第七章光与物质的相互作用激光优秀课件.ppt

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1、第七章光与物质的相互作用激光第1页，本讲稿共39页 只有当入射光频率只有当入射光频率 v 大于一定的频率大于一定的频率 v0 时时，才会产生光电效应。才会产生光电效应。0 称为该金属的称为该金属的截止频率截止频率，或或红红限频率限频率，8 V0=K C与入射光强无关与入射光强无关光电子的最大初动能为光电子的最大初动能为4.0 6.0 8.0 10.0(1014Hz)0.01.02.0Vc(V)CsNa Ca 截止电压截止电压 光电效应是瞬时发生的，光电效应是瞬时发生的，时间不超过时间不超过109 s。第2页，本讲稿共39页2.爱因斯坦的光子假说爱因斯坦的光子假说 对光电效应的解释对光电效应的解

2、释 经典物理学所遇到的困难：经典物理学所遇到的困难：光波的能量分布在波面上，阴极中电子积累能量克服光波的能量分布在波面上，阴极中电子积累能量克服逸出逸出功功需要一段时间，光电效应不能在瞬时发生。需要一段时间，光电效应不能在瞬时发生。普朗克的量子假定普朗克的量子假定 还不够还不够 ：它只涉及发射或吸收时振子能量不连续它只涉及发射或吸收时振子能量不连续,未涉及在空间未涉及在空间传播的辐射场的能量。传播的辐射场的能量。9按照光的经典电磁理论，光波的强度与频率无关，电按照光的经典电磁理论，光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与频率无关，子吸收的能量也与频率无关，不应存在截止频率！不应存在截止频率！电

3、磁辐射的能量在空间不是连续分布的，而是由电磁辐射的能量在空间不是连续分布的，而是由能量量子能量量子（光子）（光子）组成，每个光量子的能量为组成，每个光量子的能量为 爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设(1905)=h 第3页，本讲稿共39页 对光电效应的解释对光电效应的解释显然，当显然，当 h A 时，不发生光电效应时，不发生光电效应。红限频率红限频率(光电效应的光电效应的意义意义 )光量子具有光量子具有“整体性整体性”，在以光速运动时在以光速运动时“不瓦解不瓦解”，且只能整个地被吸收或发射。且只能整个地被吸收或发射。10A 是阴极材料的脱出功。是阴极材料的脱出功。电子吸收一个光子能量电子吸收

4、一个光子能量 h ，从阴极逸出而成为光电从阴极逸出而成为光电子，其最大动能为子，其最大动能为(A.Einstein,1921,Nobel Prize)第4页，本讲稿共39页 爱因斯坦在讲课爱因斯坦在讲课爱因斯坦爱因斯坦(1879 1955)德国人德国人 第5页，本讲稿共39页在在普普朗朗克克获获博博士士学学位位五五十十周周年年纪纪念念会会上上普普朗朗克克向向爱爱因因斯斯坦坦颁颁发发普朗克奖章普朗克奖章第6页，本讲稿共39页二二.光的波粒二象性光的波粒二象性 康普顿效应康普顿效应1.光的波粒二象性光的波粒二象性 光的性质光的性质-波粒二象性波粒二象性 在有些情况下，光突出显示波动性；在有些情况下

5、，光突出显示波动性；粒子不是经典粒子粒子不是经典粒子,波也不是经典的波。波也不是经典的波。基本关系式基本关系式粒子性：粒子性：能量能量 ，动量动量 p波动性：波动性：波长波长 ，频率频率 而在另一些情况下，则突出显示粒子性。而在另一些情况下，则突出显示粒子性。11(整体性整体性)(弥散性，可叠加性弥散性，可叠加性)第7页，本讲稿共39页2.康普顿效应康普顿效应康普顿康普顿 (Compton)研究研究 X 射线在石墨上的散射射线在石墨上的散射 实验规律：实验规律：电子的电子的 Compton波长波长准直系统准直系统入射光入射光 0 散射光散射光 探探测测器器石墨石墨散射体散射体 康普顿效应的特点

6、康普顿效应的特点12第8页，本讲稿共39页 康普顿的解释：康普顿的解释：X 射线光子与射线光子与“静止静止”的的“自由电子自由电子”弹性碰撞弹性碰撞 碰撞过程碰撞过程能量守恒，动量守恒能量守恒，动量守恒解得波长偏移为解得波长偏移为 康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义 康普顿效应验证了光的量子性康普顿效应验证了光的量子性 经典电磁理论的困难经典电磁理论的困难13 e(A.H.Compton,1927,Nobel Prize)第9页，本讲稿共39页 激光激光 (laser)，也音译为也音译为镭射镭射，它的它的意思是意思是“辐射的受激发射的光放大辐射的受激发射的光放大”(Light Ampli

7、fication by Stimulated Emission of Radiation)，或者说，或者说，“受激辐射的光放大受激辐射的光放大”。3 激光激光 1916，Einstein，关于关于受激辐射的理论。受激辐射的理论。4050年代，观测到年代，观测到受激辐射。受激辐射。1954，Townes 做成做成 微波激射器（微波激射器（maser）。）。1960，Maiman 做成第一台激光器（红宝石）。做成第一台激光器（红宝石）。1960，1962，连续工作的，连续工作的 He-Ne 气体激光器。气体激光器。14第10页，本讲稿共39页一般性质：一般性质：方向性极好方向性极好（发散角（发散角

8、10-4弧度）弧度）脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大（可达（可达10 14瓦瓦 以上）以上）H 空间相干性好，有的激光波面上空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。各个点都是相干光源。H 时间相干性好（时间相干性好（10-8埃），埃），相干长度可达几十公里。相干长度可达几十公里。相干性极好相干性极好 亮度极高亮度极高 特点特点 波长范围：极远紫外波长范围：极远紫外 可见光可见光 亚毫米亚毫米 (100 n m）（1.222 m m）（X 激光）激光）15第11页，本讲稿共39页 按工作方式分按工作方式分 连续式（功率可达连续式（功率可达104 W）脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达

9、1014 W）种类：种类：固体（如红宝石固体（如红宝石Al2O3）液体（如某些染料）液体（如某些染料）气体（如气体（如 He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAs）按工作物质分按工作物质分 一一.粒子数按能级的统计分布粒子数按能级的统计分布 原子的激发原子的激发 由大量原子组成的系统，在温度不太低的由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态，原子数目按能级的分布服从平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布：玻耳兹曼统计分布：16第12页，本讲稿共39页 若若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比，则两能级上的原子数目之比 数量级估计：数量级估计：T 103 K

10、；kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11 eV;17第13页，本讲稿共39页 要产生激光，必须使大量原子激发，在两能级间形成要产生激光，必须使大量原子激发，在两能级间形成 N2 N1,这称为这称为粒子数布居反转粒子数布居反转(population inversion)。原子激发的几种基本方式：原子激发的几种基本方式：1.气体放电激发；气体放电激发；2.原子间碰撞激发；原子间碰撞激发；3.光激发光激发(光泵浦光泵浦)。激光器中必须有激发装置激光器中必须有激发装置(能源能源)提供能量。提供能量。二二.自发辐射自发辐射 受激辐射受激辐射 和受激吸收和受激吸收1.自发辐射自发辐

11、射(spontaneous radiation)E2E1N2N1h 18第14页，本讲稿共39页 设设 N1、N2 为单位体积中处于为单位体积中处于 E1、E2 能级的原子数。能级的原子数。单位体积中单位时间内，从单位体积中单位时间内，从 E2 E1自发辐射的原子自发辐射的原子数数 21 自发辐射系数，自发辐射系数，一个原子在单位一个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。时间内发生自发辐射过程的概率。各原子各原子自发辐射自发辐射的光是互相独立的，的光是互相独立的，相位上随机的，或者说是互不相干的相位上随机的，或者说是互不相干的。19第15页，本讲稿共39页2受激辐射受激辐射(stimula

12、ted radiation)E2E1N2N1全同光子全同光子h 设设 u（、）代表温度为）代表温度为 时时,频率频率为为 =(E2-E1)/h 附近单位频率间隔的附近单位频率间隔的外来光的能量密度。外来光的能量密度。单位体积中单位时间内，从单位体积中单位时间内，从 E E受激辐射的原子数：受激辐射的原子数：20第16页，本讲稿共39页写成等式写成等式 B21 受激辐射系数受激辐射系数W21 一个原子在单位时间内发生一个原子在单位时间内发生 受激辐射过程的概率。受激辐射过程的概率。则则受激辐射受激辐射光与外来光的频率、相位、偏振方向及传光与外来光的频率、相位、偏振方向及传播方向均相同播方向均相同

13、-有光的放大作用。有光的放大作用。令令 W21 B21 u(、T)21第17页，本讲稿共39页3.吸收吸收(absorption)E2E1N2N1h 上述外耒光也有可能被吸上述外耒光也有可能被吸收，使原子从收，使原子从 E1E2 。单位体积中单位时间内因吸单位体积中单位时间内因吸收外来光而从收外来光而从 E1E2 的原子数：的原子数：写成等式写成等式 B12 吸收系数吸收系数令令 W12 12 u(、T)22第18页，本讲稿共39页A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。称为爱因斯坦系数。爱因斯坦在爱因斯坦在 1916 年从理论上得出年从理论上得出(下册下册 p.300,p.301)爱因

14、斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。奠定了理论基础。没有实验家没有实验家,理论家就会迷失方向。理论家就会迷失方向。没有理论家没有理论家,实验家就会迟疑不决。实验家就会迟疑不决。B21 =B12 W12 一个原子在一个原子在 单位时间内发生单位时间内发生 吸收过程的概率。吸收过程的概率。23第19页，本讲稿共39页三三.粒子数反转与光放大粒子数反转与光放大1.为什么需要粒子数反转为什么需要粒子数反转?从从E2 E1 自发辐射的光，可能引起自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。受激辐射过程，也可能引起吸收过程

15、。必须必须 N2 N1（粒子数反转）。粒子数反转）。因因 B21=B12 W21=W12要产生激光，必须要产生激光，必须 24第20页，本讲稿共39页2实现粒子数反转的实例实现粒子数反转的实例 例：例：He一一Ne 气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子数反转 He-Ne 激光器中，激光器中，He 是是辅助物质，辅助物质，Ne 是是激活物质，激活物质，He与与 Ne之比为之比为51 101 1。Ne 原子某些能级之间可形成原子某些能级之间可形成粒子数反转粒子数反转,其原因在其原因在于合适的能级结构。于合适的能级结构。25第21页，本讲稿共39页 电子碰撞电子碰撞碰撞转移碰撞转移 He,Ne原子

16、部原子部分能级图分能级图亚稳态亚稳态亚稳态亚稳态26第22页，本讲稿共39页He-Ne激光管中实现粒子数反转的原理：激光管中实现粒子数反转的原理：（要（要形成粒子数反转形成粒子数反转，除了增加上能级的粒子数外，还，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子数。）要设法减少下能级的粒子数。）Ne 的的 5S，4S 是是亚稳态亚稳态，寿命较长；但下能级，寿命较长；但下能级4 4P，3 3P(也也是激发态是激发态)的寿命很短。的寿命很短。假如假如设法使很多设法使很多Ne原子处于原子处于5S或或4S,就可能就可能在在5S4P，5S3P,4S3P 形成形成粒子数反转粒子数反转。放电管做得比较细放

17、电管做得比较细（毛细管）（毛细管），可使原子与管壁碰撞频繁。，可使原子与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，借助这种碰撞，3 3 S态的态的Ne原子可以将能量交给管壁发生原子可以将能量交给管壁发生“无辐射跃迁无辐射跃迁”而回到基态，及时减少而回到基态，及时减少3 3S态的态的Ne原子数，有利原子数，有利于激光下能级于激光下能级4 4P与与3 3P态的抽空。态的抽空。怎样将大量怎样将大量Ne原子激发到亚稳态原子激发到亚稳态5S和和4S呢呢？27第23页，本讲稿共39页 因因Ne的的 5 5S 和和 4 4S 与与 He的的 2 21 1S 和和 2 23 3S 的能量几乎相等，的能量几乎相等，当两种原子

18、相碰时很容易发生能量的当两种原子相碰时很容易发生能量的“共振转移共振转移”。在在碰撞中碰撞中 He 把能量传递给把能量传递给 Ne而回到基态，同时而回到基态，同时 Ne被激发到被激发到 5 5S 或或 4 4S。气体放电，用气体放电，用电子碰撞电子碰撞来激发原子。但是来激发原子。但是Ne 原子被激原子被激发的概率很小，而发的概率很小，而He被激发被激发(到到2 23 3S和和2 21 1S能级能级)的概率则的概率则大得大得多。多。He 的的2 23 3S，2 21 1S这两个能级都是这两个能级都是亚稳态亚稳态，很难回到基态；，很难回到基态；于是在于是在He 的这两个激发态上容易聚集较多的原子。

19、的这两个激发态上容易聚集较多的原子。Ne原子原子可以产生多条激光谱线可以产生多条激光谱线,图中标明了最强的三条图中标明了最强的三条:0.6328 ,1.15 m,3.39 。(它们都是从亚稳态到非亚稳、它们都是从亚稳态到非亚稳、非基态之非基态之 间发生的，间发生的，因此较易实现粒子数反转。因此较易实现粒子数反转。)28第24页，本讲稿共39页 四四.增益系数增益系数激光器内受激辐射光来回传播时，激光器内受激辐射光来回传播时，并存着并存着 增益增益 和和 损耗损耗。增益增益光的放大；光的放大；损耗损耗光的吸收、散射、衍射、透射（包括光的吸收、散射、衍射、透射（包括 一端的部分反射镜处必要的激光输

20、出）等。一端的部分反射镜处必要的激光输出）等。在激光形成阶段，增益损耗在激光形成阶段，增益损耗。在稳定工作阶段，增益损耗在稳定工作阶段，增益损耗。1激光在工作物质内传播时的净增益激光在工作物质内传播时的净增益 设设 x0处，光强为处，光强为 I029第25页，本讲稿共39页 即单位长度上光强增加的比例即单位长度上光强增加的比例(相对增长相对增长)。一般一般G不是常数。不是常数。为了简单，先近似认为为了简单，先近似认为G是常数是常数：x I x+dx I+d I 有有 d I Idx 写成等式：写成等式：d I =G I dx 定义：增益系数定义：增益系数 G (gain coefficient

21、)得得30第26页，本讲稿共39页 2.考虑激光在两端反射镜处的损耗考虑激光在两端反射镜处的损耗I0 输出输出全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜I1LI2R1、R2 左、右两端反射镜的左、右两端反射镜的反射率反射率.显然有显然有I 1=R 2 I 0 eGL=R 1 R 2 I 0 e2GLI 2=R 1 I 1 eGL 在激光形成阶段，要求在激光形成阶段，要求 I2 /I0 1 ，即即 R1 R2 e2GL 1或说或说 于是于是31第27页，本讲稿共39页式中式中Gm称为称为阈值增益阈值增益，即产生激光的最小增益。，即产生激光的最小增益。在激光稳定阶段：光强增大到一定程度后，在激光稳定阶段

22、：光强增大到一定程度后，有有 I2 /I0 =1 ，即即通常称为通常称为阈值条件。阈值条件。为什么光强不会无限放大下去？为什么光强不会无限放大下去？原因是实际的增益原因是实际的增益系数系数G不是常量。当不是常量。当 I 增大增大时，粒子数反转程度会减弱，时，粒子数反转程度会减弱，使使G降低降低（负反馈）（负反馈）。当。当增益系数增益系数G降到降到 GGm时，就时，就稳定下来。稳定下来。32第28页，本讲稿共39页五五.光学谐振腔光学谐振腔 纵模与横模纵模与横模(optical harmonic oscillator)(longitudinal mode and transverse mode)

23、激光器有两个反射镜，激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。它们构成一个光学谐振腔。激励能源激励能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光33第29页，本讲稿共39页光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用：1.使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线）；（沿轴线）；2.增强增强光放大光放大作用（延长了工作物质）；作用（延长了工作物质）；3.使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性（选频）。（选频）。对于可能有多种跃迁的情况，可对于可能有多种跃迁的情况，可以利用阈值条件来选出一种跃迁。以利用阈值条件来选出一种跃迁。选频之一：选频之一：例如，若希望氦氖激光器只输出波长例如，

24、若希望氦氖激光器只输出波长为为 0.6328 m 的激光，的激光，我们可以控制反射镜的我们可以控制反射镜的 R1、R2，使反射镜只对这种波长反射率高，易满足，使反射镜只对这种波长反射率高，易满足阈值条件。而另两个波长的光阈值条件。而另两个波长的光(红外红外)不能放大。不能放大。34第30页，本讲稿共39页例如，例如，氦氖激光器，设氦氖激光器，设 Ne 原原子的子的 0.6328 m 受激辐射光的谱受激辐射光的谱线宽度为线宽度为 ,如图，如图，1.3 109 Hz 。0对于单一的跃迁，还可以利用对于单一的跃迁，还可以利用选择纵模间隔的方法，进一步选择纵模间隔的方法，进一步在谱线宽度内再选频在谱线

25、宽度内再选频。选频之二：选频之二：然而然而，利用谐振腔，实际上激光的谱，利用谐振腔，实际上激光的谱线宽度可以小到线宽度可以小到 10-8 。这是为这是为什么呢什么呢？35第31页，本讲稿共39页 光学谐振腔两端反射镜处必是驻波的波节，所以光学谐振腔两端反射镜处必是驻波的波节，所以腔长腔长 L 必为半波长必为半波长 2 的整数倍。换用真空中波长的整数倍。换用真空中波长 =n ,得得(k=1,2,3,)k真空中波长真空中波长n 谐振腔内媒谐振腔内媒 质的折射率质的折射率这就是谐振腔沿长度方向这就是谐振腔沿长度方向(纵向纵向)的第的第 k 个个简正模式简正模式的波长。这的波长。这些简正模称为些简正模

26、称为纵模纵模。Lk=1k=2k=3频率最低的几个纵模频率最低的几个纵模36第32页，本讲稿共39页可以存在的纵可以存在的纵模频率为模频率为相邻两个纵模频率相邻两个纵模频率的间隔为的间隔为 数量级估计：数量级估计：1，n1.0，c 108 m s氦氖激光器氦氖激光器 0.6328 m 谱线宽度为谱线宽度为 =13109 Hz因此，在因此，在 区间中，可以存在的区间中，可以存在的纵模个数纵模个数为为37第33页，本讲稿共39页 用加大纵模频率间隔用加大纵模频率间隔 k的方法的方法,可以使可以使 区间中只区间中只存在一个纵模频率。存在一个纵模频率。单模输出单模输出。比如，若管长比如，若管长 L 缩短

27、为缩短为 10 c，即即 L L/10则则 k10 k在在 区间中，可能存在的纵模个数为区间中，可能存在的纵模个数为=1 。于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出，于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出，极大地提高了实际极大地提高了实际0.6328 m 谱线的单色性。谱线的单色性。L=100 cmL=10 cm38第34页，本讲稿共39页 激光除了有纵激光除了有纵模外，模外，还有还有横向驻横向驻波模式波模式。小结：小结：激光器基本组成部分激光器基本组成部分(产生激光的条件产生激光的条件).激励能源激励能源（提供能量，使原子激发）（提供能量，使原子激发）.工作物质工作物质（有合适的能级实现粒子数反转

28、）（有合适的能级实现粒子数反转）基横模在激光光束的横截面上各点的相位基横模在激光光束的横截面上各点的相位相同，空间相干性最好。相同，空间相干性最好。.光学谐振腔光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）（方向性，光放大，单色性）39第35页，本讲稿共39页六六.激光的特性及其应用激光的特性及其应用1.光束方向性极好光束方向性极好 以下特性是激光获得广泛应用的基础：以下特性是激光获得广泛应用的基础：2.时间相干性时间相干性(单色性单色性)极好极好3.空间相干性极好空间相干性极好4.光强度极大光强度极大(短时，局域短时，局域)5.超短脉冲，精细聚焦超短脉冲，精细聚焦 以下的各种技术应用或研究领域，主要利

29、用激光的以下的各种技术应用或研究领域，主要利用激光的什么特性什么特性？准直，定位，测距，测速，准直，定位，测距，测速，精密测厚、测角，加工，精密测厚、测角，加工，全息术全息术;非线性光学非线性光学;集成光学集成光学 医学、生物学、化学医学、生物学、化学 中的应用中的应用光通讯，光纤通讯，光通讯，光纤通讯，光盘信息存取，光盘信息存取，军事上的应用军事上的应用 40第36页，本讲稿共39页 例激光光纤通讯例激光光纤通讯 由于光波的频率比由于光波的频率比无线电波的频率高好无线电波的频率高好几个数量级，几个数量级，一根极一根极细的光纤能承载的信细的光纤能承载的信息量，相当于图片中息量，相当于图片中这么

30、粗的电缆所能承这么粗的电缆所能承载的载的信息量信息量。一些例子一些例子41第37页，本讲稿共39页例例2激光激光原子力原子力 显微镜显微镜(AFM)用一根钨探针或硅用一根钨探针或硅探针在距试样表面探针在距试样表面几毫微米的高度上几毫微米的高度上反复移动反复移动,来探测固来探测固体表面的情况。体表面的情况。试样通常是试样通常是微电子器件。微电子器件。激光激光-原子力显微镜原子力显微镜（AFM）激光器激光器分束器分束器布喇格室布喇格室棱镜棱镜检测器检测器反馈机构反馈机构接计算机接计算机微芯片微芯片压电换能器压电换能器压电控制装置压电控制装置42第38页，本讲稿共39页 探针尖端在工作时处于受迫振动

31、状态，探针尖端在工作时处于受迫振动状态，其频率接近于探针的共振频率。其频率接近于探针的共振频率。探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯吸引力的作用时，探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯吸引力的作用时，其共振频率发生变化，因而振幅也随之改变。其共振频率发生变化，因而振幅也随之改变。为了跟踪尖端的振动情况，将一束激光分为了跟踪尖端的振动情况，将一束激光分成两束，其中一束通过棱镜反射，另一束则成两束，其中一束通过棱镜反射，另一束则穿过布喇格室，然后从探针背面反射回来。穿过布喇格室，然后从探针背面反射回来。这两束光重新会合后发生干涉，根据干涉的情况可知探针这两束光重新会合后发生干涉，根据干涉的情况可知探针振动的变化情况。据此可探知试样表面的原子起伏情况。振动的变化情况。据此可探知试样表面的原子起伏情况。可检测出尺度小至可检测出尺度小至 5毫微米毫微米的表面起伏变化。的表面起伏变化。用于检用于检查微电路成品，检查制作微电路用的硅表面的质量。查微电路成品，检查制作微电路用的硅表面的质量。-结束结束-43第39页，本讲稿共39页