最新激光原理及应用Chapter1ppt教学课件.ppt

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1、第一章辐射理论概要与激光产生的条件辐射理论概论与激光产生的条件辐射理论概论与激光产生的条件§1.1.光的波粒二象性光波是一种电磁波，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图（1-1）电磁波的传播1、线偏振光Ex(1)线偏振光ExyEy(2)自然光z传播方向1.1.1光波辐射理论概论与激光产生的条件§1.1.光的波粒二象性2、光速、频率和波长三者的关系(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。(2)光速(3)频率和周期：光矢量每秒钟振动的次数(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1.1.1光波辐射理论概论与激光产

2、生的条件§1.1.光的波粒二象性3、单色平面波(1)平面波(2)单色平面波：具有单一频率的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）两式统一写为：其中，U为场矢量大小，代表或的大小，U0为场矢量的振幅。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:1.1.1光波辐射理论概论与激光产生的条件§1.1.光的波粒二象性(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

3、振动方程，设光波以速度c向z方向传播图（1-1）电磁波的传播分析：(a)z一定时，则U代表场矢量在该点作时间上的周期振动(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/(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10－8s，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。1.1.1光波辐射理论概论与激光产生的条件§1.1.光的波粒二象性(3)平面波的复数表示法光强

4、线偏振的单色平面波的复数表示：光强：光强与光矢量大小的平方成正比，即或复振幅:模量代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在空间的分布(4)球面波及其复数表示法球面简谐波方程：球面波的复数表示法：1.1.1光波辐射理论概论与激光产生的条件§1.1.光的波粒二象性在真空中一个光子的能量为，动量为，则它们与光波频率，波长之间的关系为：式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J•S。1.1.2光子辐射理论概论与激光产生的条件§1.2.原子的能级和辐射跃迁1.2.1原子能级、简并度1.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，…代表电子运动区域的大小和它的总能量的主

5、要部分辅量子数,代表轨道的形状和轨道角动量，这也同电子的能量有关。对等的电子顺次用s,p,d,f字母表示磁量子数（即轨道方向量子数）m=0，±1，±2，…±代表轨道在空间的可能取向，即轨道角动量在某一特殊方向的分量自旋量子数（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sssPPd例：计算每一个壳层和次壳层（2(2l+1)个）可以容纳的最多电子数：辐射理论概论与激光产生的条件§1.2.原子的能级和辐射跃迁2.电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态电子的能级，依次用E0，E1，E2，…En表示基态：原子处于最低的能级状态激发态：能量高

6、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3.图(1-3)为原子能级示意图E0基态E1E2En激发态例：计算1s和2p态的简并度1.2.1原子能级、简并度辐射理论概论与激光产生的条件§1.2.原子的能级和辐射跃迁1.原子的电子组态符号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---没有全同电子最小能量原理：从低能级向高能级填充---稳定性原理原子的电子组态：将电子的所有状态表示出来，如锂：1s22s12.原子态的标记1.2.2原子状态的标记多电子原子中,J-S,J-J,S-S相互作用,产生轨道

7、变形---耦合;原子的同一电子组态,具有不同的原子状态,具有不同的能量耦合作用,产生一个宏观的效应:总的自旋角动量量子数:S=S1+S2,S1-S2;0,1;共2个总的轨道角动量量子数:L=L1+L2,L1+L2-1,….,L1-L2;共2L2+1个总的角动量量子数:J=L+S,L+S-1,…L-S;共2S+1个辐射理论概论与激光产生的条件§1.2.原子的能级和辐射跃迁一般表示为:2S+1LJ--