上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录激光原理与应用上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录内容概要本章主要内容： 1. 光的波粒二象性2. 原子的能级和辐射跃迁3. 光的受激辐射4. 光谱线宽度5. 激光形成的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.1 光的波粒二象性 光的一个基本性质就是具有波粒二象性，人们对光的认识从牛顿的微粒说，到菲涅尔的波动说，再到爱因斯坦的光子说 一方面光是电磁波，具有波动的性质，有一定的频率和波长另一方面光是光子流，光子是具有一定能量和动量的物质粒子在一定条件下，某一方面的属性比较明显上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.1 光的波粒二象性 首先了解一下光的波动性，从物质本源上来讲光波是一种电磁波，是 和 的振动和传播,如图（1-1）所示。
习惯上常把电矢量叫做光矢量图（1-1）电磁波的传播1.1.1 光波（1）变化的电场和变化的磁场相互激发，形成变化的电磁场在空间传播2）光对人眼或感光仪器等起作用的主要是电矢量 上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.1 光的波粒二象性1.1.1 光波1、线偏振光Ex(1)线偏振光ExyEy(2)自然光z传播方向图（1-1）电磁波的传播这里我们讨论的是电矢量在xy平面的震动方向：上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.1 光的波粒二象性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1.1.1 光波上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.1 光的波粒二象性(3)光速：(2)频率：光矢量每秒钟振动的次数(4)三者的关系在真空中 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、频率和波长三者的关系1.1.1 光波上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.1 光的波粒二象性1.1.1 光波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 波阵面或等相位面：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，如称为准单色波。
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也可以改写成如下形式：从上式可看出，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/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上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.1 光的波粒二象性(3)平面波的复数表示法、光强 单色平面波的复数表示： 或 根据欧拉公式可把行波方程写作：计算结果仅取实数部分：1.1.1 光波3、单色平面波上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.1 光的波粒二象性 复振幅 ：引入复振幅后，行波方程改写为（空间变量与时间变量分开表示）：其模 代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在空间的分布 上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.1 光的波粒二象性 光强：定义为单位时间内通过垂直于光传播方向单位面积的光波能量，用字母I代表，单位为W/m2 常记作： 光强与光矢量大小的平方成正比，即由于光的频率很高，通常用探测器测量到的只是光强的平均值 ：上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.1 光的波粒二象性(4)球面波及其复数表示法 球面波的振幅随波面半径r的增大成反比例减小，其简谐波方程为： 球面波的复数表示法： 球面波：光波波面为一系列同心球面的波例如，均匀介质中点光源发出的光波1.1.1 光波3、单色平面波上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.1 光的波粒二象性1.1.2 光子 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（爱因斯坦）： 当光和物质相互作用时，例如产生原子对光的发射和吸收时，光的粒子性就表现的较为明显，可以把光当做光子流看待上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.1 光的波粒二象性式中h是普朗克常数，h=6.6310-34Js。
光的能量是所有光子能量的总和，当光与物质交换能量时，光子只能整个地被原装吸收或发射 上述两个基本关系式为康普顿散射实验所证实（1923年），并在现代量子电动力学中得到理论解释上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.1 光的波粒二象性小结：光的偏振特性：激光器的输出多为线偏振光，而普通光源发出的光基本上是自然偏振光真空中光速、频率和波长之间的关系：平面波的行波方程：光子的能量公式： ，光子能量公式在研究激光的激发时是经常用到的上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.2 原子的能级和辐射跃迁 主量子数n，n =1，2，3， 代表电子运动区域的大小和它的总能量的主要部分； 辅量子数l，l =0，1，2，（n-1）代表轨道的形状和轨道角动量，这也同电子的能量有关。
对l =0，1，2，3等的电子顺次用s, p, d, f字母表示； 原子能级、简并度1. 原子中电子的状态由下列四个量子数来确定（标记）：上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.2 原子的能级和辐射跃迁 磁量子数（即轨道方向量子数）m =0，1，2，l代表轨道在空间的可能取向，即轨道角动量在某一特殊方向的分量； 自旋量子数（即自旋方向量子数）ms= 1/2，代表电子自旋方向的取向，也代表电子自旋角动量在某一特殊方向的分量上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.2 原子的能级和辐射跃迁2.原子能级 和 能级简并度 电子能级（原子系统能级） ，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：同一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 原子能级、简并度上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录1.2 原子的能级和辐射跃迁ssP 以氢原子为例来具体说明原子的能级中的简并度 由于氢原子只有一个核外电子，所以该电子的状态就可以代表原子的状态 当电子的主量子数n=1即电子在最内层轨道运动时；l=0；m=0；ms=1/2 当电子的主量子数n=2即电子在次内层轨道运动时；l=0；m=0；ms=1/2l=1；m=0，1；ms=1/2 那么如何得知电子具体运动状态呢？上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录第一章 辐射理论概要与激光产生的条件上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回目录回目录。