激光原理与技术第一章 辐射理论概要与激光产生的条件PPT课件
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激光原理第一讲ppt课件
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球面波
波阵面为一系列同心圆的波是球面波
➢球面简谐波方程：
U
U0 r
cost
cr
➢球面波的复数表示法：
U U0 eitkr r
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光子
➢ 在真空中一个光子的能量 h
式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J•s。
➢
光子具有的运动质量
mc2
hc2 hmc2
➢ 光子的动量
h h h2 p h P m c n 0cn 0 ln 02 pln 02 pk
Schawlow
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16
激光技术发展简史之一
美国休斯公司实验室一位从事 红宝石荧光研究的年轻人梅曼 在1960.5.16利用红宝石棒首 次观察到激光； 梅曼在7月7日正式演示了世 界第一台红宝石固态激光器； 他在Nature(8月16日)发表了 一个简短的通知。
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Maiman
发射 hE2E1
吸收 hE1E2
E2: 高能 ， E1级 : 低能级
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原子的能级
物质是由原子、分子或离子组成，而原子由带正电的原子 核及绕核运动的电子组成； 电子一方面绕核做轨道运动，一方面本身做自旋运动。
-e
+e 原子核
-e 电子 角动量L=r×p
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原子的能级
原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：
➢主量子数n，n＝1，2，3，…大体上决定原子中电子的能 量值．不同的主量子数表示电子在不同的壳层上运动;
laser1
1,自发辐射 (Spontaneous emission) (1)物理模型
初 态 终 态
E2 发射光子 hν = E2 – E1
E1 激发态粒子 基态粒子
每个自发辐射的原子都可以看作是一个独立的发射 单元,各列自发辐射的光波之间没有固定的相位关 单元,各列自发辐射的光波之间没有固定的相位关 偏振态和传播方向彼此无关,是非相干光. 系,偏振态和传播方向彼此无关,是非相干光.
3,受激吸收(stimulated absorption)
(1)物理模型 初 态
外来光子 hν = E2 – E1
终 态
E2
E1 基态粒子 激发态粒子
受激吸收是与受激辐射相反的过程
(2)受激吸收(跃迁)几率 受激吸收(跃迁) 粒子数密度n 外来光单色能量密度ρ 设 E1 粒子数密度n1 ,外来光单色能量密度ρν,从 t ~ t+dt 时间间隔由于吸收时, E2上粒子数密度的增 t+dt 时间间隔由于吸收时, 加为 dn2:
数量级估计: 数量级估计:
q激 (t ) c3 ρ v = = 3 q自 (t ) 8πhv
1 e
hv kT
1
14
在 T=3000K下,λ=0.5m时, T=3000K下 =0.5
hv 6.626 ×10 J S × 6 ×10 Hz = ≈ 10 23 1 kT 1.38 ×10 J K × 3000 K
dn2 = B21n2 ρv dt = W21n2 dt
1 dn2 式中: 式中:W21 = B21 ρ v = n2 dt W : 受激辐射跃迁几率
21
爱因斯坦B B21 : 爱因斯坦B系数
ρv :
外来光场单色能量密度
激光原理与技术--第一章 辐射理论概要与激光产生的条件
光波是概率波——明条纹是光子到达概率大出，暗条纹是光子到达概率小处，
光
是符合波动规律
的
波
粒
康普顿效应
二 象
光电效应
说明光具有粒子性
光具有波粒二象性
性
光的干涉和衍射现象—— 说明具有波动性
少数光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性 光的波粒二象性 在传播过程中波动性显著，在于物质作用是粒子性显著
E E 0 c o s t E 0 c o s 2 t
➢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。
➢理想的单色平面波（简谐波） 设真空中电磁波的电矢量 在坐标原点沿x方向作简谐振动，磁矢量 在y方向 作简谐振动，频率均为 ，且t=0时两者的初位相均为零。则 、 的振动方程 分别为:
(3)频率和周期：光矢量每秒钟振动的次数 c 2 .9 9 8 1 0 8 m /s 3 1 0 8 m /s
(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
实用文档
υcυ(0)
3、单色平面波
(1)平面波 ➢波阵面或同相面：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 (2)单色平面波：具有单一频率的平面波
跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的
光子，如图（1-8）所示。
图（1-8）光的受激辐射过程
(2)受激辐射的特点：
➢只有 hE2E当1 时，才能发生受激辐射
➢受激辐射的光子与外来光子的特性一样， 如频率、位相、偏振和传播方向
(场3)单同色理能从量E密2经度受为激辐 ，射则跃有迁： 到dE2 1n具有B2一n 12定的d跃t迁速率，在此假设外来光的光
激光原理与技术PPT(很全面)
04
激光与物质相互作用
激光与物质相互作用的基本过程
激光束在物质中的传播
包括反射、折射、吸收和散射等现象。
激光与物质相互作用的机理
包括光热作用、光电效应、光化学效应等。
激光与物质相互作用的特点
如高能量密度、高亮度、高方向性等。
激光加工原理及应用
1 2
激光加工的基本原理
通过高能激光束对材料进行加热、熔化、汽化或 达到其他物理或化学变化，以实现加工目的。
应用领域
适用于气体、液体和固体等多种介质的流速测量，如风速测量、 血流速度测量等。
激光光谱分析技术
光谱原理
不同物质具有不同的光谱特征，通过测量物质的光谱信息可以分析 其成分和性质。
分析方法
包括激光拉曼光谱分析、激光荧光光谱分析等，可用于物质的定性、 定量分析。
应用领域
广泛应用于化学、生物、医学、环境等领域，如药物分析、环境监测 等。
液体激光器
染料激光器
使用有机染料作为增益介质，通过 泵浦光激发染料分子产生激光，具 有宽调谐范围和短脉冲输出能力。
液体激光核聚变
利用高功率激光束照射含有氘、氚 等聚变燃料的靶丸，实现核聚变反 应，是惯性约束聚变研究的重要手 段。
半导体激光器
边发射半导体激光器
电流注入半导体PN结，电子与空穴复 合释放能量形成激光输出，具有体积 小、效率高、寿命长等优点。
特性
方向性好，亮度高，单色 性好，相干性好。
应用领域
激光加工、激光测距、激 光雷达、激光通信、激光 治疗等。
02
激光器类型及技术
固体激光器
晶体激光器
使用掺杂稀土元素的晶体 作为增益介质，如Nd:YAG 激光器。
激光原理及应用
激光原理及应用第1章 辐射理论概要与激光产生的条件1.光波：光波是一种电磁波，即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的传播.光波既是电矢量→E 的振动和传播,同时又是磁矢量→B 的振动和传播。
在均匀介质中，电矢量→E 的振动方向与磁矢量→B 的振动方向互相垂直，且→E 、→B 均垂直于光的传播方向→k 。
(填空）2.玻尔兹曼分布:e g n g n kT n n m mE E n m )(--=（计算） 3.光和物质的作用：原子、分子或离子辐射光和吸收光的过程是与原子的能级之间的跃迁联系在一起的。
物质（原子、分子等)的相互作用有三种不同的过程，即自发辐射、受激辐射及受激吸收。
对一个包含大量原子的系统，这三种过程总是同时存在并紧密联系的.在不同情况下，各个过程所占比例不同，普通光源中自发辐射起主要作用，激光器工作过程中受激辐射起主要作用.（填空）自发辐射：自发辐射的平均寿命A 211=τ（A 21指单位时间内发生自发辐射的粒子数密度，占处于E 2能级总粒子数密度的百分比）4.自发辐射、受激吸收和受激吸收之间的关系在光和大量原子系统的相互作用中,自发辐射、受激辐射和受激吸收三种过程是同时发生的，他们之间密切相关。
在单色能量密度为ρV 的光照射下,dt 时间内在光和原子相互作用达到动平衡的条件下有下述关系：dt dt dt v v n B n B n A ρρ112221221=+ （自发辐射光子数） （受激辐射光子数) （受激吸收光子数）即单位体积中，在dt 时间内，由高能级E2通过自发辐射和受激辐射而跃迁到低能级E1的原子数应等于低能级E1吸收光子而跃迁到高能级E2的原子数。
（简答） 5.光谱线增宽:光谱的线型和宽度与光的时间相干性直接相关，对许多激光器的输出特性（如激光的增益、模式、功率等）都有影响，所以光谱线的线型和宽度在激光的实际应用中是很重要的问题。
（填空)光谱线增宽的分类：自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽自然增宽：自然增宽的线型函数的值降至其最大值的1/2时所对应的两个频率之差称作原子谱线的半值宽度,也叫作自然增宽.碰撞增宽：是由于发光原子间的相互作用造成的。
激光测量技术 激光原理与技术
20
三、谐振腔
由提I高(ZZ)的大I小0e，GZ常知常，采Z用越以大下，结光构越: 强， 为减小体积，
目的:
1. 光往返,增加Z的大小,利于光放大
2. 腔体对光的频率、相位、传播方向和偏振方向有选 择作用.
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20光产生的条件
条件： 三要素加一阀值条件
三要素: 1. 泵浦 2. 增益介质 3. 谐振腔 阀值条件: 光在谐振腔来回往返一次所获得光增益必须大 于或者等于所遭受的各种损耗之和.
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2006年3月6日星期一
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一、方向性
光的方向性定义参数： 1.发散角
光源发出的所有光线中 两光线之间的夹角的最 大夹角, 一般 2 表示 单位Rad
书中用度表示,错误
?
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2
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2.空间立体角
以立体角顶点为球心，作一半
径为R 的球面。用此立体角的 边界在球面上所截的面积ds 除 以半径平方标志立体角的大小， 即（以dω表示立体角，R为半 径）
③ 定态限制:即电子的轨道 运动的角动员P必须等于 h/2π的整数倍:
PФ=nh/2π 玻尔量化条件 n为整数 主量子数
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2.简并度、简并能级
表 13-1 角动量状态
主量子数 (n)
1 23
符号
K LM
角动量 l (n-1) 0 1 2
符号
s pd
简并度 g = 2l+1 1 3 5
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通用结构
全 反 镜
五、结构形式
泵浦源
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1.1.1所示)。每一模式在三个坐标铀方向与相邻模的间隔为
Δkx=л/Δx，Δky=л/Δy，Δkz=л/Δy 因此，每个模式在波矢空间占有一个体积元
(1.1.6)
ΔkxΔkyΔkz =л3 /（ΔxΔyΔz）=л3 /V
(1.1. 7)
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10
在k空间内，波矢绝对值处于|k|～|k|+d|k|区间的体积为(1／8)4л|k|2 d|k|，
可见，一个光波模在相空间也占有一个相格.因此，一个光波模等效于一个光子态。
一个光波模或一个光子态在坐标空间都占有由式(1.1.11)表示的空间体积。
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12
三、光子的相干性
为了把光子态和光子的相干性两个概念联系起来，下面对光源的相干性进行讨论。
在一般情况下，光的相干性理解为：在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某
4.4 典型激光器的速率方程
3.5 空心介质波导光谐振腔的反馈耦合损耗 4.5 均匀加宽工作物质的增益系数
4.6 非均匀加宽工作物质的增益系数
4.7 综合均匀加宽工作物质的增益系数
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3
第五章 激光振荡特性
5.1 激光器的振荡阈值 5.2 激光器的振荡模式 5.3 输出功率和能量 5.4 弛豫振荡 5.5 单模激光器的线宽极限 5.6 激光器的频率牵引
ε=hv
（1.1.1）
式中 h＝6.626×10-34J．s，称为普朗克常数。
（2）光子具有运动质量m，并可表示为
（1.1.2）
光子的静止质量为零。
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7
（3）光子的动量P与单色平面光波的波矢k对应
（1
式中
n。为光子运动方向(平面光波传播方向)上的单位矢量。 4．光于具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。 5．光于具有自旋，并且自旋量子数为整数。因此大量光于的集合， 服从玻色—爱因斯坦统计规律。处于同一状态的光子数目是没有限制的， 这是光子与其它服从费米统计分布的 粒子(电子、质子、中子等)的重要区别。 上述基本关系式(1.1.1)相(1.1.3)后来为康普顿(Arthur Compton)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。量子电动力学从理论上把光的电磁 (波动)理论和光子(微粒)理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来，从而在理论上 阐明了光的波粒二象性。在这种描述中，
激光原理第1章 辐射理论概要与激光产生的条件
原子状态 1s 2p
n 1 2
l
0 1
m 0 1 0 -1
s ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
简并度 g1=2 g2=6
1.2.2 原子状态的标记 不作要求
原子的电子组态
• 泡利不相容原理：多电子原子中，不可能有两个或两个以上 的电子具有完全相同的量子数 • 电子充填原子壳层时，遵守最小能量原理，即在正常情况下 （无外界激发），电子从最低的能级开始充填，再依次充填 能量较高的能级 • 电子数较多的原子不一定严格按上述规则填充（电子间的相 互作用导致量子数n和l的竞争）
第1章 辐射理论概要与激光产生的条件 § 1.1 光的波粒二相性 1.1.1 光波（波动说对光的描述）
光波是一种电磁波，是E和B的振动和传 播。如图（1-1）所示。 习惯上常把电矢量E叫做光矢量
图（1-1）电磁波的传播
1、线偏振光
(1)线偏振光 (2)自然光 y Ey
E
Ex
x
传播方向 z
2、光速、频率和波长三者的关系
受激吸收
1. 自发辐射
n 1
n2
n3
s
s
P
s
P
d
1.2.1 原子能级、简并度
2. 电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态。
不同的运动状态有一系列不连续的能量值----能级（电子或原子系统能级） 电子的能级，依次用E1，E2， E3， „ 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：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！
c 0 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
υ c
激光原理与应用电子课件1.5
图1-20 光穿过厚度为dz dz介质的情况 dz
dN 2 = n2 B21ρ ( z ) f (ν)dt
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第 一 章 辐 射 理 论 概 要 与 激 光 产 生 的 条 件
§1.5 激光形成的条件 1.5.1 介质中光的受激辐射放大
ρ ( z) = I ( z) ρ (z )为介质中z处传播着的光能密度,它与光强的关系为: c dz
g1 c
3. 技术上不能把介质做得无限长,实现这一设想 的措施是:采用光学谐振腔.如图(1-21)所示这是 一个简单的光学谐振腔——平行平面腔. 4. 光学谐振腔的作用; 5. 产生激光必须具备的三个条件;
图1-21 受激光在谐振腔中的放大
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�
g2 n1 ) B21ρ ( z ) f (ν) dz g1 c
第一章 上一页 回首页 下一页 回末要 与 激 光 产 生 的 条 件
§1.5 激光形成的条件 1.5.1 介质中光的受激辐射放大
3.介质中产生受激光放大的条件,增益介质与增益系数. 介质处于热平衡状态时上下能级粒子数的分布关系为: 即 (n2 g2 g n1 ) B21 f (ν)hν < 0 ,若令:(n2 2 n1 ) B21 f (ν)hν = A g1 c g1 c dI ( z ) 1 dI ( z ) 则有: ( z ) = I (0)e Az I = AI (0)e Az = AI ( z ) =A dz I ( z ) dz 上式说明在一般情况下,介质中吸收过程占主要地位,光波按指数规律衰减. 且衰减的相对速率为A,代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对衰减 率的大小,也代表介质对光波吸收能力的大小,将A称为吸收系数. 增益介质:用外界能源将介质造成 n2 g 2 > n1 g1 粒子数密度反转分布的状态 g g 令 n2 2 n1 = n以及(n2 2 n1 ) B21 f (ν)hν = G g1 g1 c 1 dI ( z ) I ( z ) = I (0)eGz G = 则有: I ( z ) dz 式中G(增益的相对速率)代表光波在介质中经过单位长度路程光强的 相对增长率,也代表介质对光波放大能力的大小,将G称为增益系数.
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➢理想的单色平面波（简谐波）
设真空中电磁波的电矢量 在坐标原点沿x方向作简谐振动，磁矢量 在y方 向作简谐振动，频率均为 ，且t=0时两者的初位相均为零。则 、 的振动 方程分别为:
E E 0 c o s t E 0 c o s 2 t B B 0 c o s t B 0 c o s 2 tU U 0c o st U 0c o s2t
麦克斯韦方程组
麦克斯韦方程组的积分形式反映了 空间某区域的电磁场量(D、E、B、H) 和场源(电荷q、电流I)之间的关系。
பைடு நூலகம்
爱因斯坦光子说的提出 ，统一了光的属性的学说
早在1900年，M.普朗克解释黑体 辐射能量分布时作出量子假设， 物质振子与辐射之间的能量交换 是不连续的，一份一份的，每一 份的能量为hv；1905年阿尔伯特 ·爱因斯坦进一步提出光波本身就 不是连续的而具有粒子性， 爱因斯坦称之为光量子；
形成的波列长度约等于3m，因此它的波列长度有限即必然有一 定的频率宽度。
(3)平面波的复数表示法 光强
➢线偏振的单色平面波的复数表示：
➢复振幅
:模U~量
UU0eitkz 或 UU 0exp itkz
爱因斯坦
爱因斯坦
光电效应以及 康普顿效应等 无可辩驳的证 实了光是一种 粒子．
康普顿
镜面检测
薄膜干涉
增透膜
光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波
钢针的衍射
圆孔衍射
圆屏衍射
光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性
双缝干涉实验
曝光量很少——胶片上是一些不规则的分布的点子——粒子性 曝光很大——胶片上出现明暗相间的条纹——波动性
右手螺旋定则
2、光速、频率和波长三者的关系
c 0
c 2 .9 9 8 1 0 8 m /s 3 1 0 8 m /s
(2)光速
c 2 .9 9 8 1 0 8 m /s 3 1 0 8 m /s
(3)频率和c 周 2 . 期9 9 8 ： 1 0 光8 m 矢/s 量3 每1 0 8 秒m /s 钟振动的次数
向作简谐振动，频率均为 ，且t=0时两者的初位相均为零。则 E、 B的振动
方程分别为:
E E 0 c o s t E 0 c o s 2 t
B B 0 c o s t B 0 c o s 2 t
两式统一写为：
U U 0c o s t U 0c o s2 t
其中，U为场矢量大小，代表 E或B的大小，U0为场矢量的振幅。
波长越长，波动性显著，波长越短，粒子性显著。
1．光子既不是经典的波（惠更斯波）， 也不是经典的粒子（牛顿弹性球）。光是 客观世界物质形式之一。 2．光的波粒二象性最好地反映了自然科 学中的矛盾统一性，对立依存的唯物辩证 思想和奇异和谐美。由此使人类对微观世 界的认识大步向前。
❖揭示了波动性，光子性是
其中，U为场矢量大小，代表 或 的大小，U0为场矢量的振幅。
单色平面波
(1)平面波 波阵面或同相面：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
(2)单色平面波：具有单一频率的平面波
➢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。
➢理想的单色平面波（简谐波）
设真空中电磁波的电矢量 E在坐标原点沿x方向作简谐振动，磁矢量 B 在y方
光波是概率波——明条纹是光子到达概率大出，暗条纹是光子到达概率小处，
光
是符合波动规律
的
波 粒
康普顿效应
二 象
光电效应
说明光具有粒子性
光具有波粒二象性
性
光的干涉和衍射现象—— 说明具有波动性
少数光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性 光的波粒二象性 在传播过程中波动性显著，在于物质作用是粒子性显著
(2)单色平面波：具有单一频率的平面波 ➢波场中z轴上任一点P的振动方程，设光波以速度c向z方向传播
U U 0 c o s t U 0 c o s t z / c
分析：
(a)z一定时，则U代表场矢量在该点作时间 上的周期振动
图（1-1）电磁波的传播
(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
(c)z、t同时变化时，则U代表一个行波方程，代表两个不同时刻空 间各点的振动状态。从下式可看出，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/
U U 0c o s tc z U 0c o s 2 T t2 z
➢简谐波是具有单一频率的单色波，但通常原子发光的时间约为10－8 s，
A
光的客观属性
光是电磁波 相关现象：干
B
涉、衍射；
光是粒子流 相关现象：具 有特有的能量、质量
光的波粒 二象性
C
D
统一 关系， 二者一致
1.1.1 光波
1
自然光E在xoy平 面内均匀角度 分散在平面角 内，平面均匀 分布，彼此之 间无相位关联
32
自然光E在xoy平 面内均匀角度 分散在平面角 内，平面均匀 分布，彼此之 间无相位关联
(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
υcυ(0)
3、单色平面波
(1)平面波 ➢波阵面或同相面：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 (2)单色平面波：具有单一频率的平面波
E E 0 c o s t E 0 c o s 2 t
➢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。
激光原理与技术第一章 辐射理 论概要与激光产生的条件
目录
. 前言
二．1.1光的波粒二象性
1.1.1 光波
（1）光的偏振性
（2）光速、频率和波长三者的关系
（3）单色平面波
三. 后记
100多年后 ， 波动学说发展 ，1864年 麦克斯韦 建立了普遍的电磁波方程。
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
1.1.1 光波
光波是一种电磁波，是E和B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
1、光的偏振性
图（1-1）电磁波的传播
(1)线偏振光
y
Ey
E
Ex
x
(2)自然光
传播方 向z
电场 电矢量E（约定为光矢量）
磁场 磁矢量B
时间周期T
电磁波
空间周期λ
空间传播k波矢量
T、 λ、 k三者满足右手 螺旋关系从E转向B 大拇指指向k的方向
设真空中电磁波的电矢量 在坐标原点沿x方向作简谐振动，磁矢量 在y方 向作简谐振动，频率均为 ，且t=0时两者的初位相均为零。则 、 的振动 方程分别为:
E E 0 c o s t E 0 c o s 2 t B B 0 c o s t B 0 c o s 2 tU U 0c o st U 0c o s2t
麦克斯韦方程组
麦克斯韦方程组的积分形式反映了 空间某区域的电磁场量(D、E、B、H) 和场源(电荷q、电流I)之间的关系。
பைடு நூலகம்
爱因斯坦光子说的提出 ，统一了光的属性的学说
早在1900年，M.普朗克解释黑体 辐射能量分布时作出量子假设， 物质振子与辐射之间的能量交换 是不连续的，一份一份的，每一 份的能量为hv；1905年阿尔伯特 ·爱因斯坦进一步提出光波本身就 不是连续的而具有粒子性， 爱因斯坦称之为光量子；
形成的波列长度约等于3m，因此它的波列长度有限即必然有一 定的频率宽度。
(3)平面波的复数表示法 光强
➢线偏振的单色平面波的复数表示：
➢复振幅
:模U~量
UU0eitkz 或 UU 0exp itkz
爱因斯坦
爱因斯坦
光电效应以及 康普顿效应等 无可辩驳的证 实了光是一种 粒子．
康普顿
镜面检测
薄膜干涉
增透膜
光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波
钢针的衍射
圆孔衍射
圆屏衍射
光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性
双缝干涉实验
曝光量很少——胶片上是一些不规则的分布的点子——粒子性 曝光很大——胶片上出现明暗相间的条纹——波动性
右手螺旋定则
2、光速、频率和波长三者的关系
c 0
c 2 .9 9 8 1 0 8 m /s 3 1 0 8 m /s
(2)光速
c 2 .9 9 8 1 0 8 m /s 3 1 0 8 m /s
(3)频率和c 周 2 . 期9 9 8 ： 1 0 光8 m 矢/s 量3 每1 0 8 秒m /s 钟振动的次数
向作简谐振动，频率均为 ，且t=0时两者的初位相均为零。则 E、 B的振动
方程分别为:
E E 0 c o s t E 0 c o s 2 t
B B 0 c o s t B 0 c o s 2 t
两式统一写为：
U U 0c o s t U 0c o s2 t
其中，U为场矢量大小，代表 E或B的大小，U0为场矢量的振幅。
波长越长，波动性显著，波长越短，粒子性显著。
1．光子既不是经典的波（惠更斯波）， 也不是经典的粒子（牛顿弹性球）。光是 客观世界物质形式之一。 2．光的波粒二象性最好地反映了自然科 学中的矛盾统一性，对立依存的唯物辩证 思想和奇异和谐美。由此使人类对微观世 界的认识大步向前。
❖揭示了波动性，光子性是
其中，U为场矢量大小，代表 或 的大小，U0为场矢量的振幅。
单色平面波
(1)平面波 波阵面或同相面：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
(2)单色平面波：具有单一频率的平面波
➢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。
➢理想的单色平面波（简谐波）
设真空中电磁波的电矢量 E在坐标原点沿x方向作简谐振动，磁矢量 B 在y方
光波是概率波——明条纹是光子到达概率大出，暗条纹是光子到达概率小处，
光
是符合波动规律
的
波 粒
康普顿效应
二 象
光电效应
说明光具有粒子性
光具有波粒二象性
性
光的干涉和衍射现象—— 说明具有波动性
少数光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性 光的波粒二象性 在传播过程中波动性显著，在于物质作用是粒子性显著
(2)单色平面波：具有单一频率的平面波 ➢波场中z轴上任一点P的振动方程，设光波以速度c向z方向传播
U U 0 c o s t U 0 c o s t z / c
分析：
(a)z一定时，则U代表场矢量在该点作时间 上的周期振动
图（1-1）电磁波的传播
(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
(c)z、t同时变化时，则U代表一个行波方程，代表两个不同时刻空 间各点的振动状态。从下式可看出，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/
U U 0c o s tc z U 0c o s 2 T t2 z
➢简谐波是具有单一频率的单色波，但通常原子发光的时间约为10－8 s，
A
光的客观属性
光是电磁波 相关现象：干
B
涉、衍射；
光是粒子流 相关现象：具 有特有的能量、质量
光的波粒 二象性
C
D
统一 关系， 二者一致
1.1.1 光波
1
自然光E在xoy平 面内均匀角度 分散在平面角 内，平面均匀 分布，彼此之 间无相位关联
32
自然光E在xoy平 面内均匀角度 分散在平面角 内，平面均匀 分布，彼此之 间无相位关联
(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
υcυ(0)
3、单色平面波
(1)平面波 ➢波阵面或同相面：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 (2)单色平面波：具有单一频率的平面波
E E 0 c o s t E 0 c o s 2 t
➢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。
激光原理与技术第一章 辐射理 论概要与激光产生的条件
目录
. 前言
二．1.1光的波粒二象性
1.1.1 光波
（1）光的偏振性
（2）光速、频率和波长三者的关系
（3）单色平面波
三. 后记
100多年后 ， 波动学说发展 ，1864年 麦克斯韦 建立了普遍的电磁波方程。
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
1.1.1 光波
光波是一种电磁波，是E和B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
1、光的偏振性
图（1-1）电磁波的传播
(1)线偏振光
y
Ey
E
Ex
x
(2)自然光
传播方 向z
电场 电矢量E（约定为光矢量）
磁场 磁矢量B
时间周期T
电磁波
空间周期λ
空间传播k波矢量
T、 λ、 k三者满足右手 螺旋关系从E转向B 大拇指指向k的方向