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* 第八章 现代光学Chap.8 Basics of Modern Optics 主讲人：邓晓鹏 副教授 怀化学院物理与信息工程系 主 要 内 容 8. 1 原子发光的机理 8. 2 光与原子相互作用 8. 3 粒子数反转 8. 4 光振荡 8. 5 激光的单色性 8. 6 激光的相干 8. 9 全息照相 8.10 光盘存储技术 现代光学以1960年梅曼成功研制出的第一台红宝石激光器为标志。 “激光”——“Laser”——“Lihgt amplification by stimulated emission of radiation”. 它是光受激辐射放大的简称，它通过辐射的受激发射而实现光放大。它是一种单色性佳、亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。 我国国家标准给它下的定义是：“由激光器产生的，波长在1mm以下的相干电磁辐射，它由物质的粒子受激发射放大产生，具有良好的单色性、相干性和方向性。 8.1 原子发光的机理 一、玻尔提出原子模型的背景： 汤姆孙 卢瑟福　 玻尔 海森伯 1987年的西瓜模型 1911年的行星模型 1913年的壳层模型 1927年的不确定关系 1、原子模型的发展过程 卢瑟福的原子核式结构学说很好地解释了α粒子的散射实验，初步建立了原子结构的正确图景，但跟经典的电磁理论发生了矛盾。 （1）原来，电子没有被库仑力吸引到核上，它一定是以很大的速度绕核运动，就象行星绕着太阳运动那样。按照经典理论，绕核运动的电子应该辐射出电磁波，因此它的能量要逐渐减少。随着能量的减少，电子绕核运行的轨道半径也要减小于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核，就像绕地球运动的人造卫星受到上层大气阻力不断损失能量后要落到地面上一样。 这样看来，原子应当是不稳定的，然而实际上并不是这样。 （2）同时，按照经典电磁理论，电子绕核运行时辐射电磁波的频率应该等于电子绕核运行的频率，随着运行轨道半径的不断变化，电子绕核运行的频率要不断变化，因此原子辐射电磁波的频率也要不断变化。这样，大量原子发光的光谱就应该是包含一切频率的连续谱，而实际光谱是分立的。 以上矛盾表明，从宏观现象总结出来的经典电磁理论不适用于原子这样小的物体产生的微观现象。为了解决这个矛盾，1913年玻尔在卢瑟福学说的基础上，把普郎克的量子理论运用到原子系统上，提出了玻尔理论。 2、玻尔理论的主要内容 （1）原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。 （2）原子从一种定态（设能量为E初）跃迁到另一种定态（设能量为E终）时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即 h v=E初- E终 （3）原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。 玻尔计算出氢的电子的各条可能轨道半径和电子在各条轨道上运动时的能量（包括动能和势能）公式： 轨道半径： 能 量： 式中r1、E1分别代表第一条（即离核最近的）可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动时的能量，rn、En 分别代表第n条可能轨道的半径和电子在第n条轨道上运动时的能量，n是正整数，叫量子数。 （以无穷远作为零电势参考位置的能量关系） 3、玻尔的原子模型和能级 －－－－－－－－－－－－－－－－－ １ ２ ３ ４ ５ -13.6 -3.4 -1.51 -0.85 -0.54 0 eV n E ∞ 以无穷远处为参考位置 0eV 10 .2eV 12 .1eV 12 .8eV 吸收能量 放出能量 能级图 （4）原子发光现象：原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，这就是原子发光现象。 能级特点： （1）能级：氢原子的各个定态的能量值，叫它的能级。（从能级图中总结各定态的能量特点） （2）基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫基态。 （3）激发态：除基态以外的能量较高的其他能级，叫做激发态。 h v=E初- E终 8、2 光与原子相互作用 一、受激吸收 如果原子因受满足频率条件的光的激励而跃迁到较高能态，这种过程就称为受激吸收。 ● 没有外界作用，原子自发地由高能态跃迁到低能态，并辐射一个光子，这种过程叫自发辐射。 特点：过程与外界无关，各原子独立进行，自发辐射的光是非相干光 二、自发辐射 若原子受到一个满足频率条件的外来光子的激励，由高能态跃迁到低能态，则辐射出另一同频率的光子来，