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1、关于光的疑惑关于光的疑惑第1页/共43页2光的本性：光的本性：（1905年，爱因斯坦提出：光的粒子性）年，爱因斯坦提出：光的粒子性）（干涉、衍射）（干涉、衍射）波动性：波动性：表现在传播过程中表现在传播过程中粒子性：粒子性：表现在与物质相互作用中表现在与物质相互作用中 （光电效应、康普顿效应）（光电效应、康普顿效应）光同时具有波、粒二象性，波、粒二象性的联系：关于光的认识关于光的认识第2页/共43页光的本性：“光波是电磁波光波是电磁波”真空中真空中介质中介质中介质的折射率介质的折射率第3页/共43页 电磁矢量均与光的传播方向垂直,光和物质的相互作用主要由电矢量决定。光矢量指电矢量光波是横波光的
2、本性：第4页/共43页光的本性：光子是玻色子。玻色子是不可分辨的，不受泡利不相容原理的约束。对玻色子系统，单粒子态Ei的平均占有数为玻色-爱因斯坦分布玻色-爱因斯坦凝聚态第5页/共43页光与固体材料相互作用反射、折射、散射、吸收 光束在介质中传播时，部分光束在介质中传播时，部分光线偏离原方向分散传播的现象光线偏离原方向分散传播的现象称为称为光的散射光的散射。从分子理论来看，光波射入介质后，将激起介质中的电子作受迫振动，从分子理论来看，光波射入介质后，将激起介质中的电子作受迫振动，从而发散出相干次波。只要分子密度是均匀的，次波相干迭加的结果，只剩从而发散出相干次波。只要分子密度是均匀的，次波相干
3、迭加的结果，只剩下遵从几何光学规律的沿原方向传播的光线，其余方向的振动完全抵消；若下遵从几何光学规律的沿原方向传播的光线，其余方向的振动完全抵消；若介质是不均匀的，它能够破坏次波的干涉相消，从而引起光的散射。介质是不均匀的，它能够破坏次波的干涉相消，从而引起光的散射。第6页/共43页光吸收的类型光吸收的类型 一般吸收（一般吸收（general absorption）在给定的波段范围内，若介质对光的吸收很少，而且光在给定的波段范围内，若介质对光的吸收很少，而且光吸收量与波长无关。在可见光范围内，一般吸收意味着吸收量与波长无关。在可见光范围内，一般吸收意味着光光通过介质后不改变颜色而只改变强度。通
4、过介质后不改变颜色而只改变强度。选择吸收（选择吸收（selective absorption）在给定的波段范围内，媒质吸收某种波长的光能比较显在给定的波段范围内，媒质吸收某种波长的光能比较显著。在可见光范围内，选择吸收意味着著。在可见光范围内，选择吸收意味着光通过介质后既改光通过介质后既改变颜色也改变强度。变颜色也改变强度。如果不把光局限于可见光范围以内，可以说一切物质都具如果不把光局限于可见光范围以内，可以说一切物质都具有一般吸收和选择吸收两种特性。有一般吸收和选择吸收两种特性。选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因。选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因。第7页/共43页金属的光透过性质金属的光透
5、过性质第8页/共43页金属吸收光子后电子能态的变化金属吸收光子后电子能态的变化金属的光透过性质金属的光透过性质第9页/共43页非金属的光透过性质非金属的光透过性质选择吸收（选择吸收（selective absorption）第10页/共43页非金属吸收光子后电子能态的变化非金属吸收光子后电子能态的变化第11页/共43页金属材料：颜色取决于其反射光的波长；金属材料：颜色取决于其反射光的波长；无机非金属材料：无机非金属材料：颜色通常与光吸收特颜色通常与光吸收特性有关；性有关；颜色？颜色？第12页/共43页 从微观上分析，光子与固体材料相互作用，实际上是光子与固体中的原子、离子、电子之间的相互作用，
6、其结果导致：光子与固体材料相互作用1.电子极化孤立原子吸收光子后电子态转变示意图2.电子能态转变能量被吸收，光强降低光速降低，产生折射第13页/共43页发光的物理机制发光的物理机制 发射光谱发射光谱 光源光源 发射光波的物体。如太阳、蜡烛等。光源发出的光是发射光波的物体。如太阳、蜡烛等。光源发出的光是其中大量的分子或原子的运动状态发生变化时所辐射出的其中大量的分子或原子的运动状态发生变化时所辐射出的电磁波。电磁波。发光的物理机理发光的物理机理 电子沿着一个个分立的轨道绕核电子沿着一个个分立的轨道绕核旋转，当电子在确定的轨道上运动旋转，当电子在确定的轨道上运动时，原子具有确定的能量。时，原子具有
7、确定的能量。电子从一个轨道跃迁到另一个轨道，电子从一个轨道跃迁到另一个轨道，原子或分子就从一个能态跃变到另一能原子或分子就从一个能态跃变到另一能态，同时伴随着能量的变化。态，同时伴随着能量的变化。电子在不同轨道之间跃变，原子向外释放或吸收能量。电子在不同轨道之间跃变，原子向外释放或吸收能量。第14页/共43页E赖曼系赖曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系布拉开系布拉开系n=1n=2n=3n=4n=5n=6n=1n=3n=2n=原子的不同能态用一个个分立的能级表示原子的不同能态用一个个分立的能级表示 第15页/共43页原子从一个定态跃迁到另一定态，原子从一个定态跃迁到另一定态，会发射或吸收一个光子，
8、频率会发射或吸收一个光子，频率辐射频率公式辐射频率公式波列长波列长 L=c每一个辐射光子称作一个每一个辐射光子称作一个波列波列每个波列持续时间约每个波列持续时间约10-8s原子或分子的发光过程是彼此独立原子或分子的发光过程是彼此独立的、随机的的、随机的光源发出的连续光波实际上是大光源发出的连续光波实际上是大量原子或分子发光的总效果。量原子或分子发光的总效果。相互独立的波列相互独立的波列第16页/共43页.非相干（同一原子先后发出的光）非相干（同一原子先后发出的光）非相干（不同原子发出的光）非相干（不同原子发出的光）注：注：发射光谱发射光谱原子发射光谱原子发射光谱铁和其他元素的原子发射光谱图（上
9、为铁谱，下为其他元素光谱）铁和其他元素的原子发射光谱图（上为铁谱，下为其他元素光谱）第17页/共43页原子的发射光谱是线状光谱原子的发射光谱是线状光谱 每种原子有其独特的发射光谱每种原子有其独特的发射光谱识别不同原子的标志识别不同原子的标志 分子发射光谱分子发射光谱若干光谱带组成的带状光谱若干光谱带组成的带状光谱 分子光谱分子光谱分子能级结构非常复杂分子能级结构非常复杂分子的能量分子的能量能级间隔满足 分子的转动能级间的跃迁发出分子的转动能级间的跃迁发出远红外辐射远红外辐射；振动能级；振动能级间的跃迁发出间的跃迁发出中红外辐射中红外辐射；而电子能级间的跃迁发出；而电子能级间的跃迁发出可见光和紫
10、外辐射可见光和紫外辐射。第18页/共43页荧光发射荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级基态（多为 S1 S0跃迁跃迁），10-710-9 s。磷光发射磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级基态（T1 S0跃迁）；电子由S0进入T1的可能过程：（S0 T1禁阻跃迁）S0 激发振动弛豫内转移系间跨越振动弛豫 T1 发光速度很慢：10-4100 s。光照停止后，可持续一段时间。光致发光荧光和磷光第19页/共43页 光与物质相互作用的三种基本方式 爱爱因因斯斯坦坦在在光光量量子子论论的的基基础础上上,把把光光频频电电磁磁场场与与物物质质的的相相互互作作用用划划分分为为三三种种过过程程-自
11、自发发辐辐射射,受受激辐射激辐射和和受激吸收受激吸收。(1)模型:(参予与光相互作用的)粒子只有间距为hv=E2E1(E2E1)的二个能级,且它们符合辐射跃迁选择定则。(2)在这种模型中的辐射跃迁:粒子从低能级向高能级跃迁,须吸收光子;hv=E2-E1 从高能级向低能级跃迁,会发射光子。hv=E2-E1第20页/共43页(1).自自发发辐辐射射在在无无外外电电磁磁场场作作用用时时,粒粒子子自自发发地地从从E2跃迁到跃迁到E1,发射光子发射光子hv。自发辐射是原子在不受外界辐射场控制的情况下自发过程，自发辐射是原子在不受外界辐射场控制的情况下自发过程，因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布
12、的，因而是不因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的，因而是不相干的。此外，自发辐射场的传播方向和偏振方向也是无规则分相干的。此外，自发辐射场的传播方向和偏振方向也是无规则分布的。（自发辐射平均地分配在腔内所有的布的。（自发辐射平均地分配在腔内所有的模式模式上。）上。）(a)特点特点:各粒子自发、独立地发射的光子。各光子的方向、各粒子自发、独立地发射的光子。各光子的方向、偏振、初相等状态是无规的偏振、初相等状态是无规的,独立的，粒子体系为非相干独立的，粒子体系为非相干光源光源。(普通光源)E2E1n2n1h 第21页/共43页(2).受激辐射:原处于高能级E2的粒子,受到能量恰为 hv=
13、E2-E1的光子的激励,发射出与入射 光子相同的一个光子而跃迁到低能级E1。(a)特点:受激发射只能在频率满足hv=E2-E1的光子的激励下发生;不同粒子发射的光子与入射光子的频率、位相、偏振等状态相同;这样,光场中相同光子数目增加,光强增大,即入射光被放大 光放大过程光放大过程h E2E1N2N1第22页/共43页 受激发射的粒子系统是相干光源相干光源(相同相干):受激发射是产生激光的最重要机理受激发射是产生激光的最重要机理E2E1外来光子外来光子受激幅射光子受激幅射光子 受激辐射是在外界辐射场的控制下的发光过程，因而各原子的受激发射的相位不再是无规则分布的，而应有和外界辐射场相同的相位。量
14、子电动力学可证明：受激辐射光子与受激辐射光子与入射光子属于同一光子态。入射光子属于同一光子态。第23页/共43页 原子发光的经典电子论可以帮助我们得到一个定性的粗略理解。按经典电子论模型，原子的自发跃迁是原子中电子的自发阻尼振荡，没有任何外加光电场来同步各个原子的自发阻尼振荡，因而电子振荡发出的自发辐射是相位无关的。而受激辐射对应于电子在外加光电场作用下作强迫振荡时的辐射，电子强迫振荡的频率、相位、振动方向显然应与外加光电场一致。因而强迫振动电子发出的受激辐射应与辐射场具有相同的频率、相位、传播方向和偏振状态。受激辐射与自发辐射的重要区别相干性相干性第24页/共43页(3).受激吸收:原处于低
15、能级E1的粒子,受到能量恰为 hv=E2-E1的光子照射而吸收该光子的能量,跃迁到高能级E2E2E1N2N1h 第25页/共43页 激光原理激光原理 爱因斯坦研究辐射时指出，爱因斯坦研究辐射时指出，在一定条件下，如果能使受激辐在一定条件下，如果能使受激辐射继续去激发其他粒子，造成连射继续去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，锁反应，雪崩似地获得放大效果，最后就可得到单色性极强的辐射，最后就可得到单色性极强的辐射，即即激光激光。第26页/共43页一粒子的能级与辐射跃迁 1粒子的能级 组成物质的原子、分子等粒子总是处于一定的能态或能级，能量最低的能态称为基态，其它能量较高的状态称为激
16、发态。基态是最稳定的状态，通常多数粒子处在基态上，当一粒子获得一定的能量跃迁到某一激发态时，它在激发态上停留的时间一般很短，其平均寿命大约在10-9-10-7秒。有些粒子的某些激发态寿命较长，平均寿命大约可达10-3-10-2秒，这样的激发态称为亚稳态。第27页/共43页1)受激吸收：假设E1、E2为某个粒子的两个能级，如图所示。一个处在较低能级E1上的粒子，吸收一个能量hn=E2-E1的光子，跃迁到较高的能级E2上，这一过程称为光的受激吸收。2)自发辐射：处在高能级上的粒子可以自发地辐射光子而跃迁到较低的能级，这种过程称为自发辐射。如图所示，自发辐射光子的能量hn=E2-E1。3)受激辐射：
17、处在高能级E2上的粒子，在一个外来的能量为hn=E2-E1的光子的诱发下，跃迁到能量较低的能级E1，同时释放出一个与诱发光子完全相同的光子的过程称为受激辐射。第28页/共43页二粒子数按能级分布 1.波尔兹曼分布 根据波尔兹曼分布，在热平衡条件下，处在高能级上的粒子的数目总是少于低能级上的粒子的数目。例如：根据波尔兹曼分布计算得知，氖原子3s激发态与基态在常温下(T=300K)，两能级的粒子数之比为N2/N1=e-653 1这说明，在热平衡条件下，绝大多数的粒子都处在基态，能级能量越高，粒子数越少。第29页/共43页1)受激辐射与吸收过程的矛盾设想有一个诱发光子，欲诱发受激辐射，由于在热平衡时
18、，处在高能级上的粒子数目总是远远少于低能级上的粒子数目，这样，诱发光子遇到低能级上粒子的概率远远高于高能级上的粒子。因此，吸收过程远远胜过受激辐射过程。2)粒子数反转分布 为了使受激辐射过程胜过吸收过程，必须破坏粒子数的热平衡分布，使得处在高能级上的粒子数目大于低能级上的粒子数目，这种分布已不是热平衡分布了，称为粒子数反转粒子数反转。2.粒子数反转 第30页/共43页粒子数反转示意图 第31页/共43页3)3)能实现粒子数反转的物质工作物质 有适当的能级结构，亚稳态Nd:YAGNd:YVO4Nd:YLFRuby 必必须须能能在在该该物物质质中中实实现现粒粒子子数数反反转转。可可以以是是气气体体
19、、液液体体、固固体体或或半半导导体体。现现已已有有工工作作物物质质近近千千种种，可以产生波长从紫外到远红外波段可以产生波长从紫外到远红外波段第32页/共43页粒子数反转必须具备的条件：粒子数反转必须具备的条件：能量的供应过程能量的供应过程激励（光泵浦）激励（光泵浦）工作物质内必须存在工作物质内必须存在亚稳态能级亚稳态能级 亚稳态不如基态稳定，但比激发态稳定。He,Ne,Ar,Ru,CO2等具有亚稳态，可实现粒子数反转。亚稳态亚稳态E2基态基态E1激发态激发态E3三能级系统示意图三能级系统示意图E1与与E2之间产生以之间产生以受受激辐射为主的跃迁激辐射为主的跃迁激励激励无辐射跃迁无辐射跃迁第33
20、页/共43页激励源，泵浦(抽运)。为为使使工工作作物物质质中中出出现现粒粒子子数数反反转转，必必须须用用一一定定的的方方法法激激励励原原子子体体系系，使使处处于于高高能能级级的的粒粒子子数数增增加加。用用气气体体放放电电的的办办法法激激发发物物质质原原子子，称称为为电电激激励励，也也可可用用脉脉冲冲光光源源去去照照射射工工作作物物质质，称称为为光光激激励励，还还有有热热激激励励，化化学学激激励励等等。为为了了不不断断地地得得到到激激光光输输出出，就就需需不不断断地地将将处处于于低低能能级级的的原原子子抽抽运运到到高高能能级级上上去去，激励源形象地称为泵。激励源形象地称为泵。第34页/共43页光
21、学谐振腔光学谐振腔 使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、其它频率的辐射受到抑制的装置其它频率的辐射受到抑制的装置全反射镜全反射镜M1部分反射镜部分反射镜M2激光激光工作物质工作物质作用作用选选择择激激光光的的方方向向选选择择激激光光的的频频率率激励能源激励能源 实现了粒子数反转，解决了受激辐射与吸收过程的矛盾，但还不能产生激光。要产生激光还需要一个光学谐振腔。第35页/共43页 所所谓谓光光学学谐谐振振腔腔，实实际际上上是是在在激激光光器器两两端端，面面对对面面地地装装上上两两块块反反射射率率很很高高的的平平面面镜镜，一一块块平平
22、面面镜镜对对光光几几乎乎全全反反射射，另另一一块块则则让让光光大大部部分分反反射射，少少部部分分透透射射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。出去，以使激光可透过这块镜子而射出。光光在在放放大大介介质质中中经经历历的的路路程程越越长长，和和越越多多的的原原子子发发生生作作用用，才才能能获获得得越越有有效效的的光光放放大大。但但是是把把工工作作物物质作得无限长是不现实的。质作得无限长是不现实的。第36页/共43页 反反射射镜镜的的一一个个作作用用是是使使光光沿沿工工作作物物质质轴轴线线在在反反射射镜镜间间来来回回反反射射，每每经经过过一一次次工工作作物物质质光光就就得得到到一一次次放放大大，被被反
23、反射射回回到到工工作作物物质质的的光光，继继续续诱诱发发新新的的受受激激辐辐射射，光光在在谐谐振振腔腔内内来来回回振振荡荡，造造成成连连锁锁反反应应，雪雪崩崩式式地获得放大。地获得放大。受受激激辐辐射射的的起起始始光光信信号号来来源源于于自自发发辐辐射射，而而自自发发辐辐射射的的光光包包含含较较大大的的波波长长范范围围，这这样样较较大大范范围围的的波波长长都都有有可可能能被被放放大大，从从而而导导致致了了非非单单一一波波长长的的光光输输出出。在在反反射射镜镜上上镀镀一一层层对对一一定定波波长长光光具具有有反反射射率率的的薄薄膜膜，使使只只有有该该波波长长的的光光才才能能在在谐谐振振腔腔内内来来
24、回回反反射射，而而其其它它波长的光在经过一次反射镜时就逸出腔外。波长的光在经过一次反射镜时就逸出腔外。第37页/共43页激光器的结构 He-Ne激光器的工作原理激光器的工作原理反射镜反射镜反射镜反射镜阳极阳极阴极阴极布儒斯特窗布儒斯特窗毛细管毛细管工作物质：工作物质：氦气氦气辅助物质：辅助物质：氖气氖气激励方式：激励方式：直流气体放电直流气体放电具有亚稳态能级结构的工作物具有亚稳态能级结构的工作物质、激励系统和光学谐振腔。质、激励系统和光学谐振腔。光束在谐振腔内来回震荡，在光束在谐振腔内来回震荡，在工作物质中的传播使光得以放工作物质中的传播使光得以放大，并输出激光。大，并输出激光。第38页/共
25、43页He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现 电子碰撞碰撞He21s23s碰撞碰撞亚稳态亚稳态Ne3s2s3p2p1150nm632.8nm3390nm 电子经电场加速后，与电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态的碰撞。处于激发态的 He 与与 Ne 碰撞，把能量传递给碰撞，把能量传递给 Ne，使它在亚稳态，使它在亚稳态（3s、2s）和激和激发态发态（3p、2p）之间形成反转分布。之间形成反转分布。第39页/共43页新型纳米激光器的设计实现粒子数反转工作物质使原子被激发激励装置 实现光放大光学谐振腔ZnO 纳米线激光器第40页/共43页激光的特性 1方向性好：方向性最好的He-Ne激光器，激光束的发散角可达10-4rad，比普通光源比如探照灯小上千倍。2亮度高、强度大：一台红宝石巨脉冲激光器的辐射亮度为10152，比太阳表面的3102 2高出几万亿倍。激光在军事上用于制造激光武器，工业中用于切割、焊接等。3单色性好：光谱的谱线宽度很窄，激光器是最好好的单色光源。4相干性好：激光是最好的相干光源。5偏振性好：第41页/共43页激光炮第42页/共43页感谢您的观看。第43页/共43页