第一章 第一節(jié) 光量子起源

課程內(nèi)容內(nèi)容安排（64學(xué)時(shí)，4學(xué)分）I.1-4章激光原理部分(32學(xué)時(shí))劉志軍教授II.5-7章激光技術(shù)部分(32學(xué)時(shí))余學(xué)才教授掌握激光的工作原理和基本特性第一章激光基本原理第二章開放光學(xué)諧振腔第三章高斯光束及其特性第四章光與物質(zhì)相互作用及激光器的工作特性第五章調(diào)Q技術(shù)第六章鎖模技術(shù)第七章非線性光學(xué)當(dāng)前第1頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)考核方式1、平時(shí)成績考核：作業(yè)完成情況和課程設(shè)計(jì)報(bào)告。2、期末考試：閉卷。3、成績比例：期末考試成績：70%，平時(shí)成績：30%（作業(yè)：

20%，課程設(shè)計(jì)：10%）。期末考試成績：70%作業(yè)：20%課程設(shè)計(jì)：10%當(dāng)前第2頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)參考資料教材：1、自編2、參考書:《量子電子學(xué)》A.Yariv著《激光原理》周炳琨等編（第五版）國防工業(yè)出版社當(dāng)前第3頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)第一章激光基本原理LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation------Laser“通過受激輻射的光放大”激光鐳射/雷射當(dāng)前第4頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)日常生活中激光無處不在！激光-----光信息與技術(shù)領(lǐng)域的科技前沿！激光筆CD可讀機(jī)互聯(lián)網(wǎng)激光手術(shù)激光切割激光武器當(dāng)前第5頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)（物理—技術(shù)—產(chǎn)業(yè)）Towns建立第一臺(tái)微波激射器（maser)1900Planck提出能量子假說19051917Einstein提出受激輻射理論19531958Towns,Shawlow開始研制激光器1960Maiman制成第一臺(tái)紅寶石激光器1961-65激光切割、激光鉆孔...1968-69月球上設(shè)置激光反射器；地面與衛(wèi)星聯(lián)系1982激光全息術(shù)80年代－激光外科手術(shù)，通訊、光盤、激光武器...Einstein提出光量子理論Maxwell建立光的電磁理論18601913Borr提出量子化原子模型激光光譜，用于大氣污染分析；半導(dǎo)體激光器，用于激光通訊；激光器，用于激光熔煉、1923Compton散射實(shí)驗(yàn)激光的發(fā)明歷史當(dāng)前第6頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)§1.1光量子起源1900年，Planck針對(duì)黑體輻射實(shí)驗(yàn)提出能量子假說1905年，Einstein針對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)提出光量子理論1923年，Compton散射實(shí)驗(yàn)19世紀(jì)末物理學(xué)三大著名實(shí)驗(yàn)，催生了光量子和量子力學(xué)的誕生!當(dāng)前第7頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)黑體：能吸收射到其上的全部輻射的物體，這種物體就稱為絕對(duì)黑體，簡稱黑體。黑體輻射：由這樣的空腔小孔發(fā)出的輻射就稱為黑體輻射?！?.1.1黑體輻射與Planck的量子論輻射熱平衡狀態(tài):處于某一溫度T下的腔壁，單位面積所發(fā)射出的輻射能量和它所吸收的輻射能量相等時(shí)，輻射達(dá)到熱平衡狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：熱平衡時(shí)，空腔輻射的能量密度，對(duì)輻射的波長的分布曲線，其形狀和位置只與黑體的絕對(duì)溫度T

有關(guān)而與黑體的形狀和材料無關(guān)。當(dāng)前第8頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)黑體輻射的理論描述低頻與實(shí)驗(yàn)有明顯偏離!1.維恩（Wein）公式

表示在單位頻率范圍內(nèi)黑體輻射的能量密度。當(dāng)前第9頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)2.瑞麗-金斯公式（Rayleigh-Jeans）高頻發(fā)散，即“紫外災(zāi)難”!黑體輻射的理論描述當(dāng)前第10頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)3.Planck公式普朗克認(rèn)為：金屬空腔壁中電子的振動(dòng)可視為一維諧振子，它吸收或者發(fā)射電磁輻射能量時(shí)，不是過去經(jīng)典物理認(rèn)為的那樣可以連續(xù)的吸收或發(fā)射能量，而是以與振子的頻率成正比的能量子為單元來吸收或發(fā)射能量.空腔壁上的帶電諧振子吸收或發(fā)射能量應(yīng)為普朗克常量黑體輻射的理論描述當(dāng)前第11頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)Planck公式:全波段與觀測(cè)極為符合!黑體輻射的理論描述當(dāng)前第12頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)Planck的量子論：物體吸收或發(fā)射電磁輻射，只能以“量子”(Quantum)的方式進(jìn)行，每個(gè)“量子”的能量為。對(duì)Planck輻射定律的討論：(1)當(dāng)ν很大（短波）時(shí)，因?yàn)?/p>

exp(hν/kT)-1≈exp(hν/kT)，于是Planck定律化為Wien公式。(2)當(dāng)ν很小（長波）時(shí)，因?yàn)閑xp(hν/kT)-1≈1+(hν/kT)-1=(hν/kT)，則Planck定律變?yōu)镽ayleigh-Jeans公式。(3)Planck假定原子的性能和諧振子一樣，以給定的頻率

v

振蕩；黑體只能以hυ為單位吸收或發(fā)射輻射能量，

h稱為Planck常數(shù),則可以從理論上導(dǎo)出Plank公式。當(dāng)前第13頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)§1.1.2光電效應(yīng)一光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律（1）實(shí)驗(yàn)裝置電流表電壓表高壓直流電源金屬光電陰極陽極電位器光電效應(yīng)：光照射到金屬上，有電子從金屬上逸出的現(xiàn)象。這種電子稱之為光電子。當(dāng)前第14頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)（2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象電流飽和值（光強(qiáng)）遏止電壓：電子從金屬內(nèi)部逸出時(shí)的最大動(dòng)能單位時(shí)間逸出的電子數(shù)與光強(qiáng)成正比電子從金屬內(nèi)部逸出時(shí)的最大動(dòng)能與頻率成正比截止頻率（紅限）僅當(dāng)才發(fā)生光電效應(yīng)，截止頻率與材料有關(guān)與光強(qiáng)無關(guān).

瞬時(shí)性當(dāng)光照射到金屬表面上時(shí)，幾乎立即就有光電子逸出當(dāng)前第15頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)當(dāng)前第16頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)按經(jīng)典理論，電子逸出金屬所需的能量，需要有一定的時(shí)間來積累，一直積累到足以使電子逸出金屬表面為止,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符.經(jīng)典理論遇到的困難紅限問題瞬時(shí)性問題按經(jīng)典理論，光波能量只與光強(qiáng)和振幅有關(guān)，與頻率無關(guān)，不能解釋紅限頻率。當(dāng)前第17頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)愛因斯坦的光量子論（1）“光量子”假設(shè)光子的能量為（2）解釋實(shí)驗(yàn)愛因斯坦光電方程逸出功與材料有關(guān)對(duì)同一種金屬，

一定，，與光強(qiáng)無關(guān)光強(qiáng)為光電子的最大初動(dòng)能當(dāng)前第18頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)愛因斯坦方程光強(qiáng)越大，光子數(shù)目越多，即單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生光電子數(shù)目越多，光電流越大.（時(shí)）光子射至金屬表面，一個(gè)光子攜帶的能量將一次性被一個(gè)電子吸收，若，電子立即逸出，無需時(shí)間積累（瞬時(shí)性）.當(dāng)前第19頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)光電效應(yīng)的應(yīng)用光電效應(yīng)的應(yīng)用1）光電管：光電信號(hào)轉(zhuǎn)換

2）光電二極管：固態(tài)光電探測(cè)器

3）光電倍增管：由10-15個(gè)倍增陰極組成，增大光電流104--105倍，探測(cè)弱光。4）光電成像器件：（光電導(dǎo)攝象管）將輻射圖象轉(zhuǎn)換成為可觀測(cè)、記錄、傳輸、存儲(chǔ)和進(jìn)行處理的圖象。廣泛應(yīng)用于天文學(xué)、空間科學(xué)、X射線放射學(xué)、高速攝影等。5）光敏電阻：用光照改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能制成。當(dāng)前第20頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)§1.1.3康普頓散射1）實(shí)驗(yàn)裝置X射線與電子的碰撞實(shí)驗(yàn)1923年，、吳有訓(xùn)Univ.ofChicago

當(dāng)前第21頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)2）實(shí)驗(yàn)規(guī)律(2)波長改變量（0）隨散射角增加而增加，原波長0強(qiáng)度隨散射角增加而減小，新波長強(qiáng)度隨散射角增加而增大.(1)

除原波長0外，出現(xiàn)新的波長>0(3)不同元素散射物質(zhì)，在同一角度下,（0）與散射物質(zhì)無關(guān)，原波長0譜線的強(qiáng)度隨散射物質(zhì)原子序數(shù)的增加而增加，波長譜線的強(qiáng)度隨散射物質(zhì)原子序數(shù)的增加而減小.當(dāng)前第22頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)經(jīng)典理論遇到的困難按經(jīng)典理論是X射線的電場(chǎng)迫使散射物中的電子作受迫振動(dòng)，而向周圍輻射同頻率的電磁波的過程。散射線的頻率等于入射線頻率驅(qū)動(dòng)力：振動(dòng)方程：穩(wěn)定狀態(tài)的受迫振動(dòng)是一個(gè)與簡諧驅(qū)動(dòng)力同頻率的簡諧振動(dòng)。經(jīng)典理論遇到的困難當(dāng)前第23頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)光子動(dòng)量:能量守恒：動(dòng)量守恒：用愛因斯坦量子理論解釋康普頓散射

光子與靜止電子的彈性碰撞碰撞前碰撞后（1）（2）當(dāng)前第24頁\共有26頁\編于星期五\7點(diǎn)由（1）和（2）得?——康普頓波長（0