第七章光與物質的相互作用光的量子性課程的引入:

一、前面各章主要講授光的傳播，從幾何光學和波動光學探討了物的成像和光的干涉、衍射；除了研究了在各向同性均勻媒質中光的傳播，還研究了光在各向異性媒質中的傳播，主要是光在單軸晶體內的傳播，如雙折射現象，光學偏振器，波晶片等；其有一個共同的特點，即光在媒質內傳播的過程中，不存在能量的損失。1二、除了真空，沒有一種媒質在嚴格意義上對光波是絕對透明的，光通過媒質時，部分光被媒質吸收，另一部分光被散射，余下來的部分按原來的傳播方向繼續前進；另一方面，不同波長的光在媒質中有不同的傳播速度，即媒質對不同波長的光有不同的折射率；一束白光或多色光只要入射角不為零，不同波長的光就會按不同折射角而散開，這就是色散（如以前所講過的三棱鏡的色散）。2三、光的吸收、色散和散射是光在媒質中傳播所發生的普遍現象，它們之間是相互聯系的，研究這類現象，一方面可以了解光與物質的相互作用，有助于對光的本性的進一步了解，也可以得到許多有關物質結構的重要知識，促進應用光學的進一步發展。3

§1光的吸收

1.1吸收的線性規律

1、光的強度隨穿進媒質的深度而減小，這種現象稱為媒質對光的吸收。

2、仔細研究表明，媒質對光的吸收還應區分為真吸收和散射兩種情況，前者是光能真被媒質吸收后轉化為熱能，后者則是光被媒質的不均勻性散射到四面八方，本節講授前一種情況，即真吸收。4

3、吸收的線性規律—布格爾定律或朗伯定律單色平行光束沿X方向通過均勻媒質，光的強度在經過厚度為dx的一層媒質時：I→I－dI(見圖1－1)xo。5實驗表明：在相當廣闊的光強范圍內－dI∝Idx令：－dI=αIdxα與I無關，稱為吸收系數則:dI/I=－αdx→lnI－lnI0=－αl

I=I0e－αl

此稱為布格爾定律或朗伯定律。Note:激光出現以后，光強大得多，α與場強或光強有關——非線光學領域。61.2復數折射率1、透明媒質折射率：n=c/vn為實數沿X軸方向平面電磁波:E=E0exp[－iω(t－x/v)]=E0exp[－iω(t－nx/c)]電磁波不隨距離衰減。2、光在媒質中傳播存在吸收即衰減,應該在波函數和有關描述媒質性能的物理量中反映出來，為此引入復數折射率。～～～7復數折射率：n=n(1+ik)n、k都是實數

E=E0exp[－iω(t－nx/c)]=E0exp{－iω[t－n(1+ik)x/c]}=E0e－nkωx/cexp[－iω(t－nx/c)]光強：I∝E﹡E=∣E0∣2

e－2nkωx/c

其表示光強I隨距離x衰減，故k稱為衰減系數與：I=I0e－αl即I=I0e－αx比較可知:

α=

2nkω/c

=4πnk/λ（ω=2π/T=2πλ/c)由此可見，媒質的吸收可以歸并到一個復數折射率的概念中去：

n的虛部反映了因媒質的吸收而產生的電磁波衰減,而其實部，則反映傳播速度和色散情況的。～～～～～～～

～81.3光的吸收與波長的關系1、普遍吸收：若物質對各種波長λ的吸收程度幾乎相等，即吸收系數α與λ無關。在可見光范圍內，意味著光束通過媒質后只改變強度，不改變顏色。如：空氣、純水、無色玻璃等媒質。2、選擇吸收：若物質對某些波長的光吸收特別強烈。由于可見光進行選擇吸收，會使白光變為彩色光。絕大部分物體呈現顏色，都是其表面或體內對可見光進行選擇吸收的結果。93、普遍情形:

從廣闊的電磁波譜來考慮，普遍吸收是不存在的（選擇吸收是光和物質相互作用的普遍規律），由于選擇吸收，任何光學材料在紫外和紅外端都有一定的透光極限，這一點對于制作分光儀器中的棱鏡，透鏡材料選取顯得非常重要。

10地球大氣層對可見光和波長3000A以上的紫外線是透明的，波長短于3000A的紫外線將被空氣中的臭氧層強烈吸收。對于紅外輻射，大氣層在某些狹窄的波段內是透明的，透明的波段稱為“大氣窗口”。oo111.4吸收光譜1、實驗裝置（見圖1－2）122、實驗得到的規律（1）、物質發射光的光譜有多種－線光譜、帶光譜、連續光譜等。一般而言，原子氣體的光譜是線光譜，而分子氣體、液體和固體的光譜多是帶光譜。（2）、同一物質發射光的光譜和吸收光譜之間存在相當嚴格的一一對應關系。即：某種物質自身發射哪些波長的光，它就強烈地吸收那些波長的光。13（3）、鐵的發射光譜和吸收光譜(a):發射光譜(b):吸收光譜(a)圖中發射光譜的亮線與(b)圖中吸收光譜的暗線一一對應。143、應用（1）探求物質的化學組成成份太陽光譜是典型的暗線吸收光譜，在其連續光譜的背景上呈現有一條條的暗線－夫瑯和費譜線A、B、C、D、…其是太陽大氣進行選擇吸收的結果。由此可知太陽表面包含哪些元素。其表面：氫（體積占80%）、氦（18%）、還有鈉、氧、鐵、鈣等60種元素。1516（2）新元素的發現氦、銫、銣、鉈、銦等元素的發現1868年法國人嚴森在太陽光譜中發現一些不知來源的暗線；英國天文學家洛克厄把這一現象解釋為存在一種未知的元素，并將它取名為helium（氦）。由于原子吸收光譜的靈敏度很高，混合物或化合物中極少量原子含量的變化，會在光譜中反映出吸收系數很大的改變。歷史上就曾靠這種方法發現了銫、銣、鉈、銦、鎵等多種新元素。由此也可以用這種方法來測定物質中某一種元素的含量。（3）光的吸收與色散有密切的關系

此留在色散一節中探討。17§2光的色散2.1正常色散

光在媒質中傳播的速度v或折射率n隨波長而異的現象，稱為色散。當n隨的增加波長λ增大而單調下降，且下降率在短波一端更大，這種色散稱為正常色散。18白光紅紫單棱鏡的色散牛頓用三棱鏡把白光分解為彩色光帶的實驗青法線i1i219牛頓用交叉棱鏡觀測物質色散特性的實驗白光沒有p2加時如果P1與P2的材料的色散特性不一樣彩帶將會彎曲20幾種常見光學材料的色散曲線21正常色散的科稀公式：

n=A+B/λ

2+C/λ4A、B、C是與物質有關的常數，由實驗數據確定。當λ變化范圍不大時，科稀公式可只取前兩項：

n=A+B/λ

2222.2反常色散實驗表明，在強烈吸收的波段，色散曲線的形狀與正常色散曲線大不相同，產生嚴重的扭曲或割斷現象，此稱為反常色散。反常色散是任何物質在吸收線（或吸收帶）附近所共有的現象，本無所謂“正常”和“反常”，只是歷史上曾這樣稱呼而沿用下來的。23伍德用交叉棱鏡法觀察鈉蒸汽的色散實驗鈉蒸汽管，相當于圖2－1中的P2棱鏡24石英晶體在紅外區域中的反常色散特性曲線252.3一種物質的全部色散曲線特性

各種物質的色散曲線各不相同，若考察它們從λ=0到幾百米的廣闊范圍內的全部色散曲線，就會發現它們有些共同的特性：

在相鄰兩個吸收線（帶）之間n單調下降，每次經過一個吸收線（帶），n急劇加大;總的趨勢是曲線隨的λ增加而抬高，即各正常色散區所滿足的科希公式中常數A加大。λ→0時，任何物質的折射率n都等于1，對于極短波（γ射線和硬X射線）n略小于1，它表明這時從真空射向其外表面的電磁波可以發生全反射。（見下圖）26一種物質的全部色散曲線272.4相速與群速1.問題的引出根據光的微粒說：sini1/sini2=v2/v1根據光的波動說：sini1/sini2=v1/

v2=n2/n1=n12傅科實驗測得空氣、水中光速之比近于4：3，與空氣到水的折射率相符，論證了波動說的正確。邁克耳孫測空氣→CS2中光速比為1.758，相對折射率為1.64，相差甚遠，這絕非實驗誤差所致。是什么原因導致這種差異？282.相速、波包、群速（1）相速

對于各向同性媒質，波面的（等位相面）傳播速度，即稱不相速。（2）波包在色散媒質中只有理想的單色波具有單一的相速，然而理想的單色波是不存在的，因為波列不會無限長。一列有限長的波相當于許多單色波列的迭加。一群單色波組成的波列叫做波包。29（3）群速當波包通過有色散的媒質時，它的各個單色分量將以不同的相速前進，整個波包在向前傳播的同時，形狀也隨之改變。波包中振幅最大的地方叫做它的中心，波包中心前進的速度稱為群速。30（4）群速的表達式：3132其中：高頻波包的傳播速度為ω0/k0

，其相當于“波包”的相速vp，低頻波包的傳播速度為△ω0

/△k，其即為波包的群速vg即:vg=d

ω/dk三、群速與相速之間的關系ω=kvpω/k=(2π/T)(2π/λ)=λ/T=vp

vg=d

ω/dk=vp+kdvp

/dk=vp－

λdvp

/dλ

——瑞利群速公式33dvp/dλ＞0vg＜vp（群速小于相速）dvp/dλ＜0vg＞

vp（群速大于相速）dvp/dλ=0vg=

vp（群速與相速沒有區別）傅科和邁克耳孫實驗矛盾的解釋：惠更斯原理用折射率法測出媒質中的光速是相速，大多數其它方法測出的都是光的信號速度即群速，折射率等于相速之比，他們所測的都是空氣和媒質中光的群速之比，由于水的色散率不大，群速與相速的差別不明顯，CS2的色散率較大，測量的結果就發生了較大的分歧。34小結

本次課探討了光的吸收、色散和群速。

1、吸收是光與物質相互作用的形式之一。吸收分為選擇吸收和普遍吸收。從廣闊的電磁波頻率范圍來看，選擇吸收是普遍情形。媒質的吸收光譜和其發射光譜是嚴格一一對應的，由此可以用來探討物質的構成和某種元素的含量。由于吸收，光在媒質中傳播，強度要減弱，可以通過定義一個復數折射率，用其虛部來反映強度衰減的快慢。352、色散是由于各種不同波長的光波在同一種媒質中的傳播速度不同導致折射率不同而引起的。通過色散可以分離光譜，制作分光儀，測定媒質的折射率。色散分為正常色散和反常色散，在媒質的吸收帶附近其折射率有突變，但在某一段范圍內其折射率還是隨波長的增大而單調下降，其通過科稀公式來具體描述。363、群速的提出是對光的波動理論的進一步深化，指出了光波在傳播過程中存在相速和群速兩種不同的傳播速度。群速與相速不同，但存在相互聯系，其體現在瑞利群速公式中。作業：P3777-1P3787-337

§6激光

激光：Laser(lightamplificationbystimulatedemissionofradiation),輻射的受激發射光放大。主要內容：2）激光的特點；1）激光的產生；

自從美國人梅曼制造出第一臺激光器以后，到今天人們對激光并不陌生，如激光開刀，可自動止血；全息激光照片可以假亂真；還有激光照排、激光美容等….。激光在軍事上也有廣泛的應用。引言：38一、激光的產生原理1、普通光源發光-受激吸收和自發輻射

1）受激吸收（簡稱“吸收”）處在低能級E1的原子受到等于E2-E1的外來能量時，吸收這一能量躍遷到高能級的過程。E2E1h392)自發幅射E2E1E3L1處在高能級（E2）的原子，即使沒有任何外界的激勵，總是自發地躍遷到低能級（E1），并且發射一個頻率為，能量h=E2-E1的光子的過程。自發幅射的光是非相干光40(2)亞穩態能級：不滿足選擇規則的能級(壽命：）2、受激發射和光的放大

(1)自發輻射的選擇規則：電子從高能態向低能態的躍遷只能發生在角動量量子數相差的兩個狀態之間

(3)受激幅射：（1917年愛因斯坦提出）處在高能級上（E2）的原子，受到能量恰為h=E2-E1的外來光子的激勵（或誘發，或剌激）從而躍遷到低能級E1，并發射一個與外來光子“一模一樣”的光子的過程。41E2E1外來光子受激幅射光子與外來光子頻率相同、相位相同、偏振方向和傳播方向相同。特點：受激幅射中，光子成倍增長，產生了光放大。受激幅射產生的光子與入射光子是完全相干的；42(4)激光的產生過程粒子數反轉狀態E1E2E3E4E1E2能量且粒子數正常分布是：激光是受激幅射的光，但實際中還存在自發幅射和吸收，為了有效地產生激光，要改變這種分布，形成粒子數反轉的狀態。433、粒子數反轉：產生激光的必要條件

粒子數反轉狀態E1E2怎樣才能實現粒子數反轉呢？1）提供足夠的能量；2）原子在激發態多“呆”一會；3）減小損失，不斷放大。二、

激光簡史和我國的激光技術1917年，愛因斯坦提出受激輻射441961年8月，我國第一臺紅寶石激光器在長春光機所研制成功1964年，湯斯、巴索夫和普羅霍羅夫分享諾貝爾物理學獎1987年6月，大功率脈沖激光系統-神光裝置，在上海光（學精密）機（械研究）所研制成功

1959年，湯斯提出制造紅寶石激光器的建議1958年，湯斯和肖洛發表《紅外與光學激射器》，巴索夫和普羅霍羅夫發表《實現三能級粒子數反轉和半導體激光器建議》1960年，加州休斯實驗室的梅曼制成了第一臺紅寶石激光器45三、激光器的結構

1、工作介質：產生激光的原子系統或可以實現粒子數反轉的氣體、液體或固體

所謂能級合適是指存在“亞穩態能級”，即存在激發態壽命=10-3秒左右的能級（一般原子系統的激發態壽命只有10-8秒）E1E2E3激發能量亞穩態能級46產生激光的能級系統（例）（1）

三能系統（2）四能級系統

三能級系統四能級系統紅寶石激光器銣玻璃激光器472、激勵源(泵浦或抽運)：用來實現和維持粒子數反轉。有電激勵，光激勵，熱激勵，化學激勵等

激勵--從外界吸收能量，使原子系統的原子不斷從低能態躍遷到高能態能級以實現粒子數反轉的過程（又稱“激發”、“抽運”或“泵浦”）。

1）光泵抽運如紅寶石激光器粒子數反轉狀態E1E2E1E2482）電子碰撞----------如氬離子激光器電子3）化學反應如氟化氘激光器等。4）共振轉移如He--Ne激光器。--NeHe--NeHe--49要有一個能使受激幅射和光放大過程持續的構造：全反射鏡半反射鏡實物圖原理圖激光工作物質

3、光學諧振腔50激光工作物質全反射鏡半反射鏡工作原理：out光放大原理51

四、激光器的種類1、固體激光器：器件小、堅固、使用方便、輸出功率大2、氣體激光器：結構簡單、造價低，操作方便，介質均勻光束質量好且能長時間穩定工作He-Ne激光器簡介：最早(1961)制成且應用最廣泛。激光波長為632.8納米(氖原子發出)，采用電激勵。高壓電源使氣體放電，氦激發，能量傳遞給氖，四能級系統4、半導體激光器：體積、質量小，壽命長，結構簡單而堅固

3、

液體激光器：輸出波長連續可調，覆蓋面寬52激光器分類表氣體類型增益介質波長峰值功率脈沖長度He---NeAr633nm488nm1mw10mw連續波連續波CO2200w10.6m連續波10.6m5Mw20ns半導體GaAs840nm10mw連續波固體染料化學準分子紅寶石(QS)694nm100Mw10nsNd:YAG(QS)1.06m50Mw20ns1.06mNd:YAG50w連續波Nd:玻璃Rh6G（ML）10Tw1.06m11pw10Kw600nm30fsHF50Mw3m50nsArF10