量子力学与激光

量子力学与激光

摘要

量子力学是关于微观粒子运动的一门科学，其核心内容是描述微观粒子的波粒二象性——微观粒子的运动规律类似于波的运动；而微观粒子在被一些实验手段测量时又体现经典粒子的性质，如，具有动量、质量、电荷——这看似矛盾的性质被统一于物质波的概念中。而量子力学中的光量子假说为激光的世界打开来一扇崭新的大门。本文以量子力学中的相关原理为引，介绍了量子力学原理在激光技术中的应用以及激光的产生的相关原理。

关键词：量子力学；光量子；激光原理与产生技术

1、引言

激光器的原理，是先冲击围绕原子旋转的电子，令其在重回低能量级别时迸发出光子。这些光子随后又会引发周围的原子发生同样的变化，即发射出光子。最终，在激光器的引导下，这些光子形成稳定的集中束流，即我们所看到的激光。当然，人们能够知晓这些，离不开理论物理学家马克斯·普朗克及其发现的量子力学原理。普朗克指出，原子的能量级别不是连续的，而是分散、不连贯的。当原子发射出能量时，是以在离散值上被称作量子的最小基本单位进行的。激光器工作的原理，实际上就是激发一个特定量子散发能量。

2、能量量子化的提出

1900年12月14日，在德国物理学会的一次会议上，普朗克宣读了他的论文《正常光谱的能量分布理论》。这篇开始几乎没人注意的文章因为使用内插法引入了普朗克常数h，漂亮的解决了20世纪物理学上空的两朵乌云中之一----黑体辐射的问题，从而开创了物理学的新纪元。人们也就把这篇文章发表的日期看作量子物理学的诞辰。这篇论文的功绩在于普朗克常数h的引入表明了黑体空腔壁中起辐射作用的电子的能量是量子化的。

1905年，爱因斯坦以勒纳总结出的光电效应性质作为光是粒子的依据，在普朗克的基础上注意到辐射在发射和吸收时所表现的粒子性，在《关于光的产生

和转化的一个启发性的观点》中提出光量子假说：他认为：一个处于高能态的粒子在一个频率适当的辐射量子的作用下，会跃迁到低能态，同时放出一个频率和运动方向同入射量子的全同的辐射量子。这个假说是为从理论上解决黑体辐射提出的，但在几十年后，却成了打开激光宝库的一把钥匙。

这个假说成功的解释了光电效应。密立根是这样评价光电效应的，“它把普朗克通过研究黑体辐射而发现的量h 物KCB 系列齿轮油泵质化了，并且使我们完全相信，普朗克的著作所依据的主要物理概念是同现实相符的。”

3、光的受激辐射[1]

光量子学说认为，光是一种以光速c 运动的光子流，光子和其他基本粒子一样，具有能量、动量和质量。光与物质的共振相互作用，特别是这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基础。爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射的普朗克公式，认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。为了简化问题，我们只考虑原子的两个能级E 1和E 2，处于两个能级的原子数密度分别为n 1和n 2，如图3.1所示。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为ρ，并有21E E h ν-=。

图3.1 二能级原子能级图

（1）自发辐射

处于高能级2E 的一个原子自发地向低能级1E 跃迁，并发射一个能量为h ν的光子，这种过程称为自发跃迁过程，如图3.2所示。

图3.2 原子自发辐射

（2）受激辐射[2]

处于高能级2E 的原子在满足21()E E h ν=-的辐射场作用下，跃迁至低能级1E 并辐射出一个能量为h ν且与入射光子全同光子，如图3.3所示。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。

图3.3 原子受激辐射

（3）受激吸收

受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能级1E 的一个原子，在频率为ν的辐射场作用下吸收一个能量为h ν的光子，并跃迁至高能级2E ，这种过程称为受激吸收，如图3.4所示

图3.4 原子受激吸收

受激辐射和自发辐射的重要区别在于相干性。自发辐射是不受外界辐射场影响的自发过程，因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的，因而是不相干的；受激辐射是在外界辐射场控制下的发光过程，受激辐射光子与入射光子属于同一光子态，特别是大量粒子在同一辐射场激励下产生的受激辐射处于同一光场模式或同一光子态，因而受激辐射是相干的[3]。

3、小结

到现在，与一个世纪之前人类刚刚涉足量子领域的时候相比，爱因斯坦的观点似乎得到了更为广泛的共鸣。量子力学越是在数理上不断得到完美评分，就越显得我们的本能直觉竟如此粗陋不堪。人们不得不承认，虽然它依然看起来奇异而陌生，但量子力学在过去的一百年里，已经为人类带来了太多革命性的发明创造，晶体管、原子钟、量子密码以及量子计算机，他们已经越来越多的走进我们的现实生活，悄悄地改变着我们的生活方式，为我们的生活提供便利。正像詹姆斯·卡卡廖斯在《量子力学的奇妙故事》一书的引言中所述：“量子力学在哪？你不正沉浸于其中吗。”而激光作为量子力学为世界带来的新生命，正为这个世界作出更大的贡献。

参考文献：

[1] 南开大学物理科学学院编著，《激光原理》，天津，2006.3

[2] 周炳琨等编著，《激光原理》，北京，国防工业出版社，2004.8

[3] 盛新志、娄淑琴编著，《激光原理》，北京，清华大学出版社，2010.6