(物理光學(xué))第十六章光的量子性和激光基礎(chǔ)

1、1第十六章第十六章 光的量子性和激光基礎(chǔ)光的量子性和激光基礎(chǔ)光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性可以很好地解釋光傳播時(shí)的干涉、衍射、偏振可以很好地解釋光傳播時(shí)的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象。等現(xiàn)象。光的量子性光的量子性黑體輻射、光電效應(yīng)等黑體輻射、光電效應(yīng)等216161 1 光的量子性光的量子性一、光電效應(yīng)與愛因斯坦光子學(xué)說一、光電效應(yīng)與愛因斯坦光子學(xué)說 1、光電效應(yīng)規(guī)律（如圖、光電效應(yīng)規(guī)律（如圖161所示）所示）（1）對(duì)某一光電陰極材料而言，在入射光頻率不變的條件下，）對(duì)某一光電陰極材料而言，在入射光頻率不變的條件下， 飽和電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比。飽和電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比。（2）光電子的能量與入

2、射光的強(qiáng)哭無關(guān)，而只與入射光的頻率有關(guān)，）光電子的能量與入射光的強(qiáng)哭無關(guān)，而只與入射光的頻率有關(guān)， 頻率越高，光電子的能量越大。頻率越高，光電子的能量越大。（3）入射光有一截止頻率，在這個(gè)極限頻率以下，不論入射光多強(qiáng)，）入射光有一截止頻率，在這個(gè)極限頻率以下，不論入射光多強(qiáng)， 照射時(shí)間多長，都沒有光電子發(fā)射。這一截止頻率稱為光電效照射時(shí)間多長，都沒有光電子發(fā)射。這一截止頻率稱為光電效 應(yīng)的紅限。不同的金屬具有不同的紅限。應(yīng)的紅限。不同的金屬具有不同的紅限。（4）即使光的強(qiáng)度非常弱，只要照射光的頻率大于某一極限值，在）即使光的強(qiáng)度非常弱，只要照射光的頻率大于某一極限值，在 開始照射后就有光電子產(chǎn)

3、生，不存在一個(gè)可測(cè)的弛豫時(shí)間。開始照射后就有光電子產(chǎn)生，不存在一個(gè)可測(cè)的弛豫時(shí)間。2、愛因斯坦光子學(xué)說、愛因斯坦光子學(xué)說3二、光的波粒二象性二、光的波粒二象性 光既表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性，又表現(xiàn)出勿光既表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性，又表現(xiàn)出勿容置疑的粒子性，這就是光的波粒二象性。容置疑的粒子性，這就是光的波粒二象性。4三、光發(fā)射與吸收的量子模型及激發(fā)方式三、光發(fā)射與吸收的量子模型及激發(fā)方式1、光發(fā)射與吸收的量子模型、光發(fā)射與吸收的量子模型2、激發(fā)方式（加熱、輻射激發(fā)、碰撞激發(fā)）、激發(fā)方式（加熱、輻射激發(fā)、碰撞激發(fā)）516162 2 光的自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射和受激吸收光的自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射和受激吸收一、光的自發(fā)

4、發(fā)射一、光的自發(fā)發(fā)射 處在高能級(jí)上的原子，都具有向往穩(wěn)定而自發(fā)地回到地能級(jí)狀態(tài)處在高能級(jí)上的原子，都具有向往穩(wěn)定而自發(fā)地回到地能級(jí)狀態(tài)的特性。當(dāng)它們紛紛回襖低能級(jí)時(shí)，它們就以光的形式釋放出能量來的特性。當(dāng)它們紛紛回襖低能級(jí)時(shí)，它們就以光的形式釋放出能量來。這就是原子的自發(fā)發(fā)射。由于每個(gè)原子的躍遷都是自發(fā)和獨(dú)立進(jìn)行。這就是原子的自發(fā)發(fā)射。由于每個(gè)原子的躍遷都是自發(fā)和獨(dú)立進(jìn)行的，因此它們輻射出的光波方向和相位都不一致。對(duì)于二能級(jí)系統(tǒng)中的，因此它們輻射出的光波方向和相位都不一致。對(duì)于二能級(jí)系統(tǒng)中的原子躍遷來說，它們發(fā)射出的光波列的頻率是相同的，但相位卻是的原子躍遷來說，它們發(fā)射出的光波列的頻率是相同

5、的，但相位卻是不相關(guān)的，波列的偏振方向和傳播方向也是隨機(jī)分布的。因此原子自不相關(guān)的，波列的偏振方向和傳播方向也是隨機(jī)分布的。因此原子自發(fā)發(fā)射出來的光波，在物理上稱之為非相干的自然光。發(fā)發(fā)射出來的光波，在物理上稱之為非相干的自然光。自發(fā)發(fā)射幾率與激發(fā)態(tài)壽命成反比。自發(fā)發(fā)射幾率與激發(fā)態(tài)壽命成反比。6二、光的受激發(fā)射二、光的受激發(fā)射 光子作用于高能級(jí)的原子上時(shí)會(huì)產(chǎn)生受激發(fā)射。光子作用于高能級(jí)的原子上時(shí)會(huì)產(chǎn)生受激發(fā)射。 若輸入一個(gè)光子，則輸出兩個(gè)光子。在受激發(fā)射的過程中，光子數(shù)獲若輸入一個(gè)光子，則輸出兩個(gè)光子。在受激發(fā)射的過程中，光子數(shù)獲得了放大。受激發(fā)射的光子與入射光子頻率相同、相位相同，偏振方向和

6、得了放大。受激發(fā)射的光子與入射光子頻率相同、相位相同，偏振方向和傳播方向也相同，二者是完全相干的。傳播方向也相同，二者是完全相干的。 受激發(fā)射幾率與自發(fā)發(fā)射幾率不同，前者與入射光強(qiáng)有關(guān)，后者是一受激發(fā)射幾率與自發(fā)發(fā)射幾率不同，前者與入射光強(qiáng)有關(guān)，后者是一個(gè)常數(shù)。個(gè)常數(shù)。三、受激吸收三、受激吸收 低能態(tài)的原子吸收光子的能量才能被抽運(yùn)到高能態(tài)上；原子對(duì)光能量低能態(tài)的原子吸收光子的能量才能被抽運(yùn)到高能態(tài)上；原子對(duì)光能量的吸收是有選擇性的。的吸收是有選擇性的。 受激吸收幾率是一個(gè)與入射光強(qiáng)有關(guān)的參數(shù)。受激吸收幾率是一個(gè)與入射光強(qiáng)有關(guān)的參數(shù)。 受激吸收與受激發(fā)射并非簡單的逆過程。受激吸收是靠消耗外來光子

7、受激吸收與受激發(fā)射并非簡單的逆過程。受激吸收是靠消耗外來光子能量來完成泵浦過程，即把低能級(jí)上的原子抽運(yùn)到高能級(jí)上去。而受激發(fā)能量來完成泵浦過程，即把低能級(jí)上的原子抽運(yùn)到高能級(jí)上去。而受激發(fā)射則是靠高能級(jí)的原子發(fā)射光子來完成光放大過程。射則是靠高能級(jí)的原子發(fā)射光子來完成光放大過程。四、愛因斯坦系數(shù)關(guān)系式四、愛因斯坦系數(shù)關(guān)系式716163 3 激光的基本原理激光的基本原理一、光在激活介質(zhì)中的放大一、光在激活介質(zhì)中的放大泵浦泵浦粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)自發(fā)輻射自發(fā)輻射受激輻射受激輻射激光器組成激光器組成8二、光學(xué)諧振腔的作用二、光學(xué)諧振腔的作用 1、諧振腔的作用及激光振蕩閾值條件、諧振腔的作用及激光振蕩

8、閾值條件 2、激光縱膜、激光縱膜圖圖166 激光器中的振蕩頻率激光器中的振蕩頻率916164 4 激光器的類型激光器的類型一、激光器的類型一、激光器的類型目前，常用的激光器按照增益介質(zhì)的種類可分為目前，常用的激光器按照增益介質(zhì)的種類可分為氣體激光器氣體激光器、固體激光器固體激光器、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器、液體激光器液體激光器四類。而按激光四類。而按激光器的工作方式不同又可分為連續(xù)激光器與脈沖激光器。器的工作方式不同又可分為連續(xù)激光器與脈沖激光器。1、氣體激光器、氣體激光器氣體激光器一般采用電激發(fā)，其效率高、壽命長，長使用在氣體激光器一般采用電激發(fā)，其效率高、壽命長，長使用在連續(xù)方式。由于氣體

9、介質(zhì)的均勻性好，易得到頻率穩(wěn)定的單連續(xù)方式。由于氣體介質(zhì)的均勻性好，易得到頻率穩(wěn)定的單模輸出，激光相干性好，常用于精密測(cè)量，全息照相等。模輸出，激光相干性好，常用于精密測(cè)量，全息照相等。102、固體激光器、固體激光器固體激光器一般采用光激勵(lì)，其能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)多，故而效率低固體激光器一般采用光激勵(lì)，其能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)多，故而效率低。光的激勵(lì)能量大部分轉(zhuǎn)換成為熱能。固體激光器的增益介質(zhì)。光的激勵(lì)能量大部分轉(zhuǎn)換成為熱能。固體激光器的增益介質(zhì)一般比氣體激光器短得多，但由于晶體缺陷和溫度引起的光學(xué)一般比氣體激光器短得多，但由于晶體缺陷和溫度引起的光學(xué)不均勻性，不易獲得單模而傾向于多模輸出，故它所發(fā)光的相不均勻

10、性，不易獲得單模而傾向于多模輸出，故它所發(fā)光的相干性比氣體激光器要差。干性比氣體激光器要差。3、液體激光器、液體激光器液體激光器可以工作在連續(xù)或脈沖方式，它的一個(gè)主要特點(diǎn)是液體激光器可以工作在連續(xù)或脈沖方式，它的一個(gè)主要特點(diǎn)是可以在很寬的波長范圍內(nèi)調(diào)諧。目前在光譜學(xué)中得到應(yīng)用?？梢栽诤軐挼牟ㄩL范圍內(nèi)調(diào)諧。目前在光譜學(xué)中得到應(yīng)用。4、半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器在所有激光器中是最小巧的，它機(jī)構(gòu)簡單堅(jiān)固，半導(dǎo)體激光器在所有激光器中是最小巧的，它機(jī)構(gòu)簡單堅(jiān)固，便于直接調(diào)制，目前，它在光通信、光電測(cè)距及光信息存儲(chǔ)與便于直接調(diào)制，目前，它在光通信、光電測(cè)距及光信息存儲(chǔ)與處理方面有著重要而廣泛的應(yīng)用。處理方面有著重要而廣泛的應(yīng)用。1116166 6 光子學(xué)（光子學(xué)（PhotonicsPhotonics）簡介）簡介一、光子學(xué)的概念與范疇一、光子學(xué)的概念與范疇 19701970年，荷蘭科學(xué)家年，荷蘭科學(xué)家PoldervaartPoldervaart: “: “光子學(xué)是研光子學(xué)是研究以光子作為信息載體的科學(xué)究以光子作為信息載體的科學(xué)”。 19801980年，我國科學(xué)家錢學(xué)森年，我國科學(xué)家錢學(xué)森: “: “光子學(xué)是研究光子光子學(xué)是研究光子的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化的科學(xué)的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化的科學(xué)”