光的量子性和激光基礎

光的量子性和激光基礎1第一頁，共十一頁，2022年，8月28日第一節(jié)光的量子性一、光電效應與愛因斯坦光子學說

1、光電效應規(guī)律（如圖16－1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，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。（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，照射時間多長，都沒有光電子發(fā)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。（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2第二頁，共十一頁，2022年，8月28日二、光的波粒二象性

光既表現(xiàn)出明顯的波動性，又表現(xiàn)出勿容置疑的粒子性，這就是光的波粒二象性。3第三頁，共十一頁，2022年，8月28日

三、光發(fā)射與吸收的量子模型及激發(fā)方式

1、光發(fā)射與吸收的量子模型2、激發(fā)方式（加熱、輻射激發(fā)、碰撞激發(fā)）4第四頁，共十一頁，2022年，8月28日第二節(jié)光的自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射和受激吸收一、光的自發(fā)發(fā)射處在高能級上的原子，都具有向往穩(wěn)定而自發(fā)地回到地能級狀態(tài)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(fā)發(fā)射。由于每個原子的躍遷都是自發(fā)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(tǒng)中的原子躍遷來說，它們發(fā)射出的光波列的頻率是相同的，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。因此原子自發(fā)發(fā)射出來的光波，在物理上稱之為非相干的自然光。自發(fā)發(fā)射幾率與激發(fā)態(tài)壽命成反比。5第五頁，共十一頁，2022年，8月28日二、光的受激發(fā)射光子作用于高能級的原子上時會產生受激發(fā)射。若輸入一個光子，則輸出兩個光子。在受激發(fā)射的過程中，光子數(shù)獲得了放大。受激發(fā)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。受激發(fā)射幾率與自發(fā)發(fā)射幾率不同，前者與入射光強有關，后者是一個常數(shù)。三、受激吸收低能態(tài)的原子吸收光子的能量才能被抽運到高能態(tài)上；原子對光能量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(shù)。受激吸收與受激發(fā)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(fā)射則是靠高能級的原子發(fā)射光子來完成光放大過程。

四、愛因斯坦系數(shù)關系式6第六頁，共十一頁，2022年，8月28日第三節(jié)激光的基本原理一、光在激活介質中的放大泵浦粒子數(shù)反轉自發(fā)輻射受激輻射激光器組成7第七頁，共十一頁，2022年，8月28日二、光學諧振腔的作用

1、諧振腔的作用及激光振蕩閾值條件

2、激光縱膜圖16－6激光器中的振蕩頻率8第八頁，共十一頁，2022年，8月28日第四節(jié)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氣體激光器、固體激光器、半導體激光器、液體激光器四類。而按激光器的工作方式不同又可分為連續(xù)激光器與脈沖激光器。

1、氣體激光器氣體激光器一般采用電激發(fā)，其效率高、壽命長，長使用在連續(xù)方式。由于氣體介質的均勻性好，易得到頻率穩(wěn)定的單模輸出，激光相干性好，常用于精密測量，全息照相等。9第九頁，共十一頁，2022年，8月28日2、固體激光器固體激光器一般采用光激勵，其能量轉化環(huán)節(jié)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(fā)光的相干性比氣體激光器要差。3、液體激光器液體激光器可以工作在連續(xù)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。4、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，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。10第十頁，共十一頁，2022年，8月28日第六節(jié)光子學（Photonics）簡介一、光子學的概念與范疇

1970年，荷蘭科學家Poldervaart:“光子學是研究以光子作為信息載體的科學”。

1980年，我國科學家錢學森:“光子學是研究光子的產生、運動和轉化的科學”。廣義地說