激光产生的基本原理.pptx
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1、1.1 光是什么?光是什么?光学现象:光沿直线传播、反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象。光的特性:波动性、粒子性观点:光是发光体发射出的微 小粒子,所以光是沿着 直线行进的。公元前5世纪17世纪末,18世纪初。光的微粒说1642-1772Sir Isaac Newton光的机械波动说观点:光是一种在“以太”的弹性介质中传播的机械波。解释:光的直线传播、反射、折射、干涉、衍射、偏振现象。17世纪末19世纪上半叶1629-1695 光的电磁说 观点:光波就是电磁波。根据:1888年赫兹用实验证实了电磁波的存在。解释:光的反射、折射、干涉、衍射、偏振、色散双折射等现象1865年麦克斯韦建立了光的电磁
2、理论。光的波动本性可由麦克斯韦方程组完美描述18311879(James Clerk Maxwel)英国物理学家-c c(光速)(光速)(波长)(波长)*(频率)(频率)可见光频率可见光频率4.3*104.3*101515HZHZ(红光(红光)7.5*10)7.5*101515HZHZ 光能光能E=E=h h 波的能量与频率成正比波的能量与频率成正比无线电波可见光波长 400nm-760nm光谱图中最短的射线波长 0.1nm最长的无线电波波长 cm-m1905年爱因斯坦提出光子理论和光的波粒二象性。将光解释成一种能量的集合 光子 =h。波粒二象性是一切基本粒子所共有的属性。Albert Ein
3、stein1879-1955*光除了具有波动性外,还具有粒子性。1900年普朗克提出能量量子化假设,产生了能量量子化概念.Max Planck1858-19471.2 对光的描述?(1)振动振动:一个物理量在其平衡位置(或平均 值)附近作周期变化。简谐振动:振动的物理量随时间t 的变化具 有周期性,且在每个周期中都按 正弦或余弦函数规律变化。1.2-1光是光波振动方程式:振动方程式:A-振幅;振幅;-时间周期;时间周期;-时间频率时间频率 -时间圆频率时间圆频率,表示在表示在2 时间内的振动次数时间内的振动次数(t+o)-简谐振动的位相。简谐振动的位相。、和和 间的关系:间的关系:振动方程式:
4、振动方程式:o -是是 t=0时刻的位相值时刻的位相值,称为初位相称为初位相(2)(2)波波动动波场:波动中被传播的是一个分布在某波场:波动中被传播的是一个分布在某 空间范围、随时间变化的物理量空间范围、随时间变化的物理量 E=(t,r),所以一个波动过程也称所以一个波动过程也称 为一个波场。为一个波场。波函数波函数:描述波动过程的函数。是描述波动过程的函数。是r 和和 t 的函数。的函数。波动:振动在空间的传播。波动:振动在空间的传播。(3)一维平面一维平面简谐波的波函数简谐波的波函数其中其中:,v ,-波长波长.波动的基本特点:具有时空周期性。波动的基本特点:具有时空周期性。t 增加到增加
5、到 nT 时,振动重复原来的状态时,振动重复原来的状态Z1和和 Z1+n 的两点具有相同的振动态的两点具有相同的振动态时间周期性和空间周期性通过时间周期性和空间周期性通过V联系在一起联系在一起比较比较时间圆频率时间圆频率-长度内的周期数长度内的周期数空间圆频率空间圆频率-长度内的波长数长度内的波长数=V T真空中介质中波波 矢矢 、是是对对沿沿传传播播方方向向而而言言的的空空间间周周期期和空间圆频率。和空间圆频率。波动除考虑振动方向外,还要考虑波动除考虑振动方向外,还要考虑波的传播方向。波的传播方向。(4)球面简谐波球面简谐波a:波源强度即单位距离处的振幅。:波源强度即单位距离处的振幅。a/r
6、:距球心:距球心r处处P点的振幅。点的振幅。-kr:距球心:距球心r处处P点的位相,点的位相,P点的点的 位相比球心位相比球心O处落后处落后kr。(5)高斯光束高斯光束 定义光程:l=n l 均匀介质中:光程表示光在该介质中走过的 几何路程l与介质折射率n的乘积。因为 n=c/v,于是得 l/c=l/v可见:光程表示光在介质中通过真实路径 l 所 需的时间内,在真空中所能传播的路程(6)光程与位相)光程与位相光波位相由光程决定光波位相由光程决定 光程与位相的关系光程与位相的关系光程与位相光程与位相1.2-2 光强 实验证明,许多检测光的元件如光电池、光电实验证明,许多检测光的元件如光电池、光电
7、倍增管、感光胶片,以及光化学作用光合作倍增管、感光胶片,以及光化学作用光合作用、眼睛的视觉等,它们对光的响应主要是由用、眼睛的视觉等,它们对光的响应主要是由电磁波中的电场所致。电磁波中的电场所致。光与物质相互作用时,以电场强度矢量为光与物质相互作用时,以电场强度矢量为主,用主,用E E表示光场,电矢量表示光场,电矢量E E叫做光矢量。叫做光矢量。(1)光矢量)光矢量只有遇到磁性特别强的材料(如铁磁体)时才只有遇到磁性特别强的材料(如铁磁体)时才需讨论磁矢量需讨论磁矢量H与物质的相互作用。与物质的相互作用。(2)光强)光强波动的传播总伴随能量的传播波动的传播总伴随能量的传播,电磁波的电磁波的能量
8、传递用能流密度矢量(坡印廷矢量)能量传递用能流密度矢量(坡印廷矢量)S表示。表示。单位时间内通过垂直于能流方向的单位时间内通过垂直于能流方向的单位面积的能量。单位面积的能量。能流密度的大小:能流密度的大小:能流密度能流密度因为因为而且而且则则E E=Acos Acos(t-kr t-kr)光频率极高光频率极高101014 14 HZHZ量级量级,现有仪器无法现有仪器无法 测量瞬时值。测量瞬时值。测得的测得的“光波强度光波强度”是在观察仪器的响是在观察仪器的响 应时间应时间 内的内的 平均能流密度平均能流密度 (瞬时值瞬时值)对单色平面波对单色平面波平均能流密度(辐射通量密度)平均能流密度(辐射
9、通量密度)S SS S 坡印廷矢量的时间平均值大小坡印廷矢量的时间平均值大小 光强:光的能流密度对时间的平均值。光强:光的能流密度对时间的平均值。I I=又因又因因因即即所以所以因因在同一种介质中在同一种介质中 I A2求相对光强大小时求相对光强大小时 I =A2辐射出射度:辐射出射度:能量从一个表面发出时的能量从一个表面发出时的 通量密度(辐出度)。通量密度(辐出度)。辐照度:辐照度:能量入射到某个表面时的通量能量入射到某个表面时的通量 密度。习惯称为光强。密度。习惯称为光强。(1)偏振现象与光的横波性)偏振现象与光的横波性a偏振现象偏振现象b光波是横波光波是横波 1.21.23 3光光波的
10、偏振波的偏振态态P1 P2 P1 在垂直于光线传播方向的二维平面上,在垂直于光线传播方向的二维平面上,光矢量的振动状态。光矢量的振动状态。光波的偏振态光波的偏振态完全偏振光完全偏振光 :线偏振,圆偏振和椭圆偏振:线偏振,圆偏振和椭圆偏振非偏振光:自然光非偏振光:自然光部分偏振光:偏振光与自然光的混合。部分偏振光:偏振光与自然光的混合。设:光沿设:光沿 z z 轴传播轴传播,研究研究xyxy平面内光矢量平面内光矢量的变化规律的变化规律(2)(2)光波的偏振态光波的偏振态a.线偏振光线偏振光线偏振光:对确定的传播方向,光波只有单一线偏振光:对确定的传播方向,光波只有单一 的振动方向。的振动方向。在
11、垂直光线的平面上,光矢矢端轨迹为直线在垂直光线的平面上,光矢矢端轨迹为直线 称为线偏振光。称为线偏振光。光矢量都在一个振动面内光矢量都在一个振动面内又称平面偏振光又称平面偏振光光矢量振动方向始终不变振幅大小可改变。光矢量振动方向始终不变振幅大小可改变。沿沿Z Z轴方向传播的单色平面线偏振光的轴方向传播的单色平面线偏振光的波函数波函数振动面:振动面:矢量与矢量与 矢量构成的平面。矢量构成的平面。ExExyEyb圆偏振光圆偏振光圆偏振光:光波的光矢量大小恒定,方向圆偏振光:光波的光矢量大小恒定,方向 以以 匀速旋转,光矢量末端的匀速旋转,光矢量末端的 轨迹为一圆。轨迹为一圆。迎着光的传播方向看:迎
12、着光的传播方向看:右旋圆偏振光:光矢量顺时针方向旋转右旋圆偏振光:光矢量顺时针方向旋转 左旋圆偏振光:光矢量逆时针方向旋转左旋圆偏振光:光矢量逆时针方向旋转 沿沿Z方向传播的圆偏振光可以看成是:在方向传播的圆偏振光可以看成是:在X,Y方向振动的,两个同频率,同振幅位相方向振动的,两个同频率,同振幅位相差为差为的两个线偏振光的合成。的两个线偏振光的合成。c.c.椭圆偏振光椭圆偏振光 迎着光线的传播方向看:迎着光线的传播方向看:右旋右旋椭椭圆偏振光:光矢量顺时针方向旋转圆偏振光:光矢量顺时针方向旋转 左旋左旋椭椭圆偏振光:光矢量逆时针方向旋转圆偏振光:光矢量逆时针方向旋转椭圆偏振光:椭圆偏振光:旋
13、转旋转光矢量光矢量E,方向以角速度,方向以角速度做匀做匀速旋转,同时它的瞬时值速旋转,同时它的瞬时值 大小也做有规大小也做有规律的变化,其量端轨迹为一椭圆。律的变化,其量端轨迹为一椭圆。d.d.自然光自然光自然光:自然光:普通光源发出的光是完全非偏振光。普通光源发出的光是完全非偏振光。普通光源发光的特点普通光源发光的特点:振动方向、位相的随机性。振动方向、位相的随机性。光矢振动方向、大小相对于光矢振动方向、大小相对于 形成轴对称分布形成轴对称分布 自然光不显示偏振特性。自然光不显示偏振特性。z传播方向自然光的描述自然光的描述自然光可看成:振动方向垂直,振幅相等,自然光可看成:振动方向垂直,振幅
14、相等,位相完全无关的两线偏振光的合成。位相完全无关的两线偏振光的合成。YXe.e.部分偏振光部分偏振光部分偏振光:光的振动各个方向都有,但不同部分偏振光:光的振动各个方向都有,但不同 方向振动的振幅大小不同。方向振动的振幅大小不同。部分偏振光可看成部分偏振光可看成 偏振光与自然光的混合偏振光与自然光的混合 一般图示一般图示 实际的光,无论是人造的还是自然的,都实际的光,无论是人造的还是自然的,都是不同程度的部分偏振光。是不同程度的部分偏振光。1.2-4 光是光子光子和其他基本粒子一样,具有能量、动量和质量。其粒子属性和波动属性有密切联系光子的动量:=/光子的能量:=光子的运动质量:m=/c2光
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