光學(xué)與原子物理光學(xué)

1、上節(jié)小結(jié)愛因斯坦的光子假說光電效應(yīng)存在飽和電流加速電壓不變情況下, 飽和電流與光強(qiáng)成正比,即n與光強(qiáng)成正比.初始最大動能不變.入射光強(qiáng)改變, 截止電壓不變,則光電子存在截止頻率(紅限 ).久,都不會有光電子產(chǎn)生.即不論入射光強(qiáng)多大,也不論照射多馳豫時(shí)間只要 馳豫時(shí)間小于 存在反向截止電壓截止,康普頓效應(yīng)規(guī)律量子解釋X光子與自由電子間彈性碰撞.光的波粒二象性譜線的產(chǎn)生：X光子與原子質(zhì)量很大的內(nèi)層束縛電子碰撞.電子碰撞前可能處于各種狀態(tài)散射光連續(xù)分布.光與物質(zhì)的相互作用自發(fā)輻射隨機(jī)性；受激輻射稱為自發(fā)輻射系數(shù)(自發(fā)輻射概率).與特定的能級有關(guān).發(fā)射一個(gè)與入射光子完全一樣的光子.為受激輻射概率.受激

2、吸收為受激吸收概率.在熱平衡條件下, 愛因斯坦關(guān)系本節(jié)要點(diǎn)激光的產(chǎn)生條件激光的單色性激光器簡介激光的特點(diǎn)與應(yīng)用7-2 激光的產(chǎn)生條件一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)克服受激輻射和受激 吸收的矛盾問題的解決：受激吸收 受激輻射 若 泵浦源 亞穩(wěn)態(tài)（mss）三能級系統(tǒng)二、光學(xué)諧振腔解決受激輻射和自發(fā)輻射的矛盾問題的解決：受激輻射 自發(fā)輻射 若 即 （閾值） 增益介質(zhì)使得軸向傳播光子因受激輻射得到放大,而偏離軸向的自發(fā)輻射光子很快地逸出介質(zhì).光學(xué)諧振腔對光束的方向具有選擇性.7-3激光的單色性一、由激活介質(zhì)輻射決定的線寬自然寬度自然壽命 粒子在激發(fā)態(tài) 停留的平均時(shí)間.粒子持續(xù)發(fā)射波列的時(shí)間,即相干時(shí)間自然寬度若自然壽

3、命 譜線寬度根據(jù)量子力學(xué)不確定關(guān)系可知,由于原子 在激發(fā)態(tài)上有一定的平均壽命 ，因而原 子在激發(fā)態(tài)上的能量就不是一個(gè)確定值, 而是有一定的自然寬度 兩者的關(guān)系為對應(yīng)能級E;對應(yīng)能帶 若能級 與 的自然寬度分別為 因此, 躍遷的譜線寬度若 為基態(tài),則 則碰撞展寬非彈性碰撞：加速激發(fā)態(tài)上的原子向低能級躍遷,這相當(dāng)于縮短了能級的壽命,這一過程縱向馳豫過程；彈性碰撞：不改變激發(fā)態(tài)的壽命,但能夠使原子正在發(fā)射的一列波中斷分為二列波,從而使波列變短,這一過程橫向馳豫過程.多普勒展寬即使每個(gè)原子發(fā)出光波的頻率 都相同, 但是每個(gè)原子的熱運(yùn)動速度不同,觀察到光波的頻率不相同.氣體：多普勒展寬最大.譜線寬度：

4、兩點(diǎn)處頻率間隔.二、光學(xué)諧振腔的選頻諧振腔的縱模多光束干涉極大的條件：相鄰縱模的頻率間隔為等間隔. 縱模的個(gè)數(shù)若 ,得到單模輸出； 若 ,得到多模輸出.7-4激光器簡介（1960）分類：按工作介質(zhì)的材料分：氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器、染料激光器.按工作方式分：連續(xù)、脈沖、調(diào)Q、超短脈沖激光器(脈寬可達(dá)到 基本組成固體激光器紅寶石激光器：工作物質(zhì) （基質(zhì)）中摻入 由 產(chǎn)生激光.能級 是亞穩(wěn)態(tài). 氦氖激光器經(jīng)千伏電壓加速的電子與氦原子碰撞，把能量傳遞給氦原子.氦原子與氖原子碰撞，把能量傳遞給氖原子,產(chǎn)生2S態(tài)和3S態(tài)氖原子.氖原子2S態(tài)和2P態(tài)之間，3S態(tài)和3P態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激光躍遷.7-5 激光的特點(diǎn)與應(yīng)用方向性好，亮度高.激光束的發(fā)散角可以小到 紅寶石激光器：輸出功率 太陽大幾千倍.亮度比在百分之幾千分之幾毫米范圍內(nèi)產(chǎn)生幾百萬度的高溫和幾百萬個(gè)大氣壓.測量地月距離誤差不超過1.5m.單色性好.一般原子光譜的相干長度僅幾個(gè)厘米, 最好的 譜線寬度 相干長度也只有78cm左右. 氦氖激光器 譜線寬度可小到 相干長度可達(dá)幾十公里.空間相干性好為了使空間相干的區(qū)域大，即 大,面光源寬度b要小