严第十六章光的量子性和激光基础 光的波动性 可以很好地解释光传播时的干涉、衍射、偏 天津大学精仪学院 振等现象 光的量子性 黑体辐射、光电效应等 天津大学作 24
1 第十六章 光的量子性和激光基础 光的波动性 可以很好地解释光传播时的干涉、衍射、偏 振等现象。 光的量子性 黑体辐射、光电效应等
第一节光的量子性 、光电效应与爱因斯坦光子学说 、光电效应规律(如图16-1所示) (1)对某一光电阴极材料而言,在入射光频率不变的条件下, 饱和电流的大小与入射光的强度成正比 (2)光电子的能量与入射光的强哭无关,而只与入射光的频率有关, 天津大学精仪学院 频率越高,光电子的能量越大。 (3)入射光有一截止频率,在这个极限频率以下,不论入射光多强, 照射时间多长,都没有光电子发射。这一截止频率称为光电效 应的红限。不同的金属具有不同的红限 (4)即使光的强度非常弱,只要照射光的频率大于某一极限值,在 开始照射后就有光电子产生,不存在一个可测的弛豫时间。 2、爱因斯坦光子学说 天津大学作 24
2 第一节 光的量子性 一、光电效应与爱因斯坦光子学说 1、光电效应规律（如图16－1所示） （1）对某一光电阴极材料而言，在入射光频率不变的条件下， 饱和电流的大小与入射光的强度成正比。 （2）光电子的能量与入射光的强哭无关，而只与入射光的频率有关， 频率越高，光电子的能量越大。 （3）入射光有一截止频率，在这个极限频率以下，不论入射光多强， 照射时间多长，都没有光电子发射。这一截止频率称为光电效 应的红限。不同的金属具有不同的红限。 （4）即使光的强度非常弱，只要照射光的频率大于某一极限值，在 开始照射后就有光电子产生，不存在一个可测的弛豫时间。 2、爱因斯坦光子学说
二、光的波粒二象性 光既表现出明显的波动性,又表 天津大学精仪学院 现出勿容置疑的粒子性,这就是光的 波粒二象性。 天津大学作 24
3 二、光的波粒二象性 光既表现出明显的波动性，又表 现出勿容置疑的粒子性，这就是光的 波粒二象性
、光发射与吸收的量子模型及激发方式 1丶光发射与吸收的量子模型 天津大学精仪学院 2丶激发方式(加热、辐射激发丶碰撞激发 天津大学作 24
4 三、光发射与吸收的量子模型及激发方式 1、光发射与吸收的量子模型 2、激发方式（加热、辐射激发、碰撞激发）
第二节光的自发发射、受激发射 和受激吸收 、光的自发发射 处在高能级上的原子,都具有向往稳定而自发地回到地能 级状态的特性。当它们纷纷回袄低能级时,它们就以光的形式 天津大学精仪学院 释放出能量来。这就是原子的自发发射。由于每个原子的跃迁 都是自发和独立进行的,因此它们辐射出的光波方向和相位都 不一致。对于二能级系统中的原子跃迁来说,它们发射出的光 波列的频率是相同的,但相位却是不相关的,波列的偏振方向 和传播方向也是随机分布的。因此原子自发发射出来的光波, 在物理上称之为非相干的自然光 天津大学作 自发发射几率与激发态寿命成反比 24
5 第二节 光的自发发射、受激发射 和受激吸收 一、光的自发发射 处在高能级上的原子，都具有向往稳定而自发地回到地能 级状态的特性。当它们纷纷回袄低能级时，它们就以光的形式 释放出能量来。这就是原子的自发发射。由于每个原子的跃迁 都是自发和独立进行的，因此它们辐射出的光波方向和相位都 不一致。对于二能级系统中的原子跃迁来说，它们发射出的光 波列的频率是相同的，但相位却是不相关的，波列的偏振方向 和传播方向也是随机分布的。因此原子自发发射出来的光波， 在物理上称之为非相干的自然光。 自发发射几率与激发态寿命成反比
二、光的受激发射 光子作用于高能级的原子上时会产生受激发射 若输入一个光子,则输出两个光子。在受激发射的过程中,光子数 获得了放大。受激发射的光子与入射光子频率相同、相位相同,偏振方 向和传播方向也相同,二者是完全相干的 受激发射几率与自发发射几率不同,前者与入射光强有关,后者是 个常数 天 津 、受激吸收 大 低能态的原子吸收光子的能量才能被抽运到高能态上;原子对光能 学量的吸收是有选择性的 精 受激吸收几率是一个与入射光强有关的参数。 仪 受激吸收与受激发射并非简单的逆过程。受激吸收是靠消耗外来光 学子能量来完成泵浦过程,即把低能级上的原子抽运到高能级上去。而受 院 激发射则是靠高能级的原子发射光子来完成光放大过程 天大岁频四、爱因斯坦系数关系式 24
6 二、光的受激发射 光子作用于高能级的原子上时会产生受激发射。 若输入一个光子，则输出两个光子。在受激发射的过程中，光子数 获得了放大。受激发射的光子与入射光子频率相同、相位相同，偏振方 向和传播方向也相同，二者是完全相干的。 受激发射几率与自发发射几率不同，前者与入射光强有关，后者是 一个常数。 三、受激吸收 低能态的原子吸收光子的能量才能被抽运到高能态上；原子对光能 量的吸收是有选择性的。 受激吸收几率是一个与入射光强有关的参数。 受激吸收与受激发射并非简单的逆过程。受激吸收是靠消耗外来光 子能量来完成泵浦过程，即把低能级上的原子抽运到高能级上去。而受 激发射则是靠高能级的原子发射光子来完成光放大过程。 四、爱因斯坦系数关系式
第三节激光的基本原理 、光在激活介质中的放大 泵浦 天津大学精仪学院 粒子数反转 °自发辐射 受激辐射 °激光器组成 天津大学作 24
7 第三节 激光的基本原理 一、光在激活介质中的放大 •泵浦 •粒子数反转 •自发辐射 •受激辐射 •激光器组成
光学谐振腔的作用 1、谐振腔的作用及激光振荡阈值条件 2、激光纵膜 ↓增益 增益 增益包络线 天津大学精仪学院 振荡阖值 增益包络线 振荡值 a四个纵模 b)一个纵模 图16-6激光器中的振荡频率 天津大学作 8 24
8 二、光学谐振腔的作用 1、谐振腔的作用及激光振荡阈值条件 2、激光纵膜 图16－6 激光器中的振荡频率
第四节激光器的类型 、激光器的类型 目前,常用的激光器按照增益介质的种类可分为气体激光器 固体激光器、半导体激光器、液体激光器四类。而按激光 天津大学精仪学院 器的工作方式不同又可分为连续激光器与脉冲激光器。 1、气体激光器 气体激光器一般采用电激发,其效率高、寿命长,长使用在 连续方式。由于气体介质的均匀性好,易得到频率稳定的单 模输岀,激光相干性好,常用于精密测量,全息照相等。 天津大学作 9 24
9 第四节 激光器的类型 一、激光器的类型 目前，常用的激光器按照增益介质的种类可分为气体激光器 、固体激光器、半导体激光器、液体激光器四类。而按激光 器的工作方式不同又可分为连续激光器与脉冲激光器。 1、气体激光器 气体激光器一般采用电激发，其效率高、寿命长，长使用在 连续方式。由于气体介质的均匀性好，易得到频率稳定的单 模输出，激光相干性好，常用于精密测量，全息照相等
固体激光器 固体激光器一般采用光激励,其能量转化环节多,故而效 率低。光的激励能量大部分转换成为热能。固体激光器的 增益介质一般比气体激光器短得多,但由于晶体缺陷和温 度引起的光学不均匀性,不易获得单模而倾向于多模输出 故它所发光的相干性比气体激光器要差。 3、液体激光器 天津大学精仪学院 液体激光器可以工作在连续或脉冲方式,它的一个主要特 点是可以在很宽的波长范围内调谐。目前在光谱学中得到 应用。 4、半导体激光器 半导体激光器在所有激光器中是最小巧的,它机构简单坚 固,便于直接调制,目前,它在光通信、光电测距及光信 息存储与处理方面有着重要而广泛的应用。 天津大学作 10 24
10 2、固体激光器 固体激光器一般采用光激励，其能量转化环节多，故而效 率低。光的激励能量大部分转换成为热能。固体激光器的 增益介质一般比气体激光器短得多，但由于晶体缺陷和温 度引起的光学不均匀性，不易获得单模而倾向于多模输出 ，故它所发光的相干性比气体激光器要差。 3、液体激光器 液体激光器可以工作在连续或脉冲方式，它的一个主要特 点是可以在很宽的波长范围内调谐。目前在光谱学中得到 应用。 4、半导体激光器 半导体激光器在所有激光器中是最小巧的，它机构简单坚 固，便于直接调制，目前，它在光通信、光电测距及光信 息存储与处理方面有着重要而广泛的应用