量子光学基础课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大学物理学,第二十一章 量子光学基础,上海交通大学物理系,21.1,引言,21.2,普朗克的能量子假说,21.4,氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,21.3,爱因斯坦的光量子假设,21.5,激光器的工作原理,大学物理学：,量子光学基础,2,大学物理学：,量子光学基础,3,热辐射,黑体辐射,基尔霍夫定律,斯特潘,-,玻耳兹曼定律,维恩位移定律,维恩公式,瑞利,-,金斯公式,普朗克量子假设,爱因斯坦光量子假设,光电效应,康普顿散射,光的粒子性,光的波粒二象性,光的波动性,黑体辐射问题,“紫外灾难” ；,光电效应,n,n,0,无论,I,多大,没有光电子逸出;,而它的能量只与,n,有关,和,I,无关,；,原子的线状光谱及其规律,巴尔末,公式的物理机制？,原子稳定性；,固体分子的比热问题:,0；,经典物理的几个困难：,两大新理论的诞生： ,狭义和广义相对论；,量子力学,大学物理学：,引言,4,21.1,引言,量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到 20 世纪 30 年代，就建立了一套完整的量子力学理论.,量子力学,宏观领域,经典力学,现代物理的理论基础,量子力学相 对 论,量子力学,微观世界的理论,起源于对波粒二相性的认识,大学物理学：,引言,5,所有物体在任何温度下都要发射,电磁波，,这种与温度有关的辐射称为,热辐射,(heat radiation),。,热辐射的电磁波的波长、强度与物体的温度有关，还与物体的性质表面形状有关。,21-2,普朗克的能量子假说,1.,热辐射的基本概念,一、热辐射现象,False-colour infrared image of Whirlpool galaxy,Thermogram of man,大学物理学：,普朗克的能量子假说,6,单色辐出度,M,：,为了描述物体辐射能量的能力，,定义,物体,单位表面,在,单位时间,内发出的波长在,附近,单位波长,间隔内的电磁波的能量，为单色辐出度,M,，,即,辐出度,M,(,T,):,物体从单位面积上发射的所有,各种波长,的辐射总功率称为物体的总辐出度,M,(,T,),大学物理学：,普朗克的能量子假说,7,单色吸收比,:,当辐射从外界入射到物体表面时，在,到,+d,的波段内吸收的能量,“,E,吸收,d,”,与入射的总能量,“,E,入射,d,”,之比,:,吸收比,:,当辐射从外界入射到物体表面时，,吸收能量与入射总能量之比,:,吸收能力的量度,大学物理学：,普朗克的能量子假说,8,同一个物体的发射本领和吸收本领有内在联系,室温下的反射光照片,1100K,的自身辐射光照片,2.,基尔霍夫定律,大学物理学：,普朗克的能量子假说,9,基尔霍夫定律：,实验发现，在温度一定时物体在某波长,处的单色辐出度与单色吸收比的比值与物体及其物体表面的性质无关，即,一个,好的发射体一定也是好的吸收体。,大学物理学：,普朗克的能量子假说,10,黑体,:,能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体,显然，黑体的,吸收比和单色吸收比为,100%,黑体是最理想模型，（如图）在不透明材料围成的空腔上开一个小孔。该小孔的可认为是黑体的表面。,黑体能吸收各种频率的电磁波，也能辐射各种频率的电磁波。,思考：,黑色的物体是黑体吗？,大学物理学：,普朗克的能量子假说,11,二、 黑体辐射的基本规律,测定黑体辐出度的实验简图,P,L,2,B,2,A,L,1,B,1,C,A,为黑体,B,1,PB,2,为分光系统,C,为热电偶,大学物理学：,普朗克的能量子假说,12,实验结果,:,0 2 4 6 8 10 12,钨丝和太阳的单色辐出度曲线,2,12,10,4,6,8,太阳,可见光区,钨丝（5800,K）,太阳,（5800,K）,钨丝,医学物理学：,黑体辐射,13,0 1000 2000,1.0,0.5,黑体辐射规律,:,可见光区,3000,K,6000,K,（1）,斯忒藩,玻尔兹曼定律,斯忒藩,玻尔兹曼常量,（2）,维恩位移定律,常量,峰值波长,大学物理学：,普朗克的能量子假说,14,大学物理学：,普朗克的能量子假说,15,以上两个实验定律是,遥感,、,高温测量,和,红外追踪,等技术的物理基础。,（,3,）,维恩定律,（,c,2,和,c,3,为经验参数）,4,0,1,2,3,5,6,7,8,9,维恩线,大学物理学：,普朗克的能量子假说,16,（,4,）,瑞利-金斯定律,4,0,1,2,3,5,6,7,8,9,瑞利-金斯线,大学物理学：,普朗克的能量子假说,17,经典理论在短波区域的失败成为“,紫外灾难,”,。,（,5,）,普朗克,经验公式,4,0,1,2,3,5,6,7,8,9,大学物理学：,普朗克的能量子假说,18,近代伟大的德国物理学家，量子论的奠基,人，一九一八年获诺贝尔物理学奖。,(18581947),大学物理学：,普朗克的能量子假说,19,在长波情况下：,瑞利-金斯公式,大学物理学：,普朗克的能量子假说,20,在短波情况下：,维恩公式,大学物理学：,普朗克的能量子假说,21,三、普朗克的能量子假设,普朗克常量,能量子,为单元来吸收或发射能量.,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,普朗克黑体辐射公式,空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为,大学物理学：,普朗克的能量子假说,22,经典理论的基本观点：,（1）电磁辐射来源于带电粒子的振动，电磁波的频率与振动频率相同。,（2）振子辐射的电磁波含有各种波长，是连续的，辐射能量也是连续的。,（3）温度升高，振子振动加强，辐射能增大。,大学物理学：,普朗克的能量子假说,23,光电效应：,当一束光照射在金属表面上时，金属表面有电子逸出的现象。,G,V,K,A,-,一、光电效应,21.3,爱因斯坦的光量子假设,大学物理学：,爱因斯坦的光量子假设,24,光电效应的实验规律,:,电流饱和值,（光强）,增加电压,U,，,光电流随之增加，直至饱和。,当反向电压,U=U,s,时,光电流,I =,0,。,对应的电压称为,遏止电压,.,电压,U =,0,时，光电流,I,0,U,s,对应于光电子刚好不能到达,A,极,。,遏止电压,大学物理学：,爱因斯坦的光量子假设,25,截止频率（红限）,几种纯金属的,截止,频率,仅当 才发生光电效应，截止频率与,材料有关,与,光强无关,.,金属,截止频率,4.545,5.50,8.065,11.53,铯 钠 锌 铱 铂,19.29,电子逸出金属表面要克服逸出电势做功，这个功称为,逸出功,.,遏止电压 与光强无关,与入射光频率具有线性关系.,光电效应瞬时响应的性质。,t ,m,),谱线的波数可以表示为两光谱项之差。,光谱项：,广义巴尔末公式：,大学物理学：,氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,47,二、经典原子模型的困难,汤姆逊面包夹葡萄干模型,-,-,-,-,-,-,整个原子呈胶冻状的球体，正电荷均匀分布于球体上，而电子镶嵌在原子球内，在各自的平衡位置作简谐振动并发射同频率的电磁波,。,卢瑟福的核式模型,大学物理学：,氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,48,+,-,粒子散射,原子的核式模型：,原子由原子核和核外电子构成，原子核带正电荷，占据整个原子的极小一部分空间，而电子带负电，绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一样。,大学物理学：,氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,49,经典核模型的困难,根据经典电磁理论，电子绕核作匀速圆周运动，作加速运动的电子将不断向外辐射电磁波 .,+,原子不断地向外辐射能量，,能量逐渐减小，电子绕核旋转的频率也逐渐改变，发射光谱应是连续谱；,由于原子总能量减小，电子,将逐渐的接近原子核而后相遇，原子不稳定 .,+,大学物理学：,氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,50,玻尔假设：,1、原子中的电子只能在一些分裂的轨道上运行，在每一个轨道上运动电子处于稳定的能量状态。,而轨道的角动量呈量子化。,2、当电子从一个能态轨道向另一个能态轨道跃迁时，要发射或吸收光子。,三、玻尔的氢原子理论,3,、对应原理：在极限条件下，新理论应与旧理论形式一致。新理论应包含一定经验范围内证明是正确的旧理论。,玻尔氢原子理论在量子数,n,很大时，应与经典理论一致。,大学物理学：,氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,51,(18851962),丹麦物理学家,哥本哈根学派的创始人,1922年获诺贝尔物理奖。,大学物理学：,氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,52,玻尔量子化条件：,电子的轨道半径：,大学物理学：,氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,53,轨道能量：,氢原子的基态能量：,氢原子能级：,大学物理学：,氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,54,莱曼系,巴尔末系,帕邢系,布拉开系,普丰德系,氢原子能级图,-13.58,-3.39,-1.51,-0.85,-0.54,0,E,n,(eV),1,2,3,5,4,大学物理学：,氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,55,比较,大学物理学：,氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,56,例,如用能量为,12.6 eV,的电子轰击氢原子，将产生那些,光,谱线？,解：,可取,n = 3,大学物理学：,氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,57,可能的能级跃迁,：,3,1,，,32,，,21,大学物理学：,氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,58,普通光源,-,自发辐射,激光光源,-,受激辐射,前言,激光又名镭射,(Laser),，,它的全名是,“辐射的受激发射光放大”。,(,L,ight,A,mplification by,S,timulated,E,mission,of,R,adiation),大学物理学：,激光器的工作原理,59, 21-5,激光器的工作原理,一,.,特点：,方向性极好,（发散角,10,-4,弧度）,脉冲瞬时功率大,（可达,10,14,瓦）,空间相干性好，有的激光波面上,各个点都是相干光源。,时间相干性好（,10,- 8,埃），,相干长度可达几十公里。,相干性极好,亮度极高,大学物理学：,激光器的工作原理,60,按工作方式分,连续式（功率可达,10,4,W,）,脉冲式（瞬时功率可达,10,14,W,）,三,.,波长：,极紫外可见光亚毫米,(100 n m,） （,1.222 m m,）,二,.,种类：,固体（如红宝石,Al,2,O,3,）,液体（如某些染料）,气体（如,He-Ne,，,CO,2,）,半导体（如砷化镓,GaAs,）, ,按工作物质分,大学物理学：,激光器的工作原理,61,1.,粒子数按能级分布：,玻尔兹曼分布,在热平衡条件下，处在高能级上的粒子的数目总是少于低能级上的粒子的数目；,绝大多数的粒子都处在基态，能级能量越高，粒子数越少。,如：氖原子3,s,激发态与基态在常温下(,T=300K)，,两能级的粒子数之比为,N,2,/N,1,=e,-,653,1,大学物理学：,激光器的工作原理,62,一、自发辐射 受激辐射和吸收,2.,自发辐射,(spontaneous radiation),设,N,1,、,N,2,单位体积中处于,E,1,、,E,2,能级的原子数。,单位体积中单位时间内， 从,E,2,E,1,自发辐射 的原子数：,E,2,E,1,N,2,N,1,h,大学物理学：,激光器的工作原理,63,写成等式,21,自发辐射系数，单个原子在单位,时间内发生自发辐射过程的概率。,各原子自发辐射的光是独立的、,无关的 非相干光 。,：平均寿命,大学物理学：,激光器的工作原理,64,3,受激辐射,(stimulated radiation),E,2,E,1,N,2,N,1,全同光子,h,受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同,-,有光的放大作用,。,大学物理学：,激光器的工作原理,65,单位体积中单位时间内， 从,E,2,E,1,受激辐射 的原子数：,W,21,受激,辐射系数,u,(,n,),频率,n,附近单位频率间隔的外来光强度,4.,受激吸收,(absorption),E,2,E,1,N,2,N,1,h,上述外来光也有可能被吸收，使原子从,E,1,E,2,。,大学物理学：,激光器的工作原理,66,单位体积中单位时间内， 从,E,1,E,2,受激吸收 的原子数：,二、粒子数反转 和光放大,热平衡时，诱发受激辐射的光子遇到低能级上粒子而发生吸收的概率远远遇到高于高能级上的粒子而发生受激辐射的概率。,受激辐射过程胜过吸收过程，必须使得处在高能级上的粒子数目大于低能级上的粒子数目，称为,粒子数反转,。,能实现粒子数反转的物质,工作物质,有适当的能级结构，亚稳态,外界提供能量，泵浦(抽运)。,大学物理学：,激光器的工作原理,67,三、激光器的工作原理,1.激光器的结构,常用激光器由三部分组成：,工作物质,泵浦源,光学谐振腔,工作物质,激励能源,谐振腔,实现粒子数反转工作物质,抽送粒子到激发态，从而形成粒子数反转激励装置,实现光放大光学谐振腔,大学物理学：,激光器的工作原理,68,具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。,红宝石激光器（三能级系统）,E,2,E,3,E,1,E,2,E,3,E,1,(10,-8,s),E,2,E,3,E,1,(10,-3,s),2,.工作物质,红宝石激光：,6943,A,大学物理学：,激光器的工作原理,69,梅曼和第一只激光器,红宝石激光器,大学物理学：,激光器的工作原理,70,氦氖激光器（四能级系统）,E,1,E,2,E,3,E,4,E,1,E,2,E,3,E,4,(10,-8,s),(10,-3,s),氦氖激光：,6328,A,大学物理学：,激光器的工作原理,71,工作物质,全反射镜,部分反射镜,谐振腔长度：,3.,光学谐振腔,在工作物质的两端安置两块反射镜面，一个是全反射镜，一个是部分反射镜，这对反射镜面及其间的空间称为光学谐振腔。,沿光轴方向运动的光子，反复多次反射产生雪崩式放大，从部分反射镜射出形成激光。,大学物理学：,激光器的工作原理,72,激光工作物质,全,反,射,镜,半,反,射,镜,工作原理：,out,光放大原理,谐振腔的作用：,（1）维持光振荡，起到光放大作用；,（2）使激光产生极好的方向性；,（3）使激光的单色性好，能选频；,大学物理学：,激光器的工作原理,74,相邻纵模频率间隔：,本身谱线宽度如果小于相邻纵模频率间隔，则只可能存在一个纵模，使激光具有很好的单色性。,4.,增益系数,要形成激光，要求增益至少要大于损耗。,