1.1 激光原理光的波粒二象性(2014)
光学篇光的波粒二象性光的能量光的频率
光学篇光的波粒二象性光的能量光的频率光学篇：光的波粒二象性、光的能量与光的频率在光学领域中，光被认为是一种既可以作为波动传播又可以被看作是由粒子组成的粒子的形式被描述的现象。
这种波粒二象性是光学研究中的重要基础。
本文将探讨光的波粒二象性以及光的能量和频率的相关概念。
1. 光的波粒二象性光的波粒二象性是指光既可以表现出波动的特性，也可以表现出粒子的特性。
根据波动理论，光可以通过传播波进行描述，表现出传播、反射、折射和干涉等现象。
然而，根据光子理论，光也可以被看作是由一系列能量量子组成的粒子，这些粒子被称为光子。
光子的粒子性质可以通过光的吸收和发射过程来解释。
2. 光的能量根据光的粒子性质，光的能量可以被表达为光子的能量。
根据普朗克能量-频率关系，光的能量（E）与其频率（ν）成正比。
数学表达式为E = hν，其中h代表普朗克常量，约等于6.63 × 10^-34 J·s。
这个公式表明，光的能量随着频率而增加，可以看作是光子能量的传递。
3. 光的频率光的频率描述了光波中振动的次数。
频率是一个单位时间内振动周期的个数，通常用赫兹（Hz）来衡量。
根据电磁波理论，光的频率与光的波长（λ）有关。
光的频率与波长之间存在反比关系，即频率越高，波长越短。
4. 光的波粒二象性的实验观测光的波粒二象性最早通过光的干涉和衍射实验进行观测得出。
干涉实验可以展示出光的波动特性，而光电效应则可以证明光的粒子特性。
在干涉实验中，通过两束光的叠加产生明暗条纹，表明光的波动性质产生干涉现象。
而在光电效应实验中，当光照射到金属表面时，会产生电子的发射，这证明了光的粒子性质。
5. 光的波粒二象性的应用光的波粒二象性的认识在现代科学和技术中发挥着重要作用。
光的波动性质被应用在光学仪器的设计和制造中，如显微镜、激光和光纤通信等。
光的粒子性质则被广泛应用于光电子学，特别是在光电探测器和光电二极管中。
光的粒子性质还被用于解释光的吸收和发射过程，如太阳能电池和荧光材料等。
《光的波粒二象性》课件
03
偏振应用
液晶显示、光学通信等。
03
光的粒子性
光子说
总结词
光子说是对光的粒子性的描述，它认为光是由粒子或光子组成。
详细描述
光子说是由爱因斯坦提出的，他认为光是由粒子或光子组成，这些光子以波动 的形式传播，并具有能量和动量。这一理论解释了光的反射、折射和干涉等现 象。
光电效应
总结词
光电效应是指光照射在物质表面时，物质吸收光能并释放出电子的现象。
光的波粒二象性
光的波粒二象性定义
光子能量与频率的关系
光既具有粒子性又具有波动性，即光 是一种波粒二象性的物理量。
光子的能量与其频率成正比，频率越 高，能量越大。这一关系是爱因斯坦 在解释光电效应时提出的。
双缝干涉实验
通过双缝干涉实验可以证明光具有波 动性，当光通过两个小缝隙时，会在 屏幕上形成明暗相间的干涉条纹。
详细描述
双缝干涉实验中，单色光通过两个相距较近的小缝隙后，会在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹，这是 波动性光特有的现象。
单缝衍射实验
总结词
进一步证明光具有波动性。
详细描述
单缝衍射实验中，单色光通过狭 窄缝隙后，会在屏幕上形成衍射 图样，表现为明暗相间的条纹， 这是波动性光特有的现象。
光电效应实验
总结词
光学望远镜在天文观测、宇宙探索等 领域发挥着重要作用，为人类认识宇 宙提供了重要信息。
全息摄影技术
全息摄影技术利用光的干涉和衍射现象，能够记录物体的三维信息并实现立体再 现。
全息摄影技术在展示、广告、教育等领域有广泛应用，为人们提供了更加真实和 生动的视觉体验。
05
实验验证
双缝干涉实验
总结词
直接证明光具有波动性。
光的波粒二象性
光的波粒二象性光的波粒二象性是指光既可以表现出波动性，又可以表现出粒子性的特性。
这一概念是量子物理学的基础之一，也是对光本质的深入认识。
1. 光的波动性光的波动性最早由英国科学家牛顿提出，他认为光是由一束束的极其微小的颗粒组成的。
然而，随着实验的深入和理论的发展，人们开始发现光具有许多波动性的特性。
例如，光的传播具有折射、反射、干涉、衍射等现象，这些现象都可以通过波动模型来解释。
波动性意味着光可以以波动的形式传播，具有波长和频率等特性。
2. 光的粒子性光的粒子性是由德国科学家爱因斯坦在20世纪初提出的。
在他的光电效应理论中，爱因斯坦认为光是由一些离散的能量子组成的。
这些能量子被称为光子，它们具有能量和动量等粒子的特性。
光的粒子性可以用来解释一些实验现象，例如光电效应、康普顿散射等。
3. 波粒二象性的实验证据波粒二象性的实验证据是光的波动性和粒子性均可以通过实验得到验证。
例如，通过干涉和衍射实验可以证明光的波动性，而通过康普顿散射或光电效应实验可以证明光的粒子性。
4. 洛伦兹对波粒二象性的解释荷兰物理学家洛伦兹提出了统一电磁理论来解释光的波粒二象性。
他认为，光既可以视为连续的电磁波，又可以视为离散的能量子，这取决于光与物质的相互作用情况。
洛伦兹的理论为波粒二象性提供了统一的解释。
5. 应用与展望对于光的波粒二象性的深入理解不仅在理论物理学中具有重要意义，也在实际应用中有许多重要的应用。
例如，在量子信息科学中，利用光的量子特性可以实现光量子计算和量子通信等，这将对信息技术的发展带来重大影响。
此外，光的波粒二象性的研究还有助于人们更好地理解微观世界的本质。
总结：光的波粒二象性是量子物理学的重要基础之一。
通过实验证据以及洛伦兹的统一电磁理论，我们可以看到光既具有波动性又具有粒子性。
对于光的波粒二象性的深入研究不仅对理论物理学有重要意义，而且对实际应用领域也有广泛的应用前景。
随着科技的不断进步，我们相信对光的波粒二象性的研究将进一步拓展我们对自然界的认识。
光的波粒二象性
光的波粒二象性在我们生活的这个奇妙世界中，光扮演着至关重要的角色。
从照亮我们的日常生活到推动科学技术的进步，光的奥秘一直吸引着人类不断探索。
而其中最令人着迷的特性之一，便是光的波粒二象性。
让我们先从光的粒子性说起。
想象一下，光是由一个个微小的“粒子”组成的，这些粒子被称为光子。
当光与物质相互作用时，比如在光电效应中，光就表现出了明显的粒子性。
在光电效应里，如果一束光照射到金属表面，当光的频率达到一定值时，金属表面就会瞬间发射出电子。
按照经典物理学的观点，光的能量是连续分布的，那么无论光的强度多么弱，只要照射时间足够长，都应该能使电子逸出。
但实际情况并非如此，只有当光的频率超过一个特定值时，电子才会被发射出来，而且是瞬间发生的。
这就好像光是以一个个能量包的形式撞击金属表面，每个能量包（光子）具有特定的能量，只有当光子的能量足够大时，才能把电子“撞”出来。
接下来谈谈光的波动性。
我们都知道光可以发生折射、反射和干涉等现象，这些现象都是光的波动性的有力证据。
比如，当光通过两条狭缝时，会在屏幕上形成明暗相间的条纹，这就是著名的双缝干涉实验。
在这个实验中，光就像是水波一样，通过两条狭缝的光波相互叠加和抵消，从而在屏幕上形成了有规律的条纹。
那么，光怎么会同时具有粒子性和波动性呢？这看似矛盾的两种特性，却在量子力学的框架下得到了统一的解释。
在微观世界中，粒子和波的概念不再像我们在宏观世界中理解的那样截然不同。
从实验的角度来看，光的波粒二象性有着众多令人惊叹的表现。
例如，康普顿效应进一步证实了光的粒子性。
当 X 射线与物质中的电子发生碰撞时，会发生散射，散射后的 X 射线波长变长，而且这种波长的改变与散射角有关。
这一现象只有把 X 射线看成具有动量的粒子，与电子发生碰撞并交换能量和动量，才能得到合理的解释。
在日常生活中，光的波粒二象性也有着广泛的应用。
比如，在激光技术中，利用光的相干性（波动性的一种表现），可以制造出高精度的激光设备，用于医疗、通信和工业加工等领域。
1.1光的波粒二相性
E h
爱因斯坦认为光子既是粒子、同时又是波。光在 与物质相互作用时粒子性明显，光在传播中则波动性突 出。光的这种粒子性和波动性相互对立又并存的性质， 叫做光的“波粒二象性”。
h p c
二.
光的波粒二象性
Байду номын сангаас
对电磁场----用经典电动力学的Maxwell方程组描述 1、光波——波长为4000埃～7600埃的电磁波
1.1
一.
光子描述
1 光的波粒二象性
光的发展简史
1. 牛顿和惠更斯与光的理论学说 牛顿在1669年提出光的“微粒说”.他认为光是从光 源发 出的一种光微粒流,具有直线传播的性质.光微粒流有 弹性,并且能被某些物质吸收.光微粒流遇到物质时,如果不 被吸收,就会被弹回来. 惠更斯在1678年提出光的“波动说”.他认为光从一 处传播到另一处,是和水波类似的波. 这两学说在相互争论中发展,一直持续了200多年,牛 顿的微粒说能圆满地解释光的直线传播、反射等现象,因 而在很长一个时期内占统治地位.但后来人们又在实验中 发现,微粒说不能解释光的干涉、衍射等现象.这就促使科 学家们去探索新的答案.
原子状态
n
1 2
l
0 1
ml
0 1 0 -1
ms
简并度
1s 2p
g1=2 g2=6
电子 n =3 态
有几种简并态？
•角动量有 3 种
•每种角动量空间取向有2l+1种
•电子还有2种自旋
•所以共有18种
2 Z ( 2 l 1 ) 2 2 n •一般结论: 简并态 n l 0
n 1
Lz ml
例如：l = 2 角动量大小是
L 2(2 1) 6
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。
《光的波粒二象性》课件2
系．
波动性是光子的本身属性，不能把光看作宏观上的波，也
不能把光看作宏观上的粒子．
有关光的本性的说法正确的是(
)
A．有关光的本性，牛顿提出了“粒子性”，惠更斯提出 了“波动性”，爱因斯坦提出了“光子说”，它们都圆满地说
明了光的本性
B．光具有波粒二象性是指既可以把光看成宏观概念的的干涉、衍射说明光具有波动性，光电效应说明光
具有粒子性 D．在光双缝干涉实验中，如果光通过双缝时显出波动性， 如果光只通过一个缝时显示出粒子性
解析：牛顿主张的粒子说中的粒子与实物粒子一样，惠更 斯主张的波动说中的波动与宏观机械波等同，这两种观点是相 互对立的，都不能说明光的本性，则A、B错，C对．在双缝实
康普顿效应再次证明了爱因斯坦光子假说的正确性．它不 仅证明了光子具有能量，同时还证明了光子具有动量． 如果按照经典电磁理论，入射波引起物质中电子的振动， 这种振动频率必然与入射波的频率相同，从而引起的散射波也 应该与入射波的频率相同，而散射前后的介质相同，所以散射 前后波长也就不变．因此康普顿效应说明了光具有粒子性．
人眼对绿光最为敏感．正常人的眼睛接收到波长 为530 nm的绿光时，只要每秒有6个绿光的光子射人瞳孔，眼睛 就能察觉．普朗克常量为6.63×10－34 J· s，光速为3.0×108 m/s， 试求人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率和一个绿光光子 的动量．
解析：每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，所以察觉到绿光
所接收到最小功率为
－34 6.63 × 10 ×3×108 hc － 6 λ 6× 530×10 9 P＝ t ＝ W 1
＝2.3×10－18 W， 一个绿光光子的动量
34 h 6.63×10 p＝ ＝ ＝ kg· m/s λ 530×10－9
光的波粒二象性名词解释
光的波粒二象性名词解释
光的波粒二象性指的是光即具有粒子性又具有波动性其中粒子的特性有颗粒性和整体性没有“轨道性”；波动的特性有叠加性没有“分布性”。
一般来说光在传播过程中波动性表现比较显著当光和物质相互作用时粒子性表现显著。
光的这种两重性反映了光的本性。
光的波粒二象性指的是光即具有粒子性又具有波动性,其中,粒子的特性有颗粒性和整体性,没有“轨道性”；波动的特性有叠加性,没有“分布性”。
一般来说,光在传播过程中波动性表现比较显著,当光和物质相互作用时粒子性表现显著。
光的这种两重性,反映了光的本性。
激光原理_第1章_激光的基本理论
3.简并态—— 同一能级的各状态称简并态 例：计算1s和2p态的简并度
原子状态 n l
ml ms 简并度
1s
1
00
f1=2
1
2p
21
0
f2=6
-1
18
第一章 激光的基本原理
二、玻耳兹曼分布及粒子数反转
1. 玻耳兹曼分布(热平衡分布)
(19.77eV) 10-6 S
23
四、黑体辐射及其公式 1、描述黑体辐射的典型物理量
①单色能量密度 ,T：单位体积内，频率处于 附近
单位频率间隔内的电磁辐射能量，它是频率和温度的函 数。
注：寻求 的,T 函数形式进而确定单色辐出度的形式是当
时黑体辐射研究者们的一大目标！
②单光位波频模率密间度隔内n的：光腔波内模单式位数体。积中频率处于 附 近
n f e 2
2 (E2 E1 ) / kbT
讨论(设f i= f j) :
n1 f1
(1)如果E2 - E1很小,且满足 △E = E2 - E1＜＜kbT,则
n2 e (E2 E1 ) / kbT 1
n1
19
第一章 激光的基本原理
n f e 2
2 ( E2 E1 ) / kbT
第一章 激光的基本原理
前言
光具有波粒二象性，在描述光的性质是，可 以从其粒子性和光的波动性两个方面来描述光的 性质，进而引入了光波模式和光子模式来描述；
在激光产生的过程中，受激辐射和自发辐射 是其产生的基本原理，同时分析要实现光的受激 辐射放大需要满足集居数反转（粒子数反转）。
1
第一章 激光的基本原理
激光原理-辐射理论概要与激光产生的条件
如：室温（ T = 300 K）， E 2-E 1～1eV ( 1.602×10-19 J)， g2 =g1
n2
E2 E1
e kT
1017
1
n1
2021/1/13
12
1.3 光的受激辐射
➢ 激光的产生是利用了光与物质相互作用的三个 基本过程，即自发辐射、受激辐射和受激吸收
➢ 受激辐射过程是激光的物理基础 ➢ 受激辐射的概念是爱因斯坦1917年重新推导黑
处于 附近单位
频率间隔内的光 波模式数
热平衡状态下分 配到腔内每个模 式上的平均能量
玻尔兹曼常数
辐射能量量子化假说:
物体吸收或辐射的能量只能是某
一最小能量单元(h)的整数倍
➢总辐射能量密度 : 0 νdν
1.3.2 光与物质的相互作用
光与物质（原子、分子等）的相互作用的三种 基本过程 three optical transition processes：
（严格证明依靠量子电动力学。）
2021/1/13
27
受激发射理论的建立具有重要意义。它告诉我 们，当一个光子通过介质，存在着一种可能性， 即它非但未被吸收，反而能再引发出新的光子， 并且其频率、位相、偏振方向、传播方向与入 射光子完全一样，也就是说光通过某种介质可 以放大----激光产生的理论基础。
核心内容： 跃迁理论； 光谱展宽机制； 激光产生的条件
从物理模型出发 建立基本概念和基本关系
2021/1/13
1
1.1 光的波粒二象性 （wave-particle duality）
1.1.1 光的本性
光子说认为：光是一种以光速运动的光子流，其基 本性质是波粒二象性：
在研一究方光面与，物光质是相电互磁作波用，时具，有往波往动突的出性光质的；粒子性； 在研另究一光方的面传，播光过子程是时具，有往能往量突和出动光量的的波物动质性粒. 子. 波动性和粒子性总是同时存在；在一定条件下，可
第二节光的波粒二象性
光既体现出波动性，又体现出粒子性，
频率越高旳光,粒子性越明显． 波长越长旳光,波动性越明显.
大量光子旳行为往往显示出波动性, 个别光子旳行为往往显示出粒子性．
因为微观世界旳某些属性与宏观世界 不同，而我们旳经验仅局限于宏观物体旳 运动．
在生活中找不到一种既具有粒子性、 又具有波动性旳物理模型帮助我们研究光 子旳规律．
光旳干涉和衍射现象表白光确实是一种波
钢针旳衍射
圆孔衍射
圆屏衍射
爱因斯坦
光电效应以及 康普顿效应等无 可辩驳旳证明了 光是一种粒子．
康普顿
光是一种波，同步也是一种粒子，光具有波粒二象性
当我们用很弱旳光做双缝干涉试验时，将感 光胶片放在屏旳位置上，会看到什么样旳照片呢？ 为何会有这种现象？
结论
1、这光张子照在片清各楚处旳出显示现了
让我们换一种角度思索——依然考虑双缝干涉试验 减弱光源
分析
当光源和感光胶片之间不可能同步有两个和多种 光子时，长时间曝光得到旳照片依然和光源很强、曝光 时间较短时一样，则光旳波动性不是光子之间旳相互作 用引起旳．
波动性是光子本身旳一种属性
我们在思索物理概念或物理规律时，往往——
气体分子热运动时 电流
能直接感知旳事物出目前我们旳眼前，需 要我们建立新旳模型，提出新旳理论来进 行研究.
对于一种模型，只要能与试验成果一 致，它就能在一定范围内表达所研究对象 旳规律．
作业: 课时训练3
思索与讨论
根据你旳了解，阐明概率旳意义，举出 几种日常生活中旳或科学中旳事例，阐明哪 些事件是个别出现时看不出什么规律，而大 量出现时则显示出一定旳规律性．
生活中，涉及概率统计旳事件诸多，例如： 在研究分子热运动时，研究单个分子旳运动是 毫无意义旳，需要研究旳是大量分子整体体现 出来旳规律，这叫做统计规律．
光的波粒二象性
光的波粒二象性光的波粒二象性是指光既可以表现出波动性，也可以表现出粒子性的特征。
这个有关光的本质的概念颠覆了过去人们对光的认识，对于量子物理学的发展也起到了重要的推动作用。
在本文中，我们将探讨光的波粒二象性的背景、实验证据和其在现代科学中的重要性。
1. 光的波动性光的波动性最早由英国科学家惠更斯提出。
他通过实验证明光在经过狭缝后会产生干涉和衍射现象，这就像水波经过障碍物后产生的波纹现象一样。
这些实验结果表明，光具有像波一样的行为。
此后，波动理论逐渐成为描述光的基本理论，被广泛应用于物理学的各个领域。
2. 光的粒子性在波动理论盛行的时期，德国物理学家普朗克提出了能量量子化的概念，并用此理论解释了黑体辐射现象。
根据他的理论，光以离散的能量量子形式存在，每个量子被称为光子，具有粒子的特性。
后来爱因斯坦通过解释光电效应的实验结果，更加确立了光的粒子性，并获得了诺贝尔物理学奖。
3. 实验证据光的波粒二象性获得了大量实验证据的支持。
例如，干涉和衍射实验证明了光的波动性，光电效应、康普顿散射等实验则验证了光的粒子性。
这些实验证明了光既可以像波一样展现出干涉和衍射的特性，也可以像粒子一样表现出自旋和能量量子化的特征。
4. 光的波粒二象性的重要性光的波粒二象性在现代科学中至关重要。
首先，它推动了量子物理学的发展。
在研究光的波粒二象性的过程中，科学家发现了许多其他微观粒子也具有类似的性质，如电子、中子等，这促进了量子力学的建立。
其次，光的波粒二象性为光学技术的发展带来了巨大的突破。
通过对光的波动性的研究，科学家们发展出了光波导、激光、光通信等重要技术，广泛应用于通信、医学和材料科学等领域。
最后，光的波粒二象性对于了解宏观世界和微观世界的相互关系也有重要意义。
光的波粒二象性揭示了微观粒子和宏观物体之间存在着相互联系的基本规律，推动了量子力学与经典物理学的结合，为我们深入理解自然界的运行机制提供了新的视角。
综上所述，光的波粒二象性是对光的本质特征的描述，它既有波动性也有粒子性的特点。
光的波粒二象性
光的波粒二象性光是一种既有波动性又有粒子性的电磁辐射。
在物理学中，光的波粒二象性是指光既可以表现出波动特性，也可以表现出粒子特性。
这一概念最早由爱因斯坦在1905年的光电效应理论中提出，随后又在1924年的德布罗意假设中得到了更深入的阐述和证实。
本文将探讨光的波粒二象性的实验解释以及这一理论对物理学的重要意义。
一、实验解释光的波动性和粒子性在实验中得到了明确的展现。
光的波动性可以通过干涉和衍射实验来观察。
例如，在Young双缝干涉实验中，光通过两个狭缝后产生干涉条纹，这表明光具有波动特性。
而光的粒子性则可以在光电效应实验中观察到。
当光照射到金属或半导体表面时，会释放出电子，这是光的粒子性的直接证据。
然而，光的波动性和粒子性在某些实验中是互不可分的。
例如，在干涉实验中，如果将光弱化到极限，只有一个光子通过双缝时，仍然可以看到干涉条纹。
这意味着单个光子也表现出了波动特性，即光的波粒二象性。
二、德布罗意假设1924年，法国物理学家德布罗意提出了他的著名假设，即所有物质（包括电子、质子等）都具有波动特性。
这一假设为光的波粒二象性理论提供了更广阔的适用范围。
德布罗意假设引出了物质波长的概念，即德布罗意波长，用来描述物质波的特性。
根据德布罗意假设，物质波的波长与物质的动量相关，具体表达式为λ = h / p，其中λ为物质波长，h为普朗克常数，p为物质的动量。
这一关系意味着对于具有较大动量的物质，其波长相对较短，表现出更明显的粒子特性；而对于动量较小的物质，其波长相对较长，表现出更明显的波动特性。
德布罗意假设后来经由实验证实，并被广泛应用于物质波的研究以及量子力学的发展。
三、光的波粒二象性的重要意义光的波粒二象性在物理学中具有重要的意义。
首先，它推动了量子力学的发展。
通过对光的波粒二象性的理解，科学家们逐渐认识到，微观世界的规律并不符合经典物理学中的直观概念，而需要采用量子力学的框架来描述。
光的波粒二象性为量子力学的建立奠定了基础，并对后续的物理研究产生了深远的影响。
1.1 激光原理光的波粒二象性(2014)介绍
高福斌
15 /33
第第 1 章章 辐辐 辐射射理论概要与激 激激光产生的条件
二. 光的波粒二象性
1.1.1 光波——光的波动性 对电磁场--用经典电动力学的Maxwell方程组描述
高福斌
16 /33
第第 1 光波——是一种电磁波 电磁波——电磁场是E和B的振动由近及远传播 的过程 K K G E u X 章章 辐辐 辐射射理论概要与激光产生的条件
高福斌
7 /33
第第 1 光的波动性实验：频率ν，波长λ
Light intensity pattern
章章 辐辐 辐射射理论概要与激激 激光产生的条件
b a
Diffracted beam Incident light wave Circular aperture
高福斌
8 /33
第第 1 3. 爱因斯坦的波粒二象性 爱因斯坦的波粒 象性 电磁波理论虽然使光的波动 说一度占领了光学领域，但19世 纪末，实践中遇到的光与物质相 ， 互作用的许多现象却无法解释， 如 章章 辐辐 辐射射理论概要与激光产生的条件
高福斌
5 /33
第第 1 2. 麦克斯韦建立了光的电磁理论 19世纪初,电的发明和应用，将 人类带进了电器时代 1863年英国 人类带进了电器时代。1863年英国 物理学家麦克斯韦，以库仑、安培、 法拉第在电学上的发现为基础作了 进一步发展，创立了电磁波理论。 要点：变化的电场产生磁场，变化的磁场产 生电场，二者交替产生由近及远的传播，既电磁 ， ， 波。并建立了著名的麦克斯韦方程。 1887年赫兹用实验的方法产生了电磁波，证 实了麦克斯韦的电磁波理论。 章章 辐辐 辐射射理论概要与激光产生的条件
高福斌
2 /33
第1 章
激光原理1.1光的波粒二象性
I 1
T
T
2 T
U
2
2dt
1 T
1
T 1
T
U
2 0
cos2
(t
kz)dt
U
2 0
2
1.1.1 光波
(4)球面波及其复数表示法
➢球面简谐波方程：
U
U0 r
cos
t
r c
➢球面波的复数表示法： U U0 eitkr r
1.1.2 光子
➢在真空中一个光子的能量为
，动量为
P
，则它们
与光波频率，波长之间的关系为：
(2)光速 c 2.998108 m / s 3108 m / s
(3)频率和周期：光矢量每秒钟振动的次数ν 1
T
(4)三者的关系
在真空中
c 0
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 υ ( 0 )
1.1.1 光波
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
§1.3 光的受激辐射 黑体辐射 1. 绝对黑体又称黑体：某一物体能够完全吸收任何波 长的电磁辐射。自然界中绝对黑体是不存在的 。 2. 空腔辐射体是一个比较理想的绝对黑体 3. 平衡的黑体热辐射：辐射过程中始终保持温度T不变
例如高温炉
1.3.1 黑体热辐射
4. 辐射能量密度公式
➢单色辐射能量密度ν ：辐射场中单位体积内，频率
l
➢自旋量子数（即自旋方向量子数）ms= ±1/2，代表 电子自旋方向的取向，也代表电子自旋角动量在某一
特殊方向的分量
n 1
n2
n3
s
s
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(1-5)
B = B0 cosωt = B0 cos 2πν t
(1-6)
光 其中ω=2πν 为角频率
产
生 两式统一写为：
的 条 件
U = U0 cosωt = U0 cos 2πKν t K
(1-7)
其中，U为场矢量大小，代表 E或B 的大小，U0为
高场福矢斌量的振幅。
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第
章1
② 简谐波方程
G P
=
hν
c
G n0
=
h
λ0
G n0
=
h
2π
2π λ0
G n0
=
h
2π
G k
(1-18)
生 的 条
k —— 平面波的波矢，它表示2π长度内含有的 “完整”波的数目
件
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第
章1
辐辐 射 理
② 一定种类的光子的质量可表达为
m=
ε c2
=
hv c2
考虑相对论要求
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第1章 辐射理论概要与激光产 生的条件
1.1 光的波粒二象性 1.2 原子的能级和辐射跃迁 1.3 光的受激辐射 1.4 光谱线增宽 1.5 激光形成的条件
高福斌
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第
1章 1.1 光的波粒二象性
辐 一. 光的发展简史
射
理
1. 牛顿和惠更斯与光的理论学说
论
概
2. 麦克斯韦建立了光的电磁理论
辐辐 射 理 论
波长相同的，还有比入 射线波长大的波长,随 散射角而异.
概 要 与
Δλ = λ −λ = h (1−cos φ)
0 m0c
激 (2) 当散射角确定时，波长的增加量与散射物质的
光
性质无关。
产
生 的
(3) 康普顿散射的强度与散射物质有关。原子量小 的散射物质，康普顿散射较强，原波长的谱线
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第
章1 爱因斯坦光电效应方程：
辐辐 射
hν
=
1 2
mv02
+W
理
当光子照到金属表面时，一个光子的能量一
论 次为金属中的电子全部吸收，而不需积累能量的
概 要 与
时间。电子把这个光子的能量的一部分用来克服 金属表面对它的吸引力而做功W，余下的就成为
激 电子离开金属表面后的动能。
光
产
生
的
条
件
与 激
间频率为1/λ .
光
简谐波是具有单一频率ν 的单色波，但通
产
常原子发光的时间约为10－8s，形成的波列长
生 的 条
度约等于3m，由于它的波列长度有限，即必 然有一定的频率宽度。
件
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第
章1
辐辐 射 理 论 概
③ 简谐波波矢——空间角频率
波矢
其中
G n0
G k
=
2π λ
G n0
为光线传播方向单位矢量。
Circular aperture
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第
章1 3. 爱因斯坦的波粒二象性
辐辐 射 理 论
电磁波理论虽然使光的波动 说一度占领了光学领域，但19世 纪末，实践中遇到的光与物质相
概 互作用的许多现象却无法解释，
要如
与 激
黑体辐射
光 产
光的吸收与发射
生 的
光电效应
条 件
光化学反应，等。
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产 生
释光的发射、折射、干涉、衍射、偏振、双折射
的 等与光的传播特性有关的一系列重要现象。
条
件
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第
章1
光的波动性实验：频率ν，波长λ
辐辐
射
b
理
a
论
概
要
与
激
光ght intensity pattern
Diffracted beam
Incident light wave
产 一定的频率宽度。 生
的 条
当△v＜＜v0时，就叫准单色波。
件
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第
章1 简谐波——理想单色平面波 ① 简谐振子模型
辐辐 射
p = p0 cosω0t
电磁波的K传播
理 论 概
设 和真BK 空的中简JK电谐磁振JK波动，方在程t分=别J0K时为初: 位相均为零。则 E
要 与 激
EK = JEK 0 cosωt = JEK 0 cos 2πν t
第
章1
1905年，爱因斯坦发展了普朗克的量子假说，
辐辐 在一种全新的物理意义上提出了光子学说:
射 理 论
光在本质上是由一些具有确定能量和动量的 物质微粒——光量子或光子所组成，而光子的能
概 量和动量的数值，与一定的光的频率或波长相对
要 应，即
与 激
ε = hν
光
p = hν
c
产
爱因斯坦认为：光子既是粒子、同时又是波。
· ·
uΔt 平面波
与
激
光 产
平面波——光波波面是平面的波叫做平面波。
生 特点：波面为彼此平行的平面，并且在无吸收介
的 条
质中传播时，波的振幅保持不变。
件
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第
章1
单色平面波——具有单一频率的平面波。
辐辐
I (v)
射
理
I(v)
I (v0 )
论
I (v0 )
概
2
要 与
0
v0 v
激
光
实际上任何光波都不可能是全单色的，总有
在不同介质中 哪一个不变？
(a)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传
辐辐
播的距离。
射 理
(b)真空光速 c = 2.998×108 m / s ≈ 3×108 m / s
论 概
(c)频率和周期：光矢量每秒钟振动的次数
要
ν =1 T
(1-1)
与 (d)三者的关系
激 光
在真空中 c = λ0ν
(1-2)
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第
章1
(c) z、t 同时变化时，则U 代表一个行波方程， 代表不同时刻空间各点的振动状态。从下式
辐辐
可看出，
射 理 论
U
=
U
0
cos
ω
⎛ ⎜t ⎝
−
z c
⎞ ⎟ ⎠
=
U
0
cos
⎛ ⎜ ⎝
2π t
T
−
2π z ⎞
λ
⎟ ⎠
(1-9)
概
光波具有时间周期性和空间周期性。时间
要
周期为T，空间周期为λ；时间频率为1/T，空
要 与
3. 爱因斯坦的波粒二象性
激 光
二. 光的波粒二象性
产 生
1.1.1 光波——光的波动性
的
1.1.2 光子——光的粒子性
条
件
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第
1章 一. 光的发展简史
辐 1. 牛顿和惠更斯与光的理论学说
射
牛顿在1669年提出光的“微粒说”。
理 论 概
他认为光是从光源发出的一种光微粒流， 具有直线传播的性质。光微粒流有弹性，
—— 任意波矢的平面波均可以存在!
理 论 概 要 与
受边界条件限制空间的电磁波：
G
—— 一系列独立的具有特定波矢 k 的平面单色驻 波。即只允许驻波光模式存在！
激
光
产
生
的
条
件
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第
章1 平面波的复数表示法 光强
辐辐
线偏振的单色平面波的复数表示：
射
欧拉公式：eiα = cosα + i sin α
条
强度较低。反之相反。
件
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第
章1 二. 光的波粒二象性
1.1.1 光波——光的波动性
辐辐 射
对电磁场--用经典电动力学的Maxwell方程组描述
理
论
概
要
与
激
光
产
生
的
条
件
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第
章1 光波——是一种电磁波
辐辐 射
电磁波——电磁场是E和B的振动由近及远传播 的过程
理
K
论
XE
概
G k
要
K u
Z
与 激 光
YG
B
产
生 实验证明：光对人眼或感光仪器等起作用的主
的 要是电矢量，习惯上常把电矢量叫做光矢量,光
条 波是横波. 件
高福斌
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第
章1 1. 线偏振光
辐辐 线偏振光（面偏振光）：光振动只沿某一固定方
射
向的光。
理
论
概
K
符号表示
要 与 激 光
E vK
振动面
产
生
光学中通常只考虑电场矢量，并以E 的方向
(1-12)
产 生
( ) 复振幅 U = U exp −ikz 0
(1-13)
的 条
其中：模量 U0 代表振幅在空间的分布；
件
辐角(-kz)代表位相在空间的分布。
高福斌
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第
章1
光强：光强与光矢量大小的平方成正比 I ∝ U 2
辐辐
平均光强 ：
射 理 论
∫ ∫ I ∝ 1
T
T
2 −T
U