第七章光與物質(zhì)的相互作用光的輻射理論課件

第七章光與物質(zhì)的相互作用光的輻射理論第七章光與物質(zhì)的相互作用光的輻射理論第七章光與物質(zhì)的相互作用光的輻射理論第七章光與物質(zhì)的相互作用光的輻射理論第七章光與物質(zhì)的相互作用13.

(總)輻出度R(T

)2在給定溫度下，單色輻出度r()就是從物體單位表面積發(fā)出的輻射能通量(對(duì)頻率)的分布函數(shù)。(書(shū)上：輻射本領(lǐng)R)[p.260,(1.8)式]4.基爾霍夫定律吸收本領(lǐng)a(,T

)平衡熱輻射，任何物體在同一溫度T下的單色輻出度r(,T)與單色吸收本領(lǐng)a(,T

)成正比，其比值只由和T

決定，而與物體性質(zhì)無(wú)關(guān)。(對(duì)波長(zhǎng))3.(總)輻出度R(T)2在給定溫度下，單色輻出度r2二.黑體輻射的基本規(guī)律1.(絕對(duì))黑體：完全吸收各種波長(zhǎng)電磁波而無(wú)反射的物體，即理想的a(,T

)=1的物體。它的r(,T)最大，且和材料、表面狀態(tài)無(wú)關(guān)。F(,T

)是與物質(zhì)、物體表面狀況無(wú)關(guān)的普適函數(shù)。維恩設(shè)計(jì)的黑體---空窖(空腔)只注意大?。撼Ｓ貌ㄩL(zhǎng)表示，實(shí)驗(yàn)測(cè)得黑體的r0(,T

)3二.黑體輻射的基本規(guī)律1.(絕對(duì))黑體：完全吸收各種波長(zhǎng)33.維恩(Wien)位移定律2.斯特藩-玻耳茲曼(Stefan-Boltzmann)定律

=5.6710－8

W/m2K4黑體的輻出度RT

，RT

=T

4斯特藩-玻耳茲曼常數(shù)極大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)M維恩常數(shù)b=2.898×10－3m·K43.維恩(Wien)位移定律2.斯特藩-玻耳茲曼(Ste4

經(jīng)典理論遇到無(wú)法克服的困難。4.理論與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比從經(jīng)典物理學(xué)曾導(dǎo)出幾種黑體輻射公式：維恩公式，…(短波長(zhǎng)區(qū)域較好，長(zhǎng)波方面不對(duì)。)瑞利-金斯公式，(“紫外災(zāi)難”)普朗克給出了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合的公式，提出“能量子假說(shuō)”，…5經(jīng)典理論遇到無(wú)法克服的困難。4.理論與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比從經(jīng)典物5三.普朗克的黑體輻射公式和能量子假說(shuō)2.普朗克假定（1900）h=6.6260755×10－34J·s3.普朗克公式(p.269－p.271)經(jīng)典能量在全波段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驚人地符合物體---大量振子組成，和輻射場(chǎng)交換能量。經(jīng)典理論：振子的能量可連續(xù)取值。1.“振子”的概念（1900年以前已有)量子頻率為的諧振子，其能量取值為能量子0=h

的整數(shù)倍。或(意義)6(1918,NobelPrize)三.普朗克的黑體輻射公式和能量子假說(shuō)2.普朗克假定（196一.光電效應(yīng)光電子光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置§2

光的粒子性飽和光電流強(qiáng)度

im

與入射光強(qiáng)

I成正比1.實(shí)驗(yàn)規(guī)律：(這表示單位時(shí)間內(nèi)從陰極發(fā)出的光電子數(shù)目與光強(qiáng)成正比)7一.光電效應(yīng)光電子光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置§2光的粒子性7

只有當(dāng)入射光頻率

v大于一定的頻率v0時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。0

稱為該金屬的截止頻率，或紅限頻率，8

V0=K

－C與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)光電子的最大初動(dòng)能為4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Vc(V)CsNaCa

截止電壓

光電效應(yīng)是瞬時(shí)發(fā)生的，時(shí)間不超過(guò)10－9s。只有當(dāng)入射光頻率v大于一定的頻率v0時(shí)，才會(huì)產(chǎn)82.愛(ài)因斯坦的光子假說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋經(jīng)典物理學(xué)所遇到的困難：光波的能量分布在波面上，陰極中電子積累能量克服逸出功需要一段時(shí)間，光電效應(yīng)不能在瞬時(shí)發(fā)生。普朗克的量子假定還不夠：它只涉及發(fā)射或吸收時(shí)振子能量不連續(xù),未涉及在空間傳播的輻射場(chǎng)的能量。9按照光的經(jīng)典電磁理論，光波的強(qiáng)度與頻率無(wú)關(guān)，電子吸收的能量也與頻率無(wú)關(guān)，不應(yīng)存在截止頻率！電磁輻射的能量在空間不是連續(xù)分布的，而是由能量量子（光子）組成，每個(gè)光量子的能量為愛(ài)因斯坦光量子假設(shè)(1905)=h2.愛(ài)因斯坦的光子假說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋經(jīng)典物理學(xué)9

對(duì)光電效應(yīng)的解釋顯然，當(dāng)

h＜A時(shí)，不發(fā)生光電效應(yīng)。紅限頻率(光電效應(yīng)的意義)光量子具有“整體性”，在以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)“不瓦解”，且只能整個(gè)地被吸收或發(fā)射。10A是陰極材料的脫出功。電子吸收一個(gè)光子能量h，從陰極逸出而成為光電子，其最大動(dòng)能為(A.Einstein,1921,NobelPrize)對(duì)光電效應(yīng)的解釋顯然，當(dāng)h＜A時(shí)，不發(fā)生光電效10二.光的波粒二象性康普頓效應(yīng)1.光的波粒二象性

光的性質(zhì)----波粒二象性在有些情況下，光突出顯示波動(dòng)性；

粒子不是經(jīng)典粒子,波也不是經(jīng)典的波。基本關(guān)系式粒子性：能量

，動(dòng)量p波動(dòng)性：波長(zhǎng)，頻率而在另一些情況下，則突出顯示粒子性。11(整體性)(彌散性，可疊加性)二.光的波粒二象性康普頓效應(yīng)1.光的波粒二象性光的112.康普頓效應(yīng)康普頓(Compton)研究X射線在石墨上的散射實(shí)驗(yàn)規(guī)律：電子的Compton波長(zhǎng)準(zhǔn)直系統(tǒng)入射光0散射光探測(cè)器石墨散射體康普頓效應(yīng)的特點(diǎn)?122.康普頓效應(yīng)康普頓(Compton)研究X射線在石12

康普頓的解釋：

X射線光子與“靜止”的“自由電子”彈性碰撞碰撞過(guò)程能量守恒，動(dòng)量守恒解得波長(zhǎng)偏移為康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義康普頓效應(yīng)驗(yàn)證了光的量子性

經(jīng)典電磁理論的困難13e(A.H.Compton,1927,NobelPrize)康普頓的解釋：X射線光子與“靜止”的“自由電子”彈13

激光

(laser)，也音譯為鐳射，它的意思是“輻射的受激發(fā)射的光放大”

(LightAmplificationbyStimulated

EmissionofRadiation)，或者說(shuō)，“受激輻射的光放大”

。

§3激光1916，Einstein，關(guān)于受激輻射的理論。40－50年代，觀測(cè)到受激輻射。1954，Townes做成微波激射器（maser）。1960，Maiman做成第一臺(tái)激光器（紅寶石）。1960，1962，連續(xù)工作的He-Ne氣體激光器。……14激光(laser)，也音譯為鐳射，它的§3激光14一般性質(zhì)：方向性極好（發(fā)散角～10-4弧度）脈沖瞬時(shí)功率大（可達(dá)～1014瓦以上）空間相干性好，有的激光波面上各個(gè)點(diǎn)都是相干光源。時(shí)間相干性好（～10-8埃），相干長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里。相干性極好亮度極高特點(diǎn)

波長(zhǎng)范圍：極遠(yuǎn)紫外─可見(jiàn)光─亞毫米(100nm）（1.222mm）（X激光）15一般性質(zhì)：方向性極好（發(fā)散角～10-4弧度）脈沖瞬時(shí)功15

按工作方式分連續(xù)式（功率可達(dá)104W）脈沖式（瞬時(shí)功率可達(dá)1014W

）種類：固體（如紅寶石Al2O3）液體（如某些染料）氣體（如He-Ne，CO2）半導(dǎo)體（如砷化鎵GaAs）

按工作物質(zhì)分一.粒子數(shù)按能級(jí)的統(tǒng)計(jì)分布原子的激發(fā)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：

16按工作方式分連續(xù)式（功率可達(dá)104W）種類：16

若E2>E

1，則兩能級(jí)上的原子數(shù)目之比

數(shù)量級(jí)估計(jì)：T～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E

2-E

1～1eV;17若E2>E1，則兩能級(jí)上的原子數(shù)目之比數(shù)量級(jí)17要產(chǎn)生激光，必須使大量原子激發(fā)，在兩能級(jí)間形成N2>N1,這稱為粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)(populationinversion)。

原子激發(fā)的幾種基本方式：1.氣體放電激發(fā)；2.原子間碰撞激發(fā)；3.光激發(fā)(光泵浦)。激光器中必須有激發(fā)裝置(能源)提供能量。

二.自發(fā)輻射受激輻射和受激吸收1.自發(fā)輻射(spontaneousradiation)E2E1N2N1h18要產(chǎn)生激光，必須使大量原子激發(fā)，在兩能級(jí)間形成N218設(shè)N1

、N2為單位體積中處于E1

、E2能級(jí)的原子數(shù)。單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，從E2

E1自發(fā)輻射的原子數(shù)

Ａ21

自發(fā)輻射系數(shù)，一個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過(guò)程的概率。

各原子自發(fā)輻射的光是互相獨(dú)立的，相位上隨機(jī)的，或者說(shuō)是互不相干的。19設(shè)N1、N2為單位體積中處于E1、E2能級(jí)192．受激輻射(stimulatedradiation)E2E1N2N1全同光子h設(shè)u（、Ｔ）代表溫度為Ｔ時(shí),頻率為=(E2-E1)/h附近單位頻率間隔的外來(lái)光的能量密度。單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，從E２

E１受激輻射的原子數(shù)：202．受激輻射(stimulatedradiation)E20寫(xiě)成等式

B21受激輻射系數(shù)W21一個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激輻射過(guò)程的概率。則受激輻射光與外來(lái)光的頻率、相位、偏振方向及傳播方向均相同------有光的放大作用。令W21＝B21u(、T)21寫(xiě)成等式B21受激輻射系數(shù)W21一個(gè)原子在單213.吸收(absorption)E2E1N2N1h上述外耒光也有可能被吸收，使原子從E1E2。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)：寫(xiě)成等式

B12

吸收系數(shù)令W12＝Ｂ12u

(、T)223.吸收(absorption)E2E1N2N1h22A21、B21、B12稱為愛(ài)因斯坦系數(shù)。愛(ài)因斯坦在1916年從理論上得出(下冊(cè)p.300,p.301)愛(ài)因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實(shí)驗(yàn)上獲得激光奠定了理論基礎(chǔ)。沒(méi)有實(shí)驗(yàn)家,理論家就會(huì)迷失方向。沒(méi)有理論家,實(shí)驗(yàn)家就會(huì)遲疑不決。B21=B12W12一個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生吸收過(guò)程的概率。23A21、B21、B12稱為愛(ài)因斯坦系數(shù)。愛(ài)因斯坦23三.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大1.為什么需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?從E2

E1自發(fā)輻射的光，可能引起受激輻射過(guò)程，也可能引起吸收過(guò)程。 必須N2>N1（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。因B21=B12

W21=W12要產(chǎn)生激光，必須

24三.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大1.為什么需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?242．實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)例

例：He一Ne氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

He-Ne激光器中，He

是輔助物質(zhì)，Ne

是激活物質(zhì)，He與Ne之比為5∶110∶1。Ne原子某些能級(jí)之間可形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),其原因在于合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)。252．實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)例例：He一Ne氣體激光器的粒子25

電子碰撞碰撞轉(zhuǎn)移

He,Ne原子部分能級(jí)圖亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)26

26He-Ne激光管中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的原理：（要形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，除了增加上能級(jí)的粒子數(shù)外，還要設(shè)法減少下能級(jí)的粒子數(shù)。）

Ne的5S，4S

是亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長(zhǎng)；但下能級(jí)4P，3P(也是激發(fā)態(tài))的壽命很短。

假如設(shè)法使很多Ne原子處于5S或4S,就可能在5S－4P，5S－3P,4S－3P形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。放電管做得比較細(xì)（毛細(xì)管），可使原子與管壁碰撞頻繁。借助這種碰撞，3

S態(tài)的Ne原子可以將能量交給管壁發(fā)生“無(wú)輻射躍遷”而回到基態(tài)，及時(shí)減少3S態(tài)的Ne原子數(shù)，有利于激光下能級(jí)4P與3P態(tài)的抽空。怎樣將大量Ne原子激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)5S和4S呢？27He-Ne激光管中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的原理：（要形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，27因Ne的5S和4S與He的21S和23S的能量幾乎相等，當(dāng)兩種原子相碰時(shí)很容易發(fā)生能量的“共振轉(zhuǎn)移”。在碰撞中He把能量傳遞給Ne而回到基態(tài)，同時(shí)Ne被激發(fā)到5S或4S。氣體放電，用電子碰撞來(lái)激發(fā)原子。但是Ne原子被激發(fā)的概率很小，而He被激發(fā)(到23S和21S能級(jí))的概率則大得多。He的23S，21S這兩個(gè)能級(jí)都是亞穩(wěn)態(tài)，很難回到基態(tài)；于是在He的這兩個(gè)激發(fā)態(tài)上容易聚集較多的原子。Ne原子可以產(chǎn)生多條激光譜線,圖中標(biāo)明了最強(qiáng)的三條:0.6328ｍ,1.15m,3.39ｍ。(它們都是從亞穩(wěn)態(tài)到非亞穩(wěn)、非基態(tài)之間發(fā)生的，因此較易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。)28因Ne的5S和4S與He的21S和2328四.增益系數(shù)激光器內(nèi)受激輻射光來(lái)回傳播時(shí)，并存著增益和損耗。增益——光的放大；損耗——光的吸收、散射、衍射、透射（包括一端的部分反射鏡處必要的激光輸出）等。在激光形成階段，增益＞損耗。在穩(wěn)定工作階段，增益＝損耗。

1．激光在工作物質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)的凈增益設(shè)x＝0處，光強(qiáng)為I029四.增益系數(shù)激光器內(nèi)受激輻射光來(lái)回傳播時(shí)，增益——光29

即單位長(zhǎng)度上光強(qiáng)增加的比例(相對(duì)增長(zhǎng))。一般G不是常數(shù)。為了簡(jiǎn)單，先近似認(rèn)為G是常數(shù)：xI

x+dx

I+dI有dI

Idx寫(xiě)成等式：dI=GIdx

定義：增益系數(shù)G

(gaincoefficient)得30即單位長(zhǎng)度上光強(qiáng)增加的比例(相對(duì)增長(zhǎng))。一般G不是常數(shù)。30

2.考慮激光在兩端反射鏡處的損耗I0輸出全反射鏡部分反射鏡I1LI2R1、R2

左、右兩端反射鏡的反射率.顯然有I

1=R

2I

0eGL=R1

R

2

I

0e2GLI

2=R

1I

1eGL

在激光形成階段，要求I2

/

I0>1，即R1

R2e2GL>1或說(shuō)

于是312.考慮激光在兩端反射鏡處的損耗I0輸出全反射鏡部分31式中Gm稱為閾值增益，即產(chǎn)生激光的最小增益。在激光穩(wěn)定階段：光強(qiáng)增大到一定程度后，有I2/I0=1，即通常稱為閾值條件。為什么光強(qiáng)不會(huì)無(wú)限放大下去？原因是實(shí)際的增益系數(shù)G不是常量。當(dāng)I增大時(shí)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度會(huì)減弱，使G降低（負(fù)反饋）

。當(dāng)增益系數(shù)G降到G＝Gm時(shí)，就穩(wěn)定下來(lái)。32式中Gm稱為閾值增益，即產(chǎn)生激光的最小增益。在激光穩(wěn)定階32五.光學(xué)諧振腔縱模與橫模

(opticalharmonicoscillator)

(longitudinalmodeandtransversemode)激光器有兩個(gè)反射鏡，它們構(gòu)成一個(gè)光學(xué)諧振腔。激勵(lì)能源全反射鏡部分反射鏡激光33五.光學(xué)諧振腔縱模與橫模(opticalharm33光學(xué)諧振腔的作用：1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；2.增強(qiáng)光放大作用（延長(zhǎng)了工作物質(zhì)）；3.使激光具有極好的單色性（選頻）。對(duì)于可能有多種躍遷的情況，可以利用閾值條件來(lái)選出一種躍遷。選頻之一：例如，若希望氦氖激光器只輸出波長(zhǎng)為0.6328m的激光，我們可以控制反射鏡的R1、R2，使反射鏡只對(duì)這種波長(zhǎng)反射率高，易滿足閾值條件。而另兩個(gè)波長(zhǎng)的光(紅外)不能放大。34光學(xué)諧振腔的作用：1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；34例如，氦氖激光器，設(shè)Ne原子的0.6328m受激輻射光的譜線寬度為,如圖，

1.3109Hz。0對(duì)于單一的躍遷，還可以利用選擇縱模間隔的方法，進(jìn)一步在譜線寬度內(nèi)再選頻。選頻之二：然而，利用諧振腔，實(shí)際上激光的譜線寬度可以小到10-8?。這是為什么呢？35例如，氦氖激光器，設(shè)Ne原子的0.6328m受激35光學(xué)諧振腔兩端反射鏡處必是駐波的波節(jié)，所以腔長(zhǎng)L必為半波長(zhǎng)2的整數(shù)倍。換用真空中波長(zhǎng)=n,得(

k=1,2,3,…)

k—真空中波長(zhǎng)n

—諧振腔內(nèi)媒質(zhì)的折射率這就是諧振腔沿長(zhǎng)度方向(縱向)的第

k

個(gè)簡(jiǎn)正模式的波長(zhǎng)。這些簡(jiǎn)正模稱為縱模。Lk=1k=2k=3頻率最低的幾個(gè)縱模36光學(xué)諧振腔兩端反射鏡處必是駐波的波節(jié)，所以腔長(zhǎng)L必為36可以存在的縱模頻率為相鄰兩個(gè)縱模頻率的間隔為

數(shù)量級(jí)估計(jì)：

Ｌ～1ｍ，n～1.0

，c～３×108ms氦氖激光器0.6328m譜線寬度為

=1．3×109Hz因此，在區(qū)間中，可以存在的縱模個(gè)數(shù)為37可以存在的縱模頻率為相鄰兩個(gè)縱模頻率的間隔為數(shù)量級(jí)估計(jì)：37

用加大縱模頻率間隔k的方法,可以使

區(qū)間中只存在一個(gè)縱模頻率。

單模輸出。

比如，若管長(zhǎng)L縮短為10cｍ，

即LL/10則k10k在區(qū)間中，可能存在的縱模個(gè)數(shù)為Ｎ=1。

于是就獲得了譜線寬度非常窄的激光輸出，極大地提高了實(shí)際0.6328m譜線的單色性。L=100cmL=10cm38用加大縱模頻率間隔k的方法,可以使區(qū)間中38激光除了有縱模外，還有橫向駐波模式。小結(jié)：激光器基本組成部分(產(chǎn)生激光的條件)

ｌ.激勵(lì)能源（提供能量，使原子激發(fā)）

２.工作物質(zhì)（有合適的能級(jí)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）基橫模在激光光束的橫截面上各點(diǎn)的相位相同，空間相干性最好。

３.光學(xué)諧振腔（方向性，光放大，單色性）39激光除了有縱模外，還有橫向駐波模式。小結(jié)：激光器39六.激光的特性及其應(yīng)用1.光束方向性極好★以下特性是激光獲得廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)：2.時(shí)間相干性(單色性)極好3.空間相干性極好4.光強(qiáng)度極大(短時(shí)，局域)5.超短脈沖，精細(xì)聚焦……★以下的各種技術(shù)應(yīng)用或研究領(lǐng)域，主要利用激光的什么特性？準(zhǔn)直，定位，測(cè)距，測(cè)速，精密測(cè)厚、測(cè)角，加工，…全息術(shù);非線性光學(xué);集成光學(xué)…

醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)…中的應(yīng)用光通訊，光纖通訊，光盤(pán)信息存取，…軍事上的應(yīng)用…40六.激光的特性及其應(yīng)用1.光束方向性極好★以下特性是激光40

例１．激光光纖通訊由于光波的頻率比無(wú)線電波的頻率高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，一根極細(xì)的光纖能承載的信息量，相當(dāng)于圖片中這么粗的電纜所能承載的信息量。

★一些例子41例１．激光光纖通訊由于光波的頻率比無(wú)線電波的頻率高41例2．激光—原子力顯微鏡(AFM)

用一根鎢探針或硅探針在距試樣表面幾毫微米的高度上反復(fù)移動(dòng),來(lái)探測(cè)固體表面的情況。試樣通常是微電子器件。激光-原子力顯微鏡（AFM）激光器分束器布喇格室棱鏡檢測(cè)器反饋機(jī)構(gòu)接計(jì)算機(jī)微芯片壓電換能器壓電控制裝置42例2．激光—原子力用一根鎢探針或硅試樣通常是激光-原子力顯微42

探針尖端在工作時(shí)處于受迫振動(dòng)狀態(tài)，其頻率接近于探針的共振頻率。探針尖端在受樣品原子的范得瓦爾斯吸引力的作用時(shí)，其共振頻率發(fā)生變化，因而振幅也隨之改變。為了跟蹤尖端的振動(dòng)情況，將一束激光分成兩束，其中一束通過(guò)棱鏡反射，另一束則穿過(guò)布喇格室，然后從探針背面反射回來(lái)。這兩束光重新會(huì)合后發(fā)生干涉，根據(jù)干涉的情況可知探針振動(dòng)的變化情況。據(jù)此可探知試樣表面的原子起伏情況?？蓹z測(cè)出尺度小至5毫微米的表面起伏變化。用于檢查微電路成品，檢查制作微電路用的硅表面的質(zhì)量。------結(jié)束------43探針尖端在工作時(shí)處于受迫振動(dòng)狀態(tài)，探針尖端在受樣品43謝謝！謝謝！44第七章光與物質(zhì)的相互作用光的輻射理論第七章光與物質(zhì)的相互作用光的輻射理論第七章光與物質(zhì)的相互作用光的輻射理論第七章光與物質(zhì)的相互作用光的輻射理論第七章光與物質(zhì)的相互作用453.

(總)輻出度R(T

)2在給定溫度下，單色輻出度r()就是從物體單位表面積發(fā)出的輻射能通量(對(duì)頻率)的分布函數(shù)。(書(shū)上：輻射本領(lǐng)R)[p.260,(1.8)式]4.基爾霍夫定律吸收本領(lǐng)a(,T

)平衡熱輻射，任何物體在同一溫度T下的單色輻出度r(,T)與單色吸收本領(lǐng)a(,T

)成正比，其比值只由和T

決定，而與物體性質(zhì)無(wú)關(guān)。(對(duì)波長(zhǎng))3.(總)輻出度R(T)2在給定溫度下，單色輻出度r46二.黑體輻射的基本規(guī)律1.(絕對(duì))黑體：完全吸收各種波長(zhǎng)電磁波而無(wú)反射的物體，即理想的a(,T

)=1的物體。它的r(,T)最大，且和材料、表面狀態(tài)無(wú)關(guān)。F(,T

)是與物質(zhì)、物體表面狀況無(wú)關(guān)的普適函數(shù)。維恩設(shè)計(jì)的黑體---空窖(空腔)只注意大?。撼Ｓ貌ㄩL(zhǎng)表示，實(shí)驗(yàn)測(cè)得黑體的r0(,T

)3二.黑體輻射的基本規(guī)律1.(絕對(duì))黑體：完全吸收各種波長(zhǎng)473.維恩(Wien)位移定律2.斯特藩-玻耳茲曼(Stefan-Boltzmann)定律

=5.6710－8

W/m2K4黑體的輻出度RT

，RT

=T

4斯特藩-玻耳茲曼常數(shù)極大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)M維恩常數(shù)b=2.898×10－3m·K43.維恩(Wien)位移定律2.斯特藩-玻耳茲曼(Ste48

經(jīng)典理論遇到無(wú)法克服的困難。4.理論與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比從經(jīng)典物理學(xué)曾導(dǎo)出幾種黑體輻射公式：維恩公式，…(短波長(zhǎng)區(qū)域較好，長(zhǎng)波方面不對(duì)。)瑞利-金斯公式，(“紫外災(zāi)難”)普朗克給出了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合的公式，提出“能量子假說(shuō)”，…5經(jīng)典理論遇到無(wú)法克服的困難。4.理論與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比從經(jīng)典物49三.普朗克的黑體輻射公式和能量子假說(shuō)2.普朗克假定（1900）h=6.6260755×10－34J·s3.普朗克公式(p.269－p.271)經(jīng)典能量在全波段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驚人地符合物體---大量振子組成，和輻射場(chǎng)交換能量。經(jīng)典理論：振子的能量可連續(xù)取值。1.“振子”的概念（1900年以前已有)量子頻率為的諧振子，其能量取值為能量子0=h

的整數(shù)倍?；?意義)6(1918,NobelPrize)三.普朗克的黑體輻射公式和能量子假說(shuō)2.普朗克假定（1950一.光電效應(yīng)光電子光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置§2

光的粒子性飽和光電流強(qiáng)度

im

與入射光強(qiáng)

I成正比1.實(shí)驗(yàn)規(guī)律：(這表示單位時(shí)間內(nèi)從陰極發(fā)出的光電子數(shù)目與光強(qiáng)成正比)7一.光電效應(yīng)光電子光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置§2光的粒子性51

只有當(dāng)入射光頻率

v大于一定的頻率v0時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。0

稱為該金屬的截止頻率，或紅限頻率，8

V0=K

－C與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)光電子的最大初動(dòng)能為4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Vc(V)CsNaCa

截止電壓

光電效應(yīng)是瞬時(shí)發(fā)生的，時(shí)間不超過(guò)10－9s。只有當(dāng)入射光頻率v大于一定的頻率v0時(shí)，才會(huì)產(chǎn)522.愛(ài)因斯坦的光子假說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋經(jīng)典物理學(xué)所遇到的困難：光波的能量分布在波面上，陰極中電子積累能量克服逸出功需要一段時(shí)間，光電效應(yīng)不能在瞬時(shí)發(fā)生。普朗克的量子假定還不夠：它只涉及發(fā)射或吸收時(shí)振子能量不連續(xù),未涉及在空間傳播的輻射場(chǎng)的能量。9按照光的經(jīng)典電磁理論，光波的強(qiáng)度與頻率無(wú)關(guān)，電子吸收的能量也與頻率無(wú)關(guān)，不應(yīng)存在截止頻率！電磁輻射的能量在空間不是連續(xù)分布的，而是由能量量子（光子）組成，每個(gè)光量子的能量為愛(ài)因斯坦光量子假設(shè)(1905)=h2.愛(ài)因斯坦的光子假說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋經(jīng)典物理學(xué)53

對(duì)光電效應(yīng)的解釋顯然，當(dāng)

h＜A時(shí)，不發(fā)生光電效應(yīng)。紅限頻率(光電效應(yīng)的意義)光量子具有“整體性”，在以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)“不瓦解”，且只能整個(gè)地被吸收或發(fā)射。10A是陰極材料的脫出功。電子吸收一個(gè)光子能量h，從陰極逸出而成為光電子，其最大動(dòng)能為(A.Einstein,1921,NobelPrize)對(duì)光電效應(yīng)的解釋顯然，當(dāng)h＜A時(shí)，不發(fā)生光電效54二.光的波粒二象性康普頓效應(yīng)1.光的波粒二象性

光的性質(zhì)----波粒二象性在有些情況下，光突出顯示波動(dòng)性；

粒子不是經(jīng)典粒子,波也不是經(jīng)典的波?；娟P(guān)系式粒子性：能量

，動(dòng)量p波動(dòng)性：波長(zhǎng)，頻率而在另一些情況下，則突出顯示粒子性。11(整體性)(彌散性，可疊加性)二.光的波粒二象性康普頓效應(yīng)1.光的波粒二象性光的552.康普頓效應(yīng)康普頓(Compton)研究X射線在石墨上的散射實(shí)驗(yàn)規(guī)律：電子的Compton波長(zhǎng)準(zhǔn)直系統(tǒng)入射光0散射光探測(cè)器石墨散射體康普頓效應(yīng)的特點(diǎn)?122.康普頓效應(yīng)康普頓(Compton)研究X射線在石56

康普頓的解釋：

X射線光子與“靜止”的“自由電子”彈性碰撞碰撞過(guò)程能量守恒，動(dòng)量守恒解得波長(zhǎng)偏移為康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義康普頓效應(yīng)驗(yàn)證了光的量子性

經(jīng)典電磁理論的困難13e(A.H.Compton,1927,NobelPrize)康普頓的解釋：X射線光子與“靜止”的“自由電子”彈57

激光

(laser)，也音譯為鐳射，它的意思是“輻射的受激發(fā)射的光放大”

(LightAmplificationbyStimulated

EmissionofRadiation)，或者說(shuō)，“受激輻射的光放大”

。

§3激光1916，Einstein，關(guān)于受激輻射的理論。40－50年代，觀測(cè)到受激輻射。1954，Townes做成微波激射器（maser）。1960，Maiman做成第一臺(tái)激光器（紅寶石）。1960，1962，連續(xù)工作的He-Ne氣體激光器?！?4激光(laser)，也音譯為鐳射，它的§3激光58一般性質(zhì)：方向性極好（發(fā)散角～10-4弧度）脈沖瞬時(shí)功率大（可達(dá)～1014瓦以上）空間相干性好，有的激光波面上各個(gè)點(diǎn)都是相干光源。時(shí)間相干性好（～10-8埃），相干長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里。相干性極好亮度極高特點(diǎn)

波長(zhǎng)范圍：極遠(yuǎn)紫外─可見(jiàn)光─亞毫米(100nm）（1.222mm）（X激光）15一般性質(zhì)：方向性極好（發(fā)散角～10-4弧度）脈沖瞬時(shí)功59

按工作方式分連續(xù)式（功率可達(dá)104W）脈沖式（瞬時(shí)功率可達(dá)1014W

）種類：固體（如紅寶石Al2O3）液體（如某些染料）氣體（如He-Ne，CO2）半導(dǎo)體（如砷化鎵GaAs）

按工作物質(zhì)分一.粒子數(shù)按能級(jí)的統(tǒng)計(jì)分布原子的激發(fā)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：

16按工作方式分連續(xù)式（功率可達(dá)104W）種類：60

若E2>E

1，則兩能級(jí)上的原子數(shù)目之比

數(shù)量級(jí)估計(jì)：T～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E

2-E

1～1eV;17若E2>E1，則兩能級(jí)上的原子數(shù)目之比數(shù)量級(jí)61要產(chǎn)生激光，必須使大量原子激發(fā)，在兩能級(jí)間形成N2>N1,這稱為粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)(populationinversion)。

原子激發(fā)的幾種基本方式：1.氣體放電激發(fā)；2.原子間碰撞激發(fā)；3.光激發(fā)(光泵浦)。激光器中必須有激發(fā)裝置(能源)提供能量。

二.自發(fā)輻射受激輻射和受激吸收1.自發(fā)輻射(spontaneousradiation)E2E1N2N1h18要產(chǎn)生激光，必須使大量原子激發(fā)，在兩能級(jí)間形成N262設(shè)N1

、N2為單位體積中處于E1

、E2能級(jí)的原子數(shù)。單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，從E2

E1自發(fā)輻射的原子數(shù)

Ａ21

自發(fā)輻射系數(shù)，一個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射過(guò)程的概率。

各原子自發(fā)輻射的光是互相獨(dú)立的，相位上隨機(jī)的，或者說(shuō)是互不相干的。19設(shè)N1、N2為單位體積中處于E1、E2能級(jí)632．受激輻射(stimulatedradiation)E2E1N2N1全同光子h設(shè)u（、Ｔ）代表溫度為Ｔ時(shí),頻率為=(E2-E1)/h附近單位頻率間隔的外來(lái)光的能量密度。單位體積中單位時(shí)間內(nèi)，從E２

E１受激輻射的原子數(shù)：202．受激輻射(stimulatedradiation)E64寫(xiě)成等式

B21受激輻射系數(shù)W21一個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激輻射過(guò)程的概率。則受激輻射光與外來(lái)光的頻率、相位、偏振方向及傳播方向均相同------有光的放大作用。令W21＝B21u(、T)21寫(xiě)成等式B21受激輻射系數(shù)W21一個(gè)原子在單653.吸收(absorption)E2E1N2N1h上述外耒光也有可能被吸收，使原子從E1E2。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)：寫(xiě)成等式

B12

吸收系數(shù)令W12＝Ｂ12u

(、T)223.吸收(absorption)E2E1N2N1h66A21、B21、B12稱為愛(ài)因斯坦系數(shù)。愛(ài)因斯坦在1916年從理論上得出(下冊(cè)p.300,p.301)愛(ài)因斯坦的受激輻射理論為六十年代初實(shí)驗(yàn)上獲得激光奠定了理論基礎(chǔ)。沒(méi)有實(shí)驗(yàn)家,理論家就會(huì)迷失方向。沒(méi)有理論家,實(shí)驗(yàn)家就會(huì)遲疑不決。B21=B12W12一個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生吸收過(guò)程的概率。23A21、B21、B12稱為愛(ài)因斯坦系數(shù)。愛(ài)因斯坦67三.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大1.為什么需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?從E2

E1自發(fā)輻射的光，可能引起受激輻射過(guò)程，也可能引起吸收過(guò)程。 必須N2>N1（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。因B21=B12

W21=W12要產(chǎn)生激光，必須

24三.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大1.為什么需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?682．實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)例

例：He一Ne氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

He-Ne激光器中，He

是輔助物質(zhì)，Ne

是激活物質(zhì)，He與Ne之比為5∶110∶1。Ne原子某些能級(jí)之間可形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),其原因在于合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)。252．實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)例例：He一Ne氣體激光器的粒子69

電子碰撞碰撞轉(zhuǎn)移

He,Ne原子部分能級(jí)圖亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)26

70He-Ne激光管中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的原理：（要形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，除了增加上能級(jí)的粒子數(shù)外，還要設(shè)法減少下能級(jí)的粒子數(shù)。）

Ne的5S，4S

是亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長(zhǎng)；但下能級(jí)4P，3P(也是激發(fā)態(tài))的壽命很短。

假如設(shè)法使很多Ne原子處于5S或4S,就可能在5S－4P，5S－3P,4S－3P形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。放電管做得比較細(xì)（毛細(xì)管），可使原子與管壁碰撞頻繁。借助這種碰撞，3

S態(tài)的Ne原子可以將能量交給管壁發(fā)生“無(wú)輻射躍遷”而回到基態(tài)，及時(shí)減少3S態(tài)的Ne原子數(shù)，有利于激光下能級(jí)4P與3P態(tài)的抽空。怎樣將大量Ne原子激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)5S和4S呢？27He-Ne激光管中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的原理：（要形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，71因Ne的5S和4S與He的21S和23S的能量幾乎相等，當(dāng)兩種原子相碰時(shí)很容易發(fā)生能量的“共振轉(zhuǎn)移”。在碰撞中He把能量傳遞給Ne而回到基態(tài)，同時(shí)Ne被激發(fā)到5S或4S。氣體放電，用電子碰撞來(lái)激發(fā)原子。但是Ne原子被激發(fā)的概率很小，而He被激發(fā)(到23S和21S能級(jí))的概率則大得多。He的23S，21S這兩個(gè)能級(jí)都是亞穩(wěn)態(tài)，很難回到基態(tài)；于是在He的這兩個(gè)激發(fā)態(tài)上容易聚集較多的原子。Ne原子可以產(chǎn)生多條激光譜線,圖中標(biāo)明了最強(qiáng)的三條:0.6328ｍ,1.15m,3.39ｍ。(它們都是從亞穩(wěn)態(tài)到非亞穩(wěn)、非基態(tài)之間發(fā)生的，因此較易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。)28因Ne的5S和4S與He的21S和2372四.增益系數(shù)激光器內(nèi)受激輻射光來(lái)回傳播時(shí)，并存著增益和損耗。增益——光的放大；損耗——光的吸收、散射、衍射、透射（包括一端的部分反射鏡處必要的激光輸出）等。在激光形成階段，增益＞損耗。在穩(wěn)定工作階段，增益＝損耗。

1．激光在工作物質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)的凈增益設(shè)x＝0處，光強(qiáng)為I029四.增益系數(shù)激光器內(nèi)受激輻射光來(lái)回傳播時(shí)，增益——光73

即單位長(zhǎng)度上光強(qiáng)增加的比例(相對(duì)增長(zhǎng))。一般G不是常數(shù)。為了簡(jiǎn)單，先近似認(rèn)為G是常數(shù)：xI

x+dx

I+dI有dI

Idx寫(xiě)成等式：dI=GIdx

定義：增益系數(shù)G

(gaincoefficient)得30即單位長(zhǎng)度上光強(qiáng)增加的比例(相對(duì)增長(zhǎng))。一般G不是常數(shù)。74

2.考慮激光在兩端反射鏡處的損耗I0輸出全反射鏡部分反射鏡I1LI2R1、R2

左、右兩端反射鏡的反射率.顯然有I

1=R

2I

0eGL=R1

R

2

I

0e2GLI

2=R

1I

1eGL

在激光形成階段，要求I2

/

I0>1，即R1

R2e2GL>1或說(shuō)

于是312.考慮激光在兩端反射鏡處的損耗I0輸出全反射鏡部分75式中Gm稱為閾值增益，即產(chǎn)生激光的最小增益。在激光穩(wěn)定階段：光強(qiáng)增大到一定程度后，有I2/I0=1，即通常稱為閾值條件。為什么光強(qiáng)不會(huì)無(wú)限放大下去？原因是實(shí)際的增益系數(shù)G不是常量。當(dāng)I增大時(shí)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度會(huì)減弱，使G降低（負(fù)反饋）

。當(dāng)增益系數(shù)G降到G＝Gm時(shí)，就穩(wěn)定下來(lái)。32式中Gm稱為閾值增益，即產(chǎn)生激光的最小增益。在激光穩(wěn)定階76五.光學(xué)諧振腔縱模與橫模

(opticalharmonicoscillator)

(longitudinalmodeandtransversemode)激光器有兩個(gè)反射鏡，它們構(gòu)成一個(gè)光學(xué)諧振腔。激勵(lì)能源全反射鏡部分反射鏡激光33五.光學(xué)諧振腔縱模與橫模(opticalharm77光學(xué)諧振腔的作用：1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；2.增強(qiáng)光放大作用（延長(zhǎng)了工作物質(zhì)）；3.使激光具有極好的單色性（選頻）。對(duì)于可能有多種躍遷的情況，可以利用閾值條件來(lái)選出一種躍遷。選頻之一：例如，若希望氦氖激光器只輸出波長(zhǎng)為0.6328m的激光，我們可以控制反射鏡的R1、R2，使反射鏡只對(duì)這種波長(zhǎng)反射率高，易滿足閾值條件。而另兩個(gè)波長(zhǎng)的光(紅外)不能放大。34光學(xué)諧振腔的作用：1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；78例如，氦氖激光器，設(shè)Ne原子的0.6328m受激輻射光的譜線寬度為,如圖