第一章 第一節(jié) 光量子起源

課程內(nèi)容內(nèi)容安排（64學時，4學分）I.1-4章激光原理部分(32學時)劉志軍教授II.5-7章激光技術部分(32學時)余學才教授掌握激光的工作原理和基本特性第一章激光基本原理第二章開放光學諧振腔第三章高斯光束及其特性第四章光與物質(zhì)相互作用及激光器的工作特性第五章調(diào)Q技術第六章鎖模技術第七章非線性光學目前一頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點考核方式1、平時成績考核：作業(yè)完成情況和課程設計報告。2、期末考試：閉卷。3、成績比例：期末考試成績：70%，平時成績：30%（作業(yè)：

20%，課程設計：10%）。期末考試成績：70%作業(yè)：20%課程設計：10%目前二頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點參考資料教材：1、自編2、參考書:《量子電子學》A.Yariv著《激光原理》周炳琨等編（第五版）國防工業(yè)出版社目前三頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點第一章激光基本原理LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation------Laser“通過受激輻射的光放大”激光鐳射/雷射目前四頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點日常生活中激光無處不在！激光-----光信息與技術領域的科技前沿！激光筆CD可讀機互聯(lián)網(wǎng)激光手術激光切割激光武器目前五頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點（物理—技術—產(chǎn)業(yè)）Towns建立第一臺微波激射器（maser)1900Planck提出能量子假說19051917Einstein提出受激輻射理論19531958Towns,Shawlow開始研制激光器1960Maiman制成第一臺紅寶石激光器1961-65激光切割、激光鉆孔...1968-69月球上設置激光反射器；地面與衛(wèi)星聯(lián)系1982激光全息術80年代－激光外科手術，通訊、光盤、激光武器...Einstein提出光量子理論Maxwell建立光的電磁理論18601913Borr提出量子化原子模型激光光譜，用于大氣污染分析；半導體激光器，用于激光通訊；激光器，用于激光熔煉、1923Compton散射實驗激光的發(fā)明歷史目前六頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點§1.1光量子起源1900年，Planck針對黑體輻射實驗提出能量子假說1905年，Einstein針對光電效應實驗提出光量子理論1923年，Compton散射實驗19世紀末物理學三大著名實驗，催生了光量子和量子力學的誕生!目前七頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點黑體：能吸收射到其上的全部輻射的物體，這種物體就稱為絕對黑體，簡稱黑體。黑體輻射：由這樣的空腔小孔發(fā)出的輻射就稱為黑體輻射?！?.1.1黑體輻射與Planck的量子論輻射熱平衡狀態(tài):處于某一溫度T下的腔壁，單位面積所發(fā)射出的輻射能量和它所吸收的輻射能量相等時，輻射達到熱平衡狀態(tài)。實驗發(fā)現(xiàn)：熱平衡時，空腔輻射的能量密度，對輻射的波長的分布曲線，其形狀和位置只與黑體的絕對溫度T

有關而與黑體的形狀和材料無關。目前八頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點黑體輻射的理論描述低頻與實驗有明顯偏離!1.維恩（Wein）公式

表示在單位頻率范圍內(nèi)黑體輻射的能量密度。目前九頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點2.瑞麗-金斯公式（Rayleigh-Jeans）高頻發(fā)散，即“紫外災難”!黑體輻射的理論描述目前十頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點3.Planck公式普朗克認為：金屬空腔壁中電子的振動可視為一維諧振子，它吸收或者發(fā)射電磁輻射能量時，不是過去經(jīng)典物理認為的那樣可以連續(xù)的吸收或發(fā)射能量，而是以與振子的頻率成正比的能量子為單元來吸收或發(fā)射能量.空腔壁上的帶電諧振子吸收或發(fā)射能量應為普朗克常量黑體輻射的理論描述目前十一頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點Planck公式:全波段與觀測極為符合!黑體輻射的理論描述目前十二頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點Planck的量子論：物體吸收或發(fā)射電磁輻射，只能以“量子”(Quantum)的方式進行，每個“量子”的能量為。對Planck輻射定律的討論：(1)當ν很大（短波）時，因為

exp(hν/kT)-1≈exp(hν/kT)，于是Planck定律化為Wien公式。(2)當ν很?。ㄩL波）時，因為exp(hν/kT)-1≈1+(hν/kT)-1=(hν/kT)，則Planck定律變?yōu)镽ayleigh-Jeans公式。(3)Planck假定原子的性能和諧振子一樣，以給定的頻率

v

振蕩；黑體只能以hυ為單位吸收或發(fā)射輻射能量，

h稱為Planck常數(shù),則可以從理論上導出Plank公式。目前十三頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點§1.1.2光電效應一光電效應的實驗規(guī)律（1）實驗裝置電流表電壓表高壓直流電源金屬光電陰極陽極電位器光電效應：光照射到金屬上，有電子從金屬上逸出的現(xiàn)象。這種電子稱之為光電子。目前十四頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點（2）實驗現(xiàn)象電流飽和值（光強）遏止電壓：電子從金屬內(nèi)部逸出時的最大動能單位時間逸出的電子數(shù)與光強成正比電子從金屬內(nèi)部逸出時的最大動能與頻率成正比截止頻率（紅限）僅當才發(fā)生光電效應，截止頻率與材料有關與光強無關.

瞬時性當光照射到金屬表面上時，幾乎立即就有光電子逸出目前十五頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點目前十六頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點按經(jīng)典理論，電子逸出金屬所需的能量，需要有一定的時間來積累，一直積累到足以使電子逸出金屬表面為止,與實驗結果不符.經(jīng)典理論遇到的困難紅限問題瞬時性問題按經(jīng)典理論，光波能量只與光強和振幅有關，與頻率無關，不能解釋紅限頻率。目前十七頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點愛因斯坦的光量子論（1）“光量子”假設光子的能量為（2）解釋實驗愛因斯坦光電方程逸出功與材料有關對同一種金屬，

一定，，與光強無關光強為光電子的最大初動能目前十八頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點愛因斯坦方程光強越大，光子數(shù)目越多，即單位時間內(nèi)產(chǎn)生光電子數(shù)目越多，光電流越大.（時）光子射至金屬表面，一個光子攜帶的能量將一次性被一個電子吸收，若，電子立即逸出，無需時間積累（瞬時性）.目前十九頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點光電效應的應用光電效應的應用1）光電管：光電信號轉換

2）光電二極管：固態(tài)光電探測器

3）光電倍增管：由10-15個倍增陰極組成，增大光電流104--105倍，探測弱光。4）光電成像器件：（光電導攝象管）將輻射圖象轉換成為可觀測、記錄、傳輸、存儲和進行處理的圖象。廣泛應用于天文學、空間科學、X射線放射學、高速攝影等。5）光敏電阻：用光照改變半導體的導電性能制成。目前二十頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點§1.1.3康普頓散射1）實驗裝置X射線與電子的碰撞實驗1923年，、吳有訓Univ.ofChicago

目前二十一頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點2）實驗規(guī)律(2)波長改變量（0）隨散射角增加而增加，原波長0強度隨散射角增加而減小，新波長強度隨散射角增加而增大.(1)

除原波長0外，出現(xiàn)新的波長>0(3)不同元素散射物質(zhì)，在同一角度下,（0）與散射物質(zhì)無關，原波長0譜線的強度隨散射物質(zhì)原子序數(shù)的增加而增加，波長譜線的強度隨散射物質(zhì)原子序數(shù)的增加而減小.目前二十二頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點經(jīng)典理論遇到的困難按經(jīng)典理論是X射線的電場迫使散射物中的電子作受迫振動，而向周圍輻射同頻率的電磁波的過程。散射線的頻率等于入射線頻率驅動力：振動方程：穩(wěn)定狀態(tài)的受迫振動是一個與簡諧驅動力同頻率的簡諧振動。經(jīng)典理論遇到的困難目前二十三頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點光子動量:能量守恒：動量守恒：用愛因斯坦量子理論解釋康普頓散射

光子與靜止電子的彈性碰撞碰撞前碰撞后（1）（2）目前二十四頁\總數(shù)二十六頁\編于十七點由（1）和（2）得?——康普頓波長（0