量子力学与激光

1、量子力学与激光摘要量子力学是关于微观粒子运动的一门科学， 其核心内容是描述微观粒子的波 粒二象性微观粒子的运动规律类似于波的运动； 而微观粒子在被一些实验手 段测量时又体现经典粒子的性质，如，具有动量、质量、电荷这看似矛盾的 性质被统一于物质波的概念中。 而量子力学中的光量子假说为激光的世界打开来 一扇崭新的大门。 本文以量子力学中的相关原理为引， 介绍了量子力学原理在激 光技术中的应用以及激光的产生的相关原理。关键词： 量子力学；光量子；激光原理与产生技术1、引言激光器的原理，是先冲击围绕原子旋转的电子，令其在重回低能量级别时迸 发出光子。这些光子随后又会引发周围的原子发生同样的变化，即发射

2、出光子。 最终，在激光器的引导下， 这些光子形成稳定的集中束流， 即我们所看到的激光。 当然，人们能够知晓这些，离不开理论物理学家马克斯普朗克及其发现的量子 力学原理。普朗克指出，原子的能量级别不是连续的，而是分散、不连贯的。当 原子发射出能量时， 是以在离散值上被称作量子的最小基本单位进行的。 激光器 工作的原理，实际上就是激发一个特定量子散发能量。2、能量量子化的提出1900年 12 月 14 日，在德国物理学会的一次会议上，普朗克宣读了他的论 文正常光谱的能量分布理论 。这篇开始几乎没人注意的文章因为使用内插法 引入了普朗克常数h,漂亮的解决了 20世纪物理学上空的两朵乌云中之一-黑 体

3、辐射的问题， 从而开创了物理学的新纪元。 人们也就把这篇文章发表的日期看 作量子物理学的诞辰。 这篇论文的功绩在于普朗克常数 h 的引入表明了黑体空腔 壁中起辐射作用的电子的能量是量子化的。1905 年，爱因斯坦以勒纳总结出的光电效应性质作为光是粒子的依据，在 普朗克的基础上注意到辐射在发射和吸收时所表现的粒子性， 在关于光的产生和转化的一个启发性的观点中提出光量子假说：他认为：一个处于高能态的粒 子在一个频率适当的辐射量子的作用下， 会跃迁到低能态，同时放出一个频率和 运动方向同入射量子的全同的辐射量子。 这个假说是为从理论上解决黑体辐射提 出的，但在几十年后，却成了打开激光宝库的一把钥匙。

4、这个假说成功的解释了光电效应。 密立根是这样评价光电效应的，“它把普 朗克通过研究黑体辐射而发现的量 h物KCB系列齿轮油泵质化了，并且使我们 完全相信，普朗克的著作所依据的主要物理概念是同现实相符的。”3、光的受激辐射光量子学说认为，光是一种以光速c运动的光子流，光子和其他基本粒子一 样，具有能量、动量和质量。光与物质的共振相互作用，特别是这种相互作用中 的受激辐射过程是激光器的物理基础。爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了 黑体辐射的普朗克公式，认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射 跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。为了简化问题，我们只考虑原子 的两个能级Ei和E2,处

5、于两个能级的原子数密度分别为 ni和n2,如图3.1所示。 构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为，并有E2 - Ei二h。E2 Ei i图3.1二能级原子能级图（1）自发辐射3.2所示。处于高能级E2的一个原子自发地向低能级 巳跃迁，并发射一个能量为h的 光子，这种过程称为自发跃迁过程，如图Eihv自发辐射光£1图3.2原子自发辐射(2)受激辐射2处于高能级E2的原子在满足=(E2-Ei)fh的辐射场作用下，跃迁至低能级El并辐射出一个能量为h且与入射光子全同光子，如图 3.3所示。受激辐射跃 迁发出的光波称为受激辐射。EiA A Jh A： JflL A7入射光Ei E-Ei97?

6、V w V W V VjTI 入射光hvJr V v V VfiV受激辐射光图3.3原子受激辐射(3)受激吸收受激辐射的反过程就是受激吸收。 处于低能级E1的一个原子，在频率为'的辐射场作用下吸收一个能量为h的光子，并跃迁至高能级E2，这种过程称为受激吸收，如图3.4所示入射光£1 Ei T;原子吸收入射IE1 O图3.4原子受激吸收受激辐射和自发辐射的重要区别在于相干性。 自发辐射是不受外界辐射场影响的自发过程，因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的，因而是不相干的；受激辐射是在外界辐射场控制下的发光过程，受激辐射光子与入射光子 属于同一光子态，特别是大量粒子在同一

7、辐射场激励下产生的受激辐射处于同一 光场模式或同一光子态，因而受激辐射是相干的33、 小结到现在，与一个世纪之前人类刚刚涉足量子领域的时候相比， 爱因斯坦的观 点似乎得到了更为广泛的共鸣。 量子力学越是在数理上不断得到完美评分， 就越 显得我们的本能直觉竟如此粗陋不堪。 人们不得不承认， 虽然它依然看起来奇异 而陌生，但量子力学在过去的一百年里， 已经为人类带来了太多革命性的发明创 造，晶体管、原子钟、量子密码以及量子计算机，他们已经越来越多的走进我们 的现实生活， 悄悄地改变着我们的生活方式， 为我们的生活提供便利。 正像詹姆 斯卡卡廖斯在量子力学的奇妙故事一书的引言中所述：“量子力学在哪？ 你不正沉浸于其中吗。 ”而激光作为量子力学为世界带来的新生命， 正为这个世 界作出更大