2020年高中物理竞赛量子物理A 第四章 小结共47张 课件

1、1,2020,高中物理竞赛,量,子,物,理,第四章,小结,2,量子力学小结,1,微观粒子的二象性状态由波函数完全描述,2,波函数服从薛定谔方程,3,力学量用算符表示，力学量所能取的值,是其相应算符的本征值,4,态的叠加原理和关于“力学量测量”的原理,泡利不相容原理,费米子系统,n,l,m,l,m,s,不能全相同,不确定关系（海森泊,隧道效应,微观粒子有自旋运动，有自旋轨道耦合能,选择定则,电子云,3,玻尔、海森伯、波恩,泡利、狄拉克等,波粒二象性是互补的,量子力学是统计的理论,不确定关系是粒子,波动性的表现，原则上不可避免,量子力学,现有的形式和解释,是完备的,爱因斯坦、德布罗意,薛定谔等,上

2、帝是不会投骰子的,波动性、粒子性的统,计,解释只对大量粒子系统有意义,量子力学现有体系并不完备,爱因斯坦仍然认为,量子力学的统计理论只是一种权宜之计，并非最,终的理论，应进一步探索波、粒统一的本质,哥本哈根学派的观点,反对哥本哈根学派的观点,关于量子力学的争论,4,爱因斯坦和玻尔两人在激烈争论后正陷入沉思之中,5,到目前为止，争论仍在进行,目前只能讨论概率。虽然是目前，但,非常可能,永,远如此,非常可能,永远无法解决这个疑难,非常,可能,自然界就是如此。,费曼,1965,Nob,在他的讲义中写道,量子物理,结束,6,五,光学谐振腔,纵膜与横模,optical harmonic oscillat

3、or,longitudinal mode and transverse mode,激光器有两个反射镜,它们构成一个光学谐振腔,激励能源,全反射镜,部分反射镜,激光,7,光学谐振腔的作用,1,使激光具有极好的,方向性,沿轴线,2,增强,光放大,作用（延长了工作物质,3,使激光具有极好的,单色性,选频,阈值条件为,m,G,R,R,L,G,2,1,1,ln,2,1,对于可能有多种跃迁的情况,可以利用阈值条件来选出一种跃迁,选频之一,8,我们可以控制,1,2,的大小,对,0.6328,m,1,R,2,大,G,m,小,易满足阈值条件，使形成激光,对,1.15,m,3.39,m,1,2,小,G,m,大（不

4、满足阈值条件，形不成激光,例如，氦氖激光器,N,e,原子的,0.6328,m, 1.15,m, 3.39,m,受激辐射,光中,只让波长,0.6328,m,的光输出,由于反射率,R,1,R,2,与波长有关，设计其值,9,设氦氖激光器,N,e,原子的,0,6328,m,受激辐射光,的谱线宽度为,如图所示,0,I,0,I,2,0,I,0,1.3,10,9,Hz,对于单一的跃迁，还可以利用,选择纵模间隔的方法，进一步,在该谱线宽度内再选频,选频之二,10,0,I,0,I,2,0,I,0,0,由于,c,为什么激光的谱线宽度会,小到,10,8,2,8,9,2,10,10,7,1,10,3,10,3,1,1

5、0,6328,2,c,取绝对值,c,2,11,由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节,所以有,光程,2,k,k,nL,k,1,2,3,k,真空中的波长,L,k,1,k,2,k,3,k,nL,k,2,n,谐振腔内媒质的折射率,相应于,k,次谐频,的简正模式,12,激光管中可以存在的纵模频率为,nL,c,k,c,k,k,2,相邻两个纵模频率的间隔为,nL,c,k,2,数量级估计,1,n,1.0,c,10,8,m,s,Z,k,nL,c,8,8,10,5,1,1,1,2,10,3,2,13,而氦氖激光器,0.6328,m,谱线的宽度为,1,3,10,9,H,Z,因此，在,区间中，可以存在的纵模个数为,8,

6、10,5,1,10,3,1,8,9,k,N,14,利用加大纵模频率间隔,k,的方法,可以使,区间中只存在一个纵模频率,例如,短腔法,缩短管长,到,10 c,即,L,10,则,k,10,k,在,区间中，可能存在的纵模个数为,1,于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出,极大地提高了,0.6328,m,谱线的单色性,nL,c,k,2,15,例,法布里,珀罗标准具,F-P,选纵模,短腔法使激光器的输出功率受到限制,F-P,标准具,是由两块相对表面平行度极高,且镀有反射率很高的银膜的玻璃板组成,n,r,反射率,r,F,P,h,在外腔式激光谐振腔内插入,F-P,标准具,16,F-P,标准具,的透射率,T,与

7、,r,h,n,有关,利用多光束干涉的原理，具体略,n,r,反射率,r,F,P,h,其他的纵模都因为对,F-P,标准具,的透射率很低,相当于损耗很大）而不能形成激光振荡,这就达到了选频目的,适当地选择参量，可以使,F-P,标准具,对某种纵模,频率的光透射率特别高，而形成激光振荡,17,基横模,高阶横模,轴,对,称,分,布,旋,转,对,称,分,布,激光除了有纵向驻波模式外，还有横向驻波模式,18,基横模驻波在激光光束的横截面上,各点的位相相同，空间相干性最好,基横模驻波在激光光束的横截面上,强度是非均匀分布的，中间大、周围小,呈高斯分布,基横模,19,小结：产生激光的必要条件,1,激励能源（使原子

8、激发,2,粒子数反转（有合适的亚稳态能级,3,光学谐振腔（方向性，光放大，单色性,注,自由电子激光,是利用自由电子为工作媒质,而产生的强相干辐射，它的产生机理不同,于我们前面讲的原子内束缚态电子的受激,辐射，不需要粒子数反转。可参阅,P144,20,说明,1,激光符合形成一个耗散结构,必须具有的五个条件,1,开放系统,2,远离平衡态,3,涨落突变,4,正反馈,5,非线性抑制因素,21,说明,2,外腔式激光管的布鲁斯特窗起的作用,用布鲁斯特窗可以把接近,50,的光（道）保留下来,而且出来的激光是偏振的（道,0.96,10,0.665,0.96,50,0.130,0.96,100,0.019,根本

9、形不成激光,假如不是斜的布鲁,斯特窗，而是垂直,的窗，光在反射镜,之间多次来回反射,损失太大,在光垂直入射到玻璃表面时,约有,4,能量反射,只有,96,透射,22,六,激光的特性及其应用,方向性极好的强光束,准直、测距、切削、武器等,相干性极好的光束,精密测厚、测角，全息摄影等,例激光光纤,由于光波（载波）的,频率比电波的频率高,好几个数量级,一根极细的激光光纤能,承载的信息量相当于图,片中这麽粗的电缆所能,承载的,信息量,通讯,利用全反射,的原理,电缆,光缆,23,诊断,观察,普通光纤,纤维要排列得,非常整齐,一一对应,24,观察,25,例,2,激光手术,粘视网膜,用激光使脱落的视网膜再复位

10、,目前已是常规的医学手术,皮肤处理,用脉冲的染料激光（波长,585nm,处理皮肤色素沉着,处理前,处理后,26,照明束,普通光纤,照亮视场,纤维镜,普通,光纤,成象,有源纤维,强激光,使堵塞物熔化,臂动脉,主动脉,冠状动脉,内窥镜,附属通道,有源纤维,套环,纤维镜,照明束,附属通道,可注入气或液,排除残物以明视线,套环,可充、放气,阻止血流或使血流流通,心脏手术,不需开胸，不住院,27,激光焊接,高能激光（能产生约,5500,o,C,的高温,把大块硬质材料焊接在一起,28,激光核聚变,这是在靶室内十束激光同时聚向一个产生,核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变,激光射到氘和,氚的混合体,产生高温

11、和高,压，促使两种,原子核聚合为,氦和中子，同,时放出巨大能,量,29,例,3,激光,原子力,显微镜,AFM,用一根钨探针或硅,探针在距试样表面,几毫微米的高度上,扫描,来探测固体,表面的情况,试样通常是,微电子器件,探针尖端在工作时处于,受迫振动状态，其频率,接近于探针的共振频率,激光,原子力显微镜,AFM,激光器,分束器,布喇格室,棱镜,反馈机构,接计算机,微芯片,压电换能器,压电控制装置,30,探针尖端在受样品,原子的范得瓦尔斯吸,引力的作用时，其共,振频率发生变化，因,而振幅也随之改变,为了知道尖端的振,幅情况，将一束激光,分成两束,其中一束通过棱镜,时反射，作为参考光,另一束从探针背

12、面反,射回来，是信息光,激光,原子力显微镜,AFM,激光器,分束器,布喇格室,棱镜,反馈机构,接计算机,微芯片,压电换能器,压电控制装置,这两束光重新会合后发生干涉,31,可检测出尺度小至,5nm,的,表面起伏变化,应用：检查制作微电路,用的硅表面的质量,检查微电路成品,激光,原子力显微镜,AFM,激光器,分束器,布喇格室,棱镜,反馈机构,接计算机,微芯片,压电换能器,压电控制装置,干涉的情况反映,探针振幅的变化情况,范得瓦尔斯力的情况,试样表面原子起伏情况,32,用,原子力显微镜,看到的形成,PbTeO,表面层的原子,从层底（黑）到层顶（白），约,2 nm,33,例,5,激光半导体,在固体部

13、分学,例,4,激光单原子探测,随着微电子电路技术的进展，硅基片,表面的不平坦度如果超过几个原子厚度就,将被认为是不合格的,利用极精确的共振跃迁，可以在,10,20,个原子,中挑出,1,个原子,34,补充）非线性光学简介,nonlinear optics,普通光,符合叠加原理,线性光学,激光,不符合叠加原理,强光光学、非线性光学,E,E,E,1,p,1,e,0,r,0,P,与,E,成线性关系,式中,1,r,e,对各向同性介质,E,不太大时,电极化强度,称为电极化率,e,0,1,35,当,E,很大时,电极化强度,3,3,2,2,1,E,E,E,p,非线性关系,1,线性电极化率,2,二次（阶）非线性

14、电极化率,3,三次（阶）非线性电极化率,可以证明,后一项对前一项的比值,原子内,光,E,E,E,E,E,E,2,2,3,3,1,2,2,m,V,E,11,10,原,子,而,36,对普通光,E,光,10,4,V/m,此时,7,1,2,1,2,2,10,原子内,光,E,E,E,E,E,高阶项不重要,只留第一项，成为线性效应,对激光,E,光,10,7,10,11,V/m,甚至更高），此时,0,4,1,2,1,2,2,10,10,E,E,E,E,E,原子内,光,37,2,2,E,第二项,就不能忽略了,介质就表现出非线性效应,下面举几个非线性效应的例子,一,倍频效应,由极化强度,P,中的,第二项,2,E

15、,2,会引起,倍频效应,若,E,E,0,cos,t,第二项,2,E,2,2,E,0,2,cos,2,t,2,E,0,2,2,1+cos,2,t,则,第一项,1,E,1,E,0,cos,t,38,又如,钕玻璃激光器的不可见光,1,06,m,铌酸钡钠晶体,可见光,0,53,m,实验证明：确实有二倍频现象出现,在激光问世后一年，有人做了以下实验,石英晶体,6943,红宝石激光器,紫外,3471.5,6943,棱镜,光脉冲,39,二,混频效应,设输入两束光,1,2,E,E,10,cos,1,t,E,20,cos,2,t,则,第二项,2,E,2,2,E,10,cos,1,t,E,20,cos,2,t,2

16、,激光器,1,激光器,2,晶体,KH,2,PO,4,1,2,1,2,1,2,1,2,2,2,2,1,1,2,40,2,E,10,2,2,1+cos,2,1,t,2,E,20,2,2,1+cos,2,2,t,2,E,10,E,20,cos,1,2,t + cos,1,2,t,实验证明：确实有混频现象出现,除出现二倍频,2,1,和,2,2,外,还出现,和频项,1,2,和,差频项,1,2,2,E,2,2,E,10,cos,1,t,E,20,cos,2,t,2,1,2,1,2,2,1,2,2,1,2,倍频和混频”扩展了激光的频谱，很有用,41,三,自聚焦,由电磁理论,0,0,1,C,设光矢量为,时，媒

17、质中的电位移矢量的,大小为,D,有,E,E,D,r,0,r,r,v,0,0,1,1,r,r,r,r,r,v,C,n,0,0,0,0,1,1,对光学媒质,v,42,E,D,r,0,E,D,r,0,即,而由,D,的定义,P,E,D,0,3,3,2,2,1,E,E,E,p,所以,3,3,2,2,1,0,E,E,E,E,D,E,D,0,1,0,1,r,0,1,1,对普通光,43,e,r,1,是常数,由于,e,0,1,r,0,1,1,所以，折射率,与入射光强无关,r,n,对激光,0,2,3,0,2,0,1,0,1,E,E,E,D,3,3,2,2,1,0,E,E,E,E,D,44,折射率与光强有关，而且随

18、光强增加而增大,而如果入射光束截面上光强分布不均匀,则在该截面上，媒质的折射率的分布也不均匀,激光基横模光束的强度在截面上呈高斯分布,轴线上光强最大，折射率也最大,0,2,3,0,2,1,E,E,e,r,0,2,3,0,2,0,1,0,1,E,E,E,D,这就在媒质内形成一类似于凸透镜的结构,使光向轴上会聚，最后形成一束极细的光丝,自聚焦现象,45,四,光学双稳态,在电磁学，磁滞回线（即,B,H,曲线）有非线性,性质，利用它可以制作记忆元件,在非线性光学中也有类似于磁滞回线的现象,称为,光学双稳态,I,0,为输入光强,I,为输出光强,I,0,I,非线性电光晶体,I,0,I,I,0,I,0,B,46,当,I,o,由,0,增大逐渐变强时，输出的光强,I,逐渐增大,在,I,o,I,o,时,I,有突升，并且晶体变得透明,当,I,o,再逐渐减小时,I,的下降有滞后现象，而且,在,I,o,I,o,时,I,有突