光的量子性和激光基礎(chǔ)

光的量子性和激光基礎(chǔ)1第一頁(yè)，共十一頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)光的量子性一、光電效應(yīng)與愛(ài)因斯坦光子學(xué)說(shuō)

1、光電效應(yīng)規(guī)律（如圖16－1所示）（1）對(duì)某一光電陰極材料而言，在入射光頻率不變的條件下，飽和電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比。（2）光電子的能量與入射光的強(qiáng)哭無(wú)關(guān)，而只與入射光的頻率有關(guān)，頻率越高，光電子的能量越大。（3）入射光有一截止頻率，在這個(gè)極限頻率以下，不論入射光多強(qiáng)，照射時(shí)間多長(zhǎng)，都沒(méi)有光電子發(fā)射。這一截止頻率稱為光電效應(yīng)的紅限。不同的金屬具有不同的紅限。（4）即使光的強(qiáng)度非常弱，只要照射光的頻率大于某一極限值，在開(kāi)始照射后就有光電子產(chǎn)生，不存在一個(gè)可測(cè)的弛豫時(shí)間。2、愛(ài)因斯坦光子學(xué)說(shuō)2第二頁(yè)，共十一頁(yè)，2022年，8月28日二、光的波粒二象性

光既表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性，又表現(xiàn)出勿容置疑的粒子性，這就是光的波粒二象性。3第三頁(yè)，共十一頁(yè)，2022年，8月28日

三、光發(fā)射與吸收的量子模型及激發(fā)方式

1、光發(fā)射與吸收的量子模型2、激發(fā)方式（加熱、輻射激發(fā)、碰撞激發(fā)）4第四頁(yè)，共十一頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)光的自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射和受激吸收一、光的自發(fā)發(fā)射處在高能級(jí)上的原子，都具有向往穩(wěn)定而自發(fā)地回到地能級(jí)狀態(tài)的特性。當(dāng)它們紛紛回襖低能級(jí)時(shí)，它們就以光的形式釋放出能量來(lái)。這就是原子的自發(fā)發(fā)射。由于每個(gè)原子的躍遷都是自發(fā)和獨(dú)立進(jìn)行的，因此它們輻射出的光波方向和相位都不一致。對(duì)于二能級(jí)系統(tǒng)中的原子躍遷來(lái)說(shuō)，它們發(fā)射出的光波列的頻率是相同的，但相位卻是不相關(guān)的，波列的偏振方向和傳播方向也是隨機(jī)分布的。因此原子自發(fā)發(fā)射出來(lái)的光波，在物理上稱之為非相干的自然光。自發(fā)發(fā)射幾率與激發(fā)態(tài)壽命成反比。5第五頁(yè)，共十一頁(yè)，2022年，8月28日二、光的受激發(fā)射光子作用于高能級(jí)的原子上時(shí)會(huì)產(chǎn)生受激發(fā)射。若輸入一個(gè)光子，則輸出兩個(gè)光子。在受激發(fā)射的過(guò)程中，光子數(shù)獲得了放大。受激發(fā)射的光子與入射光子頻率相同、相位相同，偏振方向和傳播方向也相同，二者是完全相干的。受激發(fā)射幾率與自發(fā)發(fā)射幾率不同，前者與入射光強(qiáng)有關(guān)，后者是一個(gè)常數(shù)。三、受激吸收低能態(tài)的原子吸收光子的能量才能被抽運(yùn)到高能態(tài)上；原子對(duì)光能量的吸收是有選擇性的。受激吸收幾率是一個(gè)與入射光強(qiáng)有關(guān)的參數(shù)。受激吸收與受激發(fā)射并非簡(jiǎn)單的逆過(guò)程。受激吸收是靠消耗外來(lái)光子能量來(lái)完成泵浦過(guò)程，即把低能級(jí)上的原子抽運(yùn)到高能級(jí)上去。而受激發(fā)射則是靠高能級(jí)的原子發(fā)射光子來(lái)完成光放大過(guò)程。

四、愛(ài)因斯坦系數(shù)關(guān)系式6第六頁(yè)，共十一頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)激光的基本原理一、光在激活介質(zhì)中的放大泵浦粒子數(shù)反轉(zhuǎn)自發(fā)輻射受激輻射激光器組成7第七頁(yè)，共十一頁(yè)，2022年，8月28日二、光學(xué)諧振腔的作用

1、諧振腔的作用及激光振蕩閾值條件

2、激光縱膜圖16－6激光器中的振蕩頻率8第八頁(yè)，共十一頁(yè)，2022年，8月28日第四節(jié)激光器的類型一、激光器的類型目前，常用的激光器按照增益介質(zhì)的種類可分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器、液體激光器四類。而按激光器的工作方式不同又可分為連續(xù)激光器與脈沖激光器。

1、氣體激光器氣體激光器一般采用電激發(fā)，其效率高、壽命長(zhǎng)，長(zhǎng)使用在連續(xù)方式。由于氣體介質(zhì)的均勻性好，易得到頻率穩(wěn)定的單模輸出，激光相干性好，常用于精密測(cè)量，全息照相等。9第九頁(yè)，共十一頁(yè)，2022年，8月28日2、固體激光器固體激光器一般采用光激勵(lì)，其能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)多，故而效率低。光的激勵(lì)能量大部分轉(zhuǎn)換成為熱能。固體激光器的增益介質(zhì)一般比氣體激光器短得多，但由于晶體缺陷和溫度引起的光學(xué)不均勻性，不易獲得單模而傾向于多模輸出，故它所發(fā)光的相干性比氣體激光器要差。3、液體激光器液體激光器可以工作在連續(xù)或脈沖方式，它的一個(gè)主要特點(diǎn)是可以在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)調(diào)諧。目前在光譜學(xué)中得到應(yīng)用。4、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器在所有激光器中是最小巧的，它機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，便于直接調(diào)制，目前，它在光通信、光電測(cè)距及光信息存儲(chǔ)與處理方面有著重要而廣泛的應(yīng)用。10第十頁(yè)，共十一頁(yè)，2022年，8月28日第六節(jié)光子學(xué)（Photonics）簡(jiǎn)介一、光子學(xué)的概念與范疇

1970年，荷蘭科學(xué)家Poldervaart:“光子學(xué)是研究以光子作為信息載體的科學(xué)”。

1980年，我國(guó)科學(xué)家錢(qián)學(xué)森:“光子學(xué)是研究光子的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化的科學(xué)”。廣義地說(shuō)