第二章-激光的物理學基礎21課件

第二章激光的物理基礎2.1光的波粒二象性一、人類認識光的本質的過程1、戰(zhàn)國初期墨子的著作《墨經》中記載了豐富的幾何光學知識

。并記錄了世界上最早的“小孔成像”實驗?！靶】壮上瘛睂嶒?，對光的直線傳播作了科學解釋，并用此原理解釋了物體和投影的關系。墨子《墨經》2、古希臘數(shù)學家歐幾里德（公元前330-275）在《光學》里總結了關于光現(xiàn)象的知識。并知道，光線是直線，入射角和反射角相等。歐幾里德3、古希臘天文學家、地理學家和光學家托勒密，約90－168）最早做了光的折射實驗。托勒密4、英國科學家羅吉爾·培根（1214-1292）通過實驗研究了凸透鏡的放大效果以及光的反向和折射規(guī)律，證明了虹是太陽光照射空氣中的水珠而形成的自然現(xiàn)象。羅吉爾·培根5、意大利著名美術家、科學家達·芬奇(1452-1519)描述了光的反射，眼睛判斷距離及光產生陰影。達·芬奇6、德國天文學家和數(shù)學家開普勒（1571-1630）對光的折射現(xiàn)象進行了深入的研究，并出版了《折射光學》一書。開普勒7、荷蘭數(shù)學家斯涅耳（1591-1626）1621年發(fā)現(xiàn)了光的折射定律，也稱斯涅耳定律，卻未正式公布。斯涅耳即光的入射角與折射角的正弦之比為常數(shù)8、法國數(shù)學家、物理學家、哲學家笛卡兒(1596-1650)

1637年提出了著名的折射定律并從理論上進行了推導。笛卡兒9、1655年，意大利數(shù)學家格里馬第（1618-1663）提出最早的光波動說。他認為，物體顏色的不同是因為照射在物體上的光波頻率不同引起的。格里馬第10、格里馬第的實驗引起了英國物理學家胡克（1635-1703）的興趣。他重復了格里馬第的工作，提出了“光是以太的一種縱向波”假說。胡克11、英國物理學家、數(shù)學家和天文學家牛頓

(1642-1727)

1666年用三棱鏡進行了著名的色散試驗，提出了光的“微粒說”牛頓12、荷蘭物理學家、天文學家、數(shù)學家惠更斯（1629-1695）提出了光波面在媒體中傳播的惠更斯原理，打破了當時流行的光的微粒學說?；莞筆K牛頓的“微粒說”惠更斯的“波動說”13、英國物理學家托馬斯·楊（1773-1829）對牛頓的光學理論產生了懷疑。在1800年的論文《關于光和聲的實驗和問題》中指出光是以縱波形式傳播的，光的不同顏色和聲的不同頻率相似。1801年，楊氏進行了著名的楊氏雙縫干涉實驗。證明了光是一種波，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。托馬斯·楊14、1808年，法國著名的天文學家和數(shù)學家拉普拉斯（1749-1827）用微粒說分析了光的雙折射線現(xiàn)象，批駁了楊氏的波動說。拉普拉斯15、1809年，法國物理學家及軍事工程師馬呂斯（1775-1812）發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象。成為了反對波動說的有利證據(jù)。16、1811年，蘇格蘭物理學家布儒斯特（1781-1868）在研究光的偏振現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象的經驗定律。馬呂斯布儒斯特17、1817年，楊氏提出了光是橫波的假說，比較成功地解釋了光的偏振現(xiàn)象。橫波？

縱波？光托馬斯·楊18、法國科學家阿拉果(1786-1853)。發(fā)現(xiàn)了旋光現(xiàn)象。阿拉果19、法國物理學家菲涅耳（1788－1827）以楊氏理論為基礎，1819年成功完成了兩平面鏡產生的相干光源干涉實驗，再次證明了光的波動說。與阿拉果一道建立了光波的橫向傳播理論。菲涅耳20、1814年，德國天文學家夫瑯和費（1787－1826）在重復做牛頓分解太陽光的實驗時，意外地發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中的一些重要現(xiàn)象。1821年夫瑯和費在波動學說的基礎上導出了從衍射圖形求波長的關系式。夫瑯和費21、英國物理學家麥克斯韋（1831－1879）建立了電磁學，并將光和電磁現(xiàn)象統(tǒng)一起來，麥克斯韋22、1887年，德國科學家赫茲（1857-1894）實驗證實了電磁波的存在。同時也證實光電效應，后來成了愛因斯坦建立光量子理論的基礎。赫茲23、德國物理學家普朗克（1858-1947）1900年創(chuàng)立了量子假說。又提出了電磁波這種形式的能量輻射，認識到電磁波是某種粒子，既光量子。稱之為“光子”。普朗克24、德國科學家愛因斯坦（1879-1955）愛因斯坦1905年創(chuàng)立了狹義相對論，揭示了時間和空間的本質聯(lián)系，提出了光量子論，解釋了光電現(xiàn)象，揭示了微觀客體的波粒二重性。愛因斯坦1916年美國物理學家密立根(1868-1953)發(fā)表了光電效應實驗結果，驗證了愛因斯坦的光量子說。美國物理學家康普頓（1892-1962）1921年在實驗中證明了X射線的粒子性。進一步證實了愛因斯坦的光子理論，揭示出光的二象性。密立根康普頓二、光的本質2、光速、頻率和波長三者的關系(1)波長:振動狀態(tài)在經歷一個周期的時間內向前傳播的距離。(3)頻率和周期：光矢量每秒鐘振動的次數(shù)(4)三者的關系：各種介質中傳播時，保持其原有頻率不變，而速度各不相同(2)光速在真空中3、單色平面波(1)平面波(2)單色平面波：具有單一頻率的平面波。波陣面或同相面：光波位相相同的空間各點所連成的面。平面波：波陣面是平面。準單色波:實際上不存在完全單色的光波，總有一定的頻率寬度，如果稱為準單色波。理想的單色平面波（簡諧波）兩式統(tǒng)一寫為：其中，U為場矢量大小，代表或的大小，U0為場矢量的振幅。設真空中電磁波的電矢量在坐標原點沿x方向作簡諧振動，磁矢量在y方向作簡諧振動，頻率均為，且t=0時兩者的初位相均為零。則、的振動方程分別為:(2)單色平面波：具有單一頻率的平面波波場中z軸上任一點P的振動方程，設光波以速度c向z方向傳播電磁波的傳播分析：(a)z一定時，則U代表場矢量在該點作時間上的周期振動.(b)t一定時，則U代表場矢量隨位置的不同作空間的周期變化.(c)z、t同時變化時，則U代表一個行波方程，代表兩個不同時刻空間各點的振動狀態(tài)。從下式可看出，光波具有時間周期性和空間周期性。時間周期為T，空間周期為；時間頻率為1/T，空間頻率為1/簡諧波是具有單一頻率的單色波，但通常原子發(fā)光的時間約為10－8s，形成的波列長度約等于3m，因此它的波列長度有限即必然有一定的頻率寬度。(3)平面波的復數(shù)表示法光強線偏振的單色平面波的復數(shù)表示：光強：光強與光矢量大小的平方成正比，即或復振幅:模量代表振幅在空間的分布，輻角(-kz)代表位相在空間的分布我們一般取：(4)球面波及其復數(shù)表示法球面簡諧波方程：球面波的復數(shù)表示法：在真空中一個光子的能量為，動量為，則它們與光波頻率，波長之間的關系為：式中h是普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J?S。4光子三、原子的能級和輻射躍遷1、原子的能級（1）原子是由原子核和繞原子核旋轉的核外電子組成。近代物理的大量試驗證明，原子只能在一定的量子態(tài)中運動。硅原子的能級圖以硅原子為例，原子中共有14個電子繞著帶正電荷的原子荷旋轉，14個電子運行的軌道是有區(qū)別的，各代表不同的量子態(tài)。（2)量子態(tài)的根本特點:量子態(tài)能量只能取某些特定值.量子態(tài):電子在原子核中的微觀運動狀態(tài).原子中電子的狀態(tài)由下列四個量子數(shù)來確定：主量子數(shù)，輔量子數(shù),

磁量子數(shù),自旋量子數(shù).電子具有的量子數(shù)不同，表示有不同的電子運動狀態(tài).電子軌道是量子化的，它必須滿足下列條件：

式中h是普朗克常數(shù)，電子軌道量子化條件當電子在每一個這樣的軌道上運動時，原子具有確定的能量，稱為原子的一個能級。電子的能級，依次用E0，E1，E2，…En表示.基態(tài)：原子處于最低的能級狀態(tài).激發(fā)態(tài)：能量高于基態(tài)的其它能級狀態(tài).簡并能級：能級有兩個或兩個以上的不同運動狀態(tài).簡并度：同一能級所對應的不同電子運動狀態(tài)的數(shù)目.(3).能級電子具有的量子數(shù)不同，表示有不同的電子運動狀態(tài)。同一個量子態(tài)不能有兩個電子，電子按量子態(tài)運動應遵循泡里不相容原理。原子能級示意圖E0基態(tài)E1E2En激發(fā)態(tài)2、原子的躍遷如果能級E1和能級E2間滿足輻射躍遷選擇定理，則原子中的電子可以通過和外界交換能量的方式發(fā)生量子躍遷，稱為能級躍遷。

12EEh-==ne3、玻爾茲曼分布原子體系在熱平衡時，各能級上的粒子數(shù)服從玻爾茲曼分布。設：原子體系的熱平衡溫度為T