量子光學(xué)優(yōu)選ppt資料

量子光學(xué)第一頁，共85頁。物理學(xué)發(fā)展(fāzhǎn)到19世紀末期，可以說是達到相當(dāng)完美、相當(dāng)成熟的程度19世紀的最后一天，歐洲著名的科學(xué)家歡聚一堂。會上，英國著名物理(wùlǐ)學(xué)家W．湯姆生（即開爾文男爵）發(fā)表了新年祝詞。他在回顧物理(wùlǐ)學(xué)所取得的偉大成就時說，物理(wùlǐ)大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作21-1引言(yǐnyán)尋找以太的零結(jié)果，愛因斯坦創(chuàng)立了現(xiàn)代物理大廈之一：相對論熱輻射的紫外災(zāi)難的解決，普朗克等人建立了現(xiàn)代物理大廈之二：量子論第二頁，共85頁。所有物體在任何溫度下都要發(fā)射(fāshè)電磁波，這種與溫度有關(guān)的輻射稱為熱輻射(heatradiation)。如圖1.熱輻射的基本概念一、基爾霍夫定律(dìnglǜ)(Kirchoff)21-2普朗克的能量子假說(jiǎshuō)第三頁，共85頁。熱輻射的電磁波的波長、強度與物體的溫度有關(guān)，還與物體的性質(zhì)(xìngzhì)表面形狀有關(guān)。第四頁，共85頁。單色輻出度M：為了描述物體輻射能量的能力，定義物體單位表面在單位時間(shíjiān)內(nèi)發(fā)出的波長在附近單位波長間隔內(nèi)的電磁波的能量為單色輻出度M輻出度M(T):物體從單位面積上發(fā)射的所有各種波長的輻射(fúshè)總功率稱為物體的總輻出度M(T)即第五頁，共85頁。單色吸收比:當(dāng)輻射從外界入射到物體表面時，在到+d的波段(bōduàn)內(nèi)吸收的能量“E吸收d”與入射的總能量“E入射d”之比:吸收比:當(dāng)輻射(fúshè)從外界入射到物體表面時，吸收能量與入射總能量之比:吸收能力的量度(liángdù)第六頁，共85頁。黑體：能完全吸收各種(ɡèzhǒnɡ)波長電磁波而無反射的物體顯然，黑體(hēitǐ)的吸收比和單色吸收比為100%黑體是理想模型，（如圖）在不透明材料圍成的空腔(kōnɡqiānɡ)上開一個小孔。該小孔可認為是黑體的表面。黑體能吸收各種頻率的電磁波，也能輻射各種頻率的電磁波。第七頁，共85頁。同一個物體的發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)有內(nèi)在聯(lián)系，例下圖為黑白花盤子的反射(fǎnshè)和自身輻射照片室溫(shìwēn)下的反射光照片1100K的自身輻射(fúshè)光照片2.基爾霍夫定律第八頁，共85頁。基爾霍夫定律：實驗發(fā)現(xiàn)，在溫度一定時物體在某波長λ處的單色輻出度與單色吸收比的比值與物體及其物體表面(biǎomiàn)的性質(zhì)無關(guān)，即圖片說明一個好的發(fā)射(fāshè)體一定也是好的吸收體。上式中，腳標不同對應(yīng)不同的材料(cáiliào),M(,T)為與材料(cáiliào)無關(guān)的普適函數(shù)M(,T)=?第九頁，共85頁。二、黑體(hēitǐ)輻射的基本規(guī)律實驗規(guī)律(guīlǜ)發(fā)現(xiàn)：在溫度一定時黑體的單色輻出度與波長有關(guān)(yǒuguān)，并存在一極大值，所對應(yīng)的極值點m有關(guān)(yǒuguān)系上述全波段的黑體輻射規(guī)律是基于以下幾個實驗規(guī)律逐步建立的：第十頁，共85頁。1.斯特藩—玻耳茲曼定律(dìnglǜ)（J.Stefan&L.Boltzmann）=5.67×10-8W/（m2K4）——Stefen恒量(héngliàng)實驗證明(zhèngmíng)，黑體的總輻出度M(T)（每條曲線下的面積）與溫度的四次方成正比第十一頁，共85頁。2.維恩位移(wèiyí)定律（W.Wien）黑體輻射(fúshè)中單色輻出度的極值波長m與黑體溫度T之積為常數(shù)其中(qízhōng)b=2.898×10-3m·K為Wien常數(shù)以上兩個實驗定律是遙感、高溫測量和紅外追蹤等技術(shù)的物理基礎(chǔ)。第十二頁，共85頁。由此他導(dǎo)出黑體的輻出度第四十六頁，共85頁。該小孔可認為是黑體的表面。同一個物體的發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)有內(nèi)在聯(lián)系，例下圖為黑白花盤子的反射(fǎnshè)和自身輻射照片第三十一頁，共85頁。氣體(qìtǐ)（如He-Ne，CO2）激光器黑體熱輻射的理論(lǐlùn)與實驗結(jié)果的比較可能的能級(néngjí)躍遷：31，32，21普朗克公式在全波段與實驗結(jié)果驚人符合！每個光子的能量與其頻率成正比，即普朗克的能量子假說(jiǎshuō)幾乎所有(suǒyǒu)電子都處于基態(tài)上三能級(néngjí)模式熱輻射的電磁波的波長、強度與物體的溫度有關(guān)，還與物體的性質(zhì)(xìngzhì)表面形狀有關(guān)。(3)電子在離開金屬(jīnshǔ)面時具有的初動能:一、氫原子光譜(guāngpǔ)實驗規(guī)律3.維恩公式（非前面的維恩位移(wèiyí)定律）4.瑞利—金斯公式(gōngshì)假定電磁波能量分布服從(fúcóng)類似于經(jīng)典的麥克斯韋速度分布律，可得瑞利—金斯從經(jīng)典的能量均分定理出發(fā)，得到第十三頁，共85頁。5.普朗克公式(gōngshì)普朗克利用內(nèi)插法，使兩個波段分別與維恩公式和瑞利—金斯公式一致，得到正確(zhèngquè)的黑體輻射公式：第十四頁，共85頁。黑體熱輻射的理論(lǐlùn)與實驗結(jié)果的比較維恩公式在低頻段，偏離實驗(shíyàn)曲線！瑞利—金斯公式在高頻段(紫外區(qū))與實驗明顯不符，短波極限(jíxiàn)為無限大—“紫外災(zāi)難”！普朗克公式在全波段與實驗結(jié)果驚人符合！第十五頁，共85頁。按照(ànzhào)經(jīng)典電磁理論，空腔內(nèi)的熱平衡輻射由一系列駐波組成，每一頻率的駐波振動可對應(yīng)同頻率的簡諧振子振動?？涨恢械碾姶挪芰糠植伎傻刃橐幌盗蓄l率的簡諧振子的能量分布。1.經(jīng)典電磁(diàncí)理論經(jīng)典理論(lǐlùn)：振子的能量取“連續(xù)值”，其中維恩公式和瑞利—金斯公式正是基于這一假設(shè)得到的。三、普朗克的能量子假說第十六頁，共85頁。2.普朗克的能量子假說(jiǎshuō)普朗克為了從理論(lǐlùn)上解釋他所得到的半經(jīng)驗公式，大膽地假設(shè)：振子(zhènzǐ)振動的能量是不連續(xù)的，只能取最小能量E0的整數(shù)倍hν，2hν，3hν，…，nhν…

E0=hν同振子(zhènzǐ)的頻率成正比，稱為能量子，其中h=6.6260755×10-34J·s稱為普朗克常數(shù)由此他導(dǎo)出黑體的輻出度第十七頁，共85頁?？傻媚芰堪床ㄩL(bōcháng)分布利用(lìyòng)并結(jié)合(jiéhé)普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck,1858―1947)德國物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人，1918年諾貝爾物理學(xué)獎金的獲得者。第十八頁，共85頁。光照射在金屬及其化合物的表面上發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為(chēnɡwéi)光電效應(yīng)。實驗(shíyàn)裝置-光電管電路(diànlù)中出現(xiàn)的電流形成光電流在陰極金屬表面逸出的電子稱為光電子一、光電效應(yīng)1.光電效應(yīng)21-3愛因斯坦的光量子假設(shè)第十九頁，共85頁。紅限（截止(jiézhǐ)）頻率只有當(dāng)入射光頻率大于一定的頻率0時，才會產(chǎn)生(chǎnshēng)光電效應(yīng)，0稱為截止頻率或紅限頻率2.光電效應(yīng)的實驗(shíyàn)規(guī)律第二十頁，共85頁。光電流光強當(dāng)入射光的頻率(pínlǜ)給定后(>0)，光電流與入射光強成正比第二十一頁，共85頁。在入射光強一定時光電流會隨U的增大(zēnɡdà)，最后達到一飽和值im。飽和(bǎohé)光電流飽和電流與入射光強成正比第二十二頁，共85頁。當(dāng)電壓(diànyā)為零時光電流并不為零，甚至反向電壓(diànyā)不太大時仍有光電流存在，當(dāng)反向電壓(diànyā)大到一定數(shù)值Ua時光電流完全變?yōu)榱恪７QUa為遏止電壓(diànyā)。遏止(èzhǐ)電壓第二十三頁，共85頁。遏止(èzhǐ)電壓隨入射光頻率的增加而增加，兩者成線性關(guān)系，與入射光強無關(guān)，即Ua

=K-U0第二十四頁，共85頁。當(dāng)入射光無論如何弱，光電子在光照射(zhàoshè)的瞬間可產(chǎn)生，馳豫時間不超過10-9s光電效應(yīng)(ɡuānɡdiànxiàoyìng)瞬時發(fā)生的第二十五頁，共85頁。二、愛因斯坦的光量子假設(shè)(jiǎshè)光電效應(yīng)的成因：金屬表面對電子具有束縛(shùfù)作用，電子脫離金屬表面所需要的能量，所需的最少能量稱為逸出功(workfunction)，用A表示其中(qízhōng)Ephoton為吸收的電磁波能量電子逸出功、光電子的動能、和光子的能量滿足關(guān)系：第二十六頁，共85頁。若用極微弱(wēiruò)的光照射，陰極電子積累能量達到逸出功A需要一段時間，光電效應(yīng)不可能瞬時發(fā)生！按照光的經(jīng)典電磁理論：光波的強度(qiángdù)與頻率無關(guān)，電子吸收的能量也與頻率無關(guān)，不存在截止頻率！1.經(jīng)典(jīngdiǎn)物理學(xué)所遇到的困難第二十七頁，共85頁。(3)電子在離開金屬(jīnshǔ)面時具有的初動能:2.愛因斯坦光量子假設(shè)(jiǎshè)為了解釋(jiěshì)光電效應(yīng)，愛因斯坦假設(shè)(1)光是由一顆一顆的光子（光量子）組成。每個光子的能量與其頻率成正比，即E=hn光電效應(yīng)方程(2)一個光子只能整個地被電子吸收或放出。光量子具有“整體性”。第二十八頁，共85頁。電子離開金屬表面的動能至少為零，故當(dāng)<A/h時，不發(fā)生(fāshēng)光電效應(yīng)?？砂l(fā)生(fāshēng)光電效應(yīng)的最小頻率即紅限頻率利用愛因斯坦光電方程(fāngchéng)可以解釋：不同金屬(jīnshǔ)的A不同，則紅限頻率不同。第二十九頁，共85頁。4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0UaCsNaCa斜率(xiélǜ)K與金屬材料種類無關(guān)，截距U0與金屬材料A有關(guān)可看出Ua-曲線(qūxiàn)的斜率相同，但在橫軸上的截距不同。即：遏止(èzhǐ)電壓與入射光頻率成線性關(guān)系，與入射光強無關(guān)顯然電子初動能與Ua

之間有關(guān)系第三十頁，共85頁。由直線(zhíxiàn)斜率K的測量可以確定（光電效應(yīng)）普朗克常數(shù)。Millikan極力反對愛因斯坦的光子假說，花了十年測量光電效應(yīng)(ɡuānɡdiànxiàoyìng)，得到了遏止電壓和光子頻率的嚴格線性關(guān)系3.光電效應(yīng)的實驗(shíyàn)驗證第三十一頁，共85頁。AlbertEinstein(1879―1955)美國物理學(xué)家，1921年由于他在光電效應(yīng)(ɡuānɡdiànxiàoyìng)方面的工作而獲諾貝爾物理學(xué)獎第三十二頁，共85頁。R.A.Millikan(密立根)研究元電荷和光電效應(yīng)，通過油滴實驗證明(zhèngmíng)電荷有最小單位，1923諾貝爾物理學(xué)獎得主第三十三頁，共85頁。(1)光電管光信號(xìnhào)→電信號(xìnhào)用于光信號(xìnhào)的記錄、自動控制等4.光電效應(yīng)(ɡuānɡdiànxiàoyìng)的應(yīng)用(2)光電倍增管光信號→電信號用于弱光電信號的放大——可將光電流放大數(shù)百萬倍。第三十四頁，共85頁?？灯疹D(A.H.Compton)除光電效應(yīng)外，光波的量子性還表現(xiàn)(biǎoxiàn)在光散射的康普頓效應(yīng)。該效應(yīng)是光顯示出其粒子性的又一著名實驗。1927諾貝爾物理學(xué)獎得主(dézhǔ)1922-1923年，康普頓研究了X射線在石墨上的散射(sǎnshè)，在散射(sǎnshè)的X射線中不但存在與入射線波長相同的射線，同時還存在波長大于入射線波長的射線成份——康普頓效應(yīng)。三、康普頓散射第三十五頁，共85頁。X射線光子與原子“內(nèi)層電子”的彈性(tánxìng)碰撞3.康普頓效應(yīng)(xiàoyìng)的理論解釋康普頓認為(rènwéi)：X光的散射應(yīng)是光子與原子內(nèi)層和外層電子的碰撞的結(jié)果。內(nèi)層電子與核結(jié)合較為緊密（keV)，他認為碰撞實際上可以看作是發(fā)生在光子與質(zhì)量很大的整個原子間的碰撞——光子基本上不失去能量——保持原性質(zhì)不變（波長不變）。1)定性解釋第三十六頁，共85頁。X射線光子與原子(yuánzǐ)“外層電子”的彈性碰撞外層電子與核結(jié)合較弱（幾個eV）——與X光子相比，這些電子近似看成為(chéngwéi)“靜止”的“自由”電子——光子與電子的彈性碰撞—光子失去部分能量，頻率，波長——康普頓效應(yīng)?？灯疹D的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認為散射光頻率的改變是由于“混進來了某種熒光輻射”；在計算中起先只考慮(kǎolǜ)能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒。第三十七頁，共85頁。只有當(dāng)入射波長0與c可比擬時，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用X射線才能(cáinéng)觀察到康普頓散射，用可見光觀察不到康普頓散射。對可見光來講，不可能(kěnéng)觀測到康普頓效應(yīng)說明(shuōmíng)第三十八頁，共85頁?？灯疹D效應(yīng)中的自由電子不能像光電效應(yīng)那樣吸收光子(guāngzǐ)而是散射光子(guāngzǐ)。若靜止的自由電子吸收光子(guāngzǐ)不可能(kěnéng)！故自由電子(zìyóudiànzǐ)不可能吸收光子，只能散射光子。第三十九頁，共85頁。[例]在康普頓效應(yīng)(xiàoyìng)中，入射光子的波長為3×10-3nm，反沖電子的速度為光速的60%，求散射光子的波長和散射角。解：第四十頁，共85頁。第四十一頁，共85頁。一、氫原子光譜(guāngpǔ)實驗規(guī)律

n、m：正整數(shù)6562.8?4861.3?4340.5?原子光譜是原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直接反映，不同(bùtónɡ)的原子有不同(bùtónɡ)的特征光譜，定義波數(shù)任意(rènyì)譜線的波數(shù)可以表示為稱為Rydberg公式，R為Rydberg恒量，：光譜項21-4氫原子光譜玻爾理論第四十二頁，共85頁。其中(qízhōng)n>m(n=m+1，m+2,…)m取不同(bùtónɡ)值時，給出不同(bùtónɡ)光譜系；n對應(yīng)于不同(bùtónɡ)譜線第四十三頁，共85頁。巴爾末系（Balmer)m=2，可見光帕邢系（Paschen)m=3，紅外賴曼系（Lyman)m=1，紫外光第四十四頁，共85頁。12354賴曼系巴爾末系帕邢系n=第四十五頁，共85頁。二、經(jīng)典原子(yuánzǐ)模型及其困難1.湯姆遜父子的面包(miànbāo)夾葡萄干模型（1902-4）------r~10-10m整個原子(yuánzǐ)呈膠凍狀的球體，正電荷均勻分布于球體上，而電子鑲嵌在原子(yuánzǐ)球內(nèi)，在各自的平衡位置作簡諧振動并發(fā)射同頻率的電磁波。簡化為諧振子模型—能解釋可見光區(qū)的光譜，不能說明紅外、紫外光譜。第四十六頁，共85頁。+-1909年,盧瑟福(E.Rutherford)的粒子散射實驗(shíyàn)中發(fā)現(xiàn)部分大角度散射事例，并又由此提出了原子的核結(jié)構(gòu)模型：2.盧瑟福的粒子散射實驗(shíyàn)和原子的核結(jié)構(gòu)模型電子繞著原子核轉(zhuǎn)動如同行星繞太陽轉(zhuǎn)動一樣(yīyàng)滿足開普勒三定律，又稱太陽系模型。第四十七頁，共85頁。核結(jié)構(gòu)模型很好地解釋了粒子(lìzǐ)散射實驗，但卻使經(jīng)典理論陷入困境：（1）原子(yuánzǐ)的穩(wěn)定性問題按照經(jīng)典電磁理論加速帶電粒子一定(yīdìng)要輻射電磁波，使得電子的動能越來越小，最后電子被吸引到原子核上。原子是不穩(wěn)定的。3.經(jīng)典原子模型的困難第四十八頁，共85頁。（2）原子光譜(guāngpǔ)的線狀光譜(guāngpǔ)問題若電子運動的周期為T，發(fā)射的電磁波的周期也應(yīng)該是T，電子的周期由于運動半徑越來越小是連續(xù)變化的，所以(suǒyǐ)按盧瑟福的的原子模型輻射的電磁波應(yīng)該是連續(xù)譜。第四十九頁，共85頁。1911年赴Cambridge大學(xué)(dàxué)，在Cavendish實驗室工作1912年在Manchester大學(xué)Rutherford實驗室工作(gōngzuò)四個月，參加了“粒子散射實驗”研究工作(gōngzuò)1913年發(fā)表“原子構(gòu)造和分子構(gòu)造”，提出他的氫和類氫原子結(jié)構(gòu)(jiégòu)模型NoelsBohr：1922諾貝爾物理學(xué)獎得主三、Bohr理論第五十頁，共85頁。n=1，2，3…（1）定態(tài)條件：電子繞核作圓周運動，但不輻射能量，是穩(wěn)定的狀態(tài)(zhuàngtài)—定態(tài)。每一個定態(tài)對應(yīng)于電子的一個能級。（2）頻率條件(tiáojiàn)：當(dāng)原子從某一能量狀態(tài)躍遷到另一能量狀態(tài)產(chǎn)生電磁輻射，且電磁波的頻率滿足條件(tiáojiàn)（3）角動量量子化條件(tiáojiàn)：電子繞核作圓周運動時角動量是量子化的，取值為1.Bohr假設(shè)：vnEn+e-emmprn第五十一頁，共85頁。2.氫原子光譜(guāngpǔ)的Bohr理論解釋經(jīng)典理論(lǐlùn)結(jié)合Bohr理論(lǐlùn)氫原子的半徑(bànjìng)和玻爾半徑(bànjìng)vnEn+e-emmprnBohr半徑第五十二頁，共85頁。氫原子的能量(néngliàng)、基態(tài)能（電離能）電子(diànzǐ)能量基態(tài)(jītài)能（電離能）第五十三頁，共85頁。Rydberg公式(gōngshì)：nhnEmE第五十四頁，共85頁。-13.6-3.39-1.51-0.85-0.540En(eV)12354氫原子能級(néngjí)圖賴曼系巴爾末系帕邢系布喇開系普芳德系第五十五頁，共85頁。[例]如用能量為12.6eV的電子(diànzǐ)轟擊氫原子，將產(chǎn)生那些光譜線？解：可取(kěqǔ)n=3第五十六頁，共85頁?？赡艿哪芗?néngjí)躍遷：31，32，21第五十七頁，共85頁。由大量原子組成的系統(tǒng)，在溫度(wēndù)不太低的平衡態(tài)，原子數(shù)目按能級的分布服從玻耳茲曼統(tǒng)計分布：一、原子(yuánzǐ)在能級上的統(tǒng)計分布EnNnE1E2若E2>E1，則兩能級(néngjí)上的原子數(shù)目之比21-6光的輻射和吸收第五十八頁，共85頁。[例]對于(duìyú)氫原子，En=-E1/n2，求在常溫下(T=300K)，處在第一激發(fā)態(tài)的氫原子數(shù)與處在基態(tài)的原子數(shù)比幾乎所有(suǒyǒu)電子都處于基態(tài)上解:第五十九頁，共85頁。二、自發(fā)輻射(fúshè)、受激輻射(fúshè)和受激吸收原子吸收光子后可從低能(dīnéng)態(tài)躍遷到高能態(tài)（受激吸收）eee處于激發(fā)態(tài)的原子可自發(fā)(zìfā)從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)而發(fā)光，稱為自發(fā)(zìfā)輻射原子吸收光子后可也可從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)（受激輻射）第六十頁，共85頁。設(shè)N1、N2為處于(chǔyú)E1、E2能級的原子數(shù)，單位時間內(nèi)從E2E1自發(fā)輻射的原子數(shù)應(yīng)與初始原子數(shù)成正比：1.自發(fā)輻射(zìfāfúshè)(spontaneousradiation)hE1E2Ａ21稱為愛因斯坦自發(fā)發(fā)射系數(shù)，為單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生(fāshēng)自發(fā)輻射概率。E1E2各原子自發(fā)輻射的光是獨立的、無關(guān)的非相干光。第六十一頁，共85頁。2．受激輻射(fúshè)(stimulatedradiation)hE1E2E1E2hh當(dāng)頻率為=(E2–E1)/h的外來光入射時，會引起高能態(tài)的原子躍遷(yuèqiān)到低能態(tài)W21單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生受激輻射(fúshè)過程的概率。單位體積中單位時間內(nèi)，從E2E1受激輻射的原子數(shù)：第六十二頁，共85頁。受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向(fāngxiàng)、相位及傳播方向(fāngxiàng)均相同（全同光子）的相干光，有光放大作用。hE1E2E1E2hh第六十三頁，共85頁。當(dāng)頻率為=(E2–E1)/h的外來(wàilái)光入射時，也會引起低能態(tài)的原子躍遷到高能態(tài)。3.受激吸收(xīshōu)(stimulatedabsorption)hE1E2E1E2單位體積(tǐjī)中單位時間內(nèi)因吸收外來光而從E1E2的原子數(shù)：W12

為單個原子在單位時間內(nèi)發(fā)生吸收過程的概率。第六十四頁，共85頁。A12、W21和W12并不獨立，愛因斯坦給出了三者之間的關(guān)系(guānxì)了，例如，為激光的發(fā)明（受激輻射的光放大）奠定了理論(lǐlùn)基礎(chǔ)。W21

=W12第六十五頁，共85頁。三、粒子(lìzǐ)數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大實際的發(fā)光媒質(zhì)由大量原子構(gòu)成，在熱平衡時遵從玻耳茲曼分布(fēnbù)，大部分原子處在基態(tài)上。E1E2少數(shù)原子處在激發(fā)態(tài)上，當(dāng)一束光射入媒質(zhì)后，可同時引起受激吸收和受激輻射。因為(yīnwèi)N1>N2，所以宏觀上表現(xiàn)為對光的吸收，達不到對光的放大目的媒質(zhì)入射光透射光第六十六頁，共85頁。E1E2如果(rúguǒ)原子的分布是N2>N1，稱為粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)，則受激輻射占主導(dǎo)地位，宏觀(hóngguān)上表現(xiàn)為輻射，可實現(xiàn)光的放大媒質(zhì)(méizhì)入射光透射光處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)，它正是激光器的工作物質(zhì)。第六十七頁，共85頁。普通光源：蠟燭、太陽(tàiyáng)、白熾燈等。光是自發(fā)輻射的激光光源：如紅寶石激光器。光是受激發(fā)(jīfā)而輻射的——LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(Laser)一、激光(jīguāng)概述21-7激光第六十八頁，共85頁。激光的特點(tèdiǎn)：方向性好（發(fā)散角～10-4rad）；單色性好（～10-8?）；強度大（脈沖瞬時功率可達～1014W）光學(xué)(guāngxué)望遠鏡激光(jīguāng)切割金屬Laservideodiscwithsimulatedlaserbeam第六十九頁，共85頁。激光器的種類(zhǒnglèi)固體(gùtǐ)（如紅寶石Al2O3）激光器氣體(qìtǐ)（如He-Ne，CO2）激光器第七十頁，共85頁。半導(dǎo)體激光(jīguāng)器（激光(jīguāng)二極管）液體(yètǐ)（如某些染料）...第七十一頁，共85頁。1.激光器的結(jié)構(gòu)(jiégòu)以紅寶石激光器為例二、激光器的工作(gōngzuò)原理全反射面透射率為10%的反射面氙閃光燈第七十二頁，共85頁。一臺激光器主要由三部分組成(zǔchénɡ)：工作物質(zhì)、光學(xué)諧振腔和激勵能源光學(xué)(guāngxué)諧振腔：兩嚴格平行的反射鏡構(gòu)成全反射鏡部分反射鏡激光(jīguāng)激勵能源工作物質(zhì)第七十三頁，共85頁。2.工作(gōngzuò)物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)不同種類的激光器實現(xiàn)激活介質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布(fēnbù)方式不同*。對于He-Ne氣體激光器主要是利用He原子的亞穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)(shíxiàn)的（一般原子激發(fā)態(tài)的壽命為10-8s，但也有些激發(fā)態(tài)的壽命長達10-3s甚至長達1s，稱這種長壽命的激發(fā)態(tài)為亞穩(wěn)態(tài)）為簡單，假設(shè)原子只有三個能級E1、E2和E3，E2為亞穩(wěn)態(tài)第七十四頁，共85頁。三能級(néngjí)模式抽運粒子E2E3E1E2E3E1(10-8s)E2E3E1(10-3s)N2>N1非彈性(tánxìng)碰撞—無輻射躍遷激勵(jīlì)E2E1hn第七十五頁，共85頁。實際工作物質(zhì)原子能級結(jié)構(gòu)要復(fù)雜的多，可能存在(cúnzài)幾對能級之間的粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)，相應(yīng)有發(fā)射幾種波長的激光。例如，氦氖激光器可以發(fā)射0.6328m,1.15m,3.39m等波長的激光。3.光學(xué)(guāngxué)諧振腔(opticalharmonicoscillator)的作用若無諧振腔，激活介質(zhì)初始(chūshǐ)自發(fā)輻射的光是傳播方向各向同性的非相干光抑制了傳播方向與軸線不平行的光，放大了沿軸線方向傳播的光。(1)諧振腔的定向作用第七十六頁，共85頁。紅寶石激光器第七十七頁，共85頁