14光的量子性与激光分析优秀PPT

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,*,光的量子性与激光物理基础,第十四章,物体在任何温度下都向外辐射电磁波,热辐射,14-1,黑体辐射 普朗克能量子假设,平衡热辐射,物体具有稳定温度,放射电磁辐射能量,吸取电磁辐射能量,相等,一、 黑体、黑体辐射,假如一个物体能全部吸取投射在它上面的辐射而无反射，这种物体称为黑体。,黑体模型,黑体,单位时间物体单位表面积放射的各种波长的总辐射能.,单色辐出度,单位时间内,从物体表面单位面积上发出的，,波长在旁边单位波长间隔内的辐射能.,辐射出射度,(,辐出度,),确定黑体的单色辐出度按波长分布曲线,0 1 2 3 4 5 6,(nm),1700K,1500K,1300K,1100K,二,、,斯特藩,玻尔兹曼定律,维恩位移定律,每条曲线下的面积等于确定黑体在确定温度下,的辐射出射度,斯忒藩常数,1,、,斯特藩,玻尔兹曼定律,维恩位移定律,:,维恩位移定律指出：当确定黑体的温度上升时，单色辐出度最大值向短波方向移动。,2,、,维恩,(Wien),位移定律,最大值所对应的波长 称为,峰值波长。,例,假设太阳表面的特性和黑体等效，测得太阳,表面单色辐出度的最大值所对应的波长为,465nm,。,试估计太阳表面的温度和单位面积上的辐射功率,解：,三、,普朗克的量子假说,瑞利-金斯阅历公式,维恩阅历公式,1.,经典理论的困难,o,(nm),1 2 3 5 6 8 9,4,7,试验值,维恩,瑞利,-,金斯,紫,外,灾,难,2.,普朗克量子假设,能量子假设：(1)组成黑体壁的分子、原子可看作是带电的线性谐振子，可以吸取和辐射电磁波。,(2)这些谐振子只能处于某种特殊的能量状态，它的能量取值只能为某一最小能量 (称为能量子)的整数倍，即：,(,n,为正整数,),h,称为普朗克常数，,正整数,n,称为量子数。,在能量子假设基础上，普朗克得到了黑体辐射公式：,c,光速,k,玻尔兹曼恒量,e,自然对数的底,o,(nm),1 2 3 4 5 6 7 8 9,普朗克,实验值,M.V.普朗克,探讨辐射的量子理论，发觉基本量子，提出能量量子化的假设,1918,诺贝尔物理学奖,I,s,饱,和,电,流,光 强 较 强,I,U,a,O,U,光 强 较 弱,遏,止,电,压,光电效应伏安特性曲线,光电效应试验装置,O,O,O,O,O,O,V,G,A,K,B,O,O,14-2,光电效应,光的波粒二象性,一、光电效应的试验规律,2 .,光电子初动能和入射光频率的关系,1.,光电流与入射光光强的关系,试验指出：饱和光电流和入射光光强成正比。,当反向电压加至 时光电流为零，称 为,遏止电压,。,遏止电压的存在说明光电子具有初动能，且：,试验指出：遏止电压和入射光频率有线性关系,o,U,a,o,3,、存在截止频率（红限）,对于给定的金属，当照射光频率 小于某一数值,（称为红限）时，无论照射光多强都不会产生光电效,应。,4 .,光电效应瞬时响应性质,实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光,电子出现只需要 的时间。,1. 按经典理论光电子的初动能应确定于入射光的光强，而不确定于光的频率。,经典电磁波理论的缺陷,3. 无法说明光电效应的产生几乎无须时间的积累。,2. 无法说明红限的存在。,二、,光子,爱因斯坦光电效应方程,爱因斯坦光电效应方程,爱因斯坦光子假说,：一束光是以光速,c,运动的粒子流，这些粒子称为光量子，简称光子。,光子的能量为：,一,部分转化为光电子的动能，即：,金属中的自由电子吸收一个光子能量,以后，,一部分用于电子从金属表面逸出所需的逸,出功,W,，,3. 从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率,成线性关系。,爱因斯坦对光电效应的说明：,2. 电子只要吸取一个光子就可以从金属表面逸出，,所以无须时间的累积。,1.,光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以,光电流也大。,4.从光电效应方程中，当时动能为零时，可得到,红限频率：,因为：,由于光子速度恒为,c,，所以光子的,“,静止质量,”,为零,.,光子质量,:,光子的动量：,光子能量,:,三、光的波粒二象性,光子的能量 质量 ，动量 是表示粒子特性的,物理量，,而波长 ，频率 则是表示波动性的物理量，,这就表示光子不仅具有波动性，同时也具有粒子性，,即具有波粒二象性。,A.爱因斯坦,对现物理方面的贡献，特殊是阐明光电效应的定律,1921,诺贝尔物理学奖,例：在铝中移出一个电子须要4.2eV的能量，波长为,200nm的光射到其表面，求：,1、光电子的最大动能,2、遏止电压,3、铝的红限波长,解：,例 依据图示确定以下各量,1、钠的红限频率,2、普朗克常数,3、钠的逸出功,解：由爱因斯坦方程,其中,遏制电压与入射光频关系,钠的遏止电压与,入射光频率关系,从图中得出,从图中得出,钠的遏止电压与,入射光频率关系,普朗克常数,钠的逸出功,钠的遏止电压与,入射光频率关系,14-3,康普顿效应,1922-1933年间康普顿(A.H.Compton)视察X射线通过物质散射时，发觉散射的波长发生变更的现象。,1927,诺贝尔物理学奖,康普顿试验装置示意图,X,射线管,X,射线谱仪,光阑,石墨体（散射物）,晶体,康普顿试验现象,(2),当散射角,增加时，波长改变 也随着增加,.,(1),散射光中除了和入射光波长 相同的射线之外，还出现一种波长 大于 的新的射线。,(3)在同一散射角下，全部散射物质的波长变更都相同。,石,墨,的,康,普,顿,效,应,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,=0,=45,=90,=135,O,O,O,O,(a),(b),(c),(d),o,相,对,强,度,（,A,）,0.700,0.750,波长,经典电磁理论在说明康普顿效应的困难,(1)依据经典电磁波理论，当电磁波通过散射物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所放射的散射光频率应等于入射光频率.,(2)无法说明波长变更和散射角的关系。,光子理论对康普顿效应的说明,光子理论认为康普顿效应是高能光子和低能自由电子作弹性碰撞的结果：,(1)若光子和散射物外层电子（相当于自由电子）相碰撞，光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量削减，因此波长变长，频率变低。,(2)若光子和被原子核束缚很紧的内层电子相碰撞时，就相当于和整个原子相碰撞，由于光子质量远小于原子质量，碰撞过程中光子传递给原子的能量很少， 碰撞前后光子能量几乎不变，故在散射光中照旧保留有波长0的成分。,康普顿效应的定量分析,Y,X,Y,X,（,1,）碰撞前,（,2,）碰撞后,（,3,）动量守恒,光子在自由电子上的散射,X,能量守恒,:,动量守恒,:,X,康普顿散射公式,电子的康普顿波长,我国物理学家吴有训在与康普顿共同探讨中还发觉：,原子量小的物质康普顿散射较强，原子量大的物质康普顿散射较弱；,14-4,氢原子的玻尔理论,H,H,H,H,6562.3,4861.3,4340.5,4101.7,1885年巴尔末(Balmer)找到了一个阅历公式：,B,=3645.7,n,=3,、,4,、,5.,一、氢原子光谱的规律性,里德伯常数,n,=3,4,5,.,波数（波长的倒数）表征谱线，表示单位长度内所包含完整波长的数目。,n,k,=1,2,3,.,广义巴尔末公式,(1)氢原子光谱是分立的线状光谱，各条谱线具有确定的波长；,(2)每一谱线的波数可用两个光谱项之差表示；,(3)前项保持定值，后项变更，就给出同一谱线系的各条谱线的波长。,(4)变更前项,就给出不同的谱系。,氢原子光谱规律：,n,k,=1,2,3,.,1912年卢瑟福提出了原子核式结构：原子中的全部正电荷和极大部分质量都集中在原子中心一个很小的体积内，称为原子核，原子中的电子在核的四周绕核运动。,二、,经典原子模型的困难,1.,卢瑟福,原子模型,2.,经典理论的困难,1),原子是”短命“的,电子绕核运动是加速运动必向外辐射能量，电子轨道半径越来越小，直到掉到原子核与正电荷中和，这个过程时间10-10秒，因此不行能有稳定的原子存在。,2),原子光谱是连续光谱,因电磁波频率 r-3/2，半径的连续变更，必导,致产生连续光谱。,三、,玻尔的氢原子理论,玻尔理论的基本假设,(1) 定态假设原子系统只存在一系列不连续的能量状态，其电子只能在一些特殊的圆轨道中运动，在这些轨道中运动时不辐射电磁波。这些状态称为定态，相应的能量取不连续的量值 E1、E2、E3.。,(2),跃迁假设,当原子从一个较大的能量,E,n,的稳定状态跃迁到另一较低能量,E,k,的稳定状态时，辐射一个光子，光子频率为,反之，当原子在较低能量Ek的稳定状态时，吸取了一个频率为nk的光子能量就可跃迁到较大能量En的稳定状态。,电子轨道是量子化的,(3),轨道角动量量子化假设,电子作圆轨道运动时，角动量只能取,h,/2,的整数。,其中,n,为正整数。,玻尔半径,定态能量是量子化的,n,=1,、,2,、,3,、,4,激发态能级,基态能级,-13.6,-,3.39,-,1.51,-,0.85,0,4,8,1,n,=,2,n,=,3,n,=,氢原子能级图,基态,激,发,态,电离态,氢原子从基态变,成电离态所需的氢,原子的,电离能,为：,与里德伯公式比照：,计算值：,实验值：,玻尔理论的成功与局限,成功,：解释 了,H,光谱，尔后有人推广到类,H,原子,（ ）也获得成功（只要将电量换成,Ze,（,Z,为原序数）。他的定态跃 迁的思想至今仍是正确的。并且它是导致新理论的跳板。,1922,年获诺贝尔奖。,局限：只能说明H及类H原子，也说明不了原子,的精细结构。,缘由：它是半经典半量子理论的产物。还应用了,经典物理的轨道和坐标的概念.,n,氢原子光谱中的不同谱线,6562.79,4861.33,4340.47,4101.74,1215.68,1025.83,972.54,18.75,40.50,赖曼系,巴尔末系,帕邢系,布喇开系,-13.6,-3.39,-1.51,-0.85,0,E,eV,1,2,3,4,8,连续区,n,=,n,=,n,=,例,14-5,试计算氢原子中巴耳末系的最短波长和最长波长各是多少？,解：,依据巴耳末系的波长公式，其最长波长应是n=3n=2跃迁的光子，即,最短波长应是,n,=,n,=2,跃迁的光子，即,例 (1)将一个氢原子从基态激发到n=4的激发态须要多少能量？(2)处于n=4的激发态的氢原子可发出多少条谱线？其中多少条可见光谱线，其光波波长各多少？,解：,(1)使一个氢原子从基态激发到n=4 激发态需供应能量为,(2)在某一瞬时，一个氢原子只能放射与某一谱线相应的确定频率的一个光子，在一段时间内可以发出的谱线跃迁如图所示，共有6条谱线。,由图可知，可见光的谱线为,n,=4,和,n,=3,跃迁到,n,=2,的两条，辐射出光子相应的波数和波长为：,14-5,光的自发辐射 受激辐射,、,光放大,一,、,原子的,自发幅射,光与原子体系相互作用，同时存在吸取、自发辐射和受激辐射三种过程。,在没有任何外界作用下，激发态原子,自发地,从高能级,E,2,向低能级,E,1,跃迁，同时辐射出一光子。,满足条件：h=E2-E1,随机过程，用概率描述,n,2,t,时刻处于能级,E,2,上的原子数密度,单位时间内从高能级,E,2,自发,跃迁到低 能级,E,1,的原子数密度,A,21,自发辐射概率（自发跃迁率）,：表示一个 原子在单位时间内从,E,2,自发辐射到,E,1,的概率,自发辐射过程中各个原子辐射出的光子的相位、偏振状态、传播方向等彼此独立，因而,自发辐射的光是非相干光,。,受激吸取,处在低能级E1的原子受到能量等于h=E2-E1的光子的照射时，吸取这一光子跃迁到高能级E2的过程。,二、受激辐射和受激吸取,受激辐射,处在高能级,E,2,的原子，受到能量为,h,=,E,2,-,E,1,的外来光子,的,激励,，由高能级,E,2,受激跃迁,到低能级,E,1,，同时辐射出一个,与激励光子全同,(,即频率、相位、偏振状态、传播方向等均同,),的光子。,E,2,E,1,h,E,2,E,1,h,h,受激辐射,激励光强,比例系数,受激辐射系数（由原子本身性质确定）,受激,辐射,跃迁概率,单位时间内从,高能级,E,2,受激,跃迁到,低能,级,E,1,的原子数密度,W,21,表示一个原子在单位时间内从,E,2,受激辐射,跃迁到,E,1,的概率,受激辐射的光放大,受激吸取的概率与受激辐射的概率是相等的。,若处在高能级的原子数大于低能级的原子数，可以实现受激辐射光放大。,14-6,激光器的原理,自从美国人梅曼制造出第一台激光器以后，到今日人们对激光并不生疏，如激光开刀，可自动止血；全息激光照片可以假乱真；还有激光照排、激光美容等.。激光首先是应用在军事上。现代斗争离不开激光。,L,ight,A,mplification by,S,timulated,E,mission,of,R,adiation,激光,Laser,受激辐射光放大,一、粒子数反转分布,依据玻尔兹曼能量分布律,热动平衡下，,N,2,N,1,，,即,处于高能级的原子数大大少于低能级的原子数,粒子数的正常分布,受激辐射占支配地位,粒子数反转,高能级上的粒子数超过低能级上的粒子数,粒子数正常分布,为了有效地产生激光，要变更这种分布，形成,粒子数反转的状态。,E,1,E,2,E,3,E,4,能,量,N,1,N,2,粒子数反转状态,E,1,E,2,N,1,N,2,实现粒子数反转的条件：,要有实现粒子数反转分布的物质，这种物质具有,适当的能级结构；,必需从外界输入能量，使工作物质中尽可能多的,粒子处于激发态。（激励或泵浦）,激励方法：,光激励、电激励、化学激励,工作物质的能级结构：,具有亚稳态,(,寿命较长,),只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转,工作跃迁,电子碰撞,碰撞转移,He,、,Ne,原子部分能级图,二、光学谐振腔,输出,全反射镜,（,100%,反射镜）,部分透光反射镜,（,98%,反射）,使受激辐射在有限体积的激活介质中能持续进行，光可被反复放大形成稳定振荡的装置。,工作物质,：具有亚稳态能级结构,光学谐振腔,：维持光振荡,激励（又叫泵浦）系统：供应能量，输出激光,三、激光器,按工作物质分类：,固体激光器,液体激光器,气体激光器,半导体激光器,自由电子激光器,按激励方式分类：,光泵式激光器,电激励式激光器,化学激光器,热泵式激光器,核泵式激光器,按运转方式分类：,连续激光器,脉冲激光器,调,Q,激光器,稳频激光器,可调谐激光器,按输出波长分类：,远红外直到,X,射线激光器,一、激光的特性,14-7,激光的特性与应用,方向性好,-,激光的发散角小,=25mrad,（毫弧度）,(1km时间斑直径10m),激光器,Laser,H,e,-N,e,激光经纬仪,测月红宝石激光器,=0.031mrad,=410,-5,mrad,D=1.6km,亮度高、强度大,发的光不相干,发的光相干,各原子发的光是非相干叠加,各原子发的光是相干叠加,因此光强大,因此光强小,普通光源,激光光源,氧炔焰强度,大功率激光器,激光所包含的波长或频率范围微小,一般光源单色性最好的氪灯，其中心波长605.7 nm,波长范围：,He-Ne Laser,中心波长,632.8 nm,波长范围：,高度单色性,高度相干性,相干性越好则光场中任取两点作光源所产生的干涉和衍射的条纹越清晰。,相干时间,相干长度,激光光波谱线宽度很窄，因此有很好的相干性。,相干时间或相干长度越长，光的时间相干性越好。,二、激光的应用,4,、激光在受控核聚变中的应用,3,、光信息处理和激光通信,2,、激光加工与激光医疗,1,、激光测距,干涉测长、激光调制测距、激光雷达测距,打孔、切割、焊接 、外科手术刀、武器,光盘的高速高密记录、激光打印机,5,、激光的非线性效应,激光光纤通讯,由于光波的频率,比电波的频率高,好几个数量级，,一根极细的光纤能承载的信息量，相当于图片中这么粗的电缆所能承载的信息量。,激光手术刀,（不需开胸，不住院）,照明束,：照亮视场,纤维镜激光光纤：,成象,有源纤维强激光：,使堵塞物熔化,臂动脉,主动脉,冠状动脉,内窥镜,附属通道,有源纤维,套环,纤维镜,照明束, 附属通道：,（可注入气或液）,解除残物以明视线,套环：,（可充、放气）,阻挡血流或使血流流通,激光,原子力显微镜,(AFM),用一根钨探针或硅,探针在距试样表面,几毫微米的高度上,反复移动,来探测固,体表面的状况。,试样通常是,微电子器件。,激光,-,原子力显微镜,（,AFM,）,激光器,分束器,布喇格室,棱镜,检测器,反馈机构,接计算机,微芯片,压电换能器,压电控制装置,