光的量子性与激光课件

光的量子性与激光光的量子性与激光皖超摄桶蛰澳筑质朋叮球漾丝搁之狮公潘谨层环毅弗峪武愉胀麦赚量命缝光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/20240光学教程第五篇 量子光学基础皖超摄桶蛰澳筑质朋叮球漾丝搁之狮光的量子性与激光光的量子性与激光研究的主要问题：研究的主要问题：黑体辐射规律与普朗克公式；黑体辐射规律与普朗克公式；光量子的提出与发展；光量子的提出与发展；激光的形成和特性。激光的形成和特性。要点：要点：1.1.普朗克对黑体辐射规律的解释；普朗克对黑体辐射规律的解释；2.2.从光量子到波粒二象性；从光量子到波粒二象性；3.3.激光的产生条件和特性。激光的产生条件和特性。股击客腿嘘漱边庇县修尧精你掠雁夺答附宣明乘勘辉赚竭姿聪范巢类俺谦光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/20241光的量子性与激光研究的主要问题：要点：股击客腿嘘漱边庇县修尧光的量子性与激光光的量子性与激光热辐射：热辐射：热辐射：热辐射：按按按按照照照照能能能能量量量量转转转转化化化化的的的的特特特特点点点点，可可可可将将将将物物物物体体体体发发发发射射射射辐辐辐辐射射射射的的的的方方方方式分为两大类：式分为两大类：式分为两大类：式分为两大类：1.1.由由由由原原原原子子子子或或或或分分分分子子子子内内内内部部部部运运运运动动动动能能能能量量量量转转转转变变变变为为为为辐辐辐辐射射射射能能能能的的的的过程称为过程称为过程称为过程称为发光发光发光发光。电致发光、光致发光、化学发光、阴极射线致发光等；电致发光、光致发光、化学发光、阴极射线致发光等；电致发光、光致发光、化学发光、阴极射线致发光等；电致发光、光致发光、化学发光、阴极射线致发光等；2.2.发发发发射射射射的的的的辐辐辐辐射射射射能能能能是是是是由由由由物物物物体体体体中中中中原原原原子子子子、分分分分子子子子的的的的热热热热运运运运动动动动能能能能量量量量转转转转变变变变而而而而来来来来，即即即即热热热热运运运运动动动动能能能能量量量量转转转转变变变变为为为为辐辐辐辐射射射射能能能能的的的的过程称为过程称为过程称为过程称为热辐射热辐射热辐射热辐射。若若若若物物物物体体体体从从从从外外外外界界界界吸吸吸吸收收收收的的的的热热热热量量量量恰恰恰恰好好好好等等等等于于于于因因因因辐辐辐辐射射射射而而而而减减减减小的能量，该热辐射称为平衡热辐射小的能量，该热辐射称为平衡热辐射小的能量，该热辐射称为平衡热辐射小的能量，该热辐射称为平衡热辐射(温度辐射温度辐射温度辐射温度辐射)。热辐射的光谱是连续光谱。热辐射的光谱是连续光谱。热辐射的光谱是连续光谱。热辐射的光谱是连续光谱。1 热辐射和基尔霍夫定律热辐射和基尔霍夫定律柞叼裂篡刑土撰蛙良肮胡佃舌鲁络妇钵秃裕梅裙酝瞳域宽页著牛忻搁谗郸光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/20242热辐射：按照能量转化的特点，可将物体发射辐射的方式光的量子性与激光光的量子性与激光基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：定定定定义义义义辐辐辐辐射射射射体体体体在在在在其其其其波波波波长长长长 附附附附近近近近的的的的单单单单位位位位波波波波长长长长间间间间隔隔隔隔内的辐出度为内的辐出度为内的辐出度为内的辐出度为单色辐出度单色辐出度单色辐出度单色辐出度：物体在其波长物体在其波长物体在其波长物体在其波长 附近的单位波长间隔内的吸收率，附近的单位波长间隔内的吸收率，附近的单位波长间隔内的吸收率，附近的单位波长间隔内的吸收率，称为称为称为称为单色吸收率单色吸收率单色吸收率单色吸收率：基尔霍夫定律：处于平衡辐射中的任何物体，基尔霍夫定律：处于平衡辐射中的任何物体，基尔霍夫定律：处于平衡辐射中的任何物体，基尔霍夫定律：处于平衡辐射中的任何物体，其单色辐出度和单色吸收率之比是温度和波长其单色辐出度和单色吸收率之比是温度和波长其单色辐出度和单色吸收率之比是温度和波长其单色辐出度和单色吸收率之比是温度和波长的普适函数，与物体的性质无关。的普适函数，与物体的性质无关。的普适函数，与物体的性质无关。的普适函数，与物体的性质无关。塞哟铃皖臭迫刹邀屠钒题芹漱港祈贼一凭书粟寨康蚤弱臼锗灼亏抗潘墨夯光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/20243基尔霍夫定律：定义辐射体在其波长附近的单位波长间隔光的量子性与激光光的量子性与激光钨握兴轰尉拔络锋掇骏伞芯屈装非群牟题冯阀副丹棺穴颂融邹介鲜纂陋牧光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/20244钨握兴轰尉拔络锋掇骏伞芯屈装非群牟题冯阀副丹棺穴颂融邹介鲜纂光的量子性与激光光的量子性与激光黑体黑体黑体黑体：(,T T)1)1且与波长且与波长且与波长且与波长 无关的物体称为无关的物体称为无关的物体称为无关的物体称为灰体灰体灰体灰体。在任何温度下，对在任何温度下，对在任何温度下，对在任何温度下，对任何波长的单色吸收任何波长的单色吸收任何波长的单色吸收任何波长的单色吸收率均恒等于率均恒等于率均恒等于率均恒等于1 1的物体称的物体称的物体称的物体称为为为为绝对黑体绝对黑体绝对黑体绝对黑体。此时：。此时：。此时：。此时：替坠蔽琶戮烟议楚钓缅玄豁淫早新全孰较戎贝崭哆因裕君陶入配炉俩顷奴光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/20245黑体：(,T)1且与波长无关的物体称为灰体。光的量子性与激光光的量子性与激光平衡辐射时黑体的单色辐出度平衡辐射时黑体的单色辐出度平衡辐射时黑体的单色辐出度平衡辐射时黑体的单色辐出度：面元面元面元面元d ds s所张立体角所张立体角所张立体角所张立体角 试推导在平衡辐射试推导在平衡辐射试推导在平衡辐射试推导在平衡辐射时黑体的单色辐出度时黑体的单色辐出度时黑体的单色辐出度时黑体的单色辐出度 (,T T)与单色辐射能与单色辐射能与单色辐射能与单色辐射能量体密度量体密度量体密度量体密度u u(,T T)的关的关的关的关系。系。系。系。内传播的能量为：内传播的能量为：内传播的能量为：内传播的能量为：睡泼吉僵旷印柱潞纳蚁食充轴值日恶鹏仁乃坪坝蒙鄙侵怠髓屑惩诧累淡骂光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/20246平衡辐射时黑体的单色辐出度：面元ds所张立体角 试推导光的量子性与激光光的量子性与激光平衡辐射时黑体的单色辐出度平衡辐射时黑体的单色辐出度平衡辐射时黑体的单色辐出度平衡辐射时黑体的单色辐出度：在在在在 t t时间内通过时间内通过时间内通过时间内通过d ds s的总能量为：的总能量为：的总能量为：的总能量为：啼楔霖空液性眼铸斌匡丧抿冠笔碟僧衰汁差情钳肆座语肥测夸罗给扬弃丽光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/20247平衡辐射时黑体的单色辐出度：在t时间内通过ds的总光的量子性与激光光的量子性与激光平衡辐射时黑体的单色辐出度平衡辐射时黑体的单色辐出度平衡辐射时黑体的单色辐出度平衡辐射时黑体的单色辐出度：平衡状态下，黑体单位平衡状态下，黑体单位平衡状态下，黑体单位平衡状态下，黑体单位面积发出的辐射能等于吸面积发出的辐射能等于吸面积发出的辐射能等于吸面积发出的辐射能等于吸收的辐射能，故：收的辐射能，故：收的辐射能，故：收的辐射能，故：蛇译曙缘慧瓜警庸统衡峪锡墙原足篙完炭胆堵棚篱命户敝陈虽般则嘎躁褂光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/20248平衡辐射时黑体的单色辐出度：平衡状态下，黑体单位面积光的量子性与激光光的量子性与激光2 黑体的经典辐射定律黑体的经典辐射定律黑体辐射谱：黑体辐射谱：黑体辐射谱：黑体辐射谱：黑体辐射谱测试图黑体辐射谱测试图黑体辐射谱测试图黑体辐射谱测试图黑体辐射谱黑体辐射谱黑体辐射谱黑体辐射谱蕾巫林崔滨锭劈内梆城署闸巍拦翼羚闰倔搞任滤届弃辐沮建隧诱淑惺恶洗光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202492 黑体的经典辐射定律黑体辐射谱：黑体辐射谱测试图黑体辐射光的量子性与激光光的量子性与激光黑体辐射的实验定律：黑体辐射的实验定律：黑体辐射的实验定律：黑体辐射的实验定律：1.Stefan-Boltzmann(1.Stefan-Boltzmann(斯特藩斯特藩斯特藩斯特藩-波尔兹曼波尔兹曼波尔兹曼波尔兹曼)定律定律定律定律 =5.6710=5.6710-8-8 W/(m W/(m2 2 KK4 4)，Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。常数。常数。b b=2.89810=2.89810-3-3 m m KK，WienWien常数。常数。常数。常数。绝对黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比：绝对黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比：绝对黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比：绝对黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比：2.Wien(2.Wien(维恩维恩维恩维恩)位移定律位移定律位移定律位移定律 任何温度下，绝对黑体的单色辐出度的极大值任何温度下，绝对黑体的单色辐出度的极大值任何温度下，绝对黑体的单色辐出度的极大值任何温度下，绝对黑体的单色辐出度的极大值所在波长与绝对黑体的温度成反比。所在波长与绝对黑体的温度成反比。所在波长与绝对黑体的温度成反比。所在波长与绝对黑体的温度成反比。纵屏妊畸勺拐济挑靠含臃邮榆涨苟稠萤狗腹吼迭扒凤娶七渤询梨汐慢囚腿光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202410黑体辐射的实验定律：1.Stefan-Boltzm光的量子性与激光光的量子性与激光黑体辐射的经典理论公式与实验曲线的矛盾：黑体辐射的经典理论公式与实验曲线的矛盾：黑体辐射的经典理论公式与实验曲线的矛盾：黑体辐射的经典理论公式与实验曲线的矛盾：想想想想从从从从经经经经典典典典理理理理论论论论中中中中寻寻寻寻求求求求函函函函数数数数的的的的解解解解析析析析形形形形式式式式的的的的尝尝尝尝试试试试都都都都遭遭遭遭到到到到了了了了失失失失败败败败，若若若若干干干干失失失失败败败败的的的的教教教教训训训训却却却却为为为为最最最最后后后后的的的的成成成成功打开了道路。功打开了道路。功打开了道路。功打开了道路。1.Wien 1.Wien公式的导出思路公式的导出思路公式的导出思路公式的导出思路 假假假假设设设设黑黑黑黑体体体体的的的的辐辐辐辐射射射射由由由由许许许许多多多多可可可可以以以以看看看看成成成成谐谐谐谐振振振振子子子子的的的的分分分分子子子子发发发发射射射射的的的的，辐辐辐辐射射射射的的的的频频频频率率率率 只只只只与与与与分分分分子子子子的的的的速速速速度度度度v v有有有有关关关关，因因因因此此此此辐辐辐辐射射射射能能能能量量量量按按按按频频频频率率率率的的的的分分分分布布布布应应应应和和和和MaxwellMaxwell分分分分布布布布相相相相似，即：似，即：似，即：似，即：虑逻熔拷纲执寞蚂盐愿铝碴阻雇颖劫尸疆醚兼弗药裔毙虎揉钟瞳距隧厉坤光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202411黑体辐射的经典理论公式与实验曲线的矛盾：想从经典理论光的量子性与激光光的量子性与激光 瑞利假设空腔中处于热平衡时的辐射场是一瑞利假设空腔中处于热平衡时的辐射场是一瑞利假设空腔中处于热平衡时的辐射场是一瑞利假设空腔中处于热平衡时的辐射场是一些驻波，而一列驻波可以看做一种模式的电磁些驻波，而一列驻波可以看做一种模式的电磁些驻波，而一列驻波可以看做一种模式的电磁些驻波，而一列驻波可以看做一种模式的电磁场。根据能量均分定理，每种振动应分配到的场。根据能量均分定理，每种振动应分配到的场。根据能量均分定理，每种振动应分配到的场。根据能量均分定理，每种振动应分配到的平均能量为平均能量为平均能量为平均能量为kTkT，因此：，因此：，因此：，因此：瑞利瑞利瑞利瑞利金斯公式金斯公式金斯公式金斯公式或：或：或：或：朵授菩虞扮浅沃票篆蛊假甫搅级一橙膳顾氧温目苫千畜柯审荐琳内淮忿湘光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202412 瑞利假设空腔中处于热平衡时的辐射场是一些驻波，而光的量子性与激光光的量子性与激光普朗克的研究：普朗克的研究：普朗克的研究：普朗克的研究：1.1.普朗克经验公式：普朗克经验公式：普朗克经验公式：普朗克经验公式：3 普朗克辐射公式普朗克辐射公式 能量子能量子好牌薪季栋鄙名占五敷七涩康享行郊深严递她思碾慕膳闻侧鸵纶躺柏男眠光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202413普朗克的研究：1.普朗克经验公式：3 普朗克辐射光的量子性与激光光的量子性与激光普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克假设，黑体是由极多的带电的线性谐普朗克假设，黑体是由极多的带电的线性谐普朗克假设，黑体是由极多的带电的线性谐普朗克假设，黑体是由极多的带电的线性谐振子所组成，这些谐振子辐射电磁波，并与周振子所组成，这些谐振子辐射电磁波，并与周振子所组成，这些谐振子辐射电磁波，并与周振子所组成，这些谐振子辐射电磁波，并与周围电磁场交换能量。设在温度为围电磁场交换能量。设在温度为围电磁场交换能量。设在温度为围电磁场交换能量。设在温度为T T的热平衡状的热平衡状的热平衡状的热平衡状态，频率为态，频率为态，频率为态，频率为 的谐振子的平均能量为的谐振子的平均能量为的谐振子的平均能量为的谐振子的平均能量为 。由电磁理论可以证明，此时辐射能量的体由电磁理论可以证明，此时辐射能量的体由电磁理论可以证明，此时辐射能量的体由电磁理论可以证明，此时辐射能量的体密度为：密度为：密度为：密度为：故黑体辐射的单色辐出度为：故黑体辐射的单色辐出度为：故黑体辐射的单色辐出度为：故黑体辐射的单色辐出度为：停篓舰围易毛锑搜磁槽移哺檄窟兵刁侧恕盅弓观拥旋吓吊喷拆掷值淮色兵光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202414普朗克辐射公式：普朗克假设，黑体是由极多的带电的线光的量子性与激光光的量子性与激光普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：由由由由波波波波尔尔尔尔兹兹兹兹曼曼曼曼分分分分布布布布，热热热热平平平平衡衡衡衡下下下下，能能能能量量量量为为为为 的的的的几几几几率率率率正比于正比于正比于正比于e e-/kT/kT：这个结果对应的，正是瑞利这个结果对应的，正是瑞利这个结果对应的，正是瑞利这个结果对应的，正是瑞利金斯公式。金斯公式。金斯公式。金斯公式。普朗克意识到，失败的原因就是引用了普朗克意识到，失败的原因就是引用了普朗克意识到，失败的原因就是引用了普朗克意识到，失败的原因就是引用了“谐振谐振谐振谐振子的能量是连续变化的子的能量是连续变化的子的能量是连续变化的子的能量是连续变化的”这个概念；他考虑谐振这个概念；他考虑谐振这个概念；他考虑谐振这个概念；他考虑谐振子的能量是不连续变化的，只能取一些子的能量是不连续变化的，只能取一些子的能量是不连续变化的，只能取一些子的能量是不连续变化的，只能取一些分立值分立值分立值分立值，这些分立值是某一最小能量这些分立值是某一最小能量这些分立值是某一最小能量这些分立值是某一最小能量 0 0的整数倍。的整数倍。的整数倍。的整数倍。沦保邹咆儿扛酿另尽沫滥械搪辩梗矛曲纬甄捞绝乾裸鞋咸衍酋抹项价孰经光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202415普朗克辐射公式：由波尔兹曼分布，热平衡下，能量为的光的量子性与激光光的量子性与激光普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：若若若若考考考考虑虑虑虑频频频频率率率率为为为为 的的的的谐谐谐谐振振振振子子子子，最最最最小小小小能能能能量量量量是是是是：0 0=h h ，h h=6.63617610=6.63617610-34-34 J J s s 由由由由波波波波尔尔尔尔兹兹兹兹曼曼曼曼分分分分布布布布，谐谐谐谐振振振振子子子子处处处处于于于于能能能能量量量量n n 0 0状状状状态态态态的几率与的几率与的几率与的几率与e e-/kT/kT成正比。成正比。成正比。成正比。凉收撤淤铅贤香巍碰珠否赔玲阔陵姓峭蚀埠庇欠庇触绩簿虫炎肇帖磁虚俄光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202416普朗克辐射公式：若考虑频率为的谐振子，最小能量是：光的量子性与激光光的量子性与激光普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：代入得：代入得：代入得：代入得：普朗克普朗克公式公式憾泳痹展疑幅小桥坷爆帅威抹锚缔天车霍二币绢移俊武挎拔亭当悯销拆创光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202417普朗克辐射公式：代入得：普朗克公式憾泳痹展疑幅小桥坷爆帅威抹光的量子性与激光光的量子性与激光普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：由普朗克公式导出：由普朗克公式导出：由普朗克公式导出：由普朗克公式导出：对波长辐出度求极大值，得超越方程：对波长辐出度求极大值，得超越方程：对波长辐出度求极大值，得超越方程：对波长辐出度求极大值，得超越方程：膛屹提古谎务咐妊奸糖识菠唱扛俯卵踢塔栋扳内返缓庄换杉点莆碱内积烦光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202418普朗克辐射公式：由普朗克公式导出：对波长辐出度求极大值，得超光的量子性与激光光的量子性与激光普朗克辐射公式的讨论：普朗克辐射公式的讨论：普朗克辐射公式的讨论：普朗克辐射公式的讨论：普普普普朗朗朗朗克克克克在在在在推推推推导导导导过过过过程程程程中中中中仍仍仍仍然然然然使使使使用用用用了了了了经经经经典典典典的的的的波波波波尔尔尔尔兹兹兹兹曼曼曼曼分分分分布布布布，且且且且最最最最小小小小能能能能量量量量为为为为零零零零；实实实实际际际际上上上上振振振振子子子子在在在在最最最最低低低低的的的的能能能能量量量量状状状状态态态态，也也也也还还还还有有有有能能能能量量量量h h /2/2。玻玻玻玻色色色色和和和和爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦应应应应用用用用量量量量子子子子统统统统计计计计，重重重重新新新新导导导导出出出出了了了了普普普普朗朗朗朗克克克克辐辐辐辐射射射射公公公公式式式式，并并并并消除了波尔兹曼分布的在推导过程中的存在。消除了波尔兹曼分布的在推导过程中的存在。消除了波尔兹曼分布的在推导过程中的存在。消除了波尔兹曼分布的在推导过程中的存在。普朗克获得普朗克获得普朗克获得普朗克获得1918191819181918年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。备涤授警微预别雾捶著卤俊闯丝膳酪痢筏凳尼酝努闲峦测氓肮万噎浪栅哪光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202419普朗克辐射公式的讨论：普朗克在推导过程中仍然使用了经光的量子性与激光光的量子性与激光 利用黑体辐射定律来测定高温物体的温度，利用黑体辐射定律来测定高温物体的温度，利用黑体辐射定律来测定高温物体的温度，利用黑体辐射定律来测定高温物体的温度，称为称为称为称为光测高温法光测高温法光测高温法光测高温法。如如如如果果果果被被被被测测测测物物物物体体体体的的的的光光光光谱谱谱谱分分分分布布布布曲曲曲曲线线线线和和和和绝绝绝绝对对对对黑黑黑黑体体体体在在在在某某某某一一一一温温温温度度度度T T0 0时时时时的的的的普普普普朗朗朗朗克克克克曲曲曲曲线线线线相相相相似似似似，则则则则温温温温度度度度T T0 0称称称称为被测物体的为被测物体的为被测物体的为被测物体的色温度色温度色温度色温度。4 光测高温法光测高温法色温法：色温法：色温法：色温法：焰线凳冬背泛娥权乔采吝弄降毋嫂虏叙骤柠壕郭稍酱买续转力赴封槛仕铭光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202420 利用黑体辐射定律来测定高温物体的温度，称为光光的量子性与激光光的量子性与激光亮温法：亮温法：亮温法：亮温法：对对对对所所所所选选选选择择择择的的的的波波波波长长长长（通通通通过过过过滤滤滤滤色色色色片片片片选选选选择择择择），若若若若其其其其亮亮亮亮度度度度和和和和灯灯灯灯丝丝丝丝发发发发出出出出的的的的该该该该谱谱谱谱线线线线亮亮亮亮度度度度相相相相等等等等，则则则则认认认认为为为为二二二二物物物物体体体体温温温温度度度度一一一一致致致致，该该该该温温温温度度度度称为称为称为称为亮温度亮温度亮温度亮温度。扰龋输肃突褒使纲痛胡用陌航洱唉腕之那邮狭绊兼规纲灶体险梅铀兔柒枢光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202421亮温法：对所选择的波长（通过滤色片选择），若其亮度和光的量子性与激光光的量子性与激光辐射温度法：辐射温度法：辐射温度法：辐射温度法：仪仪仪仪器器器器接接接接收收收收到到到到的的的的辐辐辐辐射射射射能能能能正正正正比比比比于于于于象象象象的的的的辐辐辐辐照照照照度度度度，即即即即正正正正比比比比于于于于物物物物的的的的辐辐辐辐亮亮亮亮度度度度。对对对对于于于于绝绝绝绝对对对对黑黑黑黑体体体体，其其其其辐辐辐辐亮亮亮亮度度度度正比于正比于正比于正比于T T4 4，故由此读出的温度称为辐射温度。，故由此读出的温度称为辐射温度。，故由此读出的温度称为辐射温度。，故由此读出的温度称为辐射温度。提问：各种方法的误差可能何在？有其它相似提问：各种方法的误差可能何在？有其它相似提问：各种方法的误差可能何在？有其它相似提问：各种方法的误差可能何在？有其它相似方法可以光测高温吗？方法可以光测高温吗？方法可以光测高温吗？方法可以光测高温吗？窜云澎心塌初谭戏称酝峨殊笺倡移佯欣威渺擎栗会臼须奄眶经锌侄仇题慕光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202422辐射温度法：仪器接收到的辐射能正比于象的辐照度，即光的量子性与激光光的量子性与激光5 光电效应光电效应光电效应的光电效应的光电效应的光电效应的实验规律实验规律实验规律实验规律赫兹：赫兹：18861887 勒纳德：勒纳德：1889UGAK实验装置实验装置G：测量光电流：测量光电流U：测量：测量AK电压电压*I 随着随着UAK 增加而增加直至某一饱增加而增加直至某一饱和和 电流电流 Is。Is与光照强度成正比。与光照强度成正比。*截至电压截至电压Ua 0.UAKIs2Is1Ua实验结果实验结果怒靶挽碳丽炸辫砸痴渤剑辞驶氖松暇遁脯蹄耀瓷简惹番诺湖商叫壁烟还三光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/2024235 光电效应光电效应的实验规律赫兹：18861887 光的量子性与激光光的量子性与激光U03U02U01312UIIS0入射光强度相同但频率不同入射光强度相同但频率不同*光电子的初动能与入射光强度光电子的初动能与入射光强度无关，而与入射光的频率有关。无关，而与入射光的频率有关。截止电压的大小反映光电子初动能的大小：截止电压的大小反映光电子初动能的大小：截止电压与入射光频率成线性截止电压与入射光频率成线性.红限频率红限频率4.06.08.0 10.0 (1014Hz)0.01.02.0-Ua(V)CsNaCa能量能量榨锦忽汗霓慰法壕带忿疼竿诵甚庞影栖喉逼夫煞锻见浸奈郁靖步序烽好忘光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202424U03U02U01312UIIS0入射光强度相同但频率不同*光的量子性与激光光的量子性与激光*光电子初动能依赖光频；光电子初动能依赖光频；经典经典认为光强越大，饱和电流应该大，光认为光强越大，饱和电流应该大，光电子的初动能也该大。但实验上饱和电子的初动能也该大。但实验上饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能取决于光频率。光电子初动能取决于光频率。经典理论解释光电效应的困难：经典理论解释光电效应的困难：经典理论解释光电效应的困难：经典理论解释光电效应的困难：*红限频率；红限频率；只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为光而经典认为光电效应只依赖光强，而不应与频率有关。电效应只依赖光强，而不应与频率有关。*瞬时性瞬时性。光电效应具有瞬时性，其响应速度很快光电效应具有瞬时性，其响应速度很快 10-9 秒。秒。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间。UGAK捶趁藐魏斜补谬津约汗苞冕那惫替便傀骗旧互耀膊舱腰远杖凉话纹舀拖屁光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202425*光电子初动能依赖光频；经典认为光强越大，饱和电流应该大光的量子性与激光光的量子性与激光19051905年，爱因斯坦在能量子假说基础上提出光子理论：年，爱因斯坦在能量子假说基础上提出光子理论：年，爱因斯坦在能量子假说基础上提出光子理论：年，爱因斯坦在能量子假说基础上提出光子理论：认为光不仅在与物质相互认为光不仅在与物质相互作用时（发射和吸收），作用时（发射和吸收），具有粒子性，而且在传播具有粒子性，而且在传播过程中也有过程中也有粒子性粒子性。一个频率为一个频率为 的光子具有能量：的光子具有能量：由能量守恒可得出：光电效应中，一个电子逸出金由能量守恒可得出：光电效应中，一个电子逸出金由能量守恒可得出：光电效应中，一个电子逸出金由能量守恒可得出：光电效应中，一个电子逸出金属表面后的最大动能：属表面后的最大动能：属表面后的最大动能：属表面后的最大动能：A只与金属性质有关，与光的频率无关。只与金属性质有关，与光的频率无关。A 称为称为逸出功逸出功。爱因斯坦光电方程爱因斯坦光电方程获得获得19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖光由一群能量分立即量子化，且以光速运动的粒子（光子）组成。爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说德有莱耐椎栗咏鳃千疚馅猾唐葵频宦讫变丝沏烫莱遗皇析绵掸挥查息性躁光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/2024261905年，爱因斯坦在能量子假说基础上提出光子理论：认为光不光的量子性与激光光的量子性与激光*解释截止电压与频率成线性关系以解释截止电压与频率成线性关系以解释截止电压与频率成线性关系以解释截止电压与频率成线性关系以及红限频率的存在。及红限频率的存在。及红限频率的存在。及红限频率的存在。*光照射阴极板时，电子吸收光子能量光照射阴极板时，电子吸收光子能量光照射阴极板时，电子吸收光子能量光照射阴极板时，电子吸收光子能量 解释光电解释光电解释光电解释光电效应几乎瞬时产生。效应几乎瞬时产生。效应几乎瞬时产生。效应几乎瞬时产生。*饱和光电流强度与光强成正比饱和光电流强度与光强成正比饱和光电流强度与光强成正比饱和光电流强度与光强成正比-参与作用的光子数多参与作用的光子数多参与作用的光子数多参与作用的光子数多爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说烃陆域擒舵感炳萎熙遭趁玩伸祈士砷玲蚜童佐久帚毅荡瞻惰齐衣哄栓艰钻光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202427*解释截止电压与频率成线性关系以及红限频率的存在。*光照光的量子性与激光光的量子性与激光1916年，密立根实验证实了光子论的正确性，并测得年，密立根实验证实了光子论的正确性，并测得h=6.57 10-34 焦耳焦耳秒。光的波动性（秒。光的波动性（p）和粒子性（和粒子性（）是）是通过普朗克常数联系在一起的。通过普朗克常数联系在一起的。相对论质能关系：相对论质能关系：光子的静止质量为零光子的静止质量为零!因为：光子的动量：光子的动量：光子的能量、动量和质量光子的能量、动量和质量光子的质量：光子的质量：获得获得19231923年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖波粒二像性波粒二像性光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性橙擦肚磊喳藉坤喻柿游遏高淹场脉韶楷仁孰毖握沿连盏诣历游蚀钙拟计怠光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/2024281916年，密立根实验证实了光子论的正确性，并测得h=6.5光的量子性与激光光的量子性与激光6 康普顿效应康普顿效应(19221923)堂目果折情涤祈翘尺诺捎顷插颜光颜援诡侵濒匿茶绝辗耸妙寐尾箱貉茨倔光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/2024296 康普顿效应(19221923)堂目果折情涤祈翘尺诺光的量子性与激光光的量子性与激光1.1.X射射线线在在石石墨墨上上的的散射散射实验结果：实验结果：准直系统准直系统入射光入射光 0 散射光散射光 探测器探测器石墨石墨散射体散射体 (1)散射的射线中有与散射的射线中有与 入射波长入射波长 相同的射相同的射线线,也有波长也有波长 的射线的射线.(2)散射线中波长的改变量散射线中波长的改变量 随随散射角散射角 的增加而增加。的增加而增加。(3)同一散射角下同一散射角下 相同相同,与散射物质无关；与散射物质无关；原子量较小的物质，康普顿散射较强。原子量较小的物质，康普顿散射较强。康普顿康普顿波长波长I =0o I=45oI =90oI =135o 0康普顿散射艰郊潦后悸挖臂搞朋躲尼迢缕垢涣嘎鲤横限锨靡梢违蹲冯妒股妮采眩浮躯光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/2024301.X射线在石墨上的散射实验结果：准直系统入射光0 散射光光的量子性与激光光的量子性与激光（2 2）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”弹性碰弹性碰撞撞:碰撞过程中能量与动量守恒：碰撞过程中能量与动量守恒：2.2.康普顿效应验证光的量子性康普顿效应验证光的量子性（1 1）经典电磁理论的困难：）经典电磁理论的困难：碰撞前：碰撞前：X射线光子射线光子（104105 eV）电电 子子 （百分之几（百分之几eV）反冲电子反冲电子睹烦居泽崇更辈登罐澄烽待杰擅戌赶蔗九引馆蛹较挂闰磺姓斋吓勾忆诱怖光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202431（2）康普顿的解释：X射线光子与“静止”的“自由电子”弹性光的量子性与激光光的量子性与激光波长偏移：波长偏移：(4)2-(3)得配擦戌聘辽若累雾遍城州祈渣缔敌涂埂招霉灿艺迪悯舟沥谁幂旷抖琉弱戴光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202432波长偏移：(4)2-(3)得配擦戌聘辽若累雾遍城州祈渣缔敌涂光的量子性与激光光的量子性与激光 X射线光子与束缚很紧的电子碰撞射线光子与束缚很紧的电子碰撞:可见可见：与与 0 0无关，无关，只与散射角只与散射角 有关，有关，、。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；X射线光子与束缚很紧的电子碰撞：射线光子与束缚很紧的电子碰撞：由上面两点可推知：由上面两点可推知：原子量较大的物质，电子束缚很紧原子量较大的物质，电子束缚很紧原子量较小的物质，电子束缚很弱原子量较小的物质，电子束缚很弱 自由电子自由电子康散射较弱康散射较弱思扇烁介淘破摩肌耙辅汹奄去痉写整链写涸詹眺励楚开允穴摔川沥雄冤中光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202433 X射线光子与束缚很紧的电子碰撞:可见：与0无关，光的量子性与激光光的量子性与激光3.3.康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义 康普顿散射进一步证实了光子论，证明了光康普顿散射进一步证实了光子论，证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒二象性。另外证明在光电相互作用的过程中严格二象性。另外证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。遵守能量、动量守恒定律。1923 1923年威尔逊云室实验观测到了反冲电子轨年威尔逊云室实验观测到了反冲电子轨年威尔逊云室实验观测到了反冲电子轨年威尔逊云室实验观测到了反冲电子轨迹；验证了康普顿解释迹；验证了康普顿解释迹；验证了康普顿解释迹；验证了康普顿解释合得合得19271927年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖蓉纸公吞牵旷拂嫩矢矫筐黄存蔚途悔嘱枷抱译嗣霓蚀右牟州呜甸贾沸揭凸光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/2024343.康普顿散射实验的意义 康普顿散射进一步证实了光的量子性与激光光的量子性与激光4.4.康普顿散射与光电效应的区别康普顿散射与光电效应的区别(1)(1)康普顿康普顿效应中光子被散射效应中光子被散射,只将部分能量交给自由电子，而只将部分能量交给自由电子，而光光电效应电效应中光子被束缚电荷整个吸收。中光子被束缚电荷整个吸收。康普顿康普顿效应中光子的能量不能被自由电子全部吸收效应中光子的能量不能被自由电子全部吸收?反证：假设电子完全吸收光子的能量反证：假设电子完全吸收光子的能量 hv由能量守恒：由能量守恒：由动量守恒：由动量守恒：(2)在光电效应中会观测到康普顿效应在光电效应中会观测到康普顿效应?例例:康普顿效应中最大偏转角康普顿效应中最大偏转角 ,入射光波入射光波观察不到观察不到若是若是入射波长与入射波长与 C时康普顿效应才显著时康普顿效应才显著肇缮氰有绍眺妙拉馅屿贰舱骏瘪夹袭桨嘘谎树掐夫娠塌辑托闹所浓庇蹋翻光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/2024354.康普顿散射与光电效应的区别(1)康普顿效应中光子被散射光的量子性与激光光的量子性与激光先释放后吸收ee反冲电子反冲电子先吸收后释放ee反冲电子反冲电子康普顿解释中部分能量传递给电子与光子概念矛盾康普顿解释中部分能量传递给电子与光子概念矛盾?丸栈牵琴烙盛杰亡腋淘据颐显诽伊卤筛怎嘿韵攘沟垣拎鸦施胁营灾氓熏挺光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202436先释放后吸收ee反冲电子先吸收后释放ee反冲电子康普顿解释中光的量子性与激光光的量子性与激光历历 史史 回回 顾顾旧量子论：旧量子论：普朗克的能量子假设普朗克的能量子假设爱因斯坦的光子说、康普顿效应爱因斯坦的光子说、康普顿效应玻尔的氢原子模型、量子态玻尔的氢原子模型、量子态经典物理中的波和粒子、光的波粒二象性经典物理中的波和粒子、光的波粒二象性 经典物理：证实了光的波动性经典物理：证实了光的波动性早期量子论：证实光的波粒二象性早期量子论：证实光的波粒二象性波动性波动性 微粒性微粒性 h7 波粒二象性波粒二象性诚咯宛晒即闸寇拎笛韶寺臼眷邹大释缺瞪屠政膳乌贵毯殿钥卯句爹枉寅妒光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202437历 史 回 顾旧量子论：普朗克的能量子假光的量子性与激光光的量子性与激光1918年、普朗克普朗克、能量子 （1900）1921年、爱因斯坦爱因斯坦、光子说和光电效应解释 （1905）1922年、玻尔玻尔、原子模型及其发光（1913）1923年、密立根密立根、电子电量测量(1911)和h的测量(1914)1925年、弗兰克和赫兹弗兰克和赫兹、电子原子碰撞实验 （1914）1927年、康普顿和威尔逊康普顿和威尔逊、康普顿效应(1922)1929年、德布罗意德布罗意、物质波（1924）1932年、海森伯格海森伯格、量子力学（1925）1933年、薛定鄂和狄拉克薛定鄂和狄拉克、量子波动力学(1925、1927)1937年、戴维逊和汤姆逊戴维逊和汤姆逊、电子衍射实验（1927）1945年、泡利泡利、泡利不相容原理（1924）1954年、玻恩玻恩、波函数统计解释（1926）1986年、毕宁和罗尔毕宁和罗尔、扫描隧道显微镜（1981）磐康芒针栖占擎竿炽苹至滞腥浑牵碘估查孟潍椰悟法灯秃旬矿么明括摊赣光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/2024381918年、普朗克、能量子 （1900）磐康芒针栖占光的量子性与激光光的量子性与激光 经典物理：证实了光的波动性经典物理：证实了光的波动性早期量子论：证实光的波粒二象性早期量子论：证实光的波粒二象性波动性波动性 19241924年，德布罗意提出，实物粒子（电年，德布罗意提出，实物粒子（电子、质子、中子、分子、子、质子、中子、分子、）也具有）也具有波粒二象性波粒二象性.一、物质波的提出一、物质波的提出 微粒性微粒性 h 质量质量 m1.德布罗意物质波假设德布罗意物质波假设 速度速度 V自由粒子自由粒子具有：具有：能量能量 E 动量动量 P波长波长 频率频率 德布罗意关系德布罗意关系酶补噬字账里谦诲霍簿服济羊褐斥裤缘菌绑徒坏根罗扰舍酗歹叫这漓度姆光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202439 经典物理：证实了光的波动性波动性 1924年光的量子性与激光光的量子性与激光物质波物质波:在微观上，如电子在微观上，如电子m=9.1 10-31Kg，速度，速度V=5.0 107m/s,对对应的德布罗意波长为：应的德布罗意波长为：在宏观上，如飞行的子弹在宏观上，如飞行的子弹m=10-2Kg，速度，速度V=5.0 102m/s,对应对应的德布罗意波长为：的德布罗意波长为：太小测不到！太小测不到！1924年，德布罗意的博士论文量子理论研究年，德布罗意的博士论文量子理论研究获得获得19291929年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖测阅涂唐惰包厦猿刽掌诱娶因翱瞒凋他予透删啄柿颐讨系坪铆鞠初捏寄辗光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202440物质波:在微观上，如电子m=9.110-31Kg，速度V=光的量子性与激光光的量子性与激光电子驻波德布罗意还指出：德布罗意还指出：德布罗意还指出：德布罗意还指出：氢原子中电子的圆轨道运动，它所对氢原子中电子的圆轨道运动，它所对氢原子中电子的圆轨道运动，它所对氢原子中电子的圆轨道运动，它所对应的物质波形成驻波，圆周长应等于波长的整数倍。应的物质波形成驻波，圆周长应等于波长的整数倍。应的物质波形成驻波，圆周长应等于波长的整数倍。应的物质波形成驻波，圆周长应等于波长的整数倍。再根据再根据德布罗意关系德布罗意关系得出角动量量子化条件得出角动量量子化条件德布罗意关系与爱因斯坦质能关系有着同样重要意义。德布罗意关系与爱因斯坦质能关系有着同样重要意义。光速光速c c 是个是个“大大”常数；普朗克常数常数；普朗克常数 h h 是个是个“小小”常常数。数。券活卯隆冠老雍敌凳鸥掘恐扰曙丸字律啼臭齿握绑恬阮汀汪厌隅香斧蜜合光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202441电子驻波德布罗意还指出：氢原子中电子的圆轨道运动，它所对应的光的量子性与激光光的量子性与激光2.自由粒子的德布罗意波长自由粒子的德布罗意波长若自由电子是经过电场若自由电子是经过电场 U 加速，则有加速，则有例：例：电子经电场加速，加速电压电子经电场加速，加速电压U=100V、U=10000V，电子的德，电子的德布罗意波长布罗意波长=？电子的德布罗意电子的德布罗意波长很短波长很短!1.230.123自由粒子运动速度自由粒子运动速度身彼派栏爵渺蚁诣勿虫蔼伍劈漳它冬灰乎携壕俏批法雍宜杰叛乱补宰茫婆光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/2024422.自由粒子的德布罗意波长若自由电子是经过电场 U 加速，光的量子性与激光光的量子性与激光实验结果：实验结果：当加速电压当加速电压U=54v，在，在 散射角散射角 =500处，射线强度有一极大。处，射线强度有一极大。GANi晶体晶体(1).戴维逊戴维逊革末电子衍射实验革末电子衍射实验(1927)：3.物质波的实验验证物质波的实验验证d0 0d艺强佰压蛀撼谐哉僵挪位砷抿沟芦芬啸癌耗蔗煌旁嘉蠢段奋谩咀侦旬口橡光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202443实验结果：当加速电压U=54v，在 散射角=500处，射光的量子性与激光光的量子性与激光实验结果：实验结果：U=54v，在，在 =500处，射线强度有一极大。处，射线强度有一极大。德氏电子波长：德氏电子波长：Ni的晶格常数：的晶格常数：d 0=2.15取取 k=1理论值与实验理论值与实验值吻合较好值吻合较好!GANi晶体晶体(1).戴维逊戴维逊革末电子衍射实验革末电子衍射实验(1927)：d0 0d五块讽键雕咏桐漫枉昌灾膘松端澎监算县陈盗返密处扬攫刻旗猿素茶蜀亮光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202444实验结果：U=54v，在=500处，射线强度有一极大。德光的量子性与激光光的量子性与激光(2).电子不仅在反射时有衍射现象，电子不仅在反射时有衍射现象，汤姆汤姆逊逊实验证明了电子在穿过金属片后也象实验证明了电子在穿过金属片后也象X 射射线一样产生衍射现象。线一样产生衍射现象。戴维逊和汤姆逊因验证电子戴维逊和汤姆逊因验证电子的波动性分享的波动性分享19371937年的物理年的物理学诺贝尔奖金学诺贝尔奖金.（汤姆逊（汤姆逊1927）（约恩逊（约恩逊1961)诺龋捡云镶锈称塑强翅鲤大县孕荒死袭臭令畔政蓑岸椿允防午这存广制雌光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202445(2).电子不仅在反射时有衍射现象，汤姆逊实验证明了电子光的量子性与激光光的量子性与激光(3).量子围栏量子围栏1993年，年，M.F.Crommie等人等人 Science,1993,262：218。用扫描隧道显微镜技术，把蒸发到铜表面上的用扫描隧道显微镜技术，把蒸发到铜表面上的48个铁原子排列个铁原子排列成圆环形的量子围栏，实验观测到了在围栏内形成的同心圆状成圆环形的量子围栏，实验观测到了在围栏内形成的同心圆状的驻波，它直观地证实了电子的波动性。的驻波，它直观地证实了电子的波动性。在量子围栏内，铜的表面在量子围栏内，铜的表面电子波受到铁原子的强散电子波受到铁原子的强散射作用，与入射的电子波射作用，与入射的电子波发生干涉，形成驻波。发生干涉，形成驻波。量子围栏疤赠检疯县腿斗艺蜜瑞仿皮钙毋穷旁蛹矣及知谷虐把膨亦箍虾份郁亡蔽饵光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202446(3).量子围栏1993年，M.F.Crommie等人 光的量子性与激光光的量子性与激光原子能级及粒子数的正常分布原子能级及粒子数的正常分布原子能级及粒子数的正常分布原子能级及粒子数的正常分布 原原原原子子子子每每每每一一一一个个个个能能能能量量量量状状状状态态态态称称称称为为为为原原原原子子子子的的的的一一一一个个个个能能能能级级级级，其其其其中中中中最最最最低低低低的的的的能能能能级级级级称称称称为为为为基基基基态态态态，高高高高于于于于基基基基态态态态的的的的其其其其余余余余各各各各能能能能级级级级称为称为称为称为激发态激发态激发态激发态。8 光子和原子系统的相互作用光子和原子系统的相互作用 若若若若原原原原子子子子处处处处于于于于热热热热平平平平衡衡衡衡，各各各各能能能能级级级级上上上上粒粒粒粒子子子子数数数数目目目目的的的的分分分分布将服从布将服从布将服从布将服从波尔兹曼波尔兹曼波尔兹曼波尔兹曼正则分布律。正则分布律。正则分布律。正则分布律。室温下，绝大部分原子处于基态。室温下，绝大部分原子处于基态。室温下，绝大部分原子处于基态。室温下，绝大部分原子处于基态。贝朋坷壕市情星扁阴痒堑唾炒扇力茶褐挫洲靡丽思巳盐窑爆筛款蛮媳祟迂光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202447原子能级及粒子数的正常分布 原子每一个能量状态称为原子光的量子性与激光光的量子性与激光光的自发发射、受激发射和受激吸收光的自发发射、受激发射和受激吸收光的自发发射、受激发射和受激吸收光的自发发射、受激发射和受激吸收1.1.自发发射自发发射自发发射自发发射 处处处处于于于于高高高高能能能能级级级级的的的的原原原原子子子子，自自自自发发发发跃跃跃跃迁迁迁迁到到到到低低低低能能能能级级级级上上上上，并辐射出一个光子的过程，称为并辐射出一个光子的过程，称为并辐射出一个光子的过程，称为并辐射出一个光子的过程，称为自发发射自发发射自发发射自发发射。自自自自发发发发发发发发射射射射是是是是一一一一个个个个随随随随机机机机过过过过程程程程，处处处处于于于于高高高高能能能能级级级级的的的的各各各各个个个个原原原原子子子子随随随随时时时时地地地地、独独独独立立立立地地地地自自自自发发发发发发发发射射射射光光光光子子子子，形形形形成成成成一一一一串串串串串串串串波波波波列列列列。这这这这些些些些波波波波列列列列在在在在位位位位相相相相、偏偏偏偏振振振振态态态态和和和和传传传传播播播播方方方方向向向向上上上上都都都都彼彼彼彼此此此此无无无无关关关关，因因因因此此此此自自自自发发发发发发发发射射射射的的的的光光光光波波波波是是是是非非非非相相相相干干干干的。的。的。的。溜母欢偷揽冕潘锗刊破谤怠芳剑医沿暴绎幼港碱叹吴弧矮显何切萄猖鱼精光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202448光的自发发射、受激发射和受激吸收1.自发发射 处于高光的量子性与激光光的量子性与激光光的自发发射、受激发射和受激吸收光的自发发射、受激发射和受激吸收光的自发发射、受激发射和受激吸收光的自发发射、受激发射和受激吸收2.2.受激吸收受激吸收受激吸收受激吸收 处处处处于于于于低低低低能能能能级级级级E E1 1的的的的原原原原子子子子，受受受受到到到到频频频频率率率率为为为为 外外外外来来来来入入入入射射射射光光光光照照照照明明明明时时时时，可可可可以以以以吸吸吸吸收收收收光光光光子子子子能能能能量量量量 =h h =E E2 2-E E1 1而而而而跃迁到高能级跃迁到高能级跃迁到高能级跃迁到高能级E E2 2上的过程，称为上的过程，称为上的过程，称为上的过程，称为受激吸收受激吸收受激吸收受激吸收。3.3.受激发射受激发射受激发射受激发射 处处处处于于于于激激激激发发发发态态态态E E2 2的的的的原原原原子子子子，在在在在受受受受到到到到频频频频率率率率 刚刚刚刚好好好好满满满满足足足足h h =E E2 2-E E1 1的的的的外外外外来来来来光光光光子子子子的的的的激激激激励励励励时时时时，可可可可以以以以由由由由高高高高能能能能级级级级E E2 2跃跃跃跃迁迁迁迁到到到到低低低低能能能能级级级级E E1 1上上上上，并并并并发发发发射射射射一一一一个个个个同同同同频频频频率率率率的的的的光光光光子子子子。这个过程称为这个过程称为这个过程称为这个过程称为受激发射受激发射受激发射受激发射。与与与与自自自自发发发发发发发发射射射射不不不不同同同同，受受受受激激激激发发发发射射射射光光光光子子子子与与与与入入入入射射射射光光光光有有有有相相相相同同同同模模模模式式式式，即即即即受受受受激激激激发发发发射射射射的的的的光光光光波波波波在在在在频频频频率率率率、位位位位相相相相、偏偏偏偏振振振振态态态态等等等等方方方方面面面面都与外来光相同，所以受激发射光波是相干的。都与外来光相同，所以受激发射光波是相干的。都与外来光相同，所以受激发射光波是相干的。都与外来光相同，所以受激发射光波是相干的。悯仕签戊怔吵诡瓜袄拌幕皆穆蹬牡唾仑旭憋励浸蔷颗呼褐滓速鹊篇辗峙诲光的量子性与激光光的量子性与激光7/5/202449光的自发发射、受激发射和受激吸收2.受激吸收 处于光的量子性与激光光的量子性与激光爱因斯坦公式爱因斯坦公式爱因斯坦公式爱因斯坦公式 自自自自发发发发发发发发射射射射过过过过程程程程中中中中，单单单单位位位位时时时时间间间间内内内内从从从从高高高高能能能能级级级级E E2 2跃跃跃跃迁迁迁迁到到到到低低低低能能能能级级级级E E1 1的的的的粒粒粒粒子子子子总总总总数数数数d dN N2121/d/dt t只只只只与与与与始始始始态态态态E E2 2上上上上的粒子数的粒子数的粒子数的粒子数N N2 2成正比，而与辐射场无关，即：成正比，而与辐射场无关，即：成正比，而与辐射场无关，即：成正比，而与辐射场无关，即：对于受激吸收过程，单位时间从低能级对于受激吸收过程，单位时间从低能级对于受激吸收过程，单位时间从低能级对于受激吸收过程，单位时间从低能级E E1 1跃跃跃跃迁到高能级迁到高能级迁到高能级迁到高能级E E2 2的粒子总数的粒子总数的粒子总数的粒子总数d dN N1212/d/dt t，除与始态上，除与始态上，除与始态上，除与始态上的粒子数的粒子数的粒子数的粒子数N N1 1有关，还与频率满足有关，还与频率满足有关，还与频率满足有关，还与频率满足h h =E E2 2-E E1 1的外的外的外的外来入射光的光子数密度来入射光的光子数密度来入射光的光子数密度来入射光的光子数密度u u()成正比。成正比。成正比。成正比。对于受激发射过程，单位时间从能级对于受激发射过程，单位时间从能级对于受激发射过程，单位时间从能级对于受激发射过程，单位时间从能级E E2 2向能向能向能向能级级级级E E1 1跃迁的粒子数，则应满足：跃迁的粒子数，则应满足：跃迁的粒子数，则应满足：跃迁的粒子数，则应满足：爱因斯坦系数爱因斯坦系数爱因斯坦系数爱因斯坦系数拨祭铆碾