最新激光原理与应用讲 第一章教学讲义ppt课件.ppt

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1、激光原理与应用讲第一章本章主要内容：1.光的波粒二象性2.原子的能级和辐射跃迁3.光的受激辐射4.光谱线宽度5.激光形成的条件光的一个基本性质就是具有波粒二象性，人们对光的认识从牛顿的微粒说，到菲涅尔的波动说，再到爱因斯坦的光子说。一方面光是电磁波，具有波动的性质，有一定的频率和波长。另一方面光是光子流，光子是具有一定能量和动量的物质粒子。在一定条件下，某一方面的属性比较明显。(3)光速：(2)频率：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2、光速、频率和

2、波长三者的关系1.1.1光波1.1.1光波3、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等相位面：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）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：图（1-1）电磁波的传播为方便起见两式统一写为标量形式：其中，U为场矢量大小，代表或的大小，U0为场矢

3、量的振幅。图（1-1）电磁波的传播设光波以速度c向z方向传播,波场中z轴上任一点P的振动方程：图（1-1）电磁波的传播具体分析：(a)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，可以表示两个不同时刻空间各点的振动状态。也可以改写成如下形式：从上式可看出，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(3)平面波的复数表示法、光强单色平面波的复数表示：或根据欧

4、拉公式可把行波方程写作：计算结果仅取实数部分：1.1.1光波3、单色平面波复振幅：引入复振幅后，行波方程改写为（空间变量与时间变量分开表示）：其模代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在空间的分布光强：定义为单位时间内通过垂直于光传播方向单位面积的光波能量，用字母I代表，单位为W/m2常记作：光强与光矢量大小的平方成正比，即由于光的频率很高，通常用探测器测量到的只是光强的平均值：(4)球面波及其复数表示法球面波的振幅随波面半径r的增大成反比例减小，其简谐波方程为：球面波的复数表示法：球面波：光波波面为一系列

5、同心球面的波例如，均匀介质中点光源发出的光波1.1.1光波3、单色平面波1.1.2光子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（爱因斯坦）：当光和物质相互作用时，例如产生原子对光的发射和吸收时，光的粒子性就表现的较为明显，可以把光当做光子流看待式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J•s。光的能量是所有光子能量的总和，当光与物质交换能量时，光子只能整个地被原装吸收或发射。上述两个基本关系式为康普顿散射实验所证实（1923年），并在现代量子电动力学中得到理论解释。小结：光的偏振特

6、性：激光器的输出多为线偏振光，而普通光源发出的光基本上是自然偏振光真空中光速、频率和波长之间的关系：平面波的行波方程：光子的能量公式：，光子能量公式在研究激光的激发时是经常用到的主量子数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l，l=0，1，2，…（n-1）代表轨道的形状和轨道角动量，这也同电子的能量有关。对l=0，1，2，3等的电子顺次用s,p,d,f字母表示；1.2.1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（标记）：磁量子数（即轨道方向量子数）m=0，±

7、1，±2，…±l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。2.原子能级和能级简并度电子能级（原子系统能级），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能级：同一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1.2.1原子能级、简并度ssP以氢原子为例来具体说明原子的能级中的简并度由于氢原子只有一

8、个核外电子，所以该电子的状态就可以代表原子的状态当电子的主量子数n=1即电子在最内层轨道运动时；l=0；m=0；ms=±1/2当电子的主量子数n=2即电子在次内层轨道运动时；l=0；m=0；ms=±1/2l=1；m=0，±1；ms=±1/2那么如何得知电子具体运动状态呢？多电子原子的能级状态将更为复杂，但遵循以下规律电子的量子数遵守泡利不相容原理：不可能有两个或两个以上的