光学第七章光与物质相互作用光的量子性浅析.ppt

电子在某一固定的轨道上运动时，并不发射光子（辐射），只有电子从一个能级跃迁到另一个能级时，才发射或吸收光子，光子的能量等于这两个能级之差： 近代理论表明，光与物质相互作用时是量子化的，称其为光量子， 简称“光子”，其能量为： 4、光子 在许多能量状态中，能量最低的状态称为基态E1，其它称为激发态E2，E3…… 5、基态与激发态： . 发光前 . 。 发光后 自发辐射 6、自发辐射 原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级 自动跃迁到低能级 ，这种跃迁称为自发跃迁。由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射。 7、 受激吸收 原子吸收外来光子能量 , 并从低能级 跃迁到高能级 , 且 , 这个过程称为受激吸收。 吸收后 。 . 吸收前 . 受激吸收 . . 。 发光前 发光后 受激辐射的光放 大示意图 8、受激辐射 原子中处于高能级 的电子, 会在外来光子 (其频率恰好满足 ) 的诱发下向低能级 跃迁, 并发出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射。 §7.5 激 光 一、激光工作物质与光放大 激光器的基本构成： 工作物质、光学谐振腔、能量输入系统 N1N2表明 ，处于低能级的电子数大于高能级的电子数，这种分布叫做粒子数的正常布居。 叫做粒子数布居反转,简称粒子数反转或称布居反转。 粒子数的正常分布 . . . . . 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 粒子数反转分布 . . . . . . . . . . . . . . . 。 。 。 。 。 粒子数正常分布和粒子数反转分布 1、粒子数的正常布居不能实现光的放大 （2）具备必要的能量输入系统（激励、激发、抽运、泵浦） （1）要有合适的能级结构 2、实现粒子数反转 3、二能级系统 不能实现粒子数反转! 4、三能级系统 5、四能级系统 非辐射 受激辐射 非辐射 受激辐射 非辐射 泵浦 “非辐射”跃迁不发射光子，而通过释放其他形式的能量，如热能而完成。 “三能级”、“四能级”是指激光器运转过程中，直接有关的能级，不是说该物质只有三个能级或四个能级。 说明 为实现在某一方向上的受激辐射，不断被放大和加强，而设计的一种装置。它起着对受激辐射的正反馈、谐振和输出的作用。 1、谐振腔的构成 在工作物质两端，分别放置一块全反射镜和一块部分反射镜，相互平行且垂直于工作物质的轴线——光学谐振腔。 二、 光学谐振腔 激光的形成 . . . . . . . . . . 激光光束 全反射镜 光学谐振腔示意图 部分透光反射镜 光学谐振腔 2、工作原理 偏离轴向的光子很快逸出谐振腔，只有沿轴向的光子可在谐振腔内来回反射，不断通过已实现粒子数反转的工作物质，不断引起受激辐射，使轴向行进的光子不断增加，形成一种雪崩式的放大，从部分反射镜中输出——激光。 三、 激光的特性 (1) 方向性好 (2) 单色性好 (3) 能量集中 (4) 相干性好 §7.6 光的波粒二象性 1、近代理论认为光具有波粒二象性 在有些情况下，光突出显示出波动性； 粒子不是经典粒子, 波也不是经典波. 2、基本关系式 粒子性：能量? ，动量P，质量m? 波动性：波长? ，频率? 而在另一些情况下，则突出显示出粒子性。 ——对波粒二象性的理解 4、“经典粒子” 与 “微观粒子” 的区别 “弥散性”、“可叠加性”、“干涉”、“衍射”、波长、频率 经典粒子的运动是联系一条轨迹， 对粒子所占据的空间以外几乎没有影响。 微观粒子的运动是联系一个波，抛弃了“轨道”概念 能在比其自身大得多的空间范围内与其他物质相互影响。 3、“粒子” 与 “波动” 是两个不同范畴的概念 （1）“粒子”是描写物质存在形态的概念 （2）“波动”是描写物质运动形态的概念 “原子性”或“整体性”，质量、能量、动量、电荷等 6、波长比较 （2）经过150V电压加速的电子的 德布罗意波长 （3）X射线（光子） 的波长 德布罗意因电子波动性理论研究于1929年获 诺贝尔物理学奖 “经典波”是大量相互作用的的粒子形成的，例如：水波、声波。 5、“经典波” 与 “微观粒子的波” “微观粒子的波” 是单个粒子所具有的，是“几率波”，波的强度，表示粒子出现的几率，不代表实在的物理量的波动。 （1）m=0.01kg，v=300m/s的子弹, 德布罗意波