第二章-激光的物理学基础21课件

第二章激光的物理基础2.1光的波粒二象性一、人类认识光的本质的过程1、战国初期墨子的著作《墨经》中记载了丰富的几何光学知识

。并记录了世界上最早的“小孔成像”实验。“小孔成像”实验，对光的直线传播作了科学解释，并用此原理解释了物体和投影的关系。墨子《墨经》2、古希腊数学家欧几里德（公元前330-275）在《光学》里总结了关于光现象的知识。并知道，光线是直线，入射角和反射角相等。欧几里德3、古希腊天文学家、地理学家和光学家托勒密，约90－168）最早做了光的折射实验。托勒密4、英国科学家罗吉尔·培根（1214-1292）通过实验研究了凸透镜的放大效果以及光的反向和折射规律，证明了虹是太阳光照射空气中的水珠而形成的自然现象。罗吉尔·培根5、意大利著名美术家、科学家达·芬奇(1452-1519)描述了光的反射，眼睛判断距离及光产生阴影。达·芬奇6、德国天文学家和数学家开普勒（1571-1630）对光的折射现象进行了深入的研究，并出版了《折射光学》一书。开普勒7、荷兰数学家斯涅耳（1591-1626）1621年发现了光的折射定律，也称斯涅耳定律，却未正式公布。斯涅耳即光的入射角与折射角的正弦之比为常数8、法国数学家、物理学家、哲学家笛卡儿(1596-1650)

1637年提出了著名的折射定律并从理论上进行了推导。笛卡儿9、1655年，意大利数学家格里马第（1618-1663）提出最早的光波动说。他认为，物体颜色的不同是因为照射在物体上的光波频率不同引起的。格里马第10、格里马第的实验引起了英国物理学家胡克（1635-1703）的兴趣。他重复了格里马第的工作，提出了“光是以太的一种纵向波”假说。胡克11、英国物理学家、数学家和天文学家牛顿

(1642-1727)

1666年用三棱镜进行了著名的色散试验，提出了光的“微粒说”牛顿12、荷兰物理学家、天文学家、数学家惠更斯（1629-1695）提出了光波面在媒体中传播的惠更斯原理，打破了当时流行的光的微粒学说。惠更斯PK牛顿的“微粒说”惠更斯的“波动说”13、英国物理学家托马斯·杨（1773-1829）对牛顿的光学理论产生了怀疑。在1800年的论文《关于光和声的实验和问题》中指出光是以纵波形式传播的，光的不同颜色和声的不同频率相似。1801年，杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验。证明了光是一种波，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。托马斯·杨14、1808年，法国著名的天文学家和数学家拉普拉斯（1749-1827）用微粒说分析了光的双折射线现象，批驳了杨氏的波动说。拉普拉斯15、1809年，法国物理学家及军事工程师马吕斯（1775-1812）发现了光的偏振现象。成为了反对波动说的有利证据。16、1811年，苏格兰物理学家布儒斯特（1781-1868）在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。马吕斯布儒斯特17、1817年，杨氏提出了光是横波的假说，比较成功地解释了光的偏振现象。横波？

纵波？光托马斯·杨18、法国科学家阿拉果(1786-1853)。发现了旋光现象。阿拉果19、法国物理学家菲涅耳（1788－1827）以杨氏理论为基础，1819年成功完成了两平面镜产生的相干光源干涉实验，再次证明了光的波动说。与阿拉果一道建立了光波的横向传播理论。菲涅耳20、1814年，德国天文学家夫琅和费（1787－1826）在重复做牛顿分解太阳光的实验时，意外地发现了太阳光谱中的一些重要现象。1821年夫琅和费在波动学说的基础上导出了从衍射图形求波长的关系式。夫琅和费21、英国物理学家麦克斯韦（1831－1879）建立了电磁学，并将光和电磁现象统一起来，麦克斯韦22、1887年，德国科学家赫兹（1857-1894）实验证实了电磁波的存在。同时也证实光电效应，后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础。赫兹23、德国物理学家普朗克（1858-1947）1900年创立了量子假说。又提出了电磁波这种形式的能量辐射，认识到电磁波是某种粒子，既光量子。称之为“光子”。普朗克24、德国科学家爱因斯坦（1879-1955）爱因斯坦1905年创立了狭义相对论，揭示了时间和空间的本质联系，提出了光量子论，解释了光电现象，揭示了微观客体的波粒二重性。爱因斯坦1916年美国物理学家密立根(1868-1953)发表了光电效应实验结果，验证了爱因斯坦的光量子说。美国物理学家康普顿（1892-1962）1921年在实验中证明了X射线的粒子性。进一步证实了爱因斯坦的光子理论，揭示出光的二象性。密立根康普顿二、光的本质2、光速、频率和波长三者的关系(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。(3)频率和周期：光矢量每秒钟振动的次数(4)三者的关系：各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同(2)光速在真空中3、单色平面波(1)平面波(2)单色平面波：具有单一频率的平面波。波阵面或同相面：光波位相相同的空间各点所连成的面。平面波：波阵面是平面。准单色波:实际上不存在完全单色的光波，总有一定的频率宽度，如果称为准单色波。理想的单色平面波（简谐波）两式统一写为：其中，U为场矢量大小，代表或的大小，U0为场矢量的振幅。设真空中电磁波的电矢量在坐标原点沿x方向作简谐振动，磁矢量在y方向作简谐振动，频率均为，且t=0时两者的初位相均为零。则、的振动方程分别为:(2)单色平面波：具有单一频率的平面波波场中z轴上任一点P的振动方程，设光波以速度c向z方向传播电磁波的传播分析：(a)z一定时，则U代表场矢量在该点作时间上的周期振动.(b)t一定时，则U代表场矢量随位置的不同作空间的周期变化.(c)z、t同时变化时，则U代表一个行波方程，代表两个不同时刻空间各点的振动状态。从下式可看出，光波具有时间周期性和空间周期性。时间周期为T，空间周期为；时间频率为1/T，空间频率为1/简谐波是具有单一频率的单色波，但通常原子发光的时间约为10－8s，形成的波列长度约等于3m，因此它的波列长度有限即必然有一定的频率宽度。(3)平面波的复数表示法光强线偏振的单色平面波的复数表示：光强：光强与光矢量大小的平方成正比，即或复振幅:模量代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在空间的分布我们一般取：(4)球面波及其复数表示法球面简谐波方程：球面波的复数表示法：在真空中一个光子的能量为，动量为，则它们与光波频率，波长之间的关系为：式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J•S。4光子三、原子的能级和辐射跃迁1、原子的能级（1）原子是由原子核和绕原子核旋转的核外电子组成。近代物理的大量试验证明，原子只能在一定的量子态中运动。硅原子的能级图以硅原子为例，原子中共有14个电子绕着带正电荷的原子荷旋转，14个电子运行的轨道是有区别的，各代表不同的量子态。（2)量子态的根本特点:量子态能量只能取某些特定值.量子态:电子在原子核中的微观运动状态.原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：主量子数，辅量子数,

磁量子数,自旋量子数.电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态.电子轨道是量子化的，它必须满足下列条件：

式中h是普朗克常数，电子轨道量子化条件当电子在每一个这样的轨道上运动时，原子具有确定的能量，称为原子的一个能级。电子的能级，依次用E0，E1，E2，…En表示.基态：原子处于最低的能级状态.激发态：能量高于基态的其它能级状态.简并能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态.简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目.(3).能级电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态。同一个量子态不能有两个电子，电子按量子态运动应遵循泡里不相容原理。原子能级示意图E0基态E1E2En激发态2、原子的跃迁如果能级E1和能级E2间满足辐射跃迁选择定理，则原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子跃迁，称为能级跃迁。

12EEh-==ne3、玻尔兹曼分布原子体系在热平衡时，各能级上的粒子数服从玻尔兹曼分布。设：原子体系的热平衡温度为T