1、第一章第一章 輻射理論基礎概要輻射理論基礎概要 與激光產(chǎn)生與激光產(chǎn)生 的條件的條件實驗中采用大功率實驗中采用大功率(1014KW)釹玻璃激光器釹玻璃激光器核聚變實驗的六路真空靶室核聚變實驗的六路真空靶室11 11 光的波粒二象性光的波粒二象性一一. . 光的發(fā)展簡史光的發(fā)展簡史1. 1. 牛頓和惠更斯與光的理論學說牛頓和惠更斯與光的理論學說 牛頓在牛頓在16691669年提出光的年提出光的“微粒說微粒說”.”.他認為光是從光他認為光是從光源發(fā)源發(fā) 出的一種光微粒流出的一種光微粒流, ,具有直線傳播的性質(zhì)具有直線傳播的性質(zhì). .光微粒流有光微粒流有彈性彈性, ,并且能被某些物質(zhì)吸收并且能被某些物

2、質(zhì)吸收. .光微粒流遇到物質(zhì)時光微粒流遇到物質(zhì)時, ,如果不如果不被吸收被吸收, ,就會被彈回來就會被彈回來. . 惠更斯在惠更斯在16781678年提出光的年提出光的“波動說波動說”.”.他認為光從一他認為光從一處傳播到另一處處傳播到另一處, ,是和水波類似的波是和水波類似的波. . 這兩學說在相互爭論中發(fā)展這兩學說在相互爭論中發(fā)展, ,一直持續(xù)了一直持續(xù)了200200多年多年, ,牛牛頓的微粒說能圓滿地解釋光的直線傳播、反射等現(xiàn)象頓的微粒說能圓滿地解釋光的直線傳播、反射等現(xiàn)象, ,因因而在很長一個時期內(nèi)占統(tǒng)治地位而在很長一個時期內(nèi)占統(tǒng)治地位. .但后來人們又在實驗中但后來人們又在實驗中發(fā)現(xiàn)

3、發(fā)現(xiàn), ,微粒說不能解釋光的干涉、衍射等現(xiàn)象微粒說不能解釋光的干涉、衍射等現(xiàn)象. .這就促使科這就促使科學家們?nèi)ヌ剿餍碌拇鸢笇W家們?nèi)ヌ剿餍碌拇鸢? . 2. 2. 麥克斯韋建立了光的電磁理論麥克斯韋建立了光的電磁理論 19 19世紀初世紀初, ,電的發(fā)明和應用電的發(fā)明和應用, ,將人類帶進了電器時代。將人類帶進了電器時代。18631863年英國物理學家麥克斯韋，以庫侖、安培、法拉第在年英國物理學家麥克斯韋，以庫侖、安培、法拉第在電學上的發(fā)現(xiàn)為基礎作了進一步發(fā)展，創(chuàng)立了電磁波理論。電學上的發(fā)現(xiàn)為基礎作了進一步發(fā)展，創(chuàng)立了電磁波理論。其要點是：變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，其要點是：變化

4、的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，二者交替產(chǎn)生由近及遠的傳播，既電磁波。并建立了著名二者交替產(chǎn)生由近及遠的傳播，既電磁波。并建立了著名的麥克斯韋方程。的麥克斯韋方程。18871887年赫茲用實驗的方法產(chǎn)生了電磁波，年赫茲用實驗的方法產(chǎn)生了電磁波，證實了麥克斯韋的電磁波理論。證實了麥克斯韋的電磁波理論。19011901年俄國物理學家列別年俄國物理學家列別捷夫用實驗測定了光壓，結(jié)果與電磁理論十分相互，從而捷夫用實驗測定了光壓，結(jié)果與電磁理論十分相互，從而進一步鞏固了光的電磁理論，麥克斯韋電磁波的傳播速度進一步鞏固了光的電磁理論，麥克斯韋電磁波的傳播速度上有限的上有限的 ，其速度在真空中為每秒，其

5、速度在真空中為每秒3030萬公里，與光速一萬公里，與光速一樣，從而確認了光波也是電磁波。樣，從而確認了光波也是電磁波。 應用光的電磁波理論應用光的電磁波理論, ,基本上能比較完滿地解釋光的基本上能比較完滿地解釋光的發(fā)射、折射、干涉、衍射、偏振、雙折射等與光的傳播性發(fā)射、折射、干涉、衍射、偏振、雙折射等與光的傳播性有關(guān)的一系列重要現(xiàn)象。有關(guān)的一系列重要現(xiàn)象。3. 3. 愛因斯坦站在了巨人肩膀上愛因斯坦站在了巨人肩膀上 電磁波理論雖然使光的波動說一度占領了光學領電磁波理論雖然使光的波動說一度占領了光學領域，但域，但1919世紀末，實踐中遇到的光與物質(zhì)相互作用的許世紀末，實踐中遇到的光與物質(zhì)相互作用

6、的許多多 現(xiàn)象卻無法解釋，如黑體輻射、光的吸收與發(fā)射、現(xiàn)象卻無法解釋，如黑體輻射、光的吸收與發(fā)射、光電效應、光化學反應等。光電效應、光化學反應等。19051905年，愛因斯坦發(fā)展了普年，愛因斯坦發(fā)展了普朗克的量子假說，在一種全新的物理意義上提出了光子朗克的量子假說，在一種全新的物理意義上提出了光子學說。學說。 光在本質(zhì)上是由一些具有確定能量和動量的物質(zhì)微光在本質(zhì)上是由一些具有確定能量和動量的物質(zhì)微粒粒光量子或光子所組成，而光子的能量和動量的數(shù)光量子或光子所組成，而光子的能量和動量的數(shù)值，與一定的光的頻率或波長相對應，即值，與一定的光的頻率或波長相對應，即 hEchp 愛因斯坦認為光子既是粒子、

7、同時又是波。光在愛因斯坦認為光子既是粒子、同時又是波。光在與物質(zhì)相互作用時粒子性明顯，光在傳播中則波動性突與物質(zhì)相互作用時粒子性明顯，光在傳播中則波動性突出。光的這種粒子性和波動性相互對立又并存的性質(zhì)，出。光的這種粒子性和波動性相互對立又并存的性質(zhì)，叫做光的叫做光的“波粒二象性波粒二象性”。二二. . 光的波粒二象性光的波粒二象性1、光波、光波波長為波長為4000埃埃7600埃的電磁波埃的電磁波電磁波電磁波-電磁場是電磁場是E E和和B B的振動由近及遠傳播的過程的振動由近及遠傳播的過程uZXYEB電矢量叫做光矢量電矢量叫做光矢量,光波是橫波光波是橫波.對電磁場對電磁場-用經(jīng)典電動力學的用經(jīng)典

8、電動力學的MaxwellMaxwell方程組描述方程組描述（1） 線偏振光 偏振光線偏振光）偏振光線偏振光）符號表示符號表示光振動只沿某一固定方向的光光振動只沿某一固定方向的光 .振動面振動面vE(2)(2)自然光自然光z傳播方向（3） 光速、頻率和波長三者的關(guān)系(a)(a)波長波長: :振動狀態(tài)在經(jīng)歷一個周期的時間內(nèi)向前傳播的距離。振動狀態(tài)在經(jīng)歷一個周期的時間內(nèi)向前傳播的距離。(b)(b)光速光速(c)(c)頻率和周期：光矢量每秒鐘振動的次數(shù)頻率和周期：光矢量每秒鐘振動的次數(shù)(d)(d)三者的關(guān)系三者的關(guān)系882.998 10/3 10/cm sm s T1在真空中 0c)(0c 各種介質(zhì)中

9、傳播時，保持其原有頻率不變，而速度各不相同 （4） 單色平面波 波面相位相同的空間各點構(gòu)成的面平波面波面是彼此平行的平面,且在無吸收介質(zhì)中傳播時,波的振幅保持不變。BEpZXYr單色平波面具有單一頻率的平面波。v I(v) 0 v0 實際上任何光波都不可能是全單色的，總有一定的頻率寬度。當vv0時，就叫準單色波。 )(vI)(0vI2)(0vIBEpZXYr簡諧波理想單色平面波tpp00cos.簡諧振子模型vtEtEE2cos cos00vtBtBB2cos cos00 兩式統(tǒng)一寫成vtUtUU2cos cos00.簡諧波方程)(cos) (cos00cztUtUU)22cos()(cos00

10、zTtUcztUU光波具有時間周期性和空間周期性 電磁波的傳播.簡諧波波矢空間角頻率0n2k波矢k是一個矢量，方向沿著光線傳播的方向。.光波模光波模以某一波矢以某一波矢 為標記的駐波為標記的駐波0n2k在激光理論中，光波模是一個很重要的概念。麥氏方程的解麥氏方程的解特解：單色平面波。特解：單色平面波。通解：一系列單色平面波的疊加。通解：一系列單色平面波的疊加。自由空間中的電磁波自由空間中的電磁波:任意波矢的平面波均可以存在任意波矢的平面波均可以存在! 受邊界條件限制空間的電磁波：一系列獨立的受邊界條件限制空間的電磁波：一系列獨立的具有特定波矢具有特定波矢 的平面單色駐波。即只允許駐波的平面單色

11、駐波。即只允許駐波光模式存在！光模式存在！k一種模式是電磁波運動的一種類型，不同模式以不同的k 區(qū)分。2、 光子引言：愛因斯坦斷言：光是由光子組成引言：愛因斯坦斷言：光是由光子組成（一）.光子的基本性質(zhì) 一定種類的光子的能量,與一定的光的頻率相對應= h v v 光的頻率 h 普朗克常數(shù) .一定種類的光子的質(zhì)量可表達為22chvcm考慮相對論要求201cmmm0 光子的靜止質(zhì)量 光子的速度對于光子 m0 = 0 =c.一定種類的光子具有動量P,與一定的光的頻率和傳播方向相聯(lián)系kP00nnchvmcn0 光子 行進方向上的單位矢量2h02nkk 平面波的波矢，它表示平面波的波矢，它表示2長度內(nèi)含有的長度內(nèi)含有的“完好完