光的量子性与激光课件.ppt
第14章 光的量子性与激光,14.1 黑体辐射与普朗克能量子假设 14.2 光电效应 光的波粒二象性 14.3 康普顿效应 14.4 氢原子的波尔理论14.5 光的自发辐射 受激辐射 光放大*14.6 激光器的原理*14.7 激光的特性与应用,热辐射,定性图述,炽热状态,单色辐出度,辐出度,一般辐射的复杂性,二、黑体辐射,（随物而异）,（故亦随物而异）,（随物而异）,黑体,二、黑体辐射,黑体实验模型,黑体辐射测量,黑体辐射规律,紫外灾难,普朗克公式,三、普朗克公式及能量子假说,理论曲线,能量子假设,黑体例一,黑体例二,黑体例三,黑体例四,爱因斯坦与康普顿,光电效应实验,一、光电效应,石英窗,光束射到金属表面使电子从金属中脱出的现象称为光电效应。,实验基本规律,波动理论的困难,光量子理论,光子能、质、动量式,光电效应方程,金属中一个电子吸收一个光子的能量,红限、逸出功数据表,光子论的成功解释,爱因斯坦因此而获得了1921年诺贝尔物理学奖,光电效应例题,康普顿效应概述,X射线发生散射,二、康普顿效应,偏移散射角实验,不同物质实验,偏移机理示意图,康普顿偏移公式,有关现象解释,偏移公式推导,续36,康普顿、光电效应比较,康普顿效应与光电效应都涉及光子与电子的相互作用。,在光电效应中，入射光为可见光或紫外线，其光子能量为ev数量级，与原子中电子的束缚能相差不远，光子能量全部交给电子使之逸出，并具有初动能。光电效应证实了此过程服从能量守恒定律。,康普顿效应例一,康普顿效应例二,康普顿效应例三,康普顿效应例四,氢原子光谱,一、氢原子光谱的谱线系,从1885年至1924年科学家们先后在可见光、紫外和红外区发现了氢原子的光谱线系列，并得到普遍的实验规律：,里德伯常量,二、氢原子光谱的实验规律,系序数 m,系内的线序数 l,里兹组合原则,三、里兹组合原则,经典理论的困难,四、经典理论解释原子光谱规律的困难,玻尔续量子实验,定态假设,在这些轨道上运动的电子不辐射（或吸收）能量而处于稳定状态，称为定态。,定 态 轨 道,量子化条件假设,频率条件假设,电子轨道半径,能量公式,氢光谱导出公式,算例,可能幅射的谱线波长,玻尔理论的局限,玻尔的氢原子理论开创了运用量子概念研究原子光谱的先河，同时这一理论也面临着新的困难与考验。,自从美国人梅曼制造出第一台激光器以后，到今天人们对激光并不陌生，如激光开刀，可自动止血；全息激光照片可以假乱真；还有激光照排、激光美容等.。激光首先是应用在军事上。现代战争离不开激光。,引言：,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,激光Laser受激辐射光放大,激光原理,一）高度单色性,激光所包含的波长或频率范围极小,激光的特性,又如单色性最好的氪灯，其中心波长60576埃,波长范围：,Laser,He-Ne Laser,中心波长,波长范围：,二）高度相干性,相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。,相干性越好则光场中任取两点作光源所产生的干涉和衍射的条纹越清晰。,圆孔衍射,注意：光的单色性越好，则其相干性也越好。二者是统一的.,三）高度准直性(方向性好-激光的发散角小。),=25mrad（毫弧度）,(1km时光斑直径10m),激光器,Laser,He-Ne激光经纬仪,测月红宝石激光器,=0.031mrad,=410-5mrad,四）亮度高、能量集中,发的光不相干,发的光相干,各原子发的光是非相干叠加,各原子发的光是相干叠加,因此光强小,因此光强大,大功率激光器,可使一切金属熔化,可使一切非金属化为一缕青烟,14-5 光的自发辐射 受激辐射、光放大,一、原子的自发幅射,光与原子体系相互作用，同时存在吸收、自发辐射和受激辐射三种过程。,在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时辐射出一光子。,满足条件：h=E2-E1,随机过程，用概率描述,n2 t时刻处于能级E2上的原子数密度,单位时间内从高能级E2自发跃迁到低 能级E1的原子数密度,A21自发辐射概率（自发跃迁率）：表示一个 原子在单位时间内从E2自发辐射到E1的概率,自发辐射过程中各个原子辐射出的光子的相位、偏振状态、传播方向等彼此独立，因而自发辐射的光是非相干光。,1）受激吸收,（共振吸收,光的吸收）,处在低能级E1的原子受到能量等于h=E2-E1的光子的照射时，吸收这一光子跃迁到高能级E2的过程。,n1 t时刻处于能级E1上的原子数密度,单位时间内由于吸收光子从低能级E1跃迁到高能级E2的原子数密度,二、受激辐射和受激吸收,入射光强,比例系数,受激吸收系数,受激吸收跃迁概率,2）受激辐射,处在高能级E2的原子，受到能量为h=E2-E1的外来光子的激励，由高能级E2受激跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与激励光子全同(即频率、相位、偏振状态、传播方向等均同)的光子。,(a)受激辐射,(b)受激辐射的光放大,激励光强,比例系数,受激辐射系数（由原子本身性质决定）,受激辐射跃迁概率,单位时间内从高能级E2受激跃迁到低能级E1的原子数密度,W21表示一个原子在单位时间内从E2受激辐射 跃迁到E1的概率,
