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1、原子光谱与激光原理原子光谱与激光原理pptppt课课件件F1885年瑞士的巴耳末用经验公式表年瑞士的巴耳末用经验公式表示出氢原子的前四条可见光谱：示出氢原子的前四条可见光谱：用波数用波数(波长的倒数波长的倒数)表示：表示：-巴耳末公巴耳末公式式物理系 从守民1.1.经典物理的困难经典物理的困难原子的稳定性：原子的稳定性：电子绕核转动具有电子绕核转动具有加速度加速度发射电磁波发射电磁波能量减少能量减少作作螺旋运动螺旋运动落入原子核落入原子核不稳定不稳定原子光谱的分立性：原子光谱的分立性：发射电磁波的发射电磁波的频率等于电子绕核转动的频率频率等于电子绕核转动的频率电电子作螺旋运动的频率连续变化子作
2、螺旋运动的频率连续变化光光谱为连续光谱。谱为连续光谱。物理系 从守民 2.玻尔理论的基本假设玻尔理论的基本假设F1913年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福核模型基础上，结合普朗克量子假设核模型基础上，结合普朗克量子假设和原子光谱的分立性，提出假设：和原子光谱的分立性，提出假设：定态假设：定态假设：原子系统只能处在一系原子系统只能处在一系列具有不连续能量的稳定状态列具有不连续能量的稳定状态(定定态态)。定态时核外电子在一定的轨。定态时核外电子在一定的轨道上作圆周运动，但不发射电磁波道上作圆周运动，但不发射电磁波物理系 从守民 频率条件频率条件: :当原子从一个能量为当原子从一个
3、能量为En的定态跃迁到另一个能量为的定态跃迁到另一个能量为Ek的定的定态时，就要发射或吸收一个频率为态时，就要发射或吸收一个频率为 kn的光子的光子EnEk-发射光子发射光子En0，并可连续变化并可连续变化物理系 从守民电子轨道电子轨道能级能级基态基态激激发发态态物理系 从守民-13.6-3.39-1.510En/eV-0.85物理系 从守民 4.里德伯公式的推导里德伯公式的推导F氢氢原原子子从从高高能能级级En跃跃迁迁到到低低能能级级Ek时，氢原子的发光频率为时，氢原子的发光频率为波数为波数为物理系 从守民 其中其中-与实验结果符合得很与实验结果符合得很好好5.玻尔理论的缺陷玻尔理论的缺陷以
4、经典理论为基础，其定态时不发以经典理论为基础，其定态时不发出辐射的假设又与经典理论相抵触出辐射的假设又与经典理论相抵触量子化条件没有适当的理论解释量子化条件没有适当的理论解释玻尔理论只能求出谱线频率，对强玻尔理论只能求出谱线频率，对强度宽度和偏振等都无法处理度宽度和偏振等都无法处理物理系 从守民 一、光与原子的相互作用一、光与原子的相互作用 1.粒子数按能级的分布粒子数按能级的分布 2.辐射能量交换的三种方式辐射能量交换的三种方式 受激吸收受激吸收 自发辐射自发辐射 受激受激辐射辐射 8-2激光的基本原理激光的基本原理物理系 从守民 两个光子频率相同，方向同，振向同，位向两个光子频率相同，方向
5、同，振向同，位向 光放大与光吸收光放大与光吸收 二、激光的产生二、激光的产生 1. 1.粒子数反转粒子数反转粒子数反转粒子数反转三能级系统三能级系统 E3 自发辐射 抽运 E2（亚稳态）n2n1反转 E1物理系 从守民四能级系统四能级系统 抽抽 快快 慢慢 快快 n2n1 反转反转 2.谐振腔：选择共振波长谐振腔：选择共振波长 提高单色性提高单色性 E4E3E2E1 物理系 从守民一、激光的特点一、激光的特点1. 1.高亮度高亮度高亮度高亮度2. 2.方向性好方向性好方向性好方向性好3. 3.单色性好单色性好单色性好单色性好4. 4.相干性好相干性好相干性好相干性好 二、激光器的种类二、激光器
6、的种类1. 1.气体气体气体气体He-NeHe-Ne激光器激光器激光器激光器2. 2.固体固体固体固体红宝石红宝石红宝石红宝石3. 3.液体液体液体液体染料激光器染料激光器染料激光器染料激光器全反镜全反镜工作物质工作物质部分反射镜部分反射镜输出输出8-3 激光的特点和应用激光的特点和应用物理系 从守民三、激光的应用三、激光的应用1. 1.激光测距：激光雷达和激光准直激光测距：激光雷达和激光准直激光测距：激光雷达和激光准直激光测距：激光雷达和激光准直2. 2.激光用于农业激光用于农业激光用于农业激光用于农业3. 3.激光用在加工领域激光用在加工领域激光用在加工领域激光用在加工领域4. 4.激光用
7、语医疗领域激光用语医疗领域激光用语医疗领域激光用语医疗领域5. 5.激光通信激光通信激光通信激光通信6. 6.激光与能源激光与能源激光与能源激光与能源7. 7.全息照相全息照相全息照相全息照相8. 8.激光舞台与激光唱片激光舞台与激光唱片激光舞台与激光唱片激光舞台与激光唱片9. 9.激光在物理基础研究方面的应用激光在物理基础研究方面的应用激光在物理基础研究方面的应用激光在物理基础研究方面的应用物理系 从守民9.3 全息照相全息照相n n 一般照相记录的是被照物反射到底片的强度一般照相记录的是被照物反射到底片的强度振幅振幅信息，洗出相片是二维平面图，没有立体感，因为没记信息，洗出相片是二维平面图
8、，没有立体感，因为没记录被照物的位相信息。录被照物的位相信息。n n一、一、定义定义 能记录被照物各点的发射光的振幅和位相的能记录被照物各点的发射光的振幅和位相的全息信息全息信息称全息照相称全息照相n n二、基本原理二、基本原理n n首先将景物的特定波面记录下来，在一步就是在观察时首先将景物的特定波面记录下来，在一步就是在观察时将原来的特定波面显现出来。将原来的特定波面显现出来。n n将一束激光照射到物体上，使反射光照到记录底片（感将一束激光照射到物体上，使反射光照到记录底片（感光片）上，同时将一束和上述物光相干的参考光也照射光片）上，同时将一束和上述物光相干的参考光也照射到底片上，使物光和参
9、考光在底片上干涉，形成复杂的到底片上，使物光和参考光在底片上干涉，形成复杂的干涉条纹，通过感光显影、定影，就形成了全息底片。干涉条纹，通过感光显影、定影，就形成了全息底片。n n观察时，将参考光和原来一样方向照明底片，由于衍射观察时，将参考光和原来一样方向照明底片，由于衍射作用，就能产生极衍射波，其中就有一束波面线总在原作用，就能产生极衍射波，其中就有一束波面线总在原来被摄物体之处，（虚象）还有一个是实象。来被摄物体之处，（虚象）还有一个是实象。8-4 全息照相全息照相物理系 从守民一、极化强度和极化波一、极化强度和极化波 原子在光源作用下，正负电中心拉开，被极化原子在光源作用下，正负电中心拉
10、开，被极化成电偶极子成电偶极子 单位体积内的原子的极化偶极距矢量和单位体积内的原子的极化偶极距矢量和 P称电极化强度称电极化强度 极化场发射次极电磁波极化场发射次极电磁波二、线性光学二、线性光学 入射光场强为入射光场强为E 若若8-5非线性光学概述非线性光学概述物理系 从守民 为极化率为极化率 P只与只与E的一次方成正比的一次方成正比 次极电磁波和入射场有相同的频率，次极波次极电磁波和入射场有相同的频率，次极波 叠加的结果，决定物质时，入射光场的反射，叠加的结果，决定物质时，入射光场的反射，折射和反射等，也满足光的独立性原理，以上折射和反射等，也满足光的独立性原理，以上现象现象 为线性光学现象
11、为线性光学现象三、非线性光学三、非线性光学 物质对光场的响应与光的场强的关系为非线物质对光场的响应与光的场强的关系为非线 性关系。性关系。 式中式中 ， ， 都是物质有关的系数，后项多都是物质有关的系数，后项多数比前项小的多。如仅取后两项数比前项小的多。如仅取后两项物理系 从守民 其中其中 表示原子内平均场强表示原子内平均场强 当外界光场强当外界光场强E远小于时，要观察非线性光学远小于时，要观察非线性光学 现象需要高强度激光束。只有激光引进以后，非现象需要高强度激光束。只有激光引进以后，非 线性光研究才得以快速发展。线性光研究才得以快速发展。四、非线性光学现象四、非线性光学现象1. 1.信频技
12、术信频技术信频技术信频技术2. 2.受激拉曼散射受激拉曼散射受激拉曼散射受激拉曼散射3. 3.激光自聚焦激光自聚焦激光自聚焦激光自聚焦物理系 从守民 光学课程总结光学课程总结共讨论了四类问题共讨论了四类问题 非温度辐射非温度辐射 基尔霍夫定律基尔霍夫定律n n光的发散光的发散 热辐射热辐射 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设 受激辐射受激辐射 激光，非线性光学激光，非线性光学物理系 从守民 相干条件相干条件相干条件相干条件 分波面干涉分波面干涉分波面干涉分波面干涉 干涉干涉干涉干涉 分振幅干涉分振幅干涉分振幅干涉分振幅干涉 时空相干性时空相干性时空相干性时空相干性 惠惠惠惠- -菲
13、原理菲原理菲原理菲原理 菲涅耳衍射菲涅耳衍射菲涅耳衍射菲涅耳衍射半波带、矢量合成法半波带、矢量合成法半波带、矢量合成法半波带、矢量合成法 单缝单缝单缝单缝 衍射衍射衍射衍射 夫琅和费衍射夫琅和费衍射夫琅和费衍射夫琅和费衍射 圆孔圆孔圆孔圆孔 多缝（光栅）多缝（光栅）多缝（光栅）多缝（光栅）光的传播光的传播 费马原理费马原理费马原理费马原理 衍射特例衍射特例衍射特例衍射特例几何光学几何光学几何光学几何光学 成象条件、公式成象条件、公式成象条件、公式成象条件、公式 仪器原理仪器原理仪器原理仪器原理 概念概念概念概念 产生产生产生产生 偏振偏振偏振偏振 检验检验检验检验 干涉干涉干涉干涉 应用应用应用应用 光的传播速度光的传播速度光的传播速度光的传播速度物理系 从守民 光的吸收光的吸收 光的散射光的散射n n光与物质的相互作用光与物质的相互作用 光的色散光的色散 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应n n光的本性：波粒二象性：光的本性：波粒二象性：返回返回物理系 从守民结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！33
