光的量子特性与激光及其医学应用[可修改版ppt]
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• 激光器的品种已达数百种，激光以其特殊的发光机制与激光 器结构而具有普通光源发出的光所无可比拟的优点，激光技 术已渗透到工业、通讯、生物、医学等领域，形成激光生物 学、激光医学等边缘学科。
（一）激光的基本原理
当分子、原子或离子在处于较高能级E2时，是比较不稳定的， 它会自动跃迁到较低能级E1上，并释放一定的能量。
为 εh 。
3.根据能量守恒，金属中一个电子吸收一个光子的能量 hv，一部分用来克服电子的逸出功A，另一部分转换成 光电子的初动能，即
该方程可以全面地解释光电效应的实验规律。
第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论 三 光电效应在近代技术中的应用
光控继电器、自动控制、 自动计数、自动报警等.
光控继电器示意图
能量
经典 量子
一.光电效应的基本规律
适当频率的光束照 射到金属表面使电子 从金属中脱出的现象 称为光电效应。
频 率
光强较强
相 同
光强较弱
光电子的最大初动能与遏止电压U有关，与光
二.爱因斯坦的光子假设
1.不仅在发射和吸收时辐射能是量子化的，而且辐射能 在传递过程中也是量子化的。
2. 光在真空中是以光速c运动的粒子流，这些粒子称为 光量子(light quantum), 即光子(photon)。单个光子的能量
释放能量的方式有两种：一种是无辐射跃迁（非光能的形
式），转变为热能被吸收或者释放；另一种是以光能的形式
吸收或释放，辐射出一个光子，叫做辐射跃迁，辐射光子的
频率满足：
21
E2
h
E1
这种跃迁，每一个粒子的跃迁都是自发地独立地进行，因而 它们所辐射的光的相位、方向以及偏振方向都是随机的，因 此是非相干光。例如日光灯发出的光。
按照原子的量子理论，光和原子的相互作用可能引 起受激吸收、自发辐射和受激辐射三种跃迁过程。
➢ 受激吸收：原来处于低能态E1的原子，受到频率
为 ，能量为 hE2E1的光子照射时，该原
子就有可能吸收此光子的能量，向高能态E2跃迁， 这种过程称为受激吸收，或称为原子的光激发。
E2
h
受激吸收
E1
➢ 自发辐射 原子受激后，处于高能态E2，是不稳定的，
激光（钱学森教授建议得名）: 利用光能、热能、电能、化学能
或核能等外部能量激励工作物质， 使其发生受激辐射而产生的一种特 殊的光。成为新的光源。
• 激光输出的波长范围，可以从远红外直到紫外甚至到x光波 段；波长可以是单一的，也可以是多种可调的；输出方式可 以是连续的，也可以是脉冲的。
• 激光的功率范围可以从mW到百kW，脉冲峰值可达1013W
利用红外线检测人体的 健康状态；本图片是人体的 背部热图，可根据不同颜色 判断病变区域。
黑体辐射实验规律
黑体 如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完全 吸收，而不反射和透射，这种物体就叫做黑体。（黑体是理想模 型）
不透明的材料制成带小孔的空腔,可近似看作黑 体。
研究黑体辐射的规 律是了解一般物体热 辐射性质的基础。
0. 3000K /nm
5 0 m 1000 2000
（2） 维恩位移定律
最大对值于,给其定对温应度波T长，为黑体m，的称单为色峰辐值出波度长。M都有0 一
M0 ( T )
T m b
b 2.897 103 m K
物体温度越高，峰值波长越短，成反比。
黑
当温度很低时，主要辐射出远红外、红外
体
线，基本不辐射可见光。
的 单 色
人体表面温度约300K，从人体辐射的电磁 波最大波长则为9600nm，位于远红外区
辐
太阳表面温度约6000K，因而辐射出的波长
出
正好在可见光范围。当然还有大量的红外
度
线和紫外线
0
1
波长
2
3
4
5
6 10- 6 m
能量量子化假说：辐射黑体中分子、原子的振动可 看作线性谐振子。但是这些谐振子的能量只能是某一最 小能量ε（称为量子）的整数倍，不能连续变化，即： ε, 1ε, 2ε, 3ε, ... nε。n为正整数，称为量子数。
一般只能停留10-8S。在没有外界的作用下，会自发地
回到低能态，同时向外辐射出一个能量为
hE2E1
的光子，这称为自发辐射。普通光源的发光就属于自
发辐射。
由于发光物质中各个原子自发地、独立地进行辐射， 因而各个光子的位相、偏振态和传播方向之间没有确 定的关系。
光的量子特性与激 光及其医学应用
光的波动性
光的粒子性
电磁波 有波动参量 如： 波长 频率 波速
有波的行为特性 如：
光子或光量子
有粒子参量 如：
动量 h/ch/
能量 h
动质量
有粒子的行为特性 如：
波的干涉 波的衍射 横波偏振
黑体辐射 光电效应 激光
光
既具有波动性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ又具有粒子性
,光的这种双重特性,称为光的波粒二象性。
物质的发光原理及光源
• 光发射的本质实际上就是原子或分子能级跃 迁的结果。
• 产生光的方法有很多：
一. 热辐射现象
温度越高，辐射出的总能量越大，短波成分越多。
热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞， 一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。
人体辐射红外线----医学临床诊断中的人体红外热像图:
对于频率为ν的谐振子的能量最小单元，称为量子： h
普朗克常量
h6.6 3 1 3 0J 4s
振子从一个状态跃迁到另一个状态时，辐射出 或吸收的能量也是量子化的，是不连续的。而经 典的热力学和电磁场理论的观点则认为，振子的 能量变化是连续的，可以是任意值。普朗克假说 使得多种微观线性得以正确的解释。
光
放大器 接控件机构
光电倍增管
第四节 激 光 (Laser)
激光又名镭射, 它的全名是: “受激辐射的光放大”。
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
爱因斯坦于1917年在光量子论的基础上发展了自发辐射和 受激辐射理论，预言了原子产生受激辐射放大的可能性。
黑体模型
通过黑体辐射实验，总结出两条实验规律
（1） 斯特藩-玻耳兹曼定律（如右图）
黑体的辐射强度与黑体绝对温 度的四次方成正比：
M 0 (T ) T 4
1.
斯特藩—玻尔兹曼常量
0
5 .6 1 7 8 W 0m 2 K 4
M (T)/1 (10 W 4 m 3)
可 见 光 区
6000K
同一物体，温度越高，辐射电磁波的能力就越 大，表现在高温物体的辐射曲线整个都在低温 物体辐射曲线的上方。
（一）激光的基本原理
当分子、原子或离子在处于较高能级E2时，是比较不稳定的， 它会自动跃迁到较低能级E1上，并释放一定的能量。
为 εh 。
3.根据能量守恒，金属中一个电子吸收一个光子的能量 hv，一部分用来克服电子的逸出功A，另一部分转换成 光电子的初动能，即
该方程可以全面地解释光电效应的实验规律。
第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论 三 光电效应在近代技术中的应用
光控继电器、自动控制、 自动计数、自动报警等.
光控继电器示意图
能量
经典 量子
一.光电效应的基本规律
适当频率的光束照 射到金属表面使电子 从金属中脱出的现象 称为光电效应。
频 率
光强较强
相 同
光强较弱
光电子的最大初动能与遏止电压U有关，与光
二.爱因斯坦的光子假设
1.不仅在发射和吸收时辐射能是量子化的，而且辐射能 在传递过程中也是量子化的。
2. 光在真空中是以光速c运动的粒子流，这些粒子称为 光量子(light quantum), 即光子(photon)。单个光子的能量
释放能量的方式有两种：一种是无辐射跃迁（非光能的形
式），转变为热能被吸收或者释放；另一种是以光能的形式
吸收或释放，辐射出一个光子，叫做辐射跃迁，辐射光子的
频率满足：
21
E2
h
E1
这种跃迁，每一个粒子的跃迁都是自发地独立地进行，因而 它们所辐射的光的相位、方向以及偏振方向都是随机的，因 此是非相干光。例如日光灯发出的光。
按照原子的量子理论，光和原子的相互作用可能引 起受激吸收、自发辐射和受激辐射三种跃迁过程。
➢ 受激吸收：原来处于低能态E1的原子，受到频率
为 ，能量为 hE2E1的光子照射时，该原
子就有可能吸收此光子的能量，向高能态E2跃迁， 这种过程称为受激吸收，或称为原子的光激发。
E2
h
受激吸收
E1
➢ 自发辐射 原子受激后，处于高能态E2，是不稳定的，
激光（钱学森教授建议得名）: 利用光能、热能、电能、化学能
或核能等外部能量激励工作物质， 使其发生受激辐射而产生的一种特 殊的光。成为新的光源。
• 激光输出的波长范围，可以从远红外直到紫外甚至到x光波 段；波长可以是单一的，也可以是多种可调的；输出方式可 以是连续的，也可以是脉冲的。
• 激光的功率范围可以从mW到百kW，脉冲峰值可达1013W
利用红外线检测人体的 健康状态；本图片是人体的 背部热图，可根据不同颜色 判断病变区域。
黑体辐射实验规律
黑体 如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完全 吸收，而不反射和透射，这种物体就叫做黑体。（黑体是理想模 型）
不透明的材料制成带小孔的空腔,可近似看作黑 体。
研究黑体辐射的规 律是了解一般物体热 辐射性质的基础。
0. 3000K /nm
5 0 m 1000 2000
（2） 维恩位移定律
最大对值于,给其定对温应度波T长，为黑体m，的称单为色峰辐值出波度长。M都有0 一
M0 ( T )
T m b
b 2.897 103 m K
物体温度越高，峰值波长越短，成反比。
黑
当温度很低时，主要辐射出远红外、红外
体
线，基本不辐射可见光。
的 单 色
人体表面温度约300K，从人体辐射的电磁 波最大波长则为9600nm，位于远红外区
辐
太阳表面温度约6000K，因而辐射出的波长
出
正好在可见光范围。当然还有大量的红外
度
线和紫外线
0
1
波长
2
3
4
5
6 10- 6 m
能量量子化假说：辐射黑体中分子、原子的振动可 看作线性谐振子。但是这些谐振子的能量只能是某一最 小能量ε（称为量子）的整数倍，不能连续变化，即： ε, 1ε, 2ε, 3ε, ... nε。n为正整数，称为量子数。
一般只能停留10-8S。在没有外界的作用下，会自发地
回到低能态，同时向外辐射出一个能量为
hE2E1
的光子，这称为自发辐射。普通光源的发光就属于自
发辐射。
由于发光物质中各个原子自发地、独立地进行辐射， 因而各个光子的位相、偏振态和传播方向之间没有确 定的关系。
光的量子特性与激 光及其医学应用
光的波动性
光的粒子性
电磁波 有波动参量 如： 波长 频率 波速
有波的行为特性 如：
光子或光量子
有粒子参量 如：
动量 h/ch/
能量 h
动质量
有粒子的行为特性 如：
波的干涉 波的衍射 横波偏振
黑体辐射 光电效应 激光
光
既具有波动性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ又具有粒子性
,光的这种双重特性,称为光的波粒二象性。
物质的发光原理及光源
• 光发射的本质实际上就是原子或分子能级跃 迁的结果。
• 产生光的方法有很多：
一. 热辐射现象
温度越高，辐射出的总能量越大，短波成分越多。
热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞， 一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。
人体辐射红外线----医学临床诊断中的人体红外热像图:
对于频率为ν的谐振子的能量最小单元，称为量子： h
普朗克常量
h6.6 3 1 3 0J 4s
振子从一个状态跃迁到另一个状态时，辐射出 或吸收的能量也是量子化的，是不连续的。而经 典的热力学和电磁场理论的观点则认为，振子的 能量变化是连续的，可以是任意值。普朗克假说 使得多种微观线性得以正确的解释。
光
放大器 接控件机构
光电倍增管
第四节 激 光 (Laser)
激光又名镭射, 它的全名是: “受激辐射的光放大”。
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
爱因斯坦于1917年在光量子论的基础上发展了自发辐射和 受激辐射理论，预言了原子产生受激辐射放大的可能性。
黑体模型
通过黑体辐射实验，总结出两条实验规律
（1） 斯特藩-玻耳兹曼定律（如右图）
黑体的辐射强度与黑体绝对温 度的四次方成正比：
M 0 (T ) T 4
1.
斯特藩—玻尔兹曼常量
0
5 .6 1 7 8 W 0m 2 K 4
M (T)/1 (10 W 4 m 3)
可 见 光 区
6000K
同一物体，温度越高，辐射电磁波的能力就越 大，表现在高温物体的辐射曲线整个都在低温 物体辐射曲线的上方。