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激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载

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书名:激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载

推荐语:

作者:陈家璧,彭润玲等编

出版社:电子工业出版社

出版时间:2013-01-01

书籍编号:30467182

ISBN:9787121191886

正文语种:中文

字数:233546

版次:3

所属分类:科学新知-工业技术

全书内容:

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1960年发明激光到现在已经有近50年了。这期间激光的理论与应用研究有了极大的发展,而且对人类社会产生了深刻的影响。作为光的受激辐射,激光是一种极好的光源,它首先在测量领域得到了广泛的应用。物理学中最基本的量值——米,改为激光在真空中的波长来定义,使有效数字提高到九位。激光用来测长、测距、测速、测角、测量各种可以转换为光的物理量,发展出一个专门的学科——激光测量学,还使光学测量方法走出实验室成为工程测量的常规手段。激光用于加工,始于激光打孔,很快就推广到切割、焊接、热处理、表面改性与强化,乃至激光快速成型、激光清洗和激光微加工,已经成为高科技产业不可缺少的加工方法。激光医学近30年来的发展和推广,给人类带来了福祉。而激光在信息产业中的大量应用更是信息时代到来的主要原动力之一。可以毫不夸张地说,现代社会的方方面面已经与激光的应用密不可分。


鉴于激光在现代科学技术中的如此重要作用,激光原理和它的各种应用技术已成为各行各业的技术人员教必须掌握的一门高新技术。我国的重点高等院校从20世纪70年代开设激光理论与应用的课程,并开办了若干以激光器制造和应用为培养目标的理工科专业。改革开放以来,推广到一般院校,目前国内高等院校不开设激光原理与应用课程的已很难找到。各重点高校编写的涉及激光原理、技术和应用的有关教材,林林总总不下数十种。但是其中多数激光原理的教材涉及过多的物理原理,超越了大学普通物理的内容,教材只针对重点高校的要求,并不适于培养工程应用型人才的一般院校。相对适用的流传较广的清华大学丁俊华先生的《激光原理及应用》是20世纪80年代初的讲稿,因为激光技术的快速发展,需要补充修订。本书编者在多年为普通高校本科生讲授这门课程的基础上,重新编写《激光原理及应用》,就是为满足一般高等院校学生掌握应用激光技术的教学需要。该书的特点在于着重阐明受激辐射的物理概念,以及激光输出特性与激光器的参数之间的关系,以掌握激光器的选择和使用为主要目的。书中激光应用有关章节都由长期从事该领域教学与科研的专家编写,介绍了近年来的新发展,重点讲各种应用的思路和方法;每章都有适当的思考练习题,可以帮助读者加深理解学到的理论并掌握应用方法,是一本很有特色的教材。相信本书的出版对于激光技术的推广与教学会起到很有益的促进作用。


中国工程院院士


清华大学教授

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第3版说明


本书第2版于2008年8月出版,为普通高等教育“十一五”国家级规划教材,经过国内数十所大学4年多的使用,很好地发挥了国家级规划教材的作用。


第3版除了对第2版仍然存在的一些错误和不够准确严谨的地方进行了修改以外,补充和更新的内容主要涉及到两个方面,一是对于量子光通信中的激光源研究的阐述,二是对于激光用于反常多普勒效应的基础物理研究的补充。其中前者是对于目前光通信的热点研究方向上的成果综述,以使我们的教材能够反映最新的技术发展,而后者则是作者把激光用于科学技术前沿问题的一个尝试。这两个补充说明我们与时俱进的教材编写理念,同时也说明了只要很好地掌握教材中所讲述的基本理论与应用方法,稍微灵活一些就可能用来解决前沿的基础科学问题,本科生的学习离科学前沿也并不是那么遥远。


我们衷心感谢使用本教材的广大读者,并热切希望读者们对本书不足给予指正,帮助我们把它修改得更好。


编者

第2版说明


本书自2004年8月出版后,经国内数十所大学4年的使用,受到众多好评,并列入普通高等教育“十一五”国家级规划教材。为了更好地发挥国家级规划教材的作用,我们对全书内容进行了修订和补充。


这次再版所作的修订有近百处,修改了一些错误和论述不够准确和严谨的地方;补充和更新的内容涉及到对于激光光束质量的评价,以及激光在测量、加工、医学及信息技术方面的新应用。其中,激光光束质量评价的M2因子是近年来由国际标准化组织(ISO)推荐,为国际光学界所公认的一种表征激光光束质量的参量,需要予以论述,并作为一个重要的知识点介绍给学生。激光复合焊实际上已经推广,并在逐步取代一般的激光焊接技术,成为在激光加工应用中的一个重要发展方向。激光散斑干涉则是激光在测量技术上应用的一个重要方面,尤其该技术涉及到的分析问题的方法具有典型意义,需要介绍给学生。其他补充内容这里不一一列举说明。


这次再版坚持原书的指导思想,面向培养工程应用型人材的一般院校,以满足一般高等院校学生掌握应用激光技术的教学需要。希望广大读者对本书不足给予指正,支持我们把本书修改得更加适用。


编者

前言


激光是20世纪人类的重大科技发明之一,它对人类的社会生活产生了广泛而深刻的影响。作为高技术的研究成果,它不仅广泛应用于科学技术研究的各个前沿领域,而且已经在人类生产和生活的许多方面得到了大量的应用,与激光相关的产业已在全球形成了超过千亿美元的年产值。由于各行各业都应用激光进行技术改造和新技术的开发研究,除文科外的几乎所有理工农医类的高等院校都开设了激光技术和应用的课程。


激光技术在短短几十年内就推广应用到现代工业、农业、医学、通信、国防和科学技术的各个方面与它本身的特点是分不开的。激光是光的受激辐射,因而它与自发辐射的普通光源不同,具有极好的方向性、极高的光亮度和相干性。普通光源向四面八方辐射,光线分散到4π球面度的立体角内,而激光可以基本沿某一条直线传播,通常发散角限制在10-6球面度量级的立体角内。尽管激光输出的能量有一定的限度,但它能够在比普通光源小得多的立体角内和很短的时间内将能量输出,所以它的亮度比普通光源要高上百万倍,甚至于几十亿倍。在激光发明以前最好的相干光源Kr86理论上相干长度可以达到780mm,而目前用于长度计量的激光干涉仪的普通稳频氦氖激光器频率稳定度为10-9,相干长度就可以达到几十千米。作为长度基准的氦氖激光器的频率稳定度还可以提高3~4个数量级,其相干性是普通光源完全不能比拟的。激光的优越性使它在很多场合替代普通光源,而最新的研究进展表明,激光器的高效率有望在照明领域作为节能光源取代一般电光源。


激光的发展史应当追溯到1917年,爱因斯坦提出光的受激辐射的概念,预见到受激辐射光放大器诞生,也就是激光产生的可能性。20世纪50年代美国科学家汤斯(Townes)及前苏联科学家普罗克霍洛夫(Prokhorov)等人分别独立发明了一种低噪声微波放大器,即一种在微波波段的受激辐射放大器(Microwave amplification by stimulated emission of radiation),并以其英文的第一个字母缩写命名为Maser。1958年美国科学家汤斯(Townes)和肖洛(Schawlow)提出在一定的条件下,可将这种微波受激辐射放大器的原理推广到光波波段,制成受激辐射光放大器(Light amplification by stimulated emission of radiation,缩写为Laser)。1960年7月美国的梅曼(Maiman)宣布制成了第一台红宝石激光器(Ruby Laser)。1961年我国科学家邓锡铭、王之江制成我国第一台红宝石激光器,在1961年11期《科学通报》上发表了相关论文,称其为“光学量子放大器”。其后在我国科学家钱学森的建议下,统一翻译为“激光”或“激光器”。


激光的发光原理是光的受激辐射,使处在激发态的原子受到外来光的激励作用而跃迁到低能级,同时发出一个与外来激励光子完全相同的光子,从而实现光的放大。但是在普通热辐射光源的情况下,受激辐射只占很小的比例,绝大部分的辐射是自发辐射,因此在宏观上并不能够产生光受激放大。欲使受激辐射成为主要的发光过程,需要使发光物质处于激发态的高能级上的粒子多于低能级上的粒子,同时还要使这样的介质中受激辐射占绝对优势。20世纪上半叶的科学技术发展提供了这样的可能。电子技术的发展提供了激励能源,精密加工技术制造出谐振腔,材料科学的研究提供了各种激光工作介质,在近代高科技的发展支持下,各种激光器陆续诞生。


在激光发明以来的40多年间,继红宝石激光器为代表的固体激光器之后,气体激光器、化学激光器、染料激光器、原子激光器、离子激光器、半导体激光器、X射线激光器和光纤激光器相继问世。各种性能的激光器,如稳频激光器、稳功率激光器、保偏激光器、大功率激光器、稳方向激光器及超短脉冲激光器被研制出来,以满足不同的需求。许多领域应用了激光以后发展出各种不同新产品。例如激光干涉仪、激光测距仪、激光医疗设备、激光打孔机、激光打标机、激光热处理设备、激光防伪商标、激光通信系统、光盘存储器,以及激光制导武器,等等。尤其是以半导体激光器作为光源的光通信系统的普及性发展表现出激光的强大生命力。


伴随着激光的广泛应用,激光技术也得到了很快的发展和推广。激光的稳频、选频,激光光束的变换,激光光学系统设计方法,激光的强度调制和相位调制,调Q技术和锁模技术等都逐渐完善和成熟起来。激光原理和它的各种应用技术已成为各行各业的科学技术人员都必须掌握的一门高新技术。本书就是为理工科(包括农林医学)高等院校学生掌握应用激光技术而开设的激光原理及应用课程而编写的。


本书是在大学普通物理学的基础上编写的。书的前半部分(第1~5章)介绍激光原理,从激光的物理学基础出发,着重阐明物理概念,以及激光输出特性与激光器参数之间的关系,尽量避免过多的理论计算,以掌握激光器的选择和使用为主要目的;后半部分(第6~10章)介绍了激光在计量、加工、医学、信息技术,以及现代科技前沿问题中的应用,重点是介绍各种应用的思路和方法。书中每章都配以思考练习题,以期读者通过这些练习能够加深理解学到的理论并掌握应用方法。


作为激光原理及应用课程的必读部分,前5章对学习过高等数学与普通物理学的理工科大学本科学生只需要讲授24学时,后5章可以根据学生的专业不同选择讲授,连同实验可以安排36学时或48学时。


本书是“上海市教育委员会高校重点教材建设项目”的研究成果,是面向21世纪课程教材,由上海理工大学、北京邮电大学、复旦大学、华中科技大学等校教授依据多年的教学和科研经验,并参考国内、外优秀教材编写而成。


为帮助教师使用本教材,编者开发了这本书的电子课件及习题解答,并发布在电子工业出版社的华信教育资源网站上,其网址为http://www.hxedu.com.cn,或直接联系010-88254532索取。


本书第1、2、5章由顾铮激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载编写,第4、10章由陈家璧编写,第3、6章由彭润玲编写,第7章由陈家璧和刘顺洪编写,第8章由张元芳编写,第9章由余重秀编写。全书由陈家璧统稿。中国工程院院士、清华大学金国藩教授审阅了全书并撰写了序。


特别要说明的是本书的许多论述方法取自清华大学丁俊华教授的教材《激光原理及应用》,本书的编者多年使用该教材更是得益匪浅,在此对丁俊华教授表示深切的敬意。在本书的编写过程中还得到华中科技大学刘建华教授的无私帮助。他的很多建议已反映在书中,在此表示衷心的感谢。此外,在本书的编写过程中,北京邮电大学的于志辉博士、陈卓博士、王星硕士、桑新柱博士,上海复旦大学附属华山医院的方杰博士,上海理工大学董祥美等同学帮助收集资料、撰写初稿、录入、修改、绘图,为本书的编写做了许多具体工作,在此一并表示感谢。


编者

第1章 辐射理论概要与激光产生的条件


激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴学科。激光的问世引起了现代光学技术的巨大变革。激光在现代工业、农业、医学、通信、国防、科学研究等各方面的应用迅速扩展。之所以在短期间获得如此大的发展是和它本身的特点分不开的。


激光与普通光源相比较有三个主要特点,即方向性好,相干性好和亮度高,其原因在于激光主要是光的受激辐射,而普通光源主要是光的自发辐射。研究激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激光器内产生并占据主导地位而抑制自发辐射的。本章首先从光的辐射原理讲起,讨论与激光的发明和激光的技术发展有关的物理基础及产生激光的条件。


光的辐射既是一种电磁波又是一种粒子流,激光是在人们认识到光有这两种相互对立而又相互联系的性质后才发明的。因此本章从介绍光的波粒二象性开始研究原子的辐射跃迁。激光的产生又是光与物质的相互作用的结果,对光的平衡热辐射和光与物质的相互作用(光的自发辐射、受激辐射、受激吸收)的研究是发明激光的物理基础。光谱线的宽度,线型函数是影响激光器性能的重要因素,提高激光的单色性是激光技术发展的一个重要方向。阐明上述这些基础后,本章最后讨论激光产生的条件。


1.1 光的波粒二象性


光的一个基本性质就是具有波粒二象性。人类对光的认识经历了牛顿的微粒说,惠更斯菲涅耳的波动说,到爱因斯坦的光子说的发展,最后才认识到波动性和粒子性是光的客观属性,波动性和粒子性总是同时存在的。一方面光是电磁波,具有波动的性质,有一定的频率和波长。另一方面光是光子流,光子是具有一定能量和动量的物质粒子。在—定条件下,可能某一方面的属性比较明显,而当条件改变后,另一方面的属性变得更为明显。例如,光在传播过程中所表现出来的干涉、衍射等现象中其波动性较为明显,这时往往可以把光看作是由一列一列的光波组成的;而当光和实物互相作用时(例如光的吸收、发射、光电效应等),其粒子性较为明显,这时往往又把光看作是由一个一个光子组成的光子流。


1.1.1 光波


光波是一种电磁波,即变化的电场和变化的磁场相互激发,形成变化的电磁场在空间的传播。光波既是电矢量激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载的振动和传播,同时又是磁矢量激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载的振动和传播。在均匀介质中,电矢量激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载的振动方向与磁矢量激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载的振动方向互相垂直,且激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载均垂直于光的传播方向激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载。三者方向上的关系如图1-1所示。

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图1-1 电磁波的传播

实验证明,光对人的眼睛或感光仪器(如照相底板、热电偶)等起作用的主要是电矢量激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载,因此,以后着重讨论电矢量激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载的振动及传播。习惯上常把电矢量叫作光矢量。由图1-1可知,电矢量振动方向和传播方向垂直,因此光波是一种横波。


1.线偏振光


设光波沿z轴方向传播,则光矢量的振动方向必在与z轴垂直的xOy平面内。但是,在xOy平面内,光矢量激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载还可能有不同的振动状态。如果光矢量始终只沿一个固定方向振动,这样的光称为线偏振光(或面偏振光)。普通光源发出的光,包括许多彼此独立的线偏振成分,它们的电矢量振动方向都在xOy平面内,各取不同的方位,这样的光叫作自然光。


根据矢量分解原理,在xOy平面内电矢量激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载的任一振动总可以分解成一个沿x方向的分振动和一个沿y方向的分振动。也就是说,一般的线偏振光总可以分解为沿x和y方向振动的相位相同或相反的两个线偏振光。显然这两种线偏振光的电矢量互相垂直且均垂直于传播方向。


2.光速频率和波长三者的关系


电磁波的波长范围非常宽,按其波长长短顺序,大体可分为无线电波、红外光、可见光、紫外光、X射线及γ射线,具体波长划分见图1-2电磁波谱。图中表明各区域有所交错,可见光的波长范围只占整个电磁波谱的一个极小部分。目前通用激光器中常用电磁波在可见光或接近可见光范围,波长约为0.3~30μm(红外),其相应频率为1015~1013Hz。

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图1-2 电磁波谱

光在真空中传播的速度c是一个重要的物理常数,实验测得的光速值为


c=2.998×108m/s≈3×108m/s


光的频率就是光矢量每秒振动的次数,光振动的周期是完成一次振动所需的时间,频率ν和周期T的关系互为倒数

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光的真空波长指振动状态经历一个周期在真空中向前传播的距离,用字母λ0表示。所以,在真空中光速、频率和波长有如下的关系

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实验证明光在各种介质中传播时,保持其原有频率ν不变;而介质中的光速为

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式中,μ为介质的折射率。即介质中的光速各不相同。


由于各种介质的折射率μ总是大于1,所以v总是小于c。各种气体的折射率比1大得不多,可粗略地把各种气体的折射率当作1看待。由于不同介质的折射率不同,光速不同,所以同频率的光在不同介质中的波长λ也不同。可以证明光在折射率为μ的介质中的波长λ是真空中波长λ0的1/μ。介质中光速、频率和波长则有如下的关系

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3.单色平面波


(1)平面波


在光波场中,光波相位相同的空间各点构成的面叫作波面,也叫作波阵面或等相位面。光波波面是平面的波叫作平面波。例如将一个点光源放置在一个凸透镜的焦点上,则通过透镜后的光波是平面波。离点光源很远处整个波面上的很小一部分也可近似看作平面波。例如太阳发出的光波到达地球表面时,波面的很小一部分可近似看作平面波。


平面波在均匀介质中传播的特点是:波面为彼此平行的平面,且在无吸收介质中传播时,波的振幅保持不变。


(2)单色平面波


具有单一频率的平面波叫作单色平面波。实际上任何光波,包括激光在内,都不可能是完全单色的,总有一定的频率宽度。如果频率宽度Δν比光波本身频率ν小很多,即Δν《ν时,这种波叫准单色波。Δν越小,单色性越好。实际上的单色波都是准单色波。


下面介绍经过科学抽象的理想单色平面波——简谐波,它是最简单、最重要的一种波。由傅里叶分析可知,任何复杂的波都可以分解为一系列不同频率的简谐波,所以讨论它是有实际意义的。


设真空中的电磁波(见图1-1)的电矢量激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载在坐标原点O沿x方向作简谐振动,磁矢量激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载在坐标原点O沿y方向作简谐振动,其频率均为ν,角频率ω=2πν,起始时刻,即t=0时,二者初相位均为零。则激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载的振动方程分别为

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式中,激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载分别为电场矢量和磁场矢量的振幅矢量。由上两式可见,电矢量和磁矢量两者具有相同的频率、相位和相似的简谐振动方程。为简便起见,今后将此二式统一写成标量形式

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U称作场矢量大小,它代表电矢量激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载或磁矢量激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载的大小;U0为场矢量的振幅。设光波以速度c向z方向传播,在z轴上任选一点P(见图1-1),当波源的振动传播到该点时,P点的振动状态比原点O的振动状态落后τ=z/c,因此P点的振动方程为

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由于P点的位置是任意选取的,所以该方程代表了波场中任一点的振动状态,称作简谐波方程,又叫作行波方程,它是时间和空间的二元函数。从上式可知:如果固定空间某点P,则上式代表场矢量在该点作时间上的周期振动。如果固定时间t,则上式代表场矢量在该时刻随位置不同作空间上的周期变化。如果位置、时间都变化,则上式代表一个行波方程,可以给出不同时刻空间各点的振动状态,从而描绘出波的传播图像。行波方程(式(1-8))也可改写成如下的形式

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从上式可以看出,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λ;时间频率为1/T,空间频率为1/λ;时间角频率为ω=2πν=2π/T,空间角频率(或波矢的大小)为k=激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载=2π/λ,波矢激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载是一个矢量,方向沿光线传播方向。


简谐波为具有单一频率ν的单色波。要成为单色波,从物理上讲必须是无限长的波列,也就是说该波列在空间上是无头无尾、无限延伸的。由傅里叶分析可知,有限长的一段波列不可能是单色的,它必然有一定的频带宽度。波列越长,频宽越窄,越接近单色波。通常原子发光时间约为10-8s,形成的波列长度约等于3m。对于波长为0.5μm的绿光来讲,整个波列有6×106个周期的波形。这是一个很大的量,但它仍然是有限波列,有一定的频带宽度。激光由于谐振腔的作用,可使频宽压得很窄,接近于单色光,但仍然有一定的频宽。


(3)平面波的复数表示法、光强


为了运算方便,常把平面波公式(式(1-9))写成复数形式。由数学中的欧拉公式

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式(1-9)可改写为

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式中,Re[]表示取[]中的实数部分。为简略起见,在运算中只要记住最后结果取复数的实数部分,也可以将“Re”省去,直接写成

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上两式就是线偏振单色平面波的复数表示法。注意,ei(ωt-kz)中,虚指数部分表示振动的相位。在很多光学问题中,常将i(ωt-kz)中的时间变量和空间变量分开考虑,成为独立的因子。在讨论单色波场中各点扰动的空间分布时,时间因子eiωt总是相同的,常略去不写,剩下的空间分布因子

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称为复振幅。复振幅激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载由两部分组成,其模U0代表振幅在空间的分布,其辐角(-kz)代表相位在空间的分布。复振幅将两个空间分布合成起来,且和时间变量无关,体现出很大的优越性。


引入复振幅后,相应的行波方程(式(1-8))可改写成

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在光学中,光强是一个重要的物理量。它定义为单位时间内通过垂直于光传播方向单位面积的光波能量,用字母I代表,它的单位是W/m2或W/cm2。光强与光矢量大小的平方成正比,即I∝U2


由于光的频率很高(1014Hz量级),用通常的光探测器测量到的只是光强I的平均值I,即

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即平均光强激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载与相应的光矢量振幅的平方成正比。由于实用中主要考虑光的相对强度,所以上式经常写成:激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载,认为比例系数为1。记住,只要测得平均光强I,就可直接用I代替I,上式可改写成:激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载


(4)球面波及其复数表示法


光波波面为一系列同心球面的波叫作球面波。例如,在均匀介质中点光源发出的光,所形成的波面就是球面。可以证明球面波的振幅随波面半径r的增大成反比地减小。故球面简谐波的方程为

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式中,r为光传播到达的任一点P离波源的距离,U0的值等于离波源单位距离处的振幅大小。


球面波的复数表示法为

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1.1.2 光子


前面已经指出,当光和物质作用时,如果产生原子对光的发射和吸收的话,那么光的粒子性就表现得较为明显。这时往往把光当作一个一个以光速c运动的粒子流看待。光的量子学说(光子说)认为,光子和其他基本粒子一样,具有能量ε和动量激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载,它们与光波的频率ν、真空中波长λ0之间有如下关系

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式中,h=6.63×10 -34J·s,称作普朗克常数。光子的动量激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载是一个矢量,它的方向就是光子运动的方向,即光的传播方向激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载。ε为每一个光子的能量,光的能量就是所有光子能量的总和。当光与物质(原子、分子)交换能量时,光子只能整个地被原子吸收或发射。


式(1-17)和式(1-18)把表征粒子性的能量ε和动量激光原理及应用(第3版)pdf/doc/txt格式电子书下载与表征波动性的频率ν和波长λ0联系起来了,体现了光的波粒二象性的内在联系。光的频率越高,光子的能量就越大。红外光与可见光相比,其频率较低,故它的光子能量就较小。可见光、紫外光、X射线、γ射线的频率依次增高,相应的光子能量也逐渐增大。


上述两个基本关系式后来为康普顿(Compton)散射实验所证实(1923年),并在现代量子电动力学中得到理论解释。量子电动力学从理论上把光的电磁(波动)理论和光子(微粒)理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来,从而在理论上阐明了光的波粒二象性。


1.2 原子的能级和辐射跃迁


1.2.1 原子能级和简并度


物质是由原子、分子或离子组成的,而原子由带正电的原子核及绕核运动的电子组成。核外电子的负电量与原子核所带正电量相等。电子一方面绕核做轨道运动,一方面本身做自旋运动。由原子物理学知道,原子中电子的状态应该由下列四个量子数来确定:


① 主量子数n:n=1,2,3,…主量子数大体上决定原子中电子的能量值。不同的主量子数表示电子在不同的壳层上运动。


② 辅量子数l:l=0,1,2,…,(n-1),它表征电子有不同的轨道角动量。对于辅量子数l=0,1,2,3等的电子,依次用s,p,d,f字母表示,习惯上叫它们为s电子,p电子……


③ 磁量子数ml:ml=0,±1,±2,…,±l。磁量子数可以决定轨道角动量在外磁场方向上的分量。


④ 自旋磁量子数ms:ms=±1/2,它决定电子自旋角动量在外磁场方向上的分量。


电子具有的量子数不同,表示电子的运动状态不同。电子在原子系统中运动时,可以处在一系列不同的壳层状态或不同的轨道状态,电子在一系列确定的分立状态运动时,相应地有一系列分立的不连续的能量值,这些能量通常叫作电子(或原子系统)的能级,依次用E1,E2,E3,…,En表示,如图1-3所示。

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图1-3 原子能级示意图

原子处于最低的能级状态称为基态。能量高于基态的其他能级状态叫作激发态。一般来说,处于一定电子态的原子对应某个确定的能级。反过来,某一能级并不一定只对应一个电子态,往往有若干个不同的电子运动状态具有同一能级。也就是说,两个或两个以上的不同运动状态的电子可以具有相同的能级,这样的能级叫作简并能级。同一能级所对应的不同电子运动状态的数目,叫作简并度,用字母g表示。


例如,对氢原子来说,它只有一个核外电子,所以该电子状态就可代表原子的状态。因此氢原子的1s态(即n=1,l=0,ml=0)有两个不同的电子自旋状态(ms=±1/2),它们具有相同的能级E1,所以氢1s态的简并度g1=2。又如氢原子的2p态(n=2,l=1,ml=0,±1;ms=±1/2)共有6个不同的电

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