1-量子光学基础--引言

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1、量子光学导论量子光学导论2017-2-20主要内容主要内容绪论绪论波函数与薛定谔方程波函数与薛定谔方程算符及运算算符及运算矩阵力学矩阵力学Dirac算符算符电磁场量子化描述电磁场量子化描述电磁场量子态电磁场量子态光学分束器的量子化描述光学分束器的量子化描述电磁场与原子的相互作用（简单）电磁场与原子的相互作用（简单）参考书参考书量子力学，周世勋，高等教育出版社量子力学，周世勋，高等教育出版社量子力学，曽谨言，科学出版社量子力学，曽谨言，科学出版社Quantum Optics, M. O. Scully & S. Zubairy, Cambridge University PressQuantum

2、 Optics, D. F. Walls & G. J. Milbrun, Springer考核考核平时平时40%（课堂出勤（课堂出勤+作业）作业）报告报告60%（纸质（纸质1份份+presentation）考核时间：考核时间：5月月8日日 13：1516：15考核地点：综合楼考核地点：综合楼D309 1 引言引言 2 普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说 4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论 3 爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦的光量子假设 5 激光器的工作原理激光器的工作原理量子光学基础量子光学基础14 6 与其它学科的联系与其它学科的联系热辐射热辐射黑体辐射黑体辐射基尔

3、霍夫定律基尔霍夫定律斯特潘斯特潘-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律维恩位移定律维恩位移定律维恩公式维恩公式瑞利瑞利-金斯公式金斯公式普朗克量子假设普朗克量子假设爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设光电效应光电效应康普顿散射康普顿散射光的粒子性光的粒子性光的波粒二象性光的波粒二象性光的波动性光的波动性量子光学基础量子光学基础15引言引言16“There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement.”“two small, puzzling clo

4、uds remained on the horizon”.-1900, Lord Kelvin黑体辐射问题黑体辐射问题“紫外灾难紫外灾难” ； 光电效应光电效应 0,无论无论I多大多大,没有光电子逸出没有光电子逸出; 而它的能量只与而它的能量只与 有关有关,和和I无关无关； 原子的线状光谱及其规律原子的线状光谱及其规律,巴尔末巴尔末公式的物理机制？公式的物理机制？ 原子稳定性；原子稳定性； 固体分子的比热问题固体分子的比热问题:0；经典物理的几个困难：经典物理的几个困难：两大新理论的诞生：两大新理论的诞生： 狭义和广义相对论；狭义和广义相对论； 量子力学量子力学引言引言17 1 引言引言 量子

5、概念是量子概念是 1900 1900 年普朗克首先提出的，距今已有一年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史百多年的历史. .其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到力，到 20 20 世纪世纪 30 30 年代，就建立了一套完整的量子力学年代，就建立了一套完整的量子力学理论理论. .量子力学量子力学宏观领域宏观领域经典力学经典力学现代物理的理论基础现代物理的理论基础量子力学量子力学相相 对对 论论量子力学量子力学微观世界的理论微观世界的理论起源于对波粒二

6、相性的认识起源于对波粒二相性的认识引言引言18所所所所有有有有物物物物体体体体在在在在任任任任何何何何温温温温度度度度下下下下都都都都要要要要发发发发射射射射电电电电磁磁磁磁波波波波，这这这这种种种种与与与与温温温温度度度度有有有有关关关关的的的的辐辐辐辐射射射射称称称称为为为为热热热热辐辐辐辐射射射射 (heat radiation)(heat radiation)。热热热热辐辐辐辐射射射射的的的的电电电电磁磁磁磁波波波波的的的的波波波波长长长长、强强强强度度度度与与与与物物物物体体体体的的的的温温温温度度度度有有有有关关关关，还还还还与与与与物体的性质和表面形状有关。物体的性质和表面形状有

7、关。物体的性质和表面形状有关。物体的性质和表面形状有关。 2 普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说1. 热辐射的基本概念热辐射的基本概念热辐射的基本概念热辐射的基本概念一、热辐射现象一、热辐射现象False-colour infrared image of Whirlpool galaxyThermogram of man普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说19单单单单色色色色辐辐辐辐出出出出度度度度MM ： 为为为为了了了了描描描描述述述述物物物物体体体体辐辐辐辐射射射射能能能能量量量量的的的的能能能能力力力力，定定定定义义义义物物物物体体体体单单单单位位位位表表表表面面面面在在在在单单单单

8、位位位位时时时时间间间间内内内内发发发发出出出出的的的的波波波波长长长长在在在在 附附附附近近近近单单单单位波长位波长位波长位波长间隔内的电磁波的能量，为单色辐出度间隔内的电磁波的能量，为单色辐出度间隔内的电磁波的能量，为单色辐出度间隔内的电磁波的能量，为单色辐出度MM ，即即即即辐辐辐辐出出出出度度度度 MM( ( ( (T T T T ): ): ): ): 物物物物体体体体从从从从单单单单位位位位面面面面积积积积上上上上发发发发射射射射的的的的所所所所有有有有各各各各种种种种波波波波长长长长的辐射总功率称为物体的总辐出度的辐射总功率称为物体的总辐出度的辐射总功率称为物体的总辐出度的辐射总

9、功率称为物体的总辐出度 MM( ( ( (T T T T ) ) ) )普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说20单单单单色色色色吸吸吸吸收收收收比比比比: : : : 当当当当辐辐辐辐射射射射从从从从外外外外界界界界入入入入射射射射到到到到物物物物体体体体表表表表面面面面时时时时，在在在在 到到到到 +d+d+d+d 的的的的波波波波段段段段内内内内吸吸吸吸收收收收的的的的能能能能量量量量 “ “ E E E E 吸吸吸吸收收收收 d d d d ” ”与与与与入入入入射射射射的的的的总能量总能量总能量总能量“ “ E E E E 入射入射入射入射 d d d d ” ”之比之比之比之比: :

10、 : :吸收比吸收比吸收比吸收比: : : : 当辐射从外界入射到物体表面时，当辐射从外界入射到物体表面时，当辐射从外界入射到物体表面时，当辐射从外界入射到物体表面时，吸收能吸收能吸收能吸收能量与入射总能量之比量与入射总能量之比量与入射总能量之比量与入射总能量之比: : : :吸收能力的量度吸收能力的量度吸收能力的量度吸收能力的量度普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说21同同同同一一一一个个个个物物物物体体体体的的的的发发发发射射射射本本本本领领领领和和和和吸吸吸吸收收收收本本本本领领领领有有有有内内内内在在在在联联联联系系系系室温下的反射光照片室温下的反射光照片室温下的反射光照片室温下的反射

11、光照片1100K1100K的自身辐射光照片的自身辐射光照片的自身辐射光照片的自身辐射光照片2. 基尔霍夫定律基尔霍夫定律普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说22基基基基尔尔尔尔霍霍霍霍夫夫夫夫定定定定律律律律：实实实实验验验验发发发发现现现现，在在在在温温温温度度度度一一一一定定定定时时时时，物物物物体体体体在在在在某某某某波波波波长长长长 处处处处的的的的单单单单色色色色辐辐辐辐出出出出度度度度与与与与单单单单色色色色吸吸吸吸收收收收比比比比的的的的比比比比值值值值与与与与物物物物体体体体及及及及其物体表面的性质无关，即其物体表面的性质无关，即其物体表面的性质无关，即其物体表面的性质无关，即

12、一个一个一个一个好的发射体一定也是好的吸收体。好的发射体一定也是好的吸收体。好的发射体一定也是好的吸收体。好的发射体一定也是好的吸收体。普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说23黑体黑体黑体黑体: : : : 能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体显然，黑体的显然，黑体的显然，黑体的显然，黑体的吸收比和单色吸收比和单色吸收比和单色吸收比和单色吸收比为吸收比为吸收比为吸收比为100%100%黑黑黑黑体体体体是是是是最最最最理理理理想想想想模模模模型型型型，（如如如如图图图图）在在在在不

13、不不不透透透透明明明明材材材材料料料料围围围围成成成成的的的的空腔上开一个小孔。该小孔的可认为是黑体的表面。空腔上开一个小孔。该小孔的可认为是黑体的表面。空腔上开一个小孔。该小孔的可认为是黑体的表面。空腔上开一个小孔。该小孔的可认为是黑体的表面。黑黑黑黑体体体体能能能能吸吸吸吸收收收收各各各各种种种种频频频频率率率率的的的的电电电电磁磁磁磁波波波波，也也也也能能能能辐辐辐辐射射射射各各各各种种种种频率的电磁波。频率的电磁波。频率的电磁波。频率的电磁波。思考：思考：思考：思考：黑色的物体是黑体黑色的物体是黑体黑色的物体是黑体黑色的物体是黑体吗？吗？吗？吗？普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说24

14、二、二、 黑体辐射的基本规律黑体辐射的基本规律测定黑体辐出度的实验简图测定黑体辐出度的实验简图PL2B2AL1B1CA为黑体为黑体B1PB2为分光系统为分光系统C为热电偶为热电偶普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说25实验结果实验结果: :0 2 4 6 8 10 12钨丝和太阳的单色辐出度曲线钨丝和太阳的单色辐出度曲线21210468太阳太阳可见可见光区光区 钨丝钨丝（58005800K K） 太阳太阳（58005800K K）钨丝钨丝黑体辐射黑体辐射260 1000 20001.00.5 黑体辐射规律黑体辐射规律: :可可见见光光区区30003000K K60006000K K（1 1）斯

15、忒藩斯忒藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼常量玻尔兹曼常量（2）维恩位移定律维恩位移定律常量常量峰值波长峰值波长普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说27普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说28以上两个实验定以上两个实验定以上两个实验定以上两个实验定律是律是律是律是遥感遥感遥感遥感、高温高温高温高温测量测量测量测量和和和和红外追踪红外追踪红外追踪红外追踪等技术的物理基等技术的物理基等技术的物理基等技术的物理基础。础。础。础。（3 3）维恩定律维恩定律（c2和和c3为经验参数）为经验参数）4012356789维恩线维恩线普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说29（4 4）瑞利瑞利- -金

16、斯定律金斯定律4012356789瑞利瑞利-金斯线金斯线普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说30经典理论在短波区域的失败成为经典理论在短波区域的失败成为“紫外灾难紫外灾难”。（5）普朗克普朗克经验公式经验公式4012356789普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说31近近代代伟伟大大的的德德国国物物理理学学家家，量量子子论论的的奠奠基基人人，一一九九一一八八年年获获诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖。 (18581947)普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说32在长波情况下：在长波情况下：瑞利瑞利- -金斯公式金斯公式普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说33在短波情况下：在短波情况下：维恩公式维恩公

17、式普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说34三、普朗克的能量子假设三、普朗克的能量子假设普朗克常量普朗克常量 能量子能量子 为单元来吸收或为单元来吸收或发射能量发射能量. . 普朗克认为：金属空腔壁中电子的振动可视为普朗克认为：金属空腔壁中电子的振动可视为一一维谐振子维谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量时，不是过，它吸收或者发射电磁辐射能量时，不是过去经典物理认为的那样可以连续的吸收或发射能量，去经典物理认为的那样可以连续的吸收或发射能量，而是以与振子的频率成正比的而是以与振子的频率成正比的普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式 空腔壁上的带电谐振空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为子吸收或发射

18、能量应为 普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说35经典理论的基本观点：经典理论的基本观点：（1）电磁辐射来源于带电粒子的振动，电磁波的频率）电磁辐射来源于带电粒子的振动，电磁波的频率与振动频率相同。与振动频率相同。（2）振子辐射的电磁波含有各种波长，是连续的，辐）振子辐射的电磁波含有各种波长，是连续的，辐射能量也是连续的。射能量也是连续的。（3）温度升高，振子振动加强，辐射能增大。）温度升高，振子振动加强，辐射能增大。普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说36光电效应：光电效应：当一束光照射在金属表面上时，金属表当一束光照射在金属表面上时，金属表面有电子逸出的现象。面有电子逸出的现象。GVKA-

19、一、光电效应一、光电效应 3 爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦的光量子假设37光电效应的实验规律光电效应的实验规律: : 电流饱和值电流饱和值（光强）（光强）增加电压增加电压U，光电流随之增加，直至饱和。光电流随之增加，直至饱和。当反向电压当反向电压U=Us时时,光电流光电流 I = 0。对应的电压称为对应的电压称为遏止电压遏止电压.Us对应于光电子刚好不能到达对应于光电子刚好不能到达A极极。 遏止电压遏止电压爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦的光量子假设38电压电压U = 0时，光电流时，光电流 I 0 截止频率（红限）截止频率（红限） 几种纯几种纯金属的金属的

20、截截止止频率频率仅当仅当 才发生光电效应，截止频率与才发生光电效应，截止频率与材料有关，材料有关，与与光光强无关强无关 . .金属金属截止频率截止频率4.545 5.508.065 11.53铯铯 钠钠 锌锌 铱铱 铂铂 19.29电子逸出金属表面要克服逸出电势做功，这个功称为电子逸出金属表面要克服逸出电势做功，这个功称为逸逸出功出功. . 遏止电压遏止电压 与光强无关与光强无关, 与入射光频率具有线性关系与入射光频率具有线性关系.光电效应瞬时响应的性质。光电效应瞬时响应的性质。 t m)谱线的波数可以表示为两光谱项之差。谱线的波数可以表示为两光谱项之差。光谱项：光谱项：广义巴尔末公式：广义巴

21、尔末公式：氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论63二、经典原子模型的困难二、经典原子模型的困难汤姆逊面包夹葡萄干模型汤姆逊面包夹葡萄干模型- 整个原子呈胶冻状的球体，正电整个原子呈胶冻状的球体，正电荷均匀分布于球体上，而电子镶嵌在荷均匀分布于球体上，而电子镶嵌在原子球内，在各自的平衡位置作简谐原子球内，在各自的平衡位置作简谐振动并发射同频率的电磁波振动并发射同频率的电磁波。卢瑟福的核式模型卢瑟福的核式模型氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论64+ +- - 粒子散射粒子散射原子的核式模型：原子的核式模型： 原子由原子核和核外电子构成，原子核带正电原子由原子核

22、和核外电子构成，原子核带正电荷，占据整个原子的极小一部分空间，而电子带负荷，占据整个原子的极小一部分空间，而电子带负电，绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一样。电，绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一样。氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论65经典核模型的困难经典核模型的困难 根据经典电磁理论，电子绕核根据经典电磁理论，电子绕核作匀速圆周运动，作加速运动的电作匀速圆周运动，作加速运动的电子将不断向外辐射电磁波子将不断向外辐射电磁波 . . + 原子不断地向外辐射能量，原子不断地向外辐射能量，能量逐渐减小，电子绕核旋转的频能量逐渐减小，电子绕核旋转的频率也逐渐改变，发射光谱应是

23、连续率也逐渐改变，发射光谱应是连续谱；谱； 由于原子总能量减小，电子由于原子总能量减小，电子将逐渐的接近原子核而后相遇，原将逐渐的接近原子核而后相遇，原子不稳定子不稳定 . .+氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论66玻尔假设：玻尔假设：1、原子中的电子只能在一些分裂的轨道上运行，在每一、原子中的电子只能在一些分裂的轨道上运行，在每一个轨道上运动电子处于稳定的能量状态。个轨道上运动电子处于稳定的能量状态。而轨道的角动量呈量子化。而轨道的角动量呈量子化。2、当电子从一个能态轨道向另一个能态轨道跃迁时，要、当电子从一个能态轨道向另一个能态轨道跃迁时，要发射或吸收光子。发射或吸收光

24、子。三、玻尔的氢原子理论三、玻尔的氢原子理论3、对应原理：在极限条件下，新理论应与旧理论形式一致。、对应原理：在极限条件下，新理论应与旧理论形式一致。新理论应包含一定经验范围内证明是正确的旧理论。新理论应包含一定经验范围内证明是正确的旧理论。玻尔氢原子理论在量子数玻尔氢原子理论在量子数n很大时，应与经典理论一致。很大时，应与经典理论一致。氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论67(18851962)丹麦物理学家丹麦物理学家,哥本哈根学派的创始人哥本哈根学派的创始人,1922年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论68玻尔量子化条

25、件：玻尔量子化条件：电子的轨道半径：电子的轨道半径：氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论69轨道能量：轨道能量：氢原子的基态能量：氢原子的基态能量：氢原子能级：氢原子能级：氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论70莱曼系莱曼系巴尔末系巴尔末系帕邢系帕邢系布拉开系布拉开系普丰德系普丰德系氢原子能级图氢原子能级图-13.58-3.39-1.51-0.85-0.540En(eV)12354氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论71比较比较氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论72 例例例例 如用能量为如用能量为如用能量为如用能量为12

26、.6 eV12.6 eV的电子轰击氢原子，将产的电子轰击氢原子，将产的电子轰击氢原子，将产的电子轰击氢原子，将产生那些生那些生那些生那些光光光光谱线？谱线？谱线？谱线？解：解：解：解：可取可取可取可取 n = 3n = 3氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论73可能的能级跃迁可能的能级跃迁可能的能级跃迁可能的能级跃迁： 31 ，32 ，21氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论741. 波长为波长为450nm的单色光射到纯钠的表面上的单色光射到纯钠的表面上.（普朗（普朗克常数克常数h=6.62610-34Js，钠的逸出功为，钠的逸出功为2.28eV）求：求：（

27、1）这种光的光子能量和动量；这种光的光子能量和动量；（2）光电子逸出钠表面时的动能；光电子逸出钠表面时的动能；（3）若光子的能量为若光子的能量为2.40eV，其波长为多少？，其波长为多少？2. 如用能量为如用能量为12.9 eV的电子轰击氢原子，将产生那的电子轰击氢原子，将产生那些光谱线？（氢原子的基态能量为些光谱线？（氢原子的基态能量为-13.6eV）氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论75作业：作业： 普通光源普通光源-自发辐射自发辐射 激光光源激光光源-受激辐射受激辐射前言前言 激光又名镭射激光又名镭射 (Laser)， 它的全名是它的全名是“辐射的受激发射光放大辐射的

28、受激发射光放大”。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)激光器的工作原理激光器的工作原理76 5 激光器的工作原理激光器的工作原理一一. 特点：特点：方向性极好方向性极好（发散角（发散角10 -4弧度）弧度）脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大（可达（可达10 14瓦）瓦） 空间相干性好，有的激光波面上空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。各个点都是相干光源。 时间相干性好（时间相干性好（ 10 - 8埃），埃）， 相干长度可达几十公里。相干长度可达几十公里。相干性极好相干性极好亮度极高亮度极高激光器的工作原理激光

29、器的工作原理77 按工作方式分按工作方式分 连续式（功率可达连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达1014 W ） 三三 . 波长：波长：极紫外极紫外可见光可见光亚毫米亚毫米 (100 n m ） （1.222 m m ）二二 . 种类：种类： 固体（如红宝石固体（如红宝石Al2O3） 液体（如某些染料）液体（如某些染料） 气体（如气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAs） 按工作物质分按工作物质分激光器的工作原理激光器的工作原理781.1.粒子数按能级分布：粒子数按能级分布：玻尔兹曼分布玻尔兹曼分布 在热平衡条件下，处在高能级上

30、的粒子的数目总在热平衡条件下，处在高能级上的粒子的数目总是少于低能级上的粒子的数目；是少于低能级上的粒子的数目；绝大多数的粒子都处在基态，能级能量越高，粒绝大多数的粒子都处在基态，能级能量越高，粒子数越少。子数越少。如：氖原子如：氖原子3 3s s激发态与基态在常温下激发态与基态在常温下( (T=300K)T=300K)，两能级的粒子数之比为两能级的粒子数之比为N N2 2/N/N1 1=e=e- -653653 1 1激光器的工作原理激光器的工作原理79一、自发辐射一、自发辐射 受激辐射和吸收受激辐射和吸收2. 自发辐射自发辐射(spontaneous radiation) 设设 N1 、N

31、2 单位体积中处于单位体积中处于E1 、E2能级的原子数。能级的原子数。单位体积中单位时间内，单位体积中单位时间内， 从从E2 E1自发辐射自发辐射 的原的原子数：子数： E2E1N2N1h 激光器的工作原理激光器的工作原理80写成等式写成等式 21 自发辐射系数，单个原子在单位自发辐射系数，单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。时间内发生自发辐射过程的概率。 各原子自发辐射的光是独立的、各原子自发辐射的光是独立的、 无关的无关的 非相干光非相干光 。：平均寿命：平均寿命激光器的工作原理激光器的工作原理813受激辐射受激辐射 (stimulated radiation)E2E1N2N1

32、全同光子全同光子h 受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同传播方向均相同-有光的放大作用有光的放大作用。激光器的工作原理激光器的工作原理82单位体积中单位时间内，单位体积中单位时间内， 从从E2 E1受激辐射受激辐射 的的原子数：原子数： W21 受激受激辐射系数辐射系数 u( ) 频率频率 附近单位频率附近单位频率间隔的外来光强度间隔的外来光强度4. 受激吸收受激吸收(absorption)E2E1N2N1h 上述外来光也有可能被吸收，使原子从上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。激光器的工作原理激光器的工作原理83单位体积中

33、单位时间内，单位体积中单位时间内， 从从E1 E2受激吸收受激吸收 的的原子数：原子数： 二、粒子数反转和光放大二、粒子数反转和光放大二、粒子数反转和光放大二、粒子数反转和光放大热平衡时，诱发受激辐射的光子遇到低能级上粒子而热平衡时，诱发受激辐射的光子遇到低能级上粒子而发生吸收的概率远远遇到高于高能级上的粒子而发生发生吸收的概率远远遇到高于高能级上的粒子而发生受激辐射的概率。受激辐射的概率。受激辐射过程胜过吸收过程，必须使得处在高能级受激辐射过程胜过吸收过程，必须使得处在高能级上的粒子数目大于低能级上的粒子数目，称为上的粒子数目大于低能级上的粒子数目，称为粒子粒子数反转数反转。能实现粒子数反转

34、的物质能实现粒子数反转的物质工作物质工作物质 有适当的能级结构，亚稳态有适当的能级结构，亚稳态外界提供能量，泵浦外界提供能量，泵浦( (抽运抽运) )。激光器的工作原理激光器的工作原理84三、激光器的工作原理三、激光器的工作原理 1.1.激光器的结构激光器的结构 常用激光器由三部分常用激光器由三部分组成：成： 工作物工作物质 泵浦源浦源 光学光学谐振腔振腔工作物工作物质激励能源激励能源谐振腔振腔实现粒子数反转实现粒子数反转工作物质工作物质抽送粒子到激发态，从而形抽送粒子到激发态，从而形成粒子数反转成粒子数反转激励装置激励装置 实现光放大实现光放大光学谐振腔光学谐振腔激光器的工作原理激光器的工作

35、原理85具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。红宝石激光器（三能级系统）红宝石激光器（三能级系统）E2E3E1E2E3E1(10-8s)E2E3E1(10-3s)2 2. .工作物质工作物质 红宝石激光：红宝石激光： 6943A激光器的工作原理激光器的工作原理86梅曼和第一只激光器梅曼和第一只激光器红宝石激光器激光器的工作原理激光器的工作原理87氦氖激光器（四能级系统）氦氖激光器（四能级系统）E1E2E3E4E1E2E3E4(10-8s)(10-3s)氦氖激光：氦氖激光： 6328A激光器的工作原理激光器的工作原理88工作物质工作物质全反射镜全反射

36、镜部分反射镜部分反射镜谐振腔长度：谐振腔长度：3.3.光学谐振腔光学谐振腔 在工作物质的两端安置两块反射镜面，一个是全反在工作物质的两端安置两块反射镜面，一个是全反射镜，一个是部分反射镜，这对反射镜面及其间的射镜，一个是部分反射镜，这对反射镜面及其间的空间称为光学谐振腔。空间称为光学谐振腔。沿光轴方向运动的光子，反复多次反射产生雪崩式放大，沿光轴方向运动的光子，反复多次反射产生雪崩式放大，从部分反射镜射出形成激光。从部分反射镜射出形成激光。激光器的工作原理激光器的工作原理89激光工作物质激光工作物质全全反反射射镜镜半半反反射射镜镜工作原理：工作原理：out光放大原理光放大原理谐振腔的作用：谐振

37、腔的作用：（1）维持光振荡，起到光放大作用；）维持光振荡，起到光放大作用； （2）使激光产生极好的方向性；）使激光产生极好的方向性；（3）使激光的单色性好，能选频；）使激光的单色性好，能选频；激光器的工作原理激光器的工作原理91相邻纵模频率间隔：相邻纵模频率间隔：本身谱线宽度如果小于相邻纵模频率间隔，则只可能本身谱线宽度如果小于相邻纵模频率间隔，则只可能存在一个纵模，使激光具有很好的单色性。存在一个纵模，使激光具有很好的单色性。4.4.增益系数增益系数 要形成激光，要求增益至少要大于损耗。要形成激光，要求增益至少要大于损耗。量量子子光光学学（Quantum Optics）是是应应用用辐辐射射的

38、的量量子子理理论论研研究究光光辐辐射射的的产产生生、相相干干统统计计性性质质、传传输输、检检测测以及光与物质相互作用中的基础物理问题的一门学科。以及光与物质相互作用中的基础物理问题的一门学科。量量子子力力学学（Quantum Mechanics)是是研研究究微微观观粒粒子子的的运运动动规规律律的的物物理理学学分分支支学学科科，它它主主要要研研究究原原子子、分分子子、凝凝聚聚态态物物质质，以以及及原原子子核核和和基基本本粒粒子子的的结结构构、性性质质的的基基础础理理论论，它它与与相相对对论论一一起起构构成成了了现现代代物物理理学学的的理理论论基基础础。量量子子力力学学不不仅仅是是近近代代物物理理

39、学学的的基基础础理理论论之之一一，而而且且在在化化学学等等有有关关学学科科和和许许多多近近代代技技术术中中也也得得到到了广泛的应用。了广泛的应用。与其它学科的联系与其它学科的联系92 6 与其它学科的联系与其它学科的联系与其它学科的联系与其它学科的联系93量量子子信信息息(quantum information)是是关关于于量量子子系系统统“状状态态”所所带带有有的的物物理理信信息息。通通过过量量子子系系统统的的各各种种相相干干特特性性（如如量量子子并并行行、量量子子纠纠缠缠和和量量子子不不可可克克隆隆等等），进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。量量

40、子子通通信信（Quantum Teleportation）是是指指利利用用量量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量量子子场场论论（Quantum Field Theory）是是量量子子力力学学和和经经典典场场论论相相结结合合的的物物理理理理论论，已已被被广广泛泛的的应应用用于于粒粒子子物物理理学学和和凝凝聚聚态态物物理理学学中中。它它为为描描述述多多粒粒子子系系统统，尤尤其其是是包包含含粒粒子子产产生生和和湮湮灭灭过过程程的的系系统统，提提供供了了有有效效的的描描述述框框架架。非非相相对对论论性性的的量量子子场场论论主主要要被被应应用用于于凝凝聚聚态态物物理理学学，比比如如描描述述超超导导性性的的BCS理理论论。而而相相对对论论性的量子场论则是粒子物理学不可或缺的组成部分。性的量子场论则是粒子物理学不可或缺的组成部分。