【教学课件】第一章辐射理论基础概要与激光产生的条件.ppt

第一章 辐射理论基础概要 与激光产生 的条件,实验中采用大功率(1014KW)钕玻璃激光器,核聚变实验的六路真空靶室,11 光的波粒二象性,一.光的发展简史,1.牛顿和惠更斯与光的理论学说,牛顿在1669年提出光的“微粒说”.他认为光是从光源发 出的一种光微粒流,具有直线传播的性质.光微粒流有弹性,并且能被某些物质吸收.光微粒流遇到物质时,如果不被吸收,就会被弹回来.,惠更斯在1678年提出光的“波动说”.他认为光从一处传播到另一处,是和水波类似的波.,这两学说在相互争论中发展,一直持续了200多年,牛顿的微粒说能圆满地解释光的直线传播、反射等现象,因而在很长一个时期内占统治地位.但后来人们又在实验中发现,微粒说不能解释光的干涉、衍射等现象.这就促使科学家们去探索新的答案.,2.麦克斯韦建立了光的电磁理论,19世纪初,电的发明和应用,将人类带进了电器时代。1863年英国物理学家麦克斯韦，以库仑、安培、法拉第在电学上的发现为基础作了进一步发展，创立了电磁波理论。其要点是：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，二者交替产生由近及远的传播，既电磁波。并建立了著名的麦克斯韦方程。1887年赫兹用实验的方法产生了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁波理论。1901年俄国物理学家列别捷夫用实验测定了光压，结果与电磁理论十分相互，从而进一步巩固了光的电磁理论，麦克斯韦电磁波的传播速度上有限的，其速度在真空中为每秒30万公里，与光速一样，从而确认了光波也是电磁波。应用光的电磁波理论,基本上能比较完满地解释光的发射、折射、干涉、衍射、偏振、双折射等与光的传播性有关的一系列重要现象。,3.爱因斯坦站在了巨人肩膀上,电磁波理论虽然使光的波动说一度占领了光学领域，但19世纪末，实践中遇到的光与物质相互作用的许多 现象却无法解释，如黑体辐射、光的吸收与发射、光电效应、光化学反应等。1905年，爱因斯坦发展了普朗克的量子假说，在一种全新的物理意义上提出了光子学说。,光在本质上是由一些具有确定能量和动量的物质微粒光量子或光子所组成，而光子的能量和动量的数值，与一定的光的频率或波长相对应，即,爱因斯坦认为光子既是粒子、同时又是波。光在与物质相互作用时粒子性明显，光在传播中则波动性突出。光的这种粒子性和波动性相互对立又并存的性质，叫做光的“波粒二象性”。,二.光的波粒二象性,1、光波波长为4000埃7600埃的电磁波,电磁波-电磁场是E和B的振动由近及远传播的过程,电矢量叫做光矢量,光波是横波.,对电磁场-用经典电动力学的Maxwell方程组描述,（1）线偏振光,偏振光（线偏振光）,光振动只沿某一固定方向的光.,(2)自然光,（3）光速、频率和波长三者的关系,(a)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。,(b)光速,(c)频率和周期：光矢量每秒钟振动的次数,(d)三者的关系,在真空中,各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同,（4）单色平面波,波面相位相同的空间各点构成的面,平波面波面是彼此平行的平面,且在无吸收介质中传播时,波的振幅保持不变。,单色平波面具有单一频率的平面波。,实际上任何光波都不可能是全单色的，总有一定的频率宽度。,当vv0时，就叫准单色波。,简谐波理想单色平面波,.简谐振子模型,两式统一写成,.简谐波方程,光波具有时间周期性和空间周期性,电磁波的传播,.简谐波波矢空间角频率,波矢k是一个矢量，方向沿着光线传播的方向。,.光波模以某一波矢 为标记的驻波,在激光理论中，光波模是一个很重要的概念。,麦氏方程的解,特解：单色平面波。,通解：一系列单色平面波的叠加。,自由空间中的电磁波:任意波矢的平面波均可以存在!,受边界条件限制空间的电磁波：一系列独立的具有特定波矢 的平面单色驻波。即只允许驻波光模式存在！,一种模式是电磁波运动的一种类型，不同模式以不同的k 区分。,2、光子,引言：爱因斯坦断言：光是由光子组成,（一）.光子的基本性质,一定种类的光子的能量,与一定的光的频率相对应,=h v,v 光的频率 h 普朗克常数,.一定种类的光子的质量可表达为,考虑相对论要求,m0 光子的静止质量 光子的速度对于光子 m0=0=c,.一定种类的光子具有动量P,与一定的光的频率和传播方向相联系,n0 光子 行进方向上的单位矢量,k 平面波的波矢，它表示2长度内含有的“完整”波的数目,.一定种类的光子,具有一定的偏振状态.(同一状态的 光子具有相同的偏振状态。）,.光子具有自旋,故光子是“玻色”子。（即处于）相同状态的光子数目是无限制的。,从波动的观点得到光的模式，与从光子的观点得到光子的量子状态是相同，两者在概念上是等效的。,