第一章第一节光量子起源.ppt

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1、第一章第一节光量子起源现在学习的是第1页，共27页课程内容课程内容内容安排（64学时，4学分）I.1-4章激光原理部分(32学时)刘志军教授II.5-7章激光技术部分(32学时)余学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 开放光学谐振腔第三章 高斯光束及其特性第四章 光与物质相互作用及激光器的工作特性第五章 调Q技术第六章 锁模技术第七章 非线性光学现在学习的是第2页，共27页考核方式考核方式1、平时成绩考核：作业完成情况和课程设计报告。2、期末考试：闭卷。3、成绩比例：期末考试成绩：70%，平时成绩：30%（作业：20%，课程设计：10%）。期末考试成绩：70%作业：2

2、0%课程设计：10%现在学习的是第3页，共27页参考资料参考资料教材：1、自编2、参考书:量子电子学A.Yariv著激光原理 周炳琨等编（第五版）国防工业出版社现在学习的是第4页，共27页第一章第一章 激光基本原理激光基本原理Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation-Laser“通过受激辐射的光放大”激光镭射/雷射现在学习的是第5页，共27页日常生活中激光无处不在！激光-光信息与技术领域的科技前沿！激光笔CD可读机互联网激光手术激光切割激光武器现在学习的是第6页，共27页（物理（物理技术技术产业）产业）Towns建立第一台微

3、波激射器（建立第一台微波激射器（maser)1900Planck提出能量子假说提出能量子假说19051917Einstein提出受激辐射理论提出受激辐射理论19531958Towns,Shawlow开始研制激光器开始研制激光器1960Maiman制成第一台红宝石激光器制成第一台红宝石激光器1961-65激光切割、激光钻孔激光切割、激光钻孔.1968-69月球上设置激光反射器；地面与卫星联系月球上设置激光反射器；地面与卫星联系1982激光全息术激光全息术80年代年代激光外科手术，通讯、光盘、激光武器激光外科手术，通讯、光盘、激光武器.Einstein提出光量子理论提出光量子理论Maxwell 建

4、立光的电磁理论建立光的电磁理论18601913Borr 提出量子化原子模型提出量子化原子模型激光光谱，用于大气污染分析；半导体激光器，激光光谱，用于大气污染分析；半导体激光器，用于激光通讯；用于激光通讯；激光器，用于激光熔炼、激光器，用于激光熔炼、1923Compton散射实验散射实验激光的发明历史现在学习的是第7页，共27页1.1 光量子起源1900年，年，Planck针对针对黑体辐射实验黑体辐射实验提出能量子假说提出能量子假说1905年，年，Einstein针对针对光电效应实验光电效应实验提出光量子理论提出光量子理论1923年，年，Compton散射实验散射实验19世纪末物理学三大著名实验

5、，催生了光量子和量世纪末物理学三大著名实验，催生了光量子和量子力学的诞生子力学的诞生!现在学习的是第8页，共27页黑体：能吸收射到其上的全部辐射的物体，这种物体就称为绝对黑体，简称黑体。黑体辐射：由这样的空腔小孔发出的辐射就称为黑体辐射。1.1.1 黑体辐射与Planck的量子论辐射热平衡状态:处于某一温度 T 下的腔壁，单位面积所发射出的辐射能量和它所吸收的辐射能量相等时，辐射达到热平衡状态。实验发现：热平衡时，空腔辐射的能量密度，对辐射的波长的分布曲线，其形状和位置只与黑体的绝对温度 T 有关而与黑体的形状和材料无关。现在学习的是第9页，共27页黑体辐射的理论描述低频与实验有明显偏离!1.

6、维恩（Wein）公式 表示在单位频率范围内黑体辐射的能量密度。现在学习的是第10页，共27页2.瑞丽-金斯公式（Rayleigh-Jeans）高频发散，即“紫外灾难”!黑体辐射的理论描述现在学习的是第11页，共27页3.Planck公式 普朗克认为：金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量时，不是过去经典物理认为的那样可以连续的吸收或发射能量，而是以与振子的频率成正比的能量子 为单元来吸收或发射能量.空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为 普朗克常量 黑体辐射的理论描述现在学习的是第12页，共27页Planck公式:全波段与观测极为符合!黑体辐射的理论描述现在学习的是

7、第13页，共27页Planck的量子论：物体吸收或发射电磁辐射，只能以“量子”(Quantum)的方式进行，每个“量子”的能量为 。对 Planck 辐射定律的讨论：(1)当 很大（短波）时，因为 exp(h/kT)-1 exp(h/kT)，于是Planck 定律 化为 Wien 公式。(2)当 很小（长波）时，因为 exp(h/kT)-1 1+(h/kT)-1=(h/kT)，则Planck定律变为 Rayleigh-Jeans 公式。(3)Planck假定原子的性能和谐振子一样，以给定的频率 v 振荡；黑体只能以h为单位吸收或发射辐射能量，h称为Planck常数,则可以从理论上导出Plank

8、公式。现在学习的是第14页，共27页1.1.2 光电效应一 光电效应的实验规律（1）实验装置电流表电压表高压直流电源金属光电阴极阳极电位器光电效应：光照射到金属上，有电子从金属上逸出的现象。这种电子称之为光电子。现在学习的是第15页，共27页（2）实验现象 电流饱和值（光强）遏止电压 ：电子从金属内部逸出时的最大动能单位时间逸出的电子数与光强成正比电子从金属内部逸出时的最大动能与频率成正比 截止频率（红限）仅当 才发生光电效应，截止频率与材料有关与光强无关.瞬时性当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出现在学习的是第16页，共27页现在学习的是第17页，共27页 按经典理论，电子逸出金属

9、所需的能量，需要有一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属表面为止,与实验结果不符.经典理论遇到的困难 红限问题 瞬时性问题按经典理论，光波能量只与光强和振幅有关，与频率无关，不能解释红限频率。现在学习的是第18页，共27页爱因斯坦的光量子论（1）“光量子”假设光子的能量为（2）解释实验爱因斯坦光电方程 逸出功与材料有关 对同一种金属，一定，与光强无关光强为光电子的最大初光电子的最大初动能动能现在学习的是第19页，共27页爱因斯坦方程 光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电 子数目越多，光电流越大.（时）光子射至金属表面，一个光子携带的能量 将一 次性被一个电子吸收，若 ，电子立即

10、逸出，无需时间积累（瞬时性）.现在学习的是第20页，共27页光电效应的应用光电效应的应用光电效应的应用 1）光电管：）光电管：光电信号转换光电信号转换 2）光电二极管：）光电二极管：固态光电探测器固态光电探测器 3）光电倍增管：）光电倍增管：由由10-15个倍增阴极组成，增大光电个倍增阴极组成，增大光电 流流104-105 倍，倍，探测探测弱光。弱光。4）光电成像器件：（光电导摄象管）将辐射图象转换成为可）光电成像器件：（光电导摄象管）将辐射图象转换成为可 观测、记录、传输、存储和进行处理的图象。广观测、记录、传输、存储和进行处理的图象。广泛应用于天文学、空间科学、泛应用于天文学、空间科学、X

11、射线放射学、高速摄影等。射线放射学、高速摄影等。5）光敏电阻：）光敏电阻：用光照改变半导体的导电性能制成。用光照改变半导体的导电性能制成。现在学习的是第21页，共27页1.1.3 康普顿散射1）实验装置X射线与电子的碰撞实验1923年，A.H.Compton、吴有训吴有训 Univ.of Chicago 现在学习的是第22页，共27页2）实验规律(2)波长改变量（0）随散射角增加而增加，原波长0强度随散射角增加而减小，新波长强度随散射角增加而增大.(1)除原波长0外，出现新的波长0(3)不同元素散射物质，在同一角度下,（0）与散射物质无关，原波长0谱线的强度随散射物质原子序数的增加而增加，波长

12、谱线的强度随散射物质原子序数的增加而减小.现在学习的是第23页，共27页经典理论遇到的困难按经典理论是按经典理论是X射线的电场迫使散射物中的电子作受迫振动，射线的电场迫使散射物中的电子作受迫振动，而向周围辐射同频率的电磁波的过程。而向周围辐射同频率的电磁波的过程。散射线的频率等于入射线频率散射线的频率等于入射线频率驱动力：驱动力：振动方程：振动方程：稳定状态的受迫振动是一个与简谐驱动力同频稳定状态的受迫振动是一个与简谐驱动力同频率的简谐振动。率的简谐振动。经典理论遇到的困难经典理论遇到的困难现在学习的是第24页，共27页光子动量:能量守恒：动量守恒：用爱因斯坦量子理论解释康普顿散射 光子与静止

13、电子的弹性碰撞光子与静止电子的弹性碰撞碰撞前碰撞后（1）（2）现在学习的是第25页，共27页由（1）和（2）得 康普顿波长（0）与散射物质无关,随散射角增加而增加，完美解释实验！若若 ,则则 ，可见光观察，可见光观察不不到康普顿效应到康普顿效应.现在学习的是第26页，共27页光的波粒二象性：光的波粒二象性：光的本质认识光的本质认识黑体辐射、光电效应：黑体辐射、光电效应：光能量与频率的关系光能量与频率的关系康普顿散射：康普顿散射：光动量与波长的关系光动量与波长的关系描述光的粒子性描述光的粒子性微观能量交换微观能量交换描述光的波动性描述光的波动性宏观干涉、衍射宏观干涉、衍射现在学习的是第27页，共27页