称太阳系模型。开普勒三定

18、律，又称太阳系模型。核结构模型很好地解释了核结构模型很好地解释了 粒子散射实验，但却粒子散射实验，但却使经典理论陷入困境：使经典理论陷入困境：（1）原子的稳定性问题）原子的稳定性问题按按照照经经典典电电磁磁理理论论加加速速带带电电粒粒子子一一定定要要辐辐射射电电磁磁波波，使使得得电电子子的的动动能能越越来来越越小小，最最后后电电子子被被吸吸引引到到原原子子核核上上。原原子子是不稳定的。是不稳定的。3.经典原子模型的困难经典原子模型的困难（2）原子光谱的线状光谱问题）原子光谱的线状光谱问题若若电电子子运运动动的的周周期期为为T，发发射射的的电电磁磁波波的的周周期期也也应应该该是是T，电电子子的的

19、周周期期由由于于运运动动半半径径越越来来越越小小是是连连续续变变化化的的，所所以以按按卢卢瑟瑟福福的的的的原原子子模模型型辐射的电磁波应该是连续谱。辐射的电磁波应该是连续谱。1911年年赴赴Cambridge大大学学，在在Cavendish实验室工作实验室工作 1912年年在在Manchester大大学学Rutherford实实验验室室工工作作四四个个月月，参参加加了了“粒粒子子散散射射实实验验”研研究究工工作作1913年年发发表表“原原子子构构造造和和分分子子构构造造”，提提出出他他的的氢氢和类氢原子结构模型和类氢原子结构模型Noels Bohr：1922诺贝尔诺贝尔物理学奖得主物理学奖得主

20、三、三、Bohr 理论理论 n=1，2，3（1）定定态态条条件件：电电子子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，是是稳稳定定的的状状态态定定态态。每每一一个个定定态态对对应应于电子的一个能级。于电子的一个能级。（2）频率条件：当原子从某一能量状态）频率条件：当原子从某一能量状态跃迁到另一能量状态产生电磁辐射，跃迁到另一能量状态产生电磁辐射，且电磁波的频率满足条件且电磁波的频率满足条件（3）角动量量子化条件：电子绕核作）角动量量子化条件：电子绕核作圆周运动时角动量是量子化的，圆周运动时角动量是量子化的，取值为取值为1.Bohr 假设：假设：vnEn+e-e mmprn2.氢原子

21、光谱的氢原子光谱的Bohr理论解释理论解释经典理论结合经典理论结合Bohr 理论理论 氢原子的半径和玻尔半径氢原子的半径和玻尔半径vnEn+e-e mmprnBohr半径半径 氢原子的能量、氢原子的能量、基态能（电离能）基态能（电离能）电子能量电子能量基态能（电离能）基态能（电离能）Rydberg公式：公式：nhnEmE -13.6-3.39-1.51-0.85-0.540En(eV)12354氢原子能级图氢原子能级图赖曼系赖曼系巴尔末系巴尔末系帕邢系帕邢系布喇开系布喇开系普芳德系普芳德系例例 如用能量为如用能量为12.6 eV的电子轰击氢原子，将产的电子轰击氢原子，将产生那些生那些光光谱线？

22、谱线？解：解：可取可取 n=3可能的能级跃迁：可能的能级跃迁：31，32，21由大量原子组成的系统，在温度不由大量原子组成的系统，在温度不太低的平衡态，原子数目按能级的太低的平衡态，原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计分布：分布服从玻耳兹曼统计分布：一、一、原子在能级上的统计分布原子在能级上的统计分布EnNnE1E2若若 E2 E1，则两能级上则两能级上的原子数目之比的原子数目之比 例例 对于氢原子，对于氢原子，En=-E1/n2，求在常温下求在常温下(T=300K)，处在第一激发态的氢原子处在第一激发态的氢原子数与数与处在基态的处在基态的原子数比原子数比几乎所有电子都处于基态上几乎所有电子都

23、处于基态上解解:二、自发辐射二、自发辐射、受激辐射和、受激辐射和受激受激吸收吸收原原子子吸吸收收光光子子后后可可从从低低能能态态跃跃迁到高能态（迁到高能态（受激吸收受激吸收）eee处处于于激激发发态态的的原原子子可可自自发发从从高高能能态态跃跃迁迁到到低低能能态态而而发光，称为发光，称为自发辐射自发辐射原原子子吸吸收收光光子子后后可可也也可可从从高高能能态跃迁到低能态（态跃迁到低能态（受激辐射受激辐射）设设 N1、N2 为处于为处于E1、E2 能级的原子数能级的原子数，单位时单位时间内间内 从从E2 E1自发辐射的原子数自发辐射的原子数应与初始原子数应与初始原子数成正比成正比：1.自发辐射自发

24、辐射(spontaneous radiation)h E1E221 称称为为爱爱因因斯斯坦坦自自发发发发射射系系数数，为为单单个个原原子子在在单位时间内发生自发辐射概率。单位时间内发生自发辐射概率。E1E2各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光。2受激辐射受激辐射(stimulated radiation)h E1E2E1E2h h 当频率为当频率为 =(E2 E1)/h 的外来光入射时，会的外来光入射时，会引起高能态的原子跃迁到低能态引起高能态的原子跃迁到低能态W21单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。单个原子在单位时间内发生受激辐射过程

25、的概率。单单位位体体积积中中单单位位时时间间内内，从从E2 E1受受激激辐辐射射的的原子数：原子数：受受激激辐辐射射光光与与外外来来光光的的频频率率、偏偏振振方方向向、相相位位及及传传播播方方向向均均相相同同（全全同同光光子子）的的相相干干光光，有有光放大光放大作用。作用。h E1E2E1E2h h 当频率为当频率为 =(E2 E1)/h的外来光入射时，的外来光入射时，也会引起低能态的原子跃迁到高能态。也会引起低能态的原子跃迁到高能态。3.受激受激吸收吸收(stimulated absorption)h E1E2E1E2单位体积中单位时间内因吸收外来光而从单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E

26、1E2 的原子数：的原子数：W12 为为单个原子在单位时间内发生吸收过程的概率。单个原子在单位时间内发生吸收过程的概率。A12、W21 和和W12 并不独立，并不独立，爱因斯坦给出了三者爱因斯坦给出了三者之间的关系了，例如，之间的关系了，例如，为激光的发明（受激辐射的光放大）奠定了理为激光的发明（受激辐射的光放大）奠定了理论基础。论基础。W21=W12 三、粒子数反转和光放大三、粒子数反转和光放大实实际际的的发发光光媒媒质质由由大大量量原原子子构构成成，在在热热平平衡衡时时遵遵从从玻玻耳耳兹兹曼曼分分布布，大部分原子处在基态上。大部分原子处在基态上。E1E2少少数数原原子子处处在在激激发发态态

27、上上，当当一一束束光光射射入入媒媒质质后后，可可同时引起受激吸收和受激辐射。因为同时引起受激吸收和受激辐射。因为N1N2，所以所以宏观上表现为对光的吸收，达不到对光的放大目的宏观上表现为对光的吸收，达不到对光的放大目的入射光透射光E1E2如如果果原原子子的的分分布布是是N2N1，称称为为粒粒子子数数分分布布反反转转，则则受受激激辐辐射射占占主主导导地地位位，宏宏观观上上表表现现为为辐辐射射，可可实现光的放大实现光的放大入射光透射光处处于于粒粒子子数数反反转转分分布布的的介介质质称称为为激激活活介介质质，它它正正是是激光器的工作物质。激光器的工作物质。普普通通光光源源：蜡蜡烛烛、太太阳阳、白白炽

28、炽灯灯等等。光光是是自发辐射的自发辐射的激光光源：如红宝激光光源：如红宝石激光器。光是受石激光器。光是受激发而辐射的激发而辐射的Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(Laser)一一、激光概述激光概述激光的特点：方向性好（发散角激光的特点：方向性好（发散角10-4 rad）；）；单单色性色性好（好（10-8）；）；强度大（脉冲瞬时功率强度大（脉冲瞬时功率可达可达1014 W）光学望远镜光学望远镜激光切割金属激光切割金属Laser videodisc with simulated laser beam 激光器的种类激光器的

29、种类固体（如红宝石固体（如红宝石Al2O3）激光器激光器气体（如气体（如He-Ne，CO2）激光器激光器半导体激光器（激光半导体激光器（激光二极管）二极管）液体（如某些染料）液体（如某些染料）.1.激光器的结构激光器的结构以红宝石激光器为例以红宝石激光器为例二、激光器的工作原理二、激光器的工作原理全反射面全反射面全反射面全反射面透透透透射射射射率率率率为为为为10%10%10%10%的反射面的反射面的反射面的反射面氙氙氙氙闪光灯闪光灯闪光灯闪光灯一台激光器主要由三部分组成：一台激光器主要由三部分组成：工作物质、光学谐振工作物质、光学谐振腔和激励能源腔和激励能源光学谐振腔：两严格光学谐振腔：两严

30、格平行的反射镜构成平行的反射镜构成全全反反射射镜镜部部分分反反射射镜镜2.工作物质工作物质粒子数反转的实现粒子数反转的实现不不同同种种类类的的激激光光器器实实现现激激活活介介质质粒粒子子数数反反转分布方式不同转分布方式不同*。对对于于He-Ne气气体体激激光光器器主主要要是是利利用用He原原子子的的亚亚稳稳态态实实现现的的（一一般般原原子子激激发发态态的的寿寿命命为为10-8 s，但但也也有有些些激激发发态态的的寿寿命命长长达达10-3 s甚甚至至长长达达1s，称这种长寿命的激发态为亚稳态）称这种长寿命的激发态为亚稳态）为为简简单单，假假设设原原子子只只有有三三个个能能级级E1、E2和和E3，

31、E2为亚稳态为亚稳态三三能级模式能级模式抽抽运运粒粒子子E2E3E1E2E3E1(10-8s)E2E3E1(10-3s)N2N1非弹性碰撞非弹性碰撞无辐射跃迁无辐射跃迁激励激励E2E1hn实实际际工工作作物物质质原原子子能能级级结结构构要要复复杂杂的的多多，可可能能存存在在几几对对能能级级之之间间的的粒粒子子数数分分布布反反转转，相相应应有有发发射射几几种种波波长长的的激激光光。例例如如，氦氦氖氖激激光光器器可可以以发发射射0.6328 m,1.15 m,3.39 m 等波长的激光。等波长的激光。3.光学谐振腔光学谐振腔(optical harmonic oscillator)的作的作用用若若

32、无无谐谐振振腔腔，激激活活介介质质初初始始自自发发辐辐射射的的光光是是传传播播方方向各向同性的非相干光向各向同性的非相干光抑抑制制了了传传播播方方向向与与轴轴线线不不平平行行的的光光，放放大大了了沿沿轴轴线线方向传播的光。方向传播的光。(1)谐振腔的定向作用谐振腔的定向作用红宝石激光器红宝石激光器通通过过调调节节谐谐振振腔腔的的作作用用还还可可对对沿沿轴轴向向传传播播的的光光进进一一步步选选频频，只只让让某某几几种种满满足足共共振振条条件件的的单单色色光得到放大，共振条件就是如下驻波条件：光得到放大，共振条件就是如下驻波条件：图图示示为为氦氦氖氖激激光光器器 Ne 原原子子的的0.6328 m

33、受受激激辐辐射射光光的的谱谱线线自自然然展展宽宽示示意意图，自然宽度高达图，自然宽度高达 1.3109 Hz(2)谐振腔的选频作用谐振腔的选频作用驻波条件驻波条件(k=1、2、3、)n 谐振腔内媒质的折射谐振腔内媒质的折射率率，k真空中的波长真空中的波长Lk=1k=2k=3因因此此，在在光光学学谐谐振振腔腔内内只只有有某某些些确确定定波波长长的的光光才才能能形形成成稳稳定定的的驻驻波波波波长长与与腔腔的的纵纵向向长长度度有有关关这样的每一个振动模式称为一个这样的每一个振动模式称为一个“纵模纵模”。可以存在的纵模频率为可以存在的纵模频率为 相邻两个纵模频率的间隔为相邻两个纵模频率的间隔为例例在在

34、氦氦氖氖激激光光器器 0.6328 m 谱谱线线宽宽度度=1.3109 Hz内可以存在的纵模个数为内可以存在的纵模个数为利利用用加加大大纵纵模模频频率率间间隔隔k的的方方法法，可可以以使使 区区间间中中只只存存在在一个纵模频率。一个纵模频率。比比如如缩缩短短管管长长到到 10 c，即即 L/10,则则 k 10 k在在 区区间间中中，只只可可能能存存在在的的纵纵模模个个数数为为 N=1。最后使激光具有极好最后使激光具有极好的单色性的单色性在在气气体体激激光光器器中中，由由于于谐谐振振腔腔的的结结构构不不同同可可分分为为内腔式内腔式和和外腔式外腔式激光器。激光器。内内腔腔式式激激光光器器两两个个

35、端端面面上上的的反反射射镜镜是是放放电电管管的的一一部部分分。其其结结构构简简单单，但但由由于于谐谐振振腔腔长长度度不不可可调调节节，产产生生激激光光的的频频率率是是固固定定的的，而而且且是非偏振的。是非偏振的。(3)谐振腔内谐振腔内布儒斯特窗口布儒斯特窗口的作用的作用外外腔腔式式激激光光器器的的两两个个反反射射镜镜安安放放在在放放电电管管的的外外侧侧。其其优优点点是是谐谐振振腔腔长长度度可可调调节节。但但因因为为增增加加了了两两个个放放电电管管的的封封口口，会会增增加加激激光光器器的的反反射射损损耗耗。但但若若每每个个封封口口倾倾斜斜角角正正好好等等于于布布儒儒斯斯特特角角时时，两两个个封封

36、口口对对于于偏偏振振方方向向平平行行于于入入射射面面的的光光是是透透明明的的，减减少少了了反反射射损耗，这种偏振光可被放大而形成激光。损耗，这种偏振光可被放大而形成激光。外外腔腔式式激激光光器器产产生生的的激激光光频频率率是是可可调调的的，而而且且是是偏振的。偏振的。外腔式激光器外腔式激光器(1)使激光具有极好的方向性（沿轴线）；使激光具有极好的方向性（沿轴线）；(2)增强光放大作用（增强光放大作用（“延长延长”了工作物质）；了工作物质）；(3)使激光具有极好的单色性（选频）。使激光具有极好的单色性（选频）。总之，光学谐振腔主要有如下三个作用总之，光学谐振腔主要有如下三个作用六、激光的特性及其应用六、激光的特性及其应用焊接、钻孔、切割；测距、准直、定向；全焊接、钻孔、切割；测距、准直、定向；全息存储息存储 激光的应用主要是利用其如下三个特点：激光的应用主要是利用其如下三个特点：发光强度高、方向性好和相干性好。发光强度高、方向性好和相干性好。涉及的范围很广，包括：涉及的范围很广，包括：