第二章-激光的物理學(xué)基礎(chǔ)2.1

1、第二章 激光的物理基礎(chǔ),2.1 光的波粒二象性,一、 人類認(rèn)識(shí)光的本質(zhì)的過程,1、戰(zhàn)國初期墨子的著作《墨經(jīng)》中記載了豐富的幾何光學(xué)知識(shí) 。并記錄了世界上最早的“小孔成像”實(shí)驗(yàn) 。,“小孔成像”實(shí)驗(yàn)，對(duì)光的直線傳播作了科學(xué)解釋，并用此原理解釋了物體和投影的關(guān)系。,墨子,《墨經(jīng)》,2、古希臘數(shù)學(xué)家歐幾里德（公元前330-275 ）在《光學(xué)》里總結(jié)了關(guān)于光現(xiàn)象的知識(shí)。并知道，光線是直線，入射角和反射角相等。,歐幾里德,3、古

2、希臘天文學(xué)家、地理學(xué)家和光學(xué)家托勒密，約90－168）最早做了光的折射實(shí)驗(yàn)。,托勒密,4、英國科學(xué)家羅吉爾·培根（1214-1292）通過實(shí)驗(yàn)研究了凸透鏡的放大效果以及光的反向和折射規(guī)律，證明了虹是太陽光照射空氣中的水珠而形成的自然現(xiàn)象。,羅吉爾·培根,5、意大利著名美術(shù)家、科學(xué)家達(dá)·芬奇(1452-1519)描述了光的反射，眼睛判斷距離及光產(chǎn)生陰影。,達(dá)·芬奇,6、德國天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家開普勒（1

3、571-1630）對(duì)光的折射現(xiàn)象進(jìn)行了深入的研究，并出版了《折射光學(xué)》一書。,開普勒,7、荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅耳（1591-1626）1621年發(fā)現(xiàn)了光的折射定律，也稱斯涅耳定律，卻未正式公布。,斯涅耳,即光的入射角與折射角的正弦之比為常數(shù),8、法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、哲學(xué)家笛卡兒(1596-1650) 1637年提出了著名的折射定律并從理論上進(jìn)行了推導(dǎo)。,笛卡兒,9、1655年，意大利數(shù)學(xué)家格里馬第（1618-1663）提出最早的光波動(dòng)說。他

4、認(rèn)為，物體顏色的不同是因?yàn)檎丈湓谖矬w上的光波頻率不同引起的。,格里馬第,10、格里馬第的實(shí)驗(yàn)引起了英國物理學(xué)家胡克（1635-1703）的興趣。他重復(fù)了格里馬第的工作，提出了“光是以太的一種縱向波”假說。,胡克,11、英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家牛頓 (1642-1727) 1666年用三棱鏡進(jìn)行了著名的色散試驗(yàn)，提出了光的“微粒說”,牛頓,12、荷蘭物理學(xué)家、天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家惠更斯（1629-1695）提出了光波面在媒體中

5、傳播的惠更斯原理，打破了當(dāng)時(shí)流行的光的微粒學(xué)說。,惠更斯,PK,牛頓的“微粒說”,惠更斯的“波動(dòng)說”,13、英國物理學(xué)家托馬斯·楊（1773-1829）對(duì)牛頓的光學(xué)理論產(chǎn)生了懷疑。在1800年的論文《關(guān)于光和聲的實(shí)驗(yàn)和問題》中指出光是以縱波形式傳播的，光的不同顏色和聲的不同頻率相似。,1801年，楊氏進(jìn)行了著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。證明了光是一種波，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。,托馬斯·楊,14、1808年

6、，法國著名的天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家拉普拉斯（1749-1827）用微粒說分析了光的雙折射線現(xiàn)象，批駁了楊氏的波動(dòng)說。,拉普拉斯,15、1809年，法國物理學(xué)家及軍事工程師馬呂斯（1775-1812）發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象。成為了反對(duì)波動(dòng)說的有利證據(jù)。,16、1811年，蘇格蘭物理學(xué)家布儒斯特（1781-1868）在研究光的偏振現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)定律。,馬呂斯,布儒斯特,17、1817年，楊氏提出了光是橫波的假說，比較成功地解釋了光的偏

7、振現(xiàn)象。,橫波？ 縱 波？,光,托馬斯·楊,18、法國科學(xué)家阿拉果(1786-1853)。發(fā)現(xiàn)了旋光現(xiàn)象。,阿拉果,19、法國物理學(xué)家菲涅耳（1788－1827）以楊氏理論為基礎(chǔ)，1819年成功完成了兩平面鏡產(chǎn)生的相干光源干涉實(shí)驗(yàn)，再次證明了光的波動(dòng)說。與阿拉果一道建立了光波的橫向傳播理論。,菲涅耳,20、1814年，德國天文學(xué)家夫瑯和費(fèi)（1787－1826）在重復(fù)做牛頓分解太陽光的實(shí)驗(yàn)時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)了

8、太陽光譜中的一些重要現(xiàn)象。1821年夫瑯和費(fèi)在波動(dòng)學(xué)說的基礎(chǔ)上導(dǎo)出了從衍射圖形求波長的關(guān)系式。,夫瑯和費(fèi),21、英國物理學(xué)家麥克斯韋（1831－1879）建立了電磁學(xué)，并將光和電磁現(xiàn)象統(tǒng)一起來，,麥克斯韋,22、1887年，德國科學(xué)家赫茲（1857-1894）實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。同時(shí)也證實(shí)光電效應(yīng)，后來成了愛因斯坦建立光量子理論的基礎(chǔ)。,赫茲,23、德國物理學(xué)家普朗克（1858-1947）1900年創(chuàng)立了量子假說。又提出了電磁波這種

9、形式的能量輻射，認(rèn)識(shí)到電磁波是某種粒子，既光量子。稱之為“光子”。,普朗克,24、德國科學(xué)家愛因斯坦（1879-1955）愛因斯坦1905年創(chuàng)立了狹義相對(duì)論，揭示了時(shí)間和空間的本質(zhì)聯(lián)系，提出了光量子論，解釋了光電現(xiàn)象，揭示了微觀客體的波粒二重性。,愛因斯坦,1916年美國物理學(xué)家密立根(1868-1953)發(fā)表了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了愛因斯坦的光量子說。,美國物理學(xué)家康普頓（1892-1962）1921年在實(shí)驗(yàn)中證明了X射線的粒子性。

10、進(jìn)一步證實(shí)了愛因斯坦的光子理論，揭示出光的二象性。,密立根,康普頓,二、 光的本質(zhì),2、光速、頻率和波長三者的關(guān)系,(1)波長:振動(dòng)狀態(tài)在經(jīng)歷一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)向前傳播的距離。,(3)頻率和周期：光矢量每秒鐘振動(dòng)的次數(shù),(4)三者的關(guān)系：,各種介質(zhì)中傳播時(shí)，保持其原有頻率不變，而速度各不相同,(2)光速,在真空中,3、單色平面波,(1)平面波,(2)單色平面波：具有單一頻率的平面波。,波陣面或同相面：光波位相相同的空間各點(diǎn)所連成的面。,平

11、面波：波陣面是平面。,準(zhǔn)單色波: 實(shí)際上不存在完全單色的光波，總有一定的頻率寬度，如果 稱為準(zhǔn)單色波。,理想的單色平面波（簡(jiǎn)諧波）,兩式統(tǒng)一寫為：,其中，U為場(chǎng)矢量大小，代表 或 的大小，U0為場(chǎng)矢量的振幅。,設(shè)真空中電磁波的電矢量 在坐標(biāo)原點(diǎn)沿x方向作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，磁矢量 在y方向作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，頻率均為 ，且t=0時(shí)兩者的初位相均為零。則 、 的振動(dòng)方程分別為:,(2)單色平面波：具有單一頻

12、率的平面波,波場(chǎng)中z軸上任一點(diǎn)P的振動(dòng)方程，設(shè)光波以速度c向z方向傳播,電磁波的傳播,分析：(a)z一定時(shí)，則U代表場(chǎng)矢量在該點(diǎn)作時(shí)間上的周期振動(dòng).,(b)t一定時(shí)，則U代表場(chǎng)矢量隨位置的不同作空間的周期變化.,(c)z、t同時(shí)變化時(shí)，則U代表一個(gè)行波方程，代表兩個(gè)不同時(shí)刻空間各點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)。從下式可看出，光波具有時(shí)間周期性和空間周期性。時(shí)間周期為T，空間周期為?；時(shí)間頻率為1/T，空間頻率為1/?,簡(jiǎn)諧波是具有單一頻率?的單色波，但

13、通常原子發(fā)光的時(shí)間約為10－8 s，形成的波列長度約等于3m，因此它的波列長度有限即必然有一定的頻率寬度。,,(3)平面波的復(fù)數(shù)表示法 光強(qiáng),線偏振的單色平面波的復(fù)數(shù)表示：,光強(qiáng)：光強(qiáng)與光矢量大小的平方成正比，即,或,復(fù)振幅 :模量 代表振幅在空間的分布，輻角(-kz)代表位相在空間的分布,我們一般取：,(4)球面波及其復(fù)數(shù)表示法,球面簡(jiǎn)諧波方程：,球面波的復(fù)數(shù)表示法：,在真空中一個(gè)光子的能量為? ，動(dòng)量為 ，則它們與光波頻

14、率，波長之間的關(guān)系為：,式中h是普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J?S。,4 光子,三、 原子的能級(jí)和輻射躍遷,1、原子的能級(jí),（1）原子是由原子核和繞原子核旋轉(zhuǎn)的核外電子組成。近代物理的大量試驗(yàn)證明，原子只能在一定的量子態(tài)中運(yùn)動(dòng)。,硅原子的能級(jí)圖,以硅原子為例，原子中共有14個(gè)電子繞著帶正電荷的原子荷旋轉(zhuǎn)，14個(gè)電子運(yùn)行的軌道是有區(qū)別的，各代表不同的量子態(tài)。,（2)量子態(tài)的根本特點(diǎn):量子態(tài)能量只能取某些特定值.,量子態(tài):

15、電子在原子核中的微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài).原子中電子的狀態(tài)由下列四個(gè)量子數(shù)來確定：主量子數(shù)，輔量子數(shù), 磁量子數(shù),自旋量子數(shù).電子具有的量子數(shù)不同，表示有不同的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài).,電子軌道是量子化的，它必須滿足下列條件：,式中 h 是普朗克常數(shù)，,電子軌道量子化條件,當(dāng)電子在每一個(gè)這樣的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子具有確定的能量，稱為原子的一個(gè)能級(jí)。,電子的能級(jí)，依次用E0，E1，E2，… En表示.,基態(tài)：原子處于最低的能級(jí)狀態(tài).,激發(fā)態(tài)：能量高于基態(tài)的其它能

16、級(jí)狀態(tài).,簡(jiǎn)并能級(jí)：能級(jí)有兩個(gè)或兩個(gè)以 上的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài).,簡(jiǎn)并度：同一能級(jí)所對(duì)應(yīng)的不同 電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)目.,(3). 能級(jí) 電子具有的量子數(shù)不同，表示有不同的電子運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)。同一個(gè)量子態(tài)不能有兩個(gè)電子，電子按量子態(tài)運(yùn) 動(dòng)應(yīng)遵循泡里不相容原理。,2、原子的躍遷,如果能級(jí)E1和能級(jí)E2間滿足輻射躍遷選擇定理，則原子中的電子可以通過和外界交換能量的方式發(fā)生量子躍遷，稱為能級(jí)躍遷。