(物理光学)第十六章_光的量子性和激光基础

1、1第十六章第十六章 光的量子性和激光基础光的量子性和激光基础光的波动性光的波动性可以很好地解释光传播时的干涉、衍射、偏振可以很好地解释光传播时的干涉、衍射、偏振等现象。等现象。光的量子性光的量子性黑体辐射、光电效应等黑体辐射、光电效应等216161 1 光的量子性光的量子性一、光电效应与爱因斯坦光子学说一、光电效应与爱因斯坦光子学说 1、光电效应规律（如图、光电效应规律（如图161所示）所示）（1）对某一光电阴极材料而言，在入射光频率不变的条件下，）对某一光电阴极材料而言，在入射光频率不变的条件下， 饱和电流的大小与入射光的强度成正比。饱和电流的大小与入射光的强度成正比。（2）光电子的能量与入

2、射光的强哭无关，而只与入射光的频率有关，）光电子的能量与入射光的强哭无关，而只与入射光的频率有关， 频率越高，光电子的能量越大。频率越高，光电子的能量越大。（3）入射光有一截止频率，在这个极限频率以下，不论入射光多强，）入射光有一截止频率，在这个极限频率以下，不论入射光多强， 照射时间多长，都没有光电子发射。这一截止频率称为光电效照射时间多长，都没有光电子发射。这一截止频率称为光电效 应的红限。不同的金属具有不同的红限。应的红限。不同的金属具有不同的红限。（4）即使光的强度非常弱，只要照射光的频率大于某一极限值，在）即使光的强度非常弱，只要照射光的频率大于某一极限值，在 开始照射后就有光电子产

3、生，不存在一个可测的弛豫时间。开始照射后就有光电子产生，不存在一个可测的弛豫时间。2、爱因斯坦光子学说、爱因斯坦光子学说3二、光的波粒二象性二、光的波粒二象性 光既表现出明显的波动性，又表现出勿光既表现出明显的波动性，又表现出勿容置疑的粒子性，这就是光的波粒二象性。容置疑的粒子性，这就是光的波粒二象性。4三、光发射与吸收的量子模型及激发方式三、光发射与吸收的量子模型及激发方式1、光发射与吸收的量子模型、光发射与吸收的量子模型2、激发方式（加热、辐射激发、碰撞激发）、激发方式（加热、辐射激发、碰撞激发）516162 2 光的自发发射、受激发射和受激吸收光的自发发射、受激发射和受激吸收一、光的自发

4、发射一、光的自发发射 处在高能级上的原子，都具有向往稳定而自发地回到地能级状态处在高能级上的原子，都具有向往稳定而自发地回到地能级状态的特性。当它们纷纷回袄低能级时，它们就以光的形式释放出能量来的特性。当它们纷纷回袄低能级时，它们就以光的形式释放出能量来。这就是原子的自发发射。由于每个原子的跃迁都是自发和独立进行。这就是原子的自发发射。由于每个原子的跃迁都是自发和独立进行的，因此它们辐射出的光波方向和相位都不一致。对于二能级系统中的，因此它们辐射出的光波方向和相位都不一致。对于二能级系统中的原子跃迁来说，它们发射出的光波列的频率是相同的，但相位却是的原子跃迁来说，它们发射出的光波列的频率是相同

5、的，但相位却是不相关的，波列的偏振方向和传播方向也是随机分布的。因此原子自不相关的，波列的偏振方向和传播方向也是随机分布的。因此原子自发发射出来的光波，在物理上称之为非相干的自然光。发发射出来的光波，在物理上称之为非相干的自然光。自发发射几率与激发态寿命成反比。自发发射几率与激发态寿命成反比。6二、光的受激发射二、光的受激发射 光子作用于高能级的原子上时会产生受激发射。光子作用于高能级的原子上时会产生受激发射。 若输入一个光子，则输出两个光子。在受激发射的过程中，光子数获若输入一个光子，则输出两个光子。在受激发射的过程中，光子数获得了放大。受激发射的光子与入射光子频率相同、相位相同，偏振方向和

6、得了放大。受激发射的光子与入射光子频率相同、相位相同，偏振方向和传播方向也相同，二者是完全相干的。传播方向也相同，二者是完全相干的。 受激发射几率与自发发射几率不同，前者与入射光强有关，后者是一受激发射几率与自发发射几率不同，前者与入射光强有关，后者是一个常数。个常数。三、受激吸收三、受激吸收 低能态的原子吸收光子的能量才能被抽运到高能态上；原子对光能量低能态的原子吸收光子的能量才能被抽运到高能态上；原子对光能量的吸收是有选择性的。的吸收是有选择性的。 受激吸收几率是一个与入射光强有关的参数。受激吸收几率是一个与入射光强有关的参数。 受激吸收与受激发射并非简单的逆过程。受激吸收是靠消耗外来光子

7、受激吸收与受激发射并非简单的逆过程。受激吸收是靠消耗外来光子能量来完成泵浦过程，即把低能级上的原子抽运到高能级上去。而受激发能量来完成泵浦过程，即把低能级上的原子抽运到高能级上去。而受激发射则是靠高能级的原子发射光子来完成光放大过程。射则是靠高能级的原子发射光子来完成光放大过程。四、爱因斯坦系数关系式四、爱因斯坦系数关系式716163 3 激光的基本原理激光的基本原理一、光在激活介质中的放大一、光在激活介质中的放大泵浦泵浦粒子数反转粒子数反转自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射激光器组成激光器组成8二、光学谐振腔的作用二、光学谐振腔的作用 1、谐振腔的作用及激光振荡阈值条件、谐振腔的作用及激光振荡

8、阈值条件 2、激光纵膜、激光纵膜图图166 激光器中的振荡频率激光器中的振荡频率916164 4 激光器的类型激光器的类型一、激光器的类型一、激光器的类型目前，常用的激光器按照增益介质的种类可分为目前，常用的激光器按照增益介质的种类可分为气体激光器气体激光器、固体激光器固体激光器、半导体激光器半导体激光器、液体激光器液体激光器四类。而按激光四类。而按激光器的工作方式不同又可分为连续激光器与脉冲激光器。器的工作方式不同又可分为连续激光器与脉冲激光器。1、气体激光器、气体激光器气体激光器一般采用电激发，其效率高、寿命长，长使用在气体激光器一般采用电激发，其效率高、寿命长，长使用在连续方式。由于气体

9、介质的均匀性好，易得到频率稳定的单连续方式。由于气体介质的均匀性好，易得到频率稳定的单模输出，激光相干性好，常用于精密测量，全息照相等。模输出，激光相干性好，常用于精密测量，全息照相等。102、固体激光器、固体激光器固体激光器一般采用光激励，其能量转化环节多，故而效率低固体激光器一般采用光激励，其能量转化环节多，故而效率低。光的激励能量大部分转换成为热能。固体激光器的增益介质。光的激励能量大部分转换成为热能。固体激光器的增益介质一般比气体激光器短得多，但由于晶体缺陷和温度引起的光学一般比气体激光器短得多，但由于晶体缺陷和温度引起的光学不均匀性，不易获得单模而倾向于多模输出，故它所发光的相不均匀

10、性，不易获得单模而倾向于多模输出，故它所发光的相干性比气体激光器要差。干性比气体激光器要差。3、液体激光器、液体激光器液体激光器可以工作在连续或脉冲方式，它的一个主要特点是液体激光器可以工作在连续或脉冲方式，它的一个主要特点是可以在很宽的波长范围内调谐。目前在光谱学中得到应用。可以在很宽的波长范围内调谐。目前在光谱学中得到应用。4、半导体激光器、半导体激光器半导体激光器在所有激光器中是最小巧的，它机构简单坚固，半导体激光器在所有激光器中是最小巧的，它机构简单坚固，便于直接调制，目前，它在光通信、光电测距及光信息存储与便于直接调制，目前，它在光通信、光电测距及光信息存储与处理方面有着重要而广泛的应用。处理方面有着重要而广泛的应用。1116166 6 光子学（光子学（PhotonicsPhotonics）简介）简介一、光子学的概念与范畴一、光子学的概念与范畴 19701970年，荷兰科学家年，荷兰科学家Poldervaart: “Poldervaart: “光子学是研光子学是研究以光子作为信息载体的科学究以光子作为信息载体的科学”。 19801980年，我国科学家钱学森年，我国科学家钱学森: “: “光子学是研究光子光子学是研究光子的产生、运动和转化的科学的产生、运动和转化的科学”