大學(xué)物理：第-21-章-量子光學(xué)基礎(chǔ)分解課件

1、大學(xué)物理：第-21-章-量子光學(xué)基礎(chǔ)分解課件第 21 章 量子光學(xué)基礎(chǔ)21.1 熱輻射 黑體輻射21.2 普朗克的能量子假說(shuō)和黑體輻射公式21.3 光的粒子性21.4 康普頓散射21.5 氫原子光譜 Bohr 理論21.6 光的輻射和吸收21.7 激光21.0 引言第 21 章 量子光學(xué)基礎(chǔ)21.1 熱輻射 黑體輻射2物理學(xué)發(fā)展到19世紀(jì)末期，可以說(shuō)是達(dá)到相當(dāng)完美、相當(dāng)成熟的程度完美的經(jīng)典物理大廈19世紀(jì)的最后一天，歐洲著名的科學(xué)家歡聚一堂。會(huì)上，英國(guó)著名物理學(xué)家W湯姆生（即開爾文男爵）發(fā)表了新年祝詞。他在回顧物理學(xué)所取得的偉大成就時(shí)說(shuō)，物理大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作 21.0 引言物

2、理學(xué)發(fā)展到19世紀(jì)末期，可以說(shuō)是達(dá)到相當(dāng)完美、相當(dāng)成熟的程它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了第一朵烏云： “以太說(shuō)” 破滅第二朵烏云：黑體輻射與“紫外災(zāi)難”它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了第一朵烏云： “以太說(shuō)尋找以太的零結(jié)果，愛因斯坦創(chuàng)立了現(xiàn)代物理大廈之一：相對(duì)論熱輻射的紫外災(zāi)難的解決 ，普朗克等人建立了現(xiàn)代物理大廈之二：量子論本章討論光的量子性，涉及光的量子性有：黑體輻射，光電效應(yīng)，康普頓散射，光譜理論，激光原理END尋找以太的零結(jié)果，愛因斯坦創(chuàng)立了現(xiàn)代物理大廈之一：相對(duì)論熱輻所有物體在任何溫度下都要發(fā)射電磁波，這種與溫度有關(guān)的輻射稱為熱輻射 (heat radiation)。如

3、圖熱輻射的電磁波的波長(zhǎng)、強(qiáng)度與物體的溫度有關(guān)，還與物體的性質(zhì)表面形狀有關(guān)。21.1 熱輻射 黑體輻射1. 熱輻射的基本概念一、基爾霍夫定律(Kirchoff)False-colour infrared image of Whirlpool galaxyThermogram of man所有物體在任何溫度下都要發(fā)射電磁波，這種與溫度有關(guān)的輻射稱為單色輻出度M ： 為了描述物體輻射能量的能力，定義物體單位表面在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的波長(zhǎng)在附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的電磁波的能量為單色輻出度M，即輻出度 M(T): 物體從單位面積上發(fā)射的所有各種波長(zhǎng)的輻射總功率稱為物體的總輻出度 M(T)單色輻出度M ： 為了描

4、述物體輻射能量的能力，定義物體單單色吸收比: 當(dāng)輻射從外界入射到物體表面時(shí)，在到+d的波段內(nèi)吸收的能量 “ E吸收 d”與入射的總能量“ E入射 d”之比:吸收比: 當(dāng)輻射從外界入射到物體表面時(shí)，吸收能量與入射總能量之比:吸收能力的量度單色吸收比: 當(dāng)輻射從外界入射到物體表面時(shí)，在到+d的同一個(gè)物體的發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)有內(nèi)在聯(lián)系，例下圖為黑白花盤子的反射和自身輻射照片室溫下的反射光照片1100K的自身輻射光照片2. 基爾霍夫定律同一個(gè)物體的發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)有內(nèi)在聯(lián)系，例下圖為黑白花盤子基爾霍夫定律：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在溫度一定時(shí)物體在某波長(zhǎng)處的單色輻出度與單色吸收比的比值與物體及其物體表面的性質(zhì)無(wú)關(guān)

5、，即圖片說(shuō)明一個(gè)好的發(fā)射體一定也是好的吸收體。基爾霍夫定律：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在溫度一定時(shí)物體在某波長(zhǎng)處的單色輻黑體： 能完全吸收各種波長(zhǎng)電磁波而無(wú)反射的物體顯然，黑體的吸收比和單色吸收比為100%黑體是理想模型，（如圖）在不透明材料圍成的空腔上開一個(gè)小孔。該小孔可認(rèn)為是黑體的表面。黑體能吸收各種頻率的電磁波，也能輻射各種頻率的電磁波。思考：黑色的物體是黑體 嗎？黑體： 能完全吸收各種波長(zhǎng)電磁波而無(wú)反射的物體顯然，黑體的吸二、 黑體輻射的基本規(guī)律實(shí)驗(yàn)規(guī)律發(fā)現(xiàn)：在溫度一定時(shí)黑體的單色輻出度與波長(zhǎng)有關(guān)，并存在一極大值，所對(duì)應(yīng)的極值點(diǎn)m有關(guān)系上述全波段的黑體輻射規(guī)律是基于以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)規(guī)律逐步建立的：二、 黑

6、體輻射的基本規(guī)律實(shí)驗(yàn)規(guī)律發(fā)現(xiàn)：在溫度一定時(shí)黑體的單色1. 斯特藩玻耳茲曼定律（J. Stefan & L. Boltzmann） =5.6710- 8 W/（m2K4） Stefen 恒量實(shí)驗(yàn)證明，黑體的總輻出度M0(T)（每條曲線下的面積）與溫度的四次方成正比1. 斯特藩玻耳茲曼定律（J. Stefan & L. 2. 維恩位移定律（W. Wien）黑體輻射中單色輻出度的極值波長(zhǎng)m與黑體溫度T 之積為常數(shù)其中b= 2.89810-3 mK 為Wien 常數(shù)以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)定律是遙感、高溫測(cè)量和紅外追蹤等技術(shù)的物理基礎(chǔ)。2. 維恩位移定律（W. Wien）黑體輻射中單色輻出度的3. 維恩公式（非前

7、面的維恩位移定律）4. 瑞利金斯公式 假定電磁波能量分布服從類似于經(jīng)典的麥克斯韋速度分布律，可得瑞利金斯從經(jīng)典的能量均分定理出發(fā)，得到3. 維恩公式（非前面的維恩位移定律）4. 瑞利金斯5. 普朗克公式普朗克利用內(nèi)插法，使兩個(gè)波段分別與維恩公式和瑞利金斯公式一致，得到正確的黑體輻射公式：5. 普朗克公式普朗克利用內(nèi)插法，使兩個(gè)波段分別與維恩公式黑體熱輻射的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較維恩公式在低頻段，偏離實(shí)驗(yàn)曲線！瑞利金斯公式在高頻段 (紫外區(qū))與實(shí)驗(yàn)明顯不符， 短波極限為無(wú)限大“紫外災(zāi)難”！在全波段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驚人符合！END黑體熱輻射的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較維恩公式在低頻段，偏離實(shí)驗(yàn)曲按照經(jīng)典電磁理論

8、，空腔內(nèi)的熱平衡輻射由一系列駐波組成，每一頻率的駐波振動(dòng)可對(duì)應(yīng)同頻率的簡(jiǎn)諧振子振動(dòng)?？涨恢械碾姶挪芰糠植伎傻刃橐幌盗蓄l率的簡(jiǎn)諧振子的能量分布。黑體內(nèi)的駐波21.2 普朗克的能量子假說(shuō)和黑體輻射公式一、經(jīng)典電磁理論經(jīng)典理論：振子的能量取“連續(xù)值”，其中維恩公式和瑞利金斯公式正是基于這一假設(shè)得到的。按照經(jīng)典電磁理論，空腔內(nèi)的熱平衡輻射由一系列駐波組成，每一頻二、普朗克的能量子假說(shuō)普朗克為了從理論上解釋他所得到的半經(jīng)驗(yàn)公式，他大膽地假設(shè)：振子振動(dòng)的能量是不連續(xù)的，只能取最小能量E0 的整數(shù)倍 E0 ， 2E0， 3E0， nE0 E0 =h同振子的頻率成正比，稱為能量子，其中h = 6.6260

9、75510 -34 Js稱為普朗克常數(shù)由此他導(dǎo)出黑體的輻出度為振子平均能量經(jīng)典能量量子二、普朗克的能量子假說(shuō)普朗克為了從理論上解釋他所得到的半經(jīng)驗(yàn) 和 和可得能量按波長(zhǎng)分布利用并結(jié)合普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18581947)德國(guó)物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人，1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金的獲得者。END可得能量按波長(zhǎng)分布利用并結(jié)合普朗克(Max Karl Ern21.3 光的粒子性一、 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1. 光電效應(yīng)光照射在金屬及其化合物的表面上發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)(photoelectric effect)。(1) 實(shí)驗(yàn)裝置-光電管電路

10、中出現(xiàn)的電流形成光電流 (photocurrent)在陰極金屬表面逸出的電子稱為光電子(photoelectron),21.3 光的粒子性一、 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1. 光電效應(yīng) 飽和光電流(2) 實(shí)驗(yàn)規(guī)律電流強(qiáng)度隨光電管兩端電壓的增加而增加，在入射光強(qiáng)一定時(shí)光電流會(huì)隨U 的增大而達(dá)到一飽和值 im ，且飽和電流與入射光強(qiáng)I成正比遏止電壓將光電管上的電壓反向，電子的運(yùn)動(dòng)受到抑制，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)反向電壓不太大時(shí)仍有光電流存在，這說(shuō)明從陰極發(fā)射的光電子具有一定的初速度，當(dāng)反向電壓大到一定數(shù)值Ua 時(shí)光電流完全變?yōu)榱?。稱Ua為遏止電壓 飽和光電流(2) 實(shí)驗(yàn)規(guī)律電流強(qiáng)度隨光電管兩端電壓的增加顯然電子有初動(dòng)

11、能與Uc 之間有關(guān)系 紅限（截止）頻率當(dāng)入射光的頻率改變時(shí)遏止電壓隨之改變，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩者成線性關(guān)系只有當(dāng)入射光頻率 大于一定的頻率 0 時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)， 0 稱為截止頻率或紅限頻率 Ua = K - U0Ua顯然電子有初動(dòng)能與Uc 之間有關(guān)系 紅限（截止）頻率當(dāng)入射光4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0 UaCsNaCaK 與金屬材料種類無(wú)關(guān)，但U0 與金屬材料種類有關(guān)右圖為不同材料的Ua- 曲線，可看出：不同材料的圖線的斜率相同，但在橫軸上的截距不同。說(shuō)明 金 屬鎢鈣鈉鉀銣銫 紅限0（1014Hz）10.957.735.535.445.154.69逸出功A（eV

12、）4.543.202.292.252.131.944.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.當(dāng)入射光無(wú)論如何弱，光電子在光照射的瞬間可產(chǎn)生，馳豫時(shí)間不超過10-9 s光電效應(yīng)瞬時(shí)發(fā)生的二、愛因斯坦的光量子假設(shè)eA1. 經(jīng)典物理學(xué)所遇到的困難金屬表面對(duì)電子具有束縛作用，電子脫離金屬表面所需要的能量，所需的最少能量稱為逸出功 (work function)。用 A表示 ，顯然有當(dāng)入射光無(wú)論如何弱，光電子在光照射的瞬間可產(chǎn)生，馳豫時(shí)間不超其中Ephoton為吸收的電磁波能量若用極微弱的光照射，陰極電子積累能量達(dá)到逸出功A需要一段時(shí)間，光電效應(yīng)不可能瞬時(shí)發(fā)生！按照光的經(jīng)典電磁理論：光波

13、的強(qiáng)度與頻率無(wú)關(guān)，電子吸收的能量也與頻率無(wú)關(guān)，不存在截止頻率！其中Ephoton為吸收的電磁波能量若用極微弱的光照射，陰極(3) 根據(jù)能量守恒定律，電子在離開金屬面時(shí)具有的初動(dòng) 能:2. 愛因斯坦光量子假設(shè) (1905)為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦假設(shè)(1) 光是由一顆一顆的光子（光量子）組成。每個(gè)光子的能量與其頻率成正比，即E = hn上式即為光電效應(yīng)方程(2) 一個(gè)光子只能整個(gè)地被電子吸收或放出。光量子具有“整體性”。(3) 根據(jù)能量守恒定律，電子在離開金屬面時(shí)具有的初動(dòng) 能:電子的離開金屬表面的動(dòng)能至少為零，故當(dāng) A/h時(shí)，不發(fā)生光電效應(yīng)?？砂l(fā)生光電效應(yīng)的最小頻率即紅限頻率利用愛因斯坦光電

14、方程可以解釋：光電效應(yīng)的瞬時(shí)性問題不同金屬的A不同，則紅限頻率不同。電子的離開金屬表面的動(dòng)能至少為零，故當(dāng) m (n=m+1，m+2,)賴曼系 （Lyman) m =1，紫外光m 取不同值時(shí)，給出不同光譜系；n 對(duì)應(yīng)于不同譜線 nm (n=m+1，m+2,)賴曼系 （Lyman) 巴爾末系（Balmer) m = 2 ， 可見光 帕邢系 （Paschen) m = 3 ， 紅外巴爾末系（Balmer) m = 2 ， 可見光 帕邢系 （1911年赴Cambridge大學(xué)，在Cavendish實(shí)驗(yàn)室工作1912年在Manchester大學(xué)Rutherford實(shí)驗(yàn)室工作四個(gè)月，參加了“粒子散射實(shí)驗(yàn)

15、”研究工作1913年發(fā)表“原子構(gòu)造和分子構(gòu)造”，提出他的氫和類氫原子結(jié)構(gòu)模型Noels Bohr：1922諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主三、Bohr 理論 1911年赴Cambridge大學(xué)，在Cavendish實(shí)驗(yàn)n = 1，2，3 （1）定態(tài)條件：電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)，但不輻射能量，是穩(wěn)定的狀態(tài)定態(tài)。每一個(gè)定態(tài)對(duì)應(yīng)于電子的一個(gè)能級(jí)。（2）頻率條件：當(dāng)原子從某一能量狀態(tài)躍遷到另一能量狀態(tài)產(chǎn)生電磁輻射，且電磁波的頻率滿足條件（3）角動(dòng)量量子化條件：電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)角動(dòng)量是量子化的，取值為1. Bohr 假設(shè)： vnEn+e-emmprnn = 1，2，3 （1）定態(tài)條件：電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)，但2 . 氫

16、原子光譜的Bohr理論解釋經(jīng)典理論結(jié)合Bohr 理論 氫原子的半徑和玻耳半徑vnEn+e-emmprn2 . 氫原子光譜的Bohr理論解釋經(jīng)典理論結(jié)合Bohr Bohr半徑 氫原子的能量、 基態(tài)能（電離能）電子能量Bohr半徑 氫原子的能量、 基態(tài)能（電離能）電子能量基態(tài)能（電離能）基態(tài)能（電離能）Rydberg公式：Rydberg公式： -13.6 -3.39-1.51-0.85-0.540En(eV)12354氫原子能級(jí)圖賴曼系巴爾末系帕邢系布喇開系普芳德系 -13.6 -3.39-1.51-0.85-0.540例21-4 如用能量為12.6 eV的電子轟擊氫原子，將產(chǎn)生那些光譜線？解：可

17、取 n = 3例21-4 如用能量為12.6 eV的電子轟擊氫原子，可能的能級(jí)躍遷： 31 ，32 ，21可能的能級(jí)躍遷： 31 ，32 ，21ENDEND由大量原子組成的系統(tǒng)，在溫度不太低的平衡態(tài)，原子數(shù)目按能級(jí)的分布服從玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布： 一、 原子在能級(jí)上的統(tǒng)計(jì)分布EnNnE1E2若 E2 E1，則兩能級(jí)上的原子數(shù)目之比 21.6 光的輻射和吸收由大量原子組成的系統(tǒng)，在溫度不太低的平衡態(tài)，原子數(shù)目按能級(jí)的例21-5 對(duì)于氫原子，En= - E1/n2，在常溫下(T = 300K)，處在第一激發(fā)態(tài)的氫原子數(shù)與處在基態(tài)的原子數(shù)比 二、自發(fā)輻射 、受激輻射和受激吸收幾乎所有電子都處于基態(tài)上原子

18、吸收光子后可發(fā)生兩種過程：從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（受激吸收），也可從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)（受激輻射）。原子還可自發(fā)從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)而發(fā)光（自發(fā)輻射 ）例21-5 對(duì)于氫原子，En= - E1/n2，在常溫設(shè) N1 、N2 為處于E1 、E2 能級(jí)的原子數(shù)，單位時(shí)間內(nèi) 從E2 E1自發(fā)輻射的原子數(shù)應(yīng)與初始原子數(shù)成正比： 1. 自發(fā)輻射(spontaneous radiation)hE1E221 稱為愛因斯坦自發(fā)發(fā)射系數(shù)，單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射概率。E1E2設(shè) N1 、N2 為處于E1 、E2 能級(jí)的原子數(shù)，單位各原子自發(fā)輻射的光是獨(dú)立的、無(wú)關(guān)的非相干光 。2受激輻射 (stimulat

19、ed radiation)hE1E2E1E2hh單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，從E2 E1受激輻射的原子數(shù)：當(dāng)頻率為 = (E2 E1)/h 的外來(lái)光入射時(shí)，會(huì)引起高能態(tài)的原子躍遷到低能態(tài)各原子自發(fā)輻射的光是獨(dú)立的、無(wú)關(guān)的非相干光 。2受激輻射 受激輻射光與外來(lái)光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同（全同光子）的相干光，有光放大作用。當(dāng)頻率為 = (E2 E1) / h的外來(lái)光入射時(shí)，也會(huì)引起低能態(tài)的原子躍遷到高能態(tài)。W21單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激輻射過程的概率。3. 受激吸收(stimulated absorption)hE1E2E1E2受激輻射光與外來(lái)光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同

20、（全單位體積中單位時(shí)間內(nèi)因吸收外來(lái)光而從E1E2 的原子數(shù)：W12 為單個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生吸收過程的概率。A12 、W21 和W12 并不獨(dú)立，愛因斯坦給出了三者之間的關(guān)系了，例如，為激光的發(fā)明（受激輻射的光放大）奠定了理論基礎(chǔ)。W21 =W12單位體積中單位時(shí)間內(nèi)因吸收外來(lái)光而從E1E2 的原子數(shù)：W 三、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大實(shí)際的發(fā)光媒質(zhì)由大量原子構(gòu)成，在熱平衡時(shí)遵從玻耳茲曼分布，大部分原子處在基態(tài)上。E1E2少數(shù)原子處在激發(fā)態(tài)上，當(dāng)一束光射入媒質(zhì)后，可同時(shí)引起受激吸收和受激輻射。因?yàn)镹1N2，所以 三、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大實(shí)際的發(fā)光媒質(zhì)由大量原子構(gòu)成，在熱平宏觀上表現(xiàn)為對(duì)光的吸收，達(dá)不到

21、對(duì)光的放大目的媒質(zhì)入射光透射光E1E2如果原子的分布是N2N1，稱為粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)，則宏觀上表現(xiàn)為對(duì)光的吸收，達(dá)不到對(duì)光的放大目的媒質(zhì)入射光透射光受激輻射占主導(dǎo)地位，宏觀上表現(xiàn)為輻射，可實(shí)現(xiàn)光的放大。媒質(zhì)入射光透射光處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)，它正是激光器的工作物質(zhì)。END受激輻射占主導(dǎo)地位，宏觀上表現(xiàn)為輻射，可實(shí)現(xiàn)光的放大。媒質(zhì)入普通光源：蠟燭、太陽(yáng)、白熾燈等。光是自發(fā)輻射的激光光源：如紅寶石激光器。光是受激發(fā)而輻射的Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser 21.7 激光一、 激光概述普通光源：蠟燭

22、、太陽(yáng)、白熾燈等。光是自發(fā)輻射的激光光源：如紅激光的特點(diǎn)：方向性好（發(fā)散角10-4 rad）；單色性好（10- 8 ）；強(qiáng)度大（脈沖瞬時(shí)功率可達(dá)1014 W）。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡激光切割金屬Laser videodisc with simulated laser beam激光的特點(diǎn)：方向性好（發(fā)散角10-4 rad）；單色性好（ 激光器的種類固體（如紅寶石Al2O3）激光器氣體（如He-Ne，CO2）激光器 激光器的種類固體（如紅寶石Al2O3）激光器氣體（如He-半導(dǎo)體激光器（激光二極管）液體（如某些染料）.半導(dǎo)體激光器（激光二極管）液體（如某些染料）.1. 激光器的結(jié)構(gòu)以紅寶石激光器為例二、激光器

23、的工作原理全反射面透射率為10%的反射面氙閃光燈1. 激光器的結(jié)構(gòu)以紅寶石激光器為例二、激光器的工作原理全反一臺(tái)激光器主要由三部分組成：工作物質(zhì)、光學(xué)諧振腔和激勵(lì)能源光學(xué)諧振腔：兩嚴(yán)格平行的反射鏡構(gòu)成全反射鏡部分反射鏡激光激勵(lì)能源工作物質(zhì)一臺(tái)激光器主要由三部分組成：工作物質(zhì)、光學(xué)諧振腔和激勵(lì)能源光2. 工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)不同種類的激光器實(shí)現(xiàn)激活介質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布方式不同。對(duì)于He-Ne氣體激光器主要是利用He原子的亞穩(wěn)態(tài)實(shí)現(xiàn)的（一般原子激發(fā)態(tài)的壽命為10-8 s，但也有些激發(fā)態(tài)的壽命長(zhǎng)達(dá)10-3 s甚至長(zhǎng)達(dá)1s，稱這種長(zhǎng)壽命的激發(fā)態(tài)為亞穩(wěn)態(tài)）為簡(jiǎn)單，假設(shè)原子只有三個(gè)能級(jí)E1、E2和E3，

24、E2為亞穩(wěn)態(tài)2. 工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)不同種類的激光器實(shí)現(xiàn)激活介質(zhì)三能級(jí)模式抽運(yùn)粒子E2E3E1E2E3E1(10-8s)E2E3E1(10-3s)N2N1非彈性碰撞無(wú)輻射躍遷激勵(lì)E2E1三能級(jí)模式抽E2E3E1E2E3E1(10-8s)E2E3E實(shí)際工作物質(zhì)原子能級(jí)結(jié)構(gòu)要復(fù)雜的多，可能存在幾對(duì)能級(jí)之間的粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)，相應(yīng)有發(fā)射幾種波長(zhǎng)的激光。例如，氦氖激光器可以發(fā)射0.6328 m, 1.15 m, 3.39 m 等波長(zhǎng)的激光。3. 光學(xué)諧振腔(optical harmonic oscillator)的作用若無(wú)諧振腔，激活介質(zhì)初始自發(fā)輻射的光是傳播方向各向同性的非相干光抑制了傳播方向與

25、軸線不平行的光，放大了沿軸線方向傳播的光。(1) 諧振腔的定向作用實(shí)際工作物質(zhì)原子能級(jí)結(jié)構(gòu)要復(fù)雜的多，可能存在幾對(duì)能級(jí)之間的粒通過調(diào)節(jié)諧振腔的作用還可對(duì)沿軸向傳播的光進(jìn)一步選頻，只讓某幾種滿足共振條件的單色光得到放大，共振條件就是如下駐波條件：圖示為氦氖激光器 Ne 原子的0.6328 m受激輻射光的譜線自然展寬示意圖，自然寬度高達(dá) 1.3109 Hz(2) 諧振腔的選頻作用通過調(diào)節(jié)諧振腔的作用還可對(duì)沿軸向傳播的光進(jìn)一步選頻，只讓某幾駐波條件( k=1、2、3、) n 諧振腔內(nèi)媒質(zhì)的折射率，k真空中的波長(zhǎng)Lk=1k=2k=3因此，在光學(xué)諧振腔內(nèi)只有某些確定波長(zhǎng)的光才能形成穩(wěn)定的駐波波長(zhǎng)與腔的縱向長(zhǎng)度有關(guān)這樣的每一個(gè)振動(dòng)模式稱為一個(gè)“縱模”。駐波條件( k=1、2、3、) n 諧振腔內(nèi)媒質(zhì)的折射 可以存在的縱模頻率為 相鄰兩個(gè)縱模頻率的間隔為例在氦氖激光器 0.6328 m 譜線寬度 =1.3109 Hz內(nèi)可以存在的縱模