激光原理及应用陈家璧第一章

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1、激光原理及应用第一章光波是一种电磁波，是E和B的振动和传播。如图（1-1）所示。习惯上常把电矢量叫做光矢量图（1-1）电磁波的传播1、线偏振光Ex(1)线偏振光ExyEy(2)自然光z传播方向1.1.1光波22、光速、频率和波长三者的关系(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。(2)光速(3)频率和周期：光矢量每秒钟振动的次数(4)三者的关系在真空中各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同1.1.1光波33、单色平面波(1)平面波(2)单色平面波：具有单一频率的平面波波阵面或同相

2、面：光波位相相同的空间各点所连成的面平面波：波阵面是平面准单色波:实际上不存在完全单色的光波，总有一定的频率宽度，如称为准单色波。理想的单色平面波（简谐波）两式统一写为：其中，U为场矢量大小，代表或的大小，U0为场矢量的振幅。设真空中电磁波的电矢量在坐标原点沿x方向作简谐振动，磁矢量在y方向作简谐振动，频率均为，且t=0时两者的初位相均为零。则、的振动方程分别为:1.1.1光波4(2)单色平面波：具有单一频率的平面波波场中z轴上任一点P的振动方程，设光波以速度c向z方向传播图（1-1）电磁波的传播分析：(a)

3、z一定时，则U代表场矢量在该点作时间上的周期振动(c)z、t同时变化时，则U代表一个行波方程，代表两个不同时刻空间各点的振动状态。从下式可看出，光波具有时间周期性和空间周期性。时间周期为T，空间周期为；时间频率为1/T，空间频率为1/(b)t一定时，则U代表场矢量随位置的不同作空间的周期变化简谐波是具有单一频率的单色波，但通常原子发光的时间约为10－8s，形成的波列长度约等于3m，因此它的波列长度有限即必然有一定的频率宽度。1.1.1光波5(3)平面波的复数表示法光强线偏振的单色平面波的复数表示：光强：

4、光强与光矢量大小的平方成正比，即或复振幅:模量代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在空间的分布(4)球面波及其复数表示法球面简谐波方程：球面波的复数表示法：1.1.1光波6在真空中一个光子的能量为，动量为，则它们与光波频率，波长之间的关系为：式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J•S。1.1.2光子71.2.1原子能级、简并度1.原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：主量子数n，n＝1，2，3，…代表电子运动区域的大小和它的总能量的主要部分辅量子数,代表轨道的形状和轨道角动量，这也同电子的

5、能量有关。对等的电子顺次用s,p,d,f字母表示磁量子数（即轨道方向量子数）m=0，±1，±2，…±代表轨道在空间的可能取向，即轨道角动量在某一特殊方向的分量自旋量子数（即自旋方向量子数）ms=±1/2，代表电子自旋方向的取向，也代表电子自旋角动量在某一特殊方向的分量sssPPd例：计算每一个壳层（）和次壳层（2(2l+1)个）可以容纳的最多电子数82.电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态电子的能级，依次用E0，E1，E2，…En表示基态：原子处于最低的能级状态激发态：能量高于基态的其它能级状态简并

6、能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目3.图(1-3)为原子能级示意图E0基态E1E2En激发态例：计算1s和2p态的简并度1.2.1原子能级、简并度91.2.3波尔兹曼分布1.现考虑由n0个相同原子(分子或离子)组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：式中—Ei的简并度；k—波尔兹曼常数；T—热平衡时的绝对温度；ni—处在Ei能级的原子数2.分别处于Em和En能级上的原子数nm和nn必然满足下一关系3.为简单起见，假定讨论：1），2），3

7、）T>0且Em>En，nm

8、频率的关系，即为普朗克黑体辐射的单色辐射能量密度公式式中k为波尔兹曼常数。4.辐射能量密度公式单色辐射能量密度：辐射场中单位体积内，频率在附近的单位频率间隔中的辐射能量1.3.1黑体热辐射总辐射能量密度:13光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射受激辐射受激跃迁1.自发辐射自发辐射:高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为的光子。自发辐射的特点：各个原子所发的光向空间