光的基礎(chǔ)知識(shí)

光的基礎(chǔ)知識(shí)第一頁，共二十四頁，2022年，8月28日§1光的基礎(chǔ)知識(shí)激光的基本原理第二頁，共二十四頁，2022年，8月28日2、光速、頻率和波長(zhǎng)三者的關(guān)系(1)波長(zhǎng):振動(dòng)狀態(tài)在經(jīng)歷一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)向前傳播的距離。1.1.1光波第三頁，共二十四頁，2022年，8月28日§2光的吸收和發(fā)射第四頁，共二十四頁，2022年，8月28日微觀粒子能量的量子化－能級(jí)微觀粒子只能處于一系列本征狀態(tài)每一狀態(tài)具有分立的能量值－－能級(jí)能級(jí)簡(jiǎn)并：粒子有多種狀態(tài)具有同樣的能量能級(jí)簡(jiǎn)并度：具有同樣的能量粒子狀態(tài)數(shù)目Egroundstateexcitedstate第五頁，共二十四頁，2022年，8月28日粒子的能量

玻耳茲曼分布為動(dòng)態(tài)分布----玻耳茲曼分布第六頁，共二十四頁，2022年，8月28日若f2

＝f

1，則兩能級(jí)上的原子數(shù)目之比

數(shù)量級(jí)估計(jì)：T

～300K；kT～1.38×10-20J～0.026eV;E

2-E1～1eV；～λ＝1.2μmE

2-E1～0.1eV；～λ＝12μm第七頁，共二十四頁，2022年，8月28日光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用第八頁，共二十四頁，2022年，8月28日自發(fā)躍遷和自發(fā)輻射發(fā)光前發(fā)光后自發(fā)躍遷:微觀粒子自發(fā)地從一個(gè)狀態(tài)到另一狀態(tài)的過程躍遷:微觀粒子從一個(gè)狀態(tài)到另一狀態(tài)的過程自發(fā)輻射:微觀粒子以發(fā)光的形式發(fā)生自發(fā)躍遷第九頁，共二十四頁，2022年，8月28日自發(fā)躍遷幾率自發(fā)躍遷幾率自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)自發(fā)躍遷壽命n1n2如果某激發(fā)態(tài)能級(jí)的壽命相對(duì)其它能級(jí)長(zhǎng)得多，則稱此能級(jí)為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)

第十頁，共二十四頁，2022年，8月28日第十一頁，共二十四頁，2022年，8月28日第十二頁，共二十四頁，2022年，8月28日自發(fā)輻射發(fā)光：

各原子自發(fā)輻射發(fā)出的光彼此獨(dú)立頻率、偏振、相位等不一定相同——為非相干光。第十三頁，共二十四頁，2022年，8月28日受激躍遷和受激輻射發(fā)光前發(fā)光后第十四頁，共二十四頁，2022年，8月28日受激輻射發(fā)光：產(chǎn)生的光子與外來光子具有相同的特征：頻率、相位、振動(dòng)方向均相同，即屬于同一模式或光子態(tài)，受激輻射光為相干光1248強(qiáng)相干光即激光激勵(lì)(泵浦或抽運(yùn))第十五頁，共二十四頁，2022年，8月28日吸收前吸收后受激吸收第十六頁，共二十四頁，2022年，8月28日受激輻射和受激吸收幾率受激輻射躍遷幾率n1n2受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)受激吸收躍遷幾率受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)第十七頁，共二十四頁，2022年，8月28日當(dāng)光與原子相互作用時(shí)，總是同時(shí)存在這三種過程光場(chǎng)能量粒子能量自發(fā)輻射受激輻射受激吸收可能達(dá)到平衡也可能達(dá)不到平衡第十八頁，共二十四頁，2022年，8月28日黑體熱輻射1.絕對(duì)黑體又稱黑體：某一物體能夠完全吸收任何波長(zhǎng)的電磁輻射。自然界中絕對(duì)黑體是不存在的

2.空腔輻射體是一個(gè)比較理想的絕對(duì)黑體

3.

平衡的黑體熱輻射：輻射過程中始終保持溫度T不變第十九頁，共二十四頁，2022年，8月28日在量子假設(shè)的基礎(chǔ)上，由處理大量光子的量子統(tǒng)計(jì)理論得到真空中與溫度T及頻率的關(guān)系，即為普朗克黑體輻射的單色輻射能量密度公式式中k為波爾茲曼常數(shù)。4.輻射能量密度公式單色輻射能量密度：輻射場(chǎng)中單位體積內(nèi)，頻率在附近的單位頻率間隔中的輻射能量黑體熱輻射總輻射能量密度

:第二十頁，共二十四頁，2022年，8月28日A21

、B21

、B12稱為愛因斯坦系數(shù)。愛因斯坦在1９１７年從理論上得出愛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)。沒有實(shí)驗(yàn)家,理論家就會(huì)迷失方向。沒有理論家,實(shí)驗(yàn)家就會(huì)遲疑不決。B21=B12第二十一頁，共二十四頁，2022年，8月28日主要知識(shí)點(diǎn)回顧光的電磁描述：本征模式，波矢，頻率模式簡(jiǎn)并，模式簡(jiǎn)并度能量密度，光強(qiáng)光的電磁描述和量子描述的關(guān)系光場(chǎng)相干性的光子描述：能量密度，相干光強(qiáng)量子描述：波粒二象性，光子態(tài)，光子簡(jiǎn)并度第二十二頁，共二十四頁，2022年，8月28日主要知識(shí)點(diǎn)回顧能級(jí)，能級(jí)簡(jiǎn)并，能級(jí)簡(jiǎn)并度自發(fā)輻射：自發(fā)輻射幾率，自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)能級(jí)壽命自發(fā)輻射光的特點(diǎn)受激發(fā)射和受激吸收：受激吸收和受激發(fā)射幾率，受激吸收和發(fā)射愛因斯坦系數(shù)