华中科技大学第1讲 认识光---即光的波粒二象性---朱晓
华中科技大学第2讲：认识激光---爱因斯坦唯像理论---朱晓
3、最后得到黑体辐射的普朗克公式：
8 h 3 1 c3 eh / KT 1 其中K 为波尔兹曼常数：K 1.38062 10 23 J / T
光波模式的概念？
激光原理与技术
为光子数
由此可见，n 代表了每个模式中包含的光子数目，同时也代表了受激 跃迁和自发跃迁之间的比值，当n 1时，受激跃迁过程和自发跃迁 过程相等。
处于同一模式内的光子数目称为光子简并度n。 如果要获得高相干激光输出，必须使n 1。
激光原理与技术
8 h 3 1 1 对于黑体辐射场 ，可以得到： n c 3 e h / KT 1 e h / KT 1
Px 2k x，Py 2k y，Pz 将以上结果代入(1)式，可得到：
Px Py Pz 8
3
Px Py Pz 3 h3
xyzPx Py Pz h3
即一个光波模在相空间中也占有一个相格，一个光波模等效于一个 光子态。
激光原理与技术
Questions？
激光技术系（激光加工国家工程研究中心）
分配在所有模式内，这就要求必须采用光波模式选择技术。
激光原理与技术
• 受激辐射的相干性 • 自发辐射和受激辐射的区别是什么？ • 自发辐射发出的光子在相位、传输方向、偏振方向等特性上是无规则 的，即平均分配在腔内可能稳定存在的所有的电磁场模式上； • 受激辐射则是受到外加电磁场激发而产生的过程，由量子电动力学可 以严格证明受激辐射光子与入射光子属于同一光子态，即具有相同的 频率、相位、波矢和偏振等特性。 • 按照经典原子模型，将原子看作简谐振动的电偶极子，自发跃迁是原 子中电子的自发阻尼振荡，因此每个原子的自发跃迁互相之间没有关 联；而受激辐射可以看作电子在外加光场作用下做受迫振动，其振荡 频率、相位、方向等与外加光场一致。 • 大量原子在同一辐射场激发下产生的受激辐射光子处于同一光子态， 因而是相干的。
光的波粒二象性和本质
光的波粒二象性和本质光是什么？牛顿说：“光是由光源发射出来的大量球形物质微粒组成的”. 说‘光和物质波有波动的特性’是因为‘它们都是概率波’纯属牵强附会。
因为不管是宏观物体还是光和其它微观粒子，它们“单个”出现时仍旧有“波长和频率”这两种波动的因素存在，这与所谓“概率”毫不相干。
－部分人将牛顿的粒子说曲解为“光粒子如同水和空气－样传播机械波”，那错得太离谙。
人们之所以不敢相信光是－种物质微粒，就是因为不能解释粒子产生波动的真正原因，没有见到过物体（粒子）会上下或左右颤动着前进。
当－片树叶在空中飘落时我们可以看到，树叶沿同－方向旋转着落向地面，形成螺旋形运动轨迹。
自然界中各种天体、龙卷风、水漩涡、堕落的物体、飞行的子弹、飞盘等，它们在自转的同时还在做位移运动，其中还包含偏振运动（振动或左右摆动），形成“不太规则”的螺旋形轨迹。
而光粒子在做直线运动和自转运动的同时，还在做偏振运动，三种运动状态相互叠加，形成规则的螺旋形运动轨迹。
唯有螺旋运动才能解释“德布罗意波”现象中单个物体仍具有波动的特性。
自然界中旋转的物体自转越快能量越高，光粒子同样如此，自转越快，频率越高，能量越高。
“－个正电子与－个负电子相遇产生－个光子（产生两三个光子时相遇的不止－对电子）; －个高能光子和－个重原子核作用时, 光子可以转化为－个正电子和－个负电子, 并且正负电荷总是成对消失和出现”. 说明所谓“光子”就是由－个正电子和－个负电子构成的光粒子——电子对. 它的质量是1.82×10ˉ³º千克, 电子对质量极小, 却靠－个正电荷和－个负电荷之间的电磁力结合在－起, 是结合最牢固最不容易被分解的“组合粒子”。
电子对产生1次偏振恰好自转1周，1秒之内自转周数就是它的频率，自转1周的位移距离就是波长，自转1周的能量是0.6626×10ˉ³³焦耳。
电子对能量越高，频率越高，波长越短。
光的波粒二象性及光子概念
光的波粒二象性及光子概念光，作为电磁波的一种，具有波动性质和粒子性质的二象性。
这一概念首次由爱因斯坦提出，并为解释光电效应，奠定了光量子理论的基础。
本文将探讨光的波粒二象性及光子概念的相关内容。
一、光的波动性光的波动性最早由荷兰物理学家惠更斯提出。
他通过干涉和衍射实验证明了光的波动性质。
干涉现象是指当两束光相交时，会形成明暗相间的干涉条纹；而衍射现象是指在光通过细缝或孔径时会有传播方向的变化。
1. 干涉实验干涉实验可以通过双缝实验来进行演示。
实验中，将一束单色光照射到两个狭缝之间，观察在屏幕上出现的干涉条纹。
这些条纹明暗相间，说明光的波动性可以相互叠加。
2. 衍射实验衍射实验可以通过光通过狭缝或孔径后的展示来进行。
当光通过狭缝或孔径时，会有部分光线沿辐射方向传播，并形成波纹。
这一现象可以用光的波动特性来解释。
二、光的粒子性光的粒子性最早由爱因斯坦在1905年的光电效应理论中提出。
他指出，光在与物质相互作用时，表现出粒子的性质。
这些粒子称为光子。
1. 光电效应光电效应是指当光照射到金属表面时，可以将电子从金属中释放出来。
根据经典波动理论，预测的释放电子的动能应该与光的强度成正比。
然而，实验观测到的情况并不符合这一预测。
爱因斯坦解释了这一现象，认为光具有量子特性，将能量限定为光子；电子受到光子的能量作用才能跳出金属。
2. 光子光子是光的粒子性质的表现。
根据爱因斯坦的理论，光子的能量与频率成正比。
光子的能量公式可以表示为E = hf，其中E为能量，h为普朗克常数，f为光的频率。
三、光的波粒二象性的应用光的波粒二象性的认识不仅推动了电磁波理论的发展，也在现代物理学中有各种应用。
1. 量子力学光的波粒二象性不仅适用于光，也适用于其他粒子，如电子、中子等。
通过对粒子的波动性和粒子性的研究，建立了量子力学理论，成功解释了微观世界的许多现象。
2. 激光技术激光技术是基于光的粒子性质的应用。
激光是一束具有高强度、高方向性、相干性的光束。
光的波粒二象性ppt课件
钢针的衍射
圆孔衍射
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圆屏衍射
25
疑难辨析1：单缝衍射图样与双缝干涉图样的区别
（1）条纹宽度有别：
双缝干涉条纹是等宽的，条纹间的距离是相等 的，而单缝衍射中央亮纹最宽，两侧亮纹是等宽的。
（2）光强分布不同
双缝干涉条纹如果不考虑距离的远近造成传播
上的损失，每条亮纹的光强分布是相同的，而单缝
编辑版pppt
水波、声波都会发 生衍射现象，它们 发生衍射的现象特 征是什么？
16
知识回顾：波的衍射
①波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫做 波的衍射。
②只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相 差不多，或者比波长更小时，才能观察到明 显的衍射现象。
③一切波都能发生衍射，衍射是波特有的现象。
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光的波粒二象性
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1
光到底是什么？……………
17世纪明确形成 了两大对立学说
由于波动说没有 数学基础以及牛 顿的威望使得微 粒说一直占上风
牛顿
19世纪初证明了 波动说的正确性
惠更斯
微粒说
19世纪末光电效应现象使得 爱因斯坦在20世纪初提出了 光子说：光具有粒子性
波动说
这里的光子完编全辑不版p同ppt 于牛顿所说的“微粒” 2
编辑版pppt
8
光的干涉
1801年，英国物理学家托马斯·杨（1773~1829）
在实验室里成功的观察到了光的干涉．
一、光的干涉现象---杨氏干涉实验
1、装置特点：
（1）双缝很近 0.1mm，
单缝 双缝
屏幕
（2）双缝S1、S2与单缝S的距离相等，
2、①要用单色光
②单孔的作用：是获得点光源 ③双孔的作用：相当于两个振
光的波粒二象性的意义
光的波粒二象性的意义光的波粒二象性是说光有波动性，同时存在粒子性。
正如物质元素的酸碱性，没有绝对的酸性物质，也没有绝对的碱性物质，强酸物质也具有碱性，强碱物质也具有酸性，任何物质都是酸性与碱性的“矛盾体”。
所以，光的波粒二象性的发现是物理学的一个重大飞跃性发现，象征着我们的物理学即将彻底告别一切孤立的和绝对的事物。
波动性和粒子性是物质两种不同运动所具有的特性。
波动性表现的是物质的空间性和整体性，粒子性表现的是物质的相对性和孤立性，相对性必须存在于统一性之中。
这就是说，空间物质与物体物质是连续的存在。
由于把空间视为绝对空间，爱因斯坦过于倾向于光的粒子性，忽略了光的空间性，他在对光电现象的解释中，把光线视为一粒接一粒以光速c运动的“光粒子”，显然存在一些瑕疵。
既然把波传递的能量视为一粒接一粒的“光粒子”，那么传递能量的波就不是“真空”，根据波的产生条件，空间是可传递能量的弹性介质，就是说，在一粒一粒的“光子”之间存在着连续的“暗物质”，空间是连续的光物质空间，把波动传播的能量直接视为质量的传播，而不考虑两种不同状态的运动所传播的“东西”不同，尽管物质的质量和能量间存在一定的内在关系，但这绝不意味着就可以“波”“粒”不分，就像我们不能因为事物都有“两重性”而好坏不分一样。
因为波传递的是能量，空间物质只存在震动和变形，不存在被传递，所以考虑“光子”运动速度方向的“动量”显然是不合适的。
在光电现象中，就吸收波能量的自由电子的运动来讲，自由电子吸收了一个“光子”的能量不是顺光线方向而动，反是“迎光线而动”溢出物体表面，这也是一个难以解释的小瑕疵。
因此，我们可以把光线视为一粒接一粒以光速运动的“光子”，但由于光的波动性，频率为υ的单色光的平均能流密度S为：S = n hυ/2式中n单位时间通过单位面积的光子数n 。
上式去掉1/2 ，就完全否认了光的波动性。
所以，一个“光子”使自由电子的能量变化是周期性的，当“光子”接触到自由电子，前1/2周期使电子能量增加，达到最大增大值hυ后，在后1/2周期减小为原来状态的零增大，这样才不至于自由电子的能量持续增大。
光的波粒二象性
光的波粒二象性光是一种电磁波，但同时它也表现出量子性质，被称为光的波粒二象性。
这一现象在物理学中被广泛研究和讨论。
本文将介绍光的波粒二象性的概念、实验证据以及其在量子力学中的应用。
一、光的波粒二象性概念光的波粒二象性概念是指光既可以被视为波动，也可以被视为微观粒子（光子）。
根据波动理论，光的传播可以被解释为电磁波的传播，具有传统波动的特征，如干涉、衍射和折射等现象。
然而，光的波动性并不能完全解释一些实验结果，比如光的颗粒性。
根据量子理论，光可以被看作是由一系列能量量子（光子）组成的离散能量单位。
光子是光的微观粒子，在空间中以粒子的形式传播，并与物质相互作用。
光的波粒二象性概念正是基于这种双重本质的观察和实证结果。
二、实验证据为了验证光的波粒二象性，科学家进行了一系列的实验证据。
其中最著名的实验证据之一是光的干涉和衍射实验。
干涉实验表明，当光通过一对狭缝时，光的波动性会导致干涉条纹的形成，这类似于水波的干涉现象。
而衍射实验则表明，当光通过一个狭缝或障碍物时，会发生衍射，光的波动性会导致衍射图样的出现。
另外，光电效应实验证实了光的粒子性。
根据光电效应，当光照射在金属表面时，会使金属释放出自由电子。
这个现象只能通过将光看作是由光子组成的粒子来解释，光的波动性无法完全解释光电效应实验的结果。
三、光的波粒二象性的应用光的波粒二象性不仅在物理学中引起了广泛的研究，也在实际应用中发挥着重要作用。
首先，光的波动性在光学领域中得到广泛应用。
根据光的波动性，我们可以设计和制造各种光学元件，如透镜、棱镜和光栅等，用于光的聚焦、分散和衍射。
这些元件在激光技术、光纤通信和成像领域中得到了广泛应用，推动了科学技术的发展。
其次，光的粒子性在量子光学和光量子计算中具有重要意义。
通过研究光子的量子特性，科学家可以实现量子纠缠、单光子操控以及量子通信等领域的突破。
这些研究为未来的量子计算和量子通信技术奠定了基础。
最后，光的波粒二象性也对人类对宇宙的认知产生了巨大影响。
华中科技大学光电学院光网络技术课件第一讲
CNGIA 2.1.2 定义/构成
通信网核心设备，负责集中/转发终端节 点信息。 如：电话交换机、分组交换机、路由器等
最常见的业务节点有智能网中的业务控制节点、语
音信箱系统以及Internet上的各种信息服务器等。它们 通常由连接到通信网络边缘的计算机系统、数据库系统 组成。其主要功能是： (1) 实现独立于交换节点的业务的执行和控制 (2) 实现对交换节点呼叫建立的控制 (3) 为用户提供智能化、个性化、有差异的服务 目前，基本电信业务的呼叫建立、执行控制等由于
CNGIA
Course purpose
本课程旨在将《光纤光学》和《光纤通信系统》课程的内容延伸 到“真实”的通信网络中，帮助学生从系统和网络的角度： 1) 了解光纤通信技术在通信网络中扮演的角色和发挥的作用 2) 理解光网络包含的基本概念和主要内容 3) 掌握光接入网络体系和关键技术
1. 光网络（上卷）：光纤通信技术与系统（原书第2版） 光网络（下卷）：组网技术分析（原书第2版） 英文版：Optical Networks: A Practical Perspective, Second Edition Rajiv Ramaswami 著，乐孜纯 译，机械工业出版社 ，2004 2. 现代通信网概论，杨武军等，西电出版社，2004 3. 光传输技术，朗讯科技（中国）光网络部，北方交大出版社，2005 4. 光同步数字传送网（修订本），韦乐平，人民邮电出版社，1998 5. 城域光网络，徐荣，人民邮电出版社，2003 6. Optical WDM Networks, Biswanath Mukherjee, Springer, 2006 7. 基于以太网的无源光网络，Glan Kramer著，陈雪等译，北邮出版社，2007 8. 光接入网技术及其应用，孙强，北京交通大学出版社，2005
波粒二象性ppt课件
法国物理学家，1929年诺 贝尔物理学奖获得者，波 动力学的创始人，量子力 学的奠基人之一。
他认为，“整个世纪以来（指19世纪） 在光学中比起波动的研究方法来，如果说 是过于忽视了粒子的研究方法的话，那么 在实物的理论中，是否发生了相反的错误 呢？是不是我们把粒子的图象想得太多， 而过分忽略了波的图象呢”
不确定关系说明经典描述手段对微观粒子不再适用。
不确定关系指明了宏观物理与微观物理的分界线。在某个具
体问题中，粒子是否可作为经典粒子来处理，起关健作用的 是普朗克恒量h的大小。
最新课件
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例1.一颗质量为10g 的子弹，具有200m·s-1的速率，若其动量的 不确定范围为动量的0. 01%(这在宏观范围是十分精确的了)， 则该子弹位置的不确定量范围为多大?
最新课件
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最新课件
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波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验。
对证实康普顿效应作出了 重要贡献。
最新课件
吴有训 （1897-1977）
中国近代物理学奠基人
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二、光的波粒二象性
1.光子的动量
Em2c
Eh
m h
c2
Pmch c2 •chc h
最新课件
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二、光的波粒二象性
2.光是一种概率波
实验结论：
a.每个光子落在哪 点是不确定的
康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。
最新课件
(1892-1962)美国物理学家
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一、康普顿效应
4.康普顿散射实验的意义 ：
中国物理学家吴有训对研究康普顿效应的贡献 1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作.
光的波粒二象性
光的波粒二象性
光，我们可以用它看见光彩照人的世界。
然而，光本身却是个奇怪的存在——既有波动性，也有粒子性。
这种奇怪的存在被称为光的波粒二象性。
波粒二象性的历史
光的波粒二象性是一个典型的量子物理现象，是当年大量科学家集体瘙痒的结果。
1905年，爱因斯坦尝试解释光电效应，提出光的粒子性，即光由许多离散的光子组成。
这一理论在1921年被诺贝尔物理学奖得主德布罗意用玻尔兹曼假说重新诠释，提出了物质也具有波粒二象性。
波粒二象性的本质
波动性是指光的传播过程中表现出来的累次波动现象。
而粒子性则是指光像颗粒一样存在，并且存在能量、动量等物理性质。
在光的实验中，往往表现为光的位置难以被严格确定，同时光线具有干涉、衍射等波动现象。
波粒二象性的应用
光的波粒二象性是当代大部分物理学基础理论的基础。
波动性和粒子性的相互变化，往往是现代物理中研究的核心内容，应用广泛于光电技术、量子力学等领域。
结束语
在当代科学中，波粒二象性是一个底层的物理原理，可以帮助我们理解自然现象，也为许多科技创新提供了理论基础。
正如爱因斯坦所说：“神不会掷骰子”，我们也应该认真研究自然本身，并将科学理论用于社会创新。
了解光的波粒二象性与光子理论
实现高效的信息 传递
● 06
第六章 总结与展望
光的波粒二象性 总结
光的波粒二象性是指 光既具有波动性质又 具有粒子性质的特性， 这一理论革命性地改 变了人们对光的认识。 在实验中观察到的光 电效应、康普顿散射 等现象表明光确实呈 现出波动和粒子性质 的双重特征。
光子理论基本概念
光子
光的微粒性质
光子量子计算
光子在量子 计算中的应
用
作为量子比特的 载体
光子量子计 算技术的研 究和发展现
状
当前的发展趋势 和挑战
光子量子比 特和光子量
子门
光子量子计算的 关键组件
光子量子通信
光子量子通信是利用 光子传输信息的技术， 包括光子量子态传输 和加密。光子量子通 信具有很高的安全性 和抗窃听性，未来有 广泛的应用前景。
生物医学领域对光的应用越来越广泛，包括医学 影像学、光动力治疗和光学诊断技术等。光学技 术在诊断疾病、治疗病症方面起着重要作用，不 断推动医学领域的发展和创新。
● 05
第五章 光子与量子信息
光子量子计算
光子量子计算是指利用光子来进行量子计算的技 术。光子作为量子比特的载体，可以在量子计算 中实现高效的信息处理。光子量子比特和光子量 子门是光子量子计算的重要组成部分，目前光子 量子计算技术正处于不断研究和发展之中。
波动理论
亚里士多德 提出
古希腊哲学家
解释光的干 涉和衍射现
象
光学现象
哈耶克和杨 克斯发展
科学家
粒子理论
01 普朗克提出
物理学家
02 爱因斯坦发展
科学家
03 解释光的光电效应和康普顿散射
物理现象
光的波粒二象性实验
华中科技大学-物理光学-第一章
他的灿烂一生属于爱丁堡，属于剑桥大学，更属于全世界”。
2021/7/11
1-2 平面电磁波
波动方程
2E
1 v2
2E t 2
0..........(1 8)
2B
1 v2
2B t 2
0..........(1 9)
1-2
• 平面波方向余弦为cosα，cosβ的情况
在z＝z0平面的复振幅：
E~( x )
A ex p (i
2
z0 cos )
exp[i 2 (x cos y cos )] y
x
y
kz x
x cos y cos const
x
dx y dy
dx / cos,dy / cos
u 1 cos ,v 1 cos
Ex
Acos
z c
t , Ey
0, Ez
0
试写出相联系的磁场表达式。
2021/7/11
1-5 光波的辐射
➢光源：热光源、气体放电光源、激光器
➢原子发光—电中心振荡 电偶极子辐射模型
+q Bk
p ql p0 exp(it)
l
距离谐振偶极子很远的地方考察
E
辐射球面波，幅度随角变化 -q
E在p和r的平面内，E、B和k
式中： A、 A'— —电场、磁场的振幅，
— —简谐波的波长， [2 (z vt)] — —波的相位.
[ 2 (z vt)] const — —等相面或波面，
其中最前面的波面称为波前.
2021/7/11
1－2
科普认识光的波粒二象性
科普认识光的波粒二象性光的波粒二象性是现代物理学中的一个基本概念，它描述了光既可以表现出波动性质，又可以表现出粒子性质的特征。
这一概念的提出和发展，为我们对光现象的认识和解释提供了重要的理论基础。
本文将以科普的方式，向读者介绍光的波粒二象性的背景、研究方法和应用等相关内容。
一、背景介绍光是一种电磁波，传播速度非常快，能够在真空中以每秒约30万公里的速度传播。
传统意义上，人们认为光只具有波动性质，能够表现出干涉、衍射等波动现象。
然而，在20世纪初，随着光电效应的发现和研究的深入，物理学家们逐渐发现光也具有粒子性质。
二、波粒二象性的实验证据1. 光电效应：光电效应是指当光照射到金属表面时，会引发金属中的电子发射的现象。
根据经典物理学的理论，光的能量应该是连续的，然而实验中发现，无论光的强度如何变化，只有当光的能量超过一定阈值时，光电效应才会发生。
这表明光的能量是以粒子的形式传播的。
2. 康普顿散射：康普顿散射是指X射线（也具有波粒二象性）与物质中的电子碰撞后发生频率和能量的变化。
实验证实，X射线在与物质中的电子碰撞后，会发生能量的散射。
这一现象可以用波粒二象性解释，其中X射线被视为粒子，而发生散射的能量则表现出波动性。
三、波粒二象性的研究方法物理学家们通过一系列的实验和理论研究，揭示了光的波粒二象性。
其中最重要的研究方法包括：1. 双缝干涉实验：在双缝干涉实验中，将光阻隔在两个狭缝之间，实验证明光在通过狭缝后会发生干涉现象，这表明光具有波动性质。
然而，当实验者观察光通过狭缝后的情况时，会发现光在屏幕上形成了一系列的亮暗条纹，这表明光的传播具有粒子性质。
2. 单光子实验：通过一种被称为光子计数器的仪器，科学家们可以探测到光子的位置和数量。
实验证明，当单个光子通过狭缝后，其在屏幕上会形成干涉和衍射的图案，这再次表明光具有波动性质。
但有趣的是，当多个光子依次通过狭缝时，它们在屏幕上的位置却呈现出粒子性的分布。
光的波粒二象性
激光技术与应用
物理与光电工程学院
陈云云
1.1 光的波粒二象性
Nanjing University of Information Science & Technology 应物物理学专业方向选修课
电磁波--电磁场是E 和B 的振动由近及远传播的过程u Z X Y E B 电矢量叫做光矢量，光波是横波。
) (v
) (
0 v
2)
(
v
实际上任何光波都不可能是全单色的，总有一定的频率宽度。
因此，电矢量和磁矢量两者具有相同的频率、相位和相似的简写振动方程，为简便起见，将此二式统一写成标量形式：
cos ()z t c ω-电磁波的传播
方向传播，在z 轴上任意选取一点P ，点的振动状态比原点O的振动状态点的振动方程为
由于点P的位置是任意选取的，所以，该方程代表了波场中任意一点的振动状态，因此，称之为简谐波方程，又叫做行波方程，是时间和空间的二维函数。
（1-8）。
激光专题讲座1-2
激光原理与技术1960年梅曼根据肖洛的受激辐射光量子放大理论研制出一台红宝石激光器，同年末研制出He-Ne 气体激光器，1962年又公布了砷化镓半导体激光器运转的报导。
我国于1961年研制成功红宝石激光器，1966年试制出Nd:YAG 激光器。
到70年代末，各种激光器都已发展到相当成熟，并得到应用。
激光与普通光源不同之处在于它具有高的单色亮度，好的单色性和相干性及定向性。
激光的出现推动了一些新学科的发展，比如薄膜光学、非线性光学、全息术等。
50多年来，激光在工业加工、医疗诊断、印刷照排、计量检测等方面获得广泛用途。
军事上，激光测距、激光制导、激光通信在战场上亦付诸使用，激光战术雷达已有成功报导，激光战术武器在不久的将来也将研制成功。
第一专题 激光的基本原理激光的产生涉及光与物质的相互作用，为了深入了解激光的产生机理，必须首先了解光辐射理论。
处理光辐射问题，可以从光的波动理论说明也可以从光的量子理论解决光辐射的波动理论，在光学原理教程或物理光学中有详细的讲解，其理论体系是从麦克斯韦方程组引入磁矢势和电标势，从而推导出关于磁矢势和电标势的达朗伯方程。
解方程发现如果运动的点电荷产生加速度便可产生辐射场。
对于束缚电荷来说，可以认为负电子相对于正电荷产生振动，以平衡态为基准的电子振动必然产生加速度，同时可产生光辐射，这就是洛仑兹的辐射理论。
辐射的量子理论是把电磁场的一个模式看成一个光量子，原子与光的相互作用看成是原子和一群光量子的相互作用，量子理论要用到量子力学和量子电动力学知识。
在本讲义中介绍的激光理论，考虑光的本性时，认为具有波粒二象性，为了讨论方便，有时利用波动概念，引入频率和波长来描述，有时利用粒子概念，引入粒子能量和动量。
§1.1 光的模式和光的量子状态光具有波粒二象性，从光的波动观点，其运动规律由麦克斯韦方程组来决定。
当解方程时可得到很多特解，这些解的线性组合也满足麦克斯韦方程组。
每一个特解，代表存在于此空间的一种电磁场分布，或者说是电磁场的一种本征振动状态，我们把每一种场的本征状态称为光的一种模式(mode)。
光的波粒二象性详解
光的波粒二象性详解光是一种电磁波，同时也具有粒子性质，这种既有波动性又有粒子性的特性被称为光的波粒二象性。
这一概念是量子力学的基础之一，对于解释光的行为和性质具有重要意义。
在本文中，我们将详细探讨光的波粒二象性，包括其历史背景、实验验证以及相关理论。
一、历史背景光的波粒二象性最早由德国物理学家普朗克在20世纪初提出。
当时，物理学家们对光的本质存在着争议，有的人认为光是一种波动，有的人则认为光是由粒子组成的。
普朗克在研究黑体辐射时，提出了能量量子化的假设，即能量不是连续的，而是以一个个最小单位的能量量子的形式存在。
这一假设为后来量子力学的发展奠定了基础，也为光的波粒二象性的理论提供了支持。
随后，爱因斯坦在解释光电效应时也提出了光的粒子性质，他认为光是由一束一束的能量子组成的，这些能量子具有一定的能量和动量。
这一观点在实验中得到了验证，进一步证明了光的波粒二象性的存在。
二、实验验证光的波粒二象性在实验中得到了多次验证。
其中最著名的实验之一是双缝干涉实验。
在这个实验中，光通过一个具有两个狭缝的屏幕后，形成干涉条纹的现象。
如果光只是波动，那么根据波动理论，会出现明暗相间的干涉条纹。
但实际上，即使将光的强度调低到只有一个光子通过的情况下，仍然会观察到干涉条纹的出现。
这表明光具有粒子性质，每个光子都会在屏幕上留下一个点，最终形成干涉图样。
另一个经典的实验是光电效应实验。
在这个实验中，当光照射到金属表面时，会引起电子的发射。
根据经典的波动理论，光的强度越大，金属表面上电子的动能也应该越大。
然而实验结果显示，光的频率对电子的动能有更大的影响，而光的强度对电子的数量有影响。
这一现象只能通过光的粒子性质来解释，即光是由一束束的能量子组成的。
三、相关理论光的波粒二象性的理论基础可以通过量子力学来解释。
根据量子力学的波函数描述，光可以被看作是一种波动的概率幅，描述了光子出现在某一位置的概率。
当进行光子的测量时，波函数会坍缩，光子会表现出粒子性质。
2025高考物理总复习光电效应波粒二象性
目录
研透核心考点
考点二 光电效应的四类图像问题
图像名称
最大初动能Ek与入射 光频率ν的关系图线
图1 C.开关S断开，电流表G示数为零 D.当滑动变阻器的滑片P由b端向a端滑动时，电压表示数增大
目录
研透核心考点
解析 由题意可知，遏止电压Uc＝1.7 V，光电子的最大初动 能Ek＝eUc＝1.7 eV，A错误；根据光电效应方程可知，逸出 功W0＝ε－Ek＝1.05 eV，B错误；断开开关S，光电效应依然 发生，有光电流，光电管、电流表、滑动变阻器构成闭合回 路，电流表中电流不为零，C错误；电源电压为反向电压，当 滑动变阻器的滑片P由b端向a端滑动时，反向电压增大，电压 表示数增大，D正确。
目录
研透核心考点
例1 用如图1所示的实验装置研究光电效应现象。用光子能量为 2.75 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，电流表G的 示数不为零。移动滑动变阻器的滑片P，发现当电压表的示数
大于或等于1.7 V时，电流表示数为零，则在该实验中( D )
A.光电子的最大初动能为1.05 eV B.光电管阴极的逸出功为1.7 eV
2.“两条”关系 (1)光的强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大。 (2)光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大→遏止电压大。
目录
研透核心考点
3.“三个”关系式 (1)爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0。 (2)最大初动能与遏止电压的关系：21mev2c＝eUc。 (3)逸出功与极限频率的关系：W0＝hνc。
目录
研透核心考点
1.(2023·辽宁卷，6)原子处于磁场中，某些能级会发生劈裂，某种原子能级劈裂
前后的部分能级图如图2所示，相应能级跃迁放出的光子分别设为①②③④。
光的波粒二象性和电磁谱
光的波粒二象性和电磁谱光是人类生存中必不可少的一份子，很多人只知道光是一种电磁波，用来照亮世界，但是你可知道光还具有粒子性质吗？这就是光的波粒二象性。
本文将为你深入剖析光的波粒二象性和电磁谱的相关知识。
一、光的波粒二象性光的波粒二象性，是指在某些情况下，光既表现出波动的性质，又表现出粒子的性质。
当光照射到物体上时，会产生光电效应和康普顿效应，这就足以证明光是一种具有粒子性质的电磁波。
然而，波动也是光的一种基本特征，这就是说，光既可以像水波和声波一样呈现出波动的特点，波长短短、频率高低不一，同时也可以像射线一样，呈现出颗粒的外表。
二、电磁谱电磁谱是指电磁辐射在空间传播时，由于电磁波频率不同所表现出来的各种不同形态。
电磁辐射的频率，决定了它在空间传播时表现出的形态，不同频率的辐射形态如下。
1.射线射线是指频率高、波长短的电磁辐射。
射线可以分为三种：X 射线、γ射线和中子射线。
射线的特点是能穿透物体，因此被广泛应用于医学诊断和治疗、材料研究等领域。
2.紫外线紫外线是指频率稍低、波长稍长的电磁辐射。
紫外线包括长波紫外线、中波紫外线和短波紫外线，它们在空间传播中能够引起许多分子的光敏反应，因此被广泛应用于光化学、光生物学等领域。
3.可见光可见光是电磁谱的主要成分，频率介于紫外线和红外线之间，具有显著的波粒二象性，既可以表现出波动的特点，又可以表现出颗粒的特点。
4.红外线红外线是指频率低、波长长的电磁辐射。
红外线对人体和其他生物影响不大，但对于各种材料的加热和检测有着重要的应用。
5.微波微波是指频率更低、波长更长的电磁辐射，通常传播距离很远。
微波除了在通讯、军事和雷达等领域应用广泛外，还能够唤起分子的振动、作用在材料表面产生热效应。
6.无线电波无线电波是指一组较低频率且波长过长的电磁波，其应用领域包括无线电通讯、卫星通讯、电视和广播等。
总结在本文中，我们探讨了光的波粒二象性和电磁谱。
光的波粒二象性是光学中非常重要的概念，它使我们更深入地了解光的本质。
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x
S1
S2
h3 2 2 Px Py Pz 3 c
根据前述的光子态在相空间的体积为x yz Px Py Pz h3 可得：
光电子学导论
主讲人：朱晓、罗风光 2014-09
光电子学科体系介绍
Photonics应该掌握的知识
光电子学科体系介绍
光电子学科体系介绍
光电子学科体系介绍
课程结构介绍
课程简介（高功率激光部分）
激光原理与技术：光电子方向的核心基础课程，主要阐述激光 （Laser）产生的原理与理论，以及激光器的相关技术。
认识光——衍射的概念
在非磁性、各向同性均匀介质中，联立物质方程和Maxwell 方程 可以获得波动方程：
2 E 1 2E 0 c 2 t 2
2 E k 2 E 0
Helmhotz 方程
基尔霍夫-惠更斯衍射积分：
g ( x, y ) i exp(ikz ) f ( x ', y ')e
2 2
xLx R ( x ) 2 (
2
)2
2
2
认识光——相干长度的概念
r1 ( x d / 2) 2 D 2 y 2
r2 ( x d / 2) 2 D 2 y 2
r2 r1 2 xd / (r1 r2 )
激光原理部分
•光与物质相互作用 •激光器的运行特性 •高斯光束与谐振腔
激光技术部分
•激光的泵浦技术 •激光的调Q技术 •超短脉冲技术 •非线性倍频技术
课程体系结构的介绍
•光与物质相互作用 •激光器的运行特性
揭示激光产生基本原 理原理及运行特性
1、爱因斯坦的唯像理论---光与物质相互作用的机理 2、光与物质相互作用的方程----激光器速率方程理论 3、粒子数反转---光放大的必要条件 4、增益与损耗的关系---揭示了激光运行的特性
自旋：光子具有自旋，其自旋量子数 为整数；光子属于波色子，服从玻色 爱因斯坦分布，即处于同一量子态的 全同粒子数目没有限制。
认识光—— 光子状态与相格
在辐射场中的光子可以用动量、位置和偏振态来对其 加以区别；
宏观上质点的运动状态可以用位置（x , y , z）和动量 （Px , Py , Pz）来完全确定，一种运动状态对应相空间 （x , y , z , Px , Py , Pz ）中的一个点；
j
m( ) (m 1)
m
与这对应的光程差是实现相干的最大光程差：
max m( )
2
,
相干长度
对相干长度的进一步理解——时间相干性
n
n
n
实际光源的光谱线都有一定的频率宽度（波长范围）- 亦即相应的发光时间t是有限的。因此所发波列的长度L＝ct 也是有限的。 由于原子发光的随机性，不同波列间没有确定的初相位关系， 所以不同波列间是不相干的。 下图中a、b两波列是不相干的。
认识光——相干体积的概念
相干体积
=
c L c t 相干长度： c v
x 相干面积：
2
2
3 c c 1 则光源相干体积为：Vc 2 2
2
其物理意义为：如要求传播方向限于 之内并具有频率宽度 的 光波相干，则光源应局限在空间体积Vc 内
相干条件：振动方向相同；频率相同；相位差恒定
认识光——干涉的概念
认识光——干涉的概念
认识光——相干面积的概念
L P
1
▲x
P1 P2
S1 θ Lx R S2
O
LP
1
xLx 2R
1 2 ( PS ) R ( L x ) 1 1 x 4 由双缝干涉理论可知光源的相干面积 x 1 2 2 2 ( PS ( Lx x) 1 2) R 4
微观上的粒子运动满足测不准原理： x Px ~ h, yPy ~ h, z Pz ~ h
在相空间中，一个光子态不再对应一个点，而是 一个体积元，称为相格，其在相空间中的体积为：
xyzPx Py Pz h3
认识光—— 光子的相干性
光子动量在( x, y, z )方向的分量分别为：
认识光——光的量子假设
量子光学（Photon Optics）:
光的粒子性：
能量： h； h 6.626 1034 J S 2 h 动量：P k； ； k n 2 0 h 质量：m 2 2 光子没有静止质量 c c
偏振态：光子有两个可能的独立偏振 态，对应于光波的两个独立偏振方向。
•高斯光束与谐振腔
描述激光光束的传输与变换技术 以及谐振腔对光波模式的选择
1、谐振腔的模式理论及其稳定性判据 2、高斯光束（厄米高斯光束、拉盖尔高斯光束）的概念及特性 3、激光光束的传输及变换（数学的处理方法） 4、光束质量的评价标准
课程结构介绍
•激光的调制技术 •激光的调Q技术 •超短脉冲技术 •非线性倍频技术
像差理论
认识光
矩阵光学的方法
---激光原理谐振腔理论
认识光
波动光学（Wave Optics）:
惠更斯原理：是以波动理论 解释光传播规律的基本原理。
光强、相位、周期（频率）、功率、波矢、波前等概念！
认识光
菲涅耳数的概念：
A spherical wave may be approximated at points near the z axis and sufficiently far from the origin by a paraboloidal wave. For points very far from the origin, the spherical wave approaches a plane wave.
扩充阅读
1、思考题：不同相格内的光子进行干涉后，有干涉条 纹吗？
激光技术系（激光加工国家工程研究中心）
r2 r1 2xd / (2D) xd / D x
+ +
观察屏上光强的极大值：xmax mD / d 极小值: xmin (m 1/ 2) D / d
n
j+1
条纹间隔: e D / d / 条纹分辨的极限：波长为的m＋1级与波长为＋的j级条纹重合，条纹 的可见度降为零。
讲解激光的调制技术 及核心光电子器件
1、光波场的调制方式。 2、电光效应、声光效应、磁光效应等 3、调Q、锁模、非线性倍频技术及相应的器件
课程结构介绍
先修课程及参考文献
先修课程：
参考文献：
激光原理 国防工业出版社 2009年第6版 周炳琨等著 激光技术 科学出版社 2009年第3版 兰信钜等著 量子电子学 上海 科学技术出版社 1983年版，Amnon Yariv，刘颂豪等译 Lasers, Anthony E. Siegman, Maple-Vail Book Manufacturing Group, 1986, SECD EDITON Principles of Lasers, Orazio Svelto, Plenum Press, 2010 ，FIFTH EDITON Laser Fundamentals，William T. Silfvast，Cambridge University Press, 2004, SECD EDITON
激光原理与技术
第一讲：认 识 光
认识光
认识光
相干光源 光源 Light 非相干光源 激光光源 激光原理及技术
照明光源 半导体光电子技术
几何光学
Ray
物理光学 Wave
激光光学
量子光学 Photon
Beam
认识光
几何光学（Ray Optics）:
光速：c 折射率：n
费马原理：可证明光在均 匀介质中传播时遵从的直 线传播定律、反射和折射 定理，以及傍轴条件下透 镜的等光程性等。
h3 c3 x y z Vc 2 2 Px Py Pz
上式表明相格的空间体积等于相干体积，如果光子属于同一光子态， 则它们应该包含在相干体积之内，即同一光子态的光子是相干的。
认识光
小结：
• 复习了与本课程相关的光线、光波的相关知识，并给出了 量子假设的概念。 • 从经典波动理论和量子假设得到了相同相干体积的表达式 ，进一步强化光量子的概念。 • 相干体积内的光子是不可区分的。 • 传统光源的光强和光的相干性是一对矛盾，如何解决这对 矛盾，是人类面临的挑战。
相干时间的度量
•
相干时间：考虑空间一定点P，光波列通过该点所需的时间，即定义为该光 波的相干时间。
2 L t 0 1 c c
n n n
n
相干时间是描述光场纵向相干性的； 相干时间由光源的单色性决定； 相干时间的长短反映光场时间相干性的好坏。 n 相干时间长－单色性好； n 相干时间短－单色性差。 相干时间可用相干长度来度量－可通过迈克耳逊实 验测量。
P
a S b S1 S2
P0
具体分析
S
a
S1 S2
a2
a1
P P0
•
波列a经s1、s2分波面后形成次波列a1、a2。 • 若a1、a2在P点相遇，则出现干涉图样 • 若a1、a2不能同时到达P点，即光程差大于波列的长度。此时在P点相遇的是来 自不同波列的光波，不相干，则无干涉图样 • 临界情况，s1、s2到P点的最大光程差等于波列的长度，即Δmax＝L。亦即a1通 过P点时，a2刚好到达P点。
1 ( x, y, z ) 4