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光学课件之十五——光的量子性和激光简介(3).ppt

1、1,光的量子性和激光简介(3),制作者:赣南师范学院物理与电子信息学院: 王形华,2,3、玻尔原子模型与爱因斯坦辐射理论一、原子结构经典理论的困难1、经典原子模型 卢瑟福粒子散射实验证明,原子中心有个很小的核,即原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成,它们之间存在着静电的吸引力。按照库仑定律,静电力服从平方反比律,这和天体间的万有引力服从的规律是一样的。所以由经典理论可知:,3,(1)原子中的电子应象太阳系中的行星绕日旋转那样,围绕着原子核沿圆或椭圆轨道不断地旋转。(2)电子绕核旋转,必须具有一定的动能。动能越大轨道的半径或半长轴就越大;没有动能时,它就会被静电力吸引到原子核上去。(3)电子

2、轨道运动的周期T正比与半径或半长轴a的3/2次方,即T a 3/2(开普勒第三定律)。轨道越小,周期越短。,4,2、经典理论的困境(1)任何作加速运动的带电粒子都要发射电磁波。而电子沿圆或椭圆的轨道旋转是一种加速运动,它必然要不断地发射电磁波。(2)电磁波要带走一部分能量,这能量来源于带电粒子本身,既然电子不断发射电磁波,其动能不断被消耗掉。如果没有能量补充,每个电子的轨道都要不断缩小,最后被吸引到原子核上去。,5,(3)若电子运动的周期是T,则它发射的电磁波的周期也是T,或者说,电磁波的频率=1/T。在电子轨道不断缩小的过程中周期不断减小,从大量原子平均来看,它们发射的电磁波谱应是连续的。(

3、4)事实上电子可以在核周围处于无辐射状态,此外原子的光谱不是连续谱,而是线状的分立谱。这和经典理论直接冲突。,6,二、氢原子光谱中的谱线学1、在长期的研究中人们发现氢原子光谱中可光波段内有一个谱线序列,它们的波长可用下列经验公式表示:,7,8,2、氢原子谱线系,9,10,3、结论,11,三、玻尔假说1、原子存在某些定态,在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值E1,E2,En,而不能采取其它值。这些定态能量的值勤叫做能级。2、只有当原子从一个定态跃迁到另一定态时,才发出或吸收电磁辐射。3、玻尔频率条件:hv= En- Em或v= ( En- Em )/h4、氢原

4、子的能级应为: En = -hcT(n)= -hcRH/n2 n叫做(主)量子数。5、原子能级中能量最低的叫做基态,其余的叫做激发态。,12,四、粒子数按能级的统计分布 玻耳兹曼正则分布律 NneEn / kT 在常温的热平衡态下,电气体中几乎全部处于基态. N1 N2,13,五、自发辐射、受激辐射和受激吸收,14,六、粒子数反转与光放大1、热平衡时,N1 N2,光在介质中传播, 总是受激吸收 占优势, N1N2反转分布(激活介质)。2、在处于反转分布的激活介质中,当有外来光信号输入时,其中v= ( E2- E1)/h的成分就放大了(受激辐射)。七、能级的寿命、稳态与亚稳态 激发态: 10-8

5、 s 亚稳态: 10-3s,15,4、激光简介一、激光器原理产生激光有三个主要元素:(1)激活介质能经受激发射而使入射光 强放大;(2)能使激活介质产生粒子数反转的泵 浦装置;(3)放置激活介质的诣振腔,它增加放 大并实施发射频率的选择。,16,二、常见激光器的种类固体激光器(红宝石激光器)气体激光器(氦氖激光器)染料激光器(用在液体中能发出荧光 的有机染料分子 作为激 活剂)半导体激光器,17,三、激光的主要特性1、能量高度集中;2、时间相干性高谱线窄,单色性好;3、空间相干性好波前上各点都是相 干的。 即一方面激光是定向强光束,另一面是单色的相干光束。,18,四、激光的应用 激光在各个技术领域中的有着广泛应用:激光通讯、激光测距、激光定向、激光准直、激光雷达、激光切削、激光手术、激光武器、激光显微光谱分析、激光受控热核反应等方面,主要是利用激光第一方面的特性;而激光全息、激光测长、激光干涉、激光测流速等领域,主要是利用激光第二方面的特性。,

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