1、1第十六章第十六章 光的量子性和激光基礎光的量子性和激光基礎光的波動性光的波動性可以很好地解釋光傳播時的干涉、衍射、偏振可以很好地解釋光傳播時的干涉、衍射、偏振等現象。等現象。光的量子性光的量子性黑體輻射、光電效應等黑體輻射、光電效應等216161 1 光的量子性光的量子性一、光電效應與愛因斯坦光子學說一、光電效應與愛因斯坦光子學說 1、光電效應規律（如圖、光電效應規律（如圖161所示）所示）（1）對某一光電陰極材料而言，在入射光頻率不變的條件下，）對某一光電陰極材料而言，在入射光頻率不變的條件下， 飽和電流的大小與入射光的強度成正比。飽和電流的大小與入射光的強度成正比。（2）光電子的能量與入

2、射光的強哭無關，而只與入射光的頻率有關，）光電子的能量與入射光的強哭無關，而只與入射光的頻率有關， 頻率越高，光電子的能量越大。頻率越高，光電子的能量越大。（3）入射光有一截止頻率，在這個極限頻率以下，不論入射光多強，）入射光有一截止頻率，在這個極限頻率以下，不論入射光多強， 照射時間多長，都沒有光電子發射。這一截止頻率稱為光電效照射時間多長，都沒有光電子發射。這一截止頻率稱為光電效 應的紅限。不同的金屬具有不同的紅限。應的紅限。不同的金屬具有不同的紅限。（4）即使光的強度非常弱，只要照射光的頻率大于某一極限值，在）即使光的強度非常弱，只要照射光的頻率大于某一極限值，在 開始照射后就有光電子產

3、生，不存在一個可測的弛豫時間。開始照射后就有光電子產生，不存在一個可測的弛豫時間。2、愛因斯坦光子學說、愛因斯坦光子學說3二、光的波粒二象性二、光的波粒二象性 光既表現出明顯的波動性，又表現出勿光既表現出明顯的波動性，又表現出勿容置疑的粒子性，這就是光的波粒二象性。容置疑的粒子性，這就是光的波粒二象性。4三、光發射與吸收的量子模型及激發方式三、光發射與吸收的量子模型及激發方式1、光發射與吸收的量子模型、光發射與吸收的量子模型2、激發方式（加熱、輻射激發、碰撞激發）、激發方式（加熱、輻射激發、碰撞激發）516162 2 光的自發發射、受激發射和受激吸收光的自發發射、受激發射和受激吸收一、光的自發

4、發射一、光的自發發射 處在高能級上的原子，都具有向往穩定而自發地回到地能級狀態處在高能級上的原子，都具有向往穩定而自發地回到地能級狀態的特性。當它們紛紛回襖低能級時，它們就以光的形式釋放出能量來的特性。當它們紛紛回襖低能級時，它們就以光的形式釋放出能量來。這就是原子的自發發射。由于每個原子的躍遷都是自發和獨立進行。這就是原子的自發發射。由于每個原子的躍遷都是自發和獨立進行的，因此它們輻射出的光波方向和相位都不一致。對于二能級系統中的，因此它們輻射出的光波方向和相位都不一致。對于二能級系統中的原子躍遷來說，它們發射出的光波列的頻率是相同的，但相位卻是的原子躍遷來說，它們發射出的光波列的頻率是相同

5、的，但相位卻是不相關的，波列的偏振方向和傳播方向也是隨機分布的。因此原子自不相關的，波列的偏振方向和傳播方向也是隨機分布的。因此原子自發發射出來的光波，在物理上稱之為非相干的自然光。發發射出來的光波，在物理上稱之為非相干的自然光。自發發射幾率與激發態壽命成反比。自發發射幾率與激發態壽命成反比。6二、光的受激發射二、光的受激發射 光子作用于高能級的原子上時會產生受激發射。光子作用于高能級的原子上時會產生受激發射。 若輸入一個光子，則輸出兩個光子。在受激發射的過程中，光子數獲若輸入一個光子，則輸出兩個光子。在受激發射的過程中，光子數獲得了放大。受激發射的光子與入射光子頻率相同、相位相同，偏振方向和

6、得了放大。受激發射的光子與入射光子頻率相同、相位相同，偏振方向和傳播方向也相同，二者是完全相干的。傳播方向也相同，二者是完全相干的。 受激發射幾率與自發發射幾率不同，前者與入射光強有關，后者是一受激發射幾率與自發發射幾率不同，前者與入射光強有關，后者是一個常數。個常數。三、受激吸收三、受激吸收 低能態的原子吸收光子的能量才能被抽運到高能態上；原子對光能量低能態的原子吸收光子的能量才能被抽運到高能態上；原子對光能量的吸收是有選擇性的。的吸收是有選擇性的。 受激吸收幾率是一個與入射光強有關的參數。受激吸收幾率是一個與入射光強有關的參數。 受激吸收與受激發射并非簡單的逆過程。受激吸收是靠消耗外來光子

7、受激吸收與受激發射并非簡單的逆過程。受激吸收是靠消耗外來光子能量來完成泵浦過程，即把低能級上的原子抽運到高能級上去。而受激發能量來完成泵浦過程，即把低能級上的原子抽運到高能級上去。而受激發射則是靠高能級的原子發射光子來完成光放大過程。射則是靠高能級的原子發射光子來完成光放大過程。四、愛因斯坦系數關系式四、愛因斯坦系數關系式716163 3 激光的基本原理激光的基本原理一、光在激活介質中的放大一、光在激活介質中的放大泵浦泵浦粒子數反轉粒子數反轉自發輻射自發輻射受激輻射受激輻射激光器組成激光器組成8二、光學諧振腔的作用二、光學諧振腔的作用 1、諧振腔的作用及激光振蕩閾值條件、諧振腔的作用及激光振蕩

8、閾值條件 2、激光縱膜、激光縱膜圖圖166 激光器中的振蕩頻率激光器中的振蕩頻率916164 4 激光器的類型激光器的類型一、激光器的類型一、激光器的類型目前，常用的激光器按照增益介質的種類可分為目前，常用的激光器按照增益介質的種類可分為氣體激光器氣體激光器、固體激光器固體激光器、半導體激光器半導體激光器、液體激光器液體激光器四類。而按激光四類。而按激光器的工作方式不同又可分為連續激光器與脈沖激光器。器的工作方式不同又可分為連續激光器與脈沖激光器。1、氣體激光器、氣體激光器氣體激光器一般采用電激發，其效率高、壽命長，長使用在氣體激光器一般采用電激發，其效率高、壽命長，長使用在連續方式。由于氣體

9、介質的均勻性好，易得到頻率穩定的單連續方式。由于氣體介質的均勻性好，易得到頻率穩定的單模輸出，激光相干性好，常用于精密測量，全息照相等。模輸出，激光相干性好，常用于精密測量，全息照相等。102、固體激光器、固體激光器固體激光器一般采用光激勵，其能量轉化環節多，故而效率低固體激光器一般采用光激勵，其能量轉化環節多，故而效率低。光的激勵能量大部分轉換成為熱能。固體激光器的增益介質。光的激勵能量大部分轉換成為熱能。固體激光器的增益介質一般比氣體激光器短得多，但由于晶體缺陷和溫度引起的光學一般比氣體激光器短得多，但由于晶體缺陷和溫度引起的光學不均勻性，不易獲得單模而傾向于多模輸出，故它所發光的相不均勻

10、性，不易獲得單模而傾向于多模輸出，故它所發光的相干性比氣體激光器要差。干性比氣體激光器要差。3、液體激光器、液體激光器液體激光器可以工作在連續或脈沖方式，它的一個主要特點是液體激光器可以工作在連續或脈沖方式，它的一個主要特點是可以在很寬的波長范圍內調諧。目前在光譜學中得到應用。可以在很寬的波長范圍內調諧。目前在光譜學中得到應用。4、半導體激光器、半導體激光器半導體激光器在所有激光器中是最小巧的，它機構簡單堅固，半導體激光器在所有激光器中是最小巧的，它機構簡單堅固，便于直接調制，目前，它在光通信、光電測距及光信息存儲與便于直接調制，目前，它在光通信、光電測距及光信息存儲與處理方面有著重要而廣泛的應用。處理方面有著重要而廣泛的應用。1116166 6 光子學（光子學（PhotonicsPhotonics）簡介）簡介一、光子學的概念與范疇一、光子學的概念與范疇 19701970年，荷蘭科學家年，荷蘭科學家Poldervaart: “Poldervaart: “光子學是研光子學是研究以光子作為信息載體的科學究以光子作為信息載體的科學”。 19801980年，我國科學家錢學森年，我國科學家錢學森: “: “光子學是研究光子光子學是研究光子的產生、運動和轉化的科學的產生、運動和轉化的科學”