光學(xué)第七章光與物質(zhì)相互作用

光學(xué)第七章光與物質(zhì)相互作用第一頁，共二十三頁，2022年，8月28日

本章討論的主要內(nèi)容是：（1）介質(zhì)中光的輻射經(jīng)典理論，以及一些光和物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生的一些現(xiàn)象，比如光的吸收、色散、散射；（2）簡要討論了光與物質(zhì)的相互作用研究領(lǐng)域在20世紀(jì)最重大的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明——激光。

本章所涉及到的問題大部分是光學(xué)甚至是物理學(xué)的前沿問題，盡管以經(jīng)典的理論可以做一些解釋，但對其本質(zhì)的說話往往都是似是而非，比如光的波粒二象性。因而，本章不做深入的探討，只介紹最基本的知識。感興趣的話，希望大家進一步深造，通過光這個人眼可見的窗口去探索物理世界最深層的奧秘。第二頁，共二十三頁，2022年，8月28日第一節(jié)光輻射理論1.介質(zhì)中的光波

設(shè)在介質(zhì)中某點，光波的電場強度為：

介質(zhì)內(nèi)的原子中的電子和質(zhì)子構(gòu)成一對偶極子，電場E與偶極子發(fā)生作用，并策動其振動，振動方程為：r是偶極子位移的大小，上述方程的一個穩(wěn)定解為：第三頁，共二十三頁，2022年，8月28日第一節(jié)光輻射理論1.介質(zhì)中的光波

那么介質(zhì)中電場強度E是如何傳播的呢？先看極化強度大小，設(shè)介質(zhì)電荷密度為N，則介質(zhì)的極化強度為：已知介質(zhì)中的電場強度與極化強度的關(guān)系為：比較可以得到：電極化率與相對介電常數(shù)之間的關(guān)系為：第四頁，共二十三頁，2022年，8月28日第一節(jié)光輻射理論1.介質(zhì)中的光波

從上面分析可以看出，電極化率是個復(fù)數(shù)，為了與實數(shù)介電常數(shù)相區(qū)別，定義復(fù)介電常數(shù)參照介電常數(shù)與折射率的關(guān)系，定義復(fù)折射率：第五頁，共二十三頁，2022年，8月28日第一節(jié)光輻射理論1.介質(zhì)中的光波這樣介質(zhì)中的最后電場的傳播方程就可以寫成：第六頁，共二十三頁，2022年，8月28日第一節(jié)光輻射理論2.輻射的量子理論

量子理論認為，原子中的電子與核構(gòu)成的能量值是不能連續(xù)取值的，能量只能取一些離散的值，形成一個能級系統(tǒng)，處于不同電子軌道上的電子處于不同的能級狀態(tài)。在熱平衡狀態(tài)下，處于各個能級狀態(tài)的粒子數(shù)是穩(wěn)定的。滿足所謂的波爾茲曼分布。NEkE1

在量子力學(xué)中，光是以光子形式出現(xiàn)，頻率為的光波其光子所具有的能量為：h稱作普朗克常數(shù)第七頁，共二十三頁，2022年，8月28日第一節(jié)光輻射理論2.輻射的量子理論

量子理論認為，光的輻射是由于原子從高能級向低能級躍遷時向外釋放的能量。設(shè)原來的能級能量為Ei，躍遷到低能級Ek，則向外輻射的能量為

這個能量就是一個光子的能量，光的頻率為：光的輻射和吸收可以分為自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收。EiEk~~~~h第八頁，共二十三頁，2022年，8月28日第一節(jié)光輻射理論2.輻射的量子理論受激吸收：原子可以吸收一個光子躍遷到高的能級，顯然，此時，介質(zhì)內(nèi)的原子能級狀態(tài)也必須具有和外來光子能量一致的能級差。EiEk~~~~h自發(fā)輻射：原子在沒有受到外界作用下，自發(fā)的從高能級躍遷到低能級而發(fā)射光子的輻射。h

~~~~~~~~h受激輻射：原子在受到外來光子誘導(dǎo)下，發(fā)射一個與外來光子一模一樣的光子。顯然，介質(zhì)內(nèi)的原子能級狀態(tài)必須具有和外來光子能量一致的能級差EiEkh

~~~~第九頁，共二十三頁，2022年，8月28日第二節(jié)光的吸收與色散1.光的線性吸收規(guī)律

光是變化的電磁場，當(dāng)光在介質(zhì)中傳播時，光的電磁場將和物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)中的微觀粒子發(fā)生作用，這些粒子在交變電磁場作用下，通過能量的吸收和釋放，形成新的發(fā)光源，并產(chǎn)生新的光波，這就是光波在介質(zhì)中傳播的本質(zhì)，這一點類似于惠更斯原理。但是，光波與物質(zhì)的作用是復(fù)雜的，產(chǎn)生的新的光波可能和原來入射的光一模一樣，也可能面目全非。如果是一模一樣，這就是線性的，如果面目全非，就有可能是非線性的。第十頁，共二十三頁，2022年，8月28日1.光的線性吸收規(guī)律

如果物質(zhì)對入射光某波長的光的吸收和釋放的光能量相等，說明介質(zhì)對光波沒有吸收，如果釋放的同一波長的光能減少了，就說介質(zhì)對這個波長有吸收。所謂線性吸收，指的是，物質(zhì)在單位長度內(nèi)對光能量的吸收正比于入射到這個長度內(nèi)的光的強度，正比于光在物質(zhì)內(nèi)傳播的距離。設(shè)光波經(jīng)過厚度為dx的介質(zhì)，在dx內(nèi)光強為I，經(jīng)過dx后，光強變?yōu)镮+dI，則按照線性吸收的定義，可以寫成數(shù)學(xué)表達式：dxx為什么有負號？

這實際上是一個微分方程，光強從A端的I0傳到B點，B點的光強I是多少？ABI0I第二節(jié)光的吸收與色散第十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日1.光的線性吸收規(guī)律

比較可以得到：對上式兩邊進行積分得到：設(shè)B點的光波方程為對應(yīng)的光強為因而，B點的光波方程可以表示成與介質(zhì)中的光波方程比較，可得：第二節(jié)光的吸收與色散第十二頁，共二十三頁，2022年，8月28日2.吸收光譜從吸收系數(shù)

可知，當(dāng)入射光的頻率與介質(zhì)的共振頻率0相同時，吸收系數(shù)迅速增大，介質(zhì)表現(xiàn)出對頻率為0的光強烈吸收。因為0僅與物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，因為可以通過測量吸收的了那些波長的光來研究介質(zhì)的性質(zhì)。令具有連續(xù)波長的光通過介質(zhì)后再經(jīng)過光譜儀，即可將不同的波長的光被吸收的情況顯示出來，形成吸收光譜。吸收光譜發(fā)射光譜第二節(jié)光的吸收與色散第十三頁，共二十三頁，2022年，8月28日3.光的色散第二節(jié)光的吸收與色散通過光的輻射經(jīng)典理論已經(jīng)得到折射率與光的頻率有關(guān)可以得到與波長的關(guān)系：n可見光吸收區(qū)正常色散區(qū)第十四頁，共二十三頁，2022年，8月28日3.光的色散第二節(jié)光的吸收與色散稱作科希公式，它實際上嚴(yán)格的折射率公式的冪級數(shù)展開后的近似。在正常色散區(qū)，折射率可表示成一種近似的形式：

在正常色散區(qū)，折射率隨波長的增加而減少，而在吸收帶，折射率隨著波長的增加而急劇增加，可以想象，此時的光譜分布將發(fā)生逆轉(zhuǎn)，把吸收帶中發(fā)生的色散稱作反常色散。正常色散反常色散第十五頁，共二十三頁，2022年，8月28日1.瑞利散射當(dāng)光入射到不均勻介質(zhì)中時，被散射的光多少與波長有關(guān)：第三節(jié)光的散射

當(dāng)光入射到介質(zhì)中時，將激起介質(zhì)中電子做受迫振動，并發(fā)出次波，如果介質(zhì)是均勻的，次波相互相干疊加，形成新的波面應(yīng)該遵從幾何光學(xué)規(guī)律傳播，但如果介質(zhì)內(nèi)不不均勻，每一個顆粒發(fā)出的次波相位都不一致，將不能相干疊加，而發(fā)生散射。即，波長越短越容易被散射，太陽光經(jīng)過大氣時，藍光比較短，容易被大氣散射，而紅光波長較長，散射的較少而米氏和德拜認為，瑞利散射規(guī)律只適用于較小顆粒的散射，如果顆粒半徑a>0.3k時，散射不滿足瑞利公式。第十六頁，共二十三頁，2022年，8月28日第三節(jié)光的散射解釋天空藍色，初陽和夕陽的紅色，白云，彩云，煙霧等的顏色瑞利散射區(qū)米氏散射區(qū)ka散射概率注意：介質(zhì)的散射會改變光的偏振態(tài)第十七頁，共二十三頁，2022年，8月28日第三節(jié)光的散射2.拉曼散射

一般介質(zhì)對光的散射不會改變光的頻率，但是如果介質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以一種固定頻率j振動著，當(dāng)頻率為0的光入射到這樣的介質(zhì)中時，就會散出三種頻率的光：與原來入射光頻率一致0斯托克斯線0-j反斯托克斯線0+j

對拉曼散射的光進行光譜分析，可以得到介質(zhì)重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，形成拉曼光譜學(xué)第十八頁，共二十三頁，2022年，8月28日第四節(jié)激光第十九頁，共二十三頁，2022年，8月28日第四節(jié)激光亮度高。可以達到太陽表面亮度的幾十億~幾百億倍單色性好。一般激光發(fā)射的單色光的波長范圍寬度約為一千萬分之一埃（10-7?）數(shù)量級。是世界上最純的顏色。方向性好。發(fā)散角~1/10度。相干性高。相干長度可達數(shù)公里。發(fā)光時間可以很短，功率最大。發(fā)光時間可短于1萬億分之一秒（10-12秒），瞬時功率可達10萬億（1013）瓦特。1.激光的特點：第二十頁，共二十三頁，2022年，8月28日第四節(jié)激光E2

自發(fā)輻射

E1E2

受激吸收

E1E2

受激輻射

E12.原子的激發(fā)與躍遷過程之前過程之后第二十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日第四節(jié)激光3.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

激光的光來自受激輻射，產(chǎn)生穩(wěn)定、放大的受激輻射必要條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、光泵、諧振腔粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的目的是為了使得受激輻射大于受激吸收。設(shè)有三能級系統(tǒng)，E1，E2，E3。有可能形成如下的兩種粒子數(shù)反轉(zhuǎn)情況

E3N3E3N3

慢快E2N2E2N2激發(fā)快激發(fā)慢E1N1E1N1N3>N2N2>N1第二十二頁，共二十三頁，202