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光纤入户信息箱布里渊散射是声波对光的散射,如果入射光束的频率为a,声波的频率为as,那么,由布里渊散射会产生a士as这一新频率的光。由于激光的光强非常高,还出现了受激喇曼散射和受激布里渊散射等非线性效应。2.5激光原理激光是受激辐射光放大,在英语中 laser(激光)是由 Light amplification by stimulatedemission of radiation中5个词的X一个字母缩写而成1917年爱因斯坦从理论上预言存在着原子受激辐射光的可能性。直到1960年梅曼研制成了X一台激光器—红宝石激光器,从此以后,激光技术的发展及应用突飞猛进。它不仅引起了现代光学技术的巨大变革,还带动了全息光学、非线性光学、激光光谱学等学科的迅速发展。工业技术产生历史性的跨越。1.自发辐射、受激辐射和受激吸收光与物质的作用本质上就是光与原子的相互作用,这种相互作用有三个主要过程:自发辐射、受激辐射和受激吸收。
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19世纪末和20世纪初,科学实验深入到微观X域,在一系列新的实验事实面前,光的电磁理论遇到了巨大困难,如它无法解释黑体辐射、光电效应、康步的探索。10年朗克为了得到与实验相符合的公式,提出了X的普圆克假设:黑体物质是由带电的线性谐振子所组成,物质中振子的能量是不能连续变化的,只能取一些分立值,这些分立值又是某一X小能量单元c。的整数倍y为光频率。普朗克根据能量子假说,推出了与实验惊人符合的公式,从而使黑体辐射问题得到了圆满地解决。这一假设具有深刻和普遍的意义,正是由于它X一次冲击了经典物理学的传统观念,从此开始了物理学的新纪元外面的电路相连。阳极是由某种金属构成。实验发现,当束紫光照到阳极表面时,将从阳极跑出电子。由于这些电子是由光引发的,因此又叫“光电子”。尽管电子本身带负电,它却能向阴极跑去,从而连通了电路。
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这种由于光的照射,使电子从金属中逸出的现象称为光电效应根据实验可总结出光电效应具有如下实验规律:(1)每种金属都有一个确定的截止频率,当入射光的频率低于0时,不论入射光多么强,照射时间多么长,都不能从金属中释放出电子。 (2)对于频率高于v的入射光,从金属中释放出的电子的X大动能与入射光的强度无关,却与光的频率有关。频率越高,释放出的电子动能就越大(3)对于频率高于的入射光,即使入射光非常微弱,开始照射后也能立即释放出电子,滞后时间不X过10-8s以上这些实验现象都是经典电磁理论无法解释的。爱因斯坦发展了普朗克的能量子概念,于1905年提出了光量子假说。他认为光的能量不是连续分布的,光是由一粒粒运动着的光子组成的。每个光子具有确定的能量,它只能作为一个整体被吸收或产生。
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光的相干性根据电磁场理论自由空间传播的电磁波是横波,可以由两个互相垂直的振动矢量即电场强度E和磁场强度H来表示。在光波中,产生感光作用与生理作用的主要是电场强度E,所以E矢量称为光矢量。干涉现象是波动过程的基本特征之一。由频率相同、振动方向相同、位相相同或位相差保持恒定的两个相干波源所发出的波是相干波,在两束相干波相遇的区域里,有些点振动始终加强,有些点的振动始终减弱或完全抵消,即产生干涉现象。对机械波或无线电波来说,相干条件比较容易满足,因此观察这些波的干涉现象就比较方便,但对光波则不然。这是因为一般光源发光是由光源中大量原子或分子从较高的能量状态跃迁到较低的能量状态过程中对外辐射光波,这种辐射有两个特点:一是各原子或分子辐射是间歇的、无规则的,每次辐射持续的时间只有108s左右,也就是说,原子或分子每次所发出的光是一个短短的波列。
大量原子或分子发光是各自X立进行的,彼此之间没有什么联系,在同一时刻各原子或分子所发光的频率、振动方向、相位都各不相同,千差万别,是随机分布的。所以一般的两个X立光源发出的光不满足相干条件,不能发生干涉,即使是同一光源上两个不同部分发出的光,也同样不会发生干涉。相干光一般可以采用如下方法获得,将一光源上同一点发出的光波分成两束,使它们经过不同的传播,然后在某一空间区域相遇,发生迭加。在此过程中,将每一个波列光都分成两个频率相同、振动方向相同、相位差恒定的波列,这两个波列是相干光,在相遇区域中能生干涉现象。根据这一原则,通常用下列两种方法来获得相干光(1)分波阵面法。杨氏双缝、洛埃镜等光的干涉实验都用分波阵面法来获得相干光的。(2)分振幅法。分振幅法是利用光的反射和折射可以将一束光分成两束相干光。
光的衍射1)光的衍射现象光波能绕过障碍物继续传播的现象叫作光的衍射声波可以绕过墙壁,使人不见其影却能听其音,这是因为声波的波长可达几十米,障碍物的线度和波长可以相比拟。而可见光的波长只有几百万分之一米的数量X,比障碍物的线度小得多,所以一般情况下,光的衍射现象不明显。但当障碍物的线度和光的波长可以相比拟时,就可以观察到光的衍射现象,如图2-3-4所示。一束平行光通过一个宽度可以调节的狭缝K后,在屏幕E上将呈现光斑。若狭缝的宽度比波长大得多时,屏幕E上的光斑和狭缝完全致,这时光可看成是沿直线传播的。若缩小缝宽,使它可与光波波长相比较时,在屏幕E上出现的光斑亮度虽然降低,但光斑范围反而增大,而且形成明暗相间的条纹,这就是光的衍射现象,人们称偏离原来方向传播的光为衍射光。
2)单缝夫琅禾费衍射当光源、接收屏都距衍射物无限远时,这种入射光和衍射光都是平行光的衍射称为夫禾费衍射。单缝夫琅禾费衍射实验装置如图2-3-5所示,实验室通常宽度比长度小得多的4.光的偏缝称为单缝,在有限的距离内实现单缝夫琅禾费衍射是通过在单缝前后加上透镜实现。1)光的偏单缝衍射条纹特征参见图23-6,具有如下两个特点(1)单缝衍射条纹是一系列平行于狭缝的明暗相间的直条纹,它们对称地分布在中光的电磁如果光矢(2)明纹亮度不均匀,中央明纹X亮,其他各X明纹的亮度将随着X数的增商而逐所示,示光振明纹两侧在单缝衍射中,若缝较宽,明纹虽然较亮,但相邻明纹的间隔很小而不易分辨;若缝很种光称为窄,间隔虽可加大,条纹分得很开,但明纹的亮度却显著减小。
在这两种情况下,都很难X这两个光地测定条纹间距,所以用单缝衍射不能准确地测定光波波长或使不同波长的光谱线分开。但利用衍射光栅可以做到这一点。衍射光栅分为反射光栅和透射光栅两种,平行排列的大量等距等宽的狭缝就构成了平面透射光栅。透光的宽度为a,不透光的宽度为b,则d=(a+b)称为光栅常数。一般光栅常数的数量X均为105~10-6m,每毫米内有几十条乃(a)透射光栅(b)反射光栅至上千条刻痕。光栅是近代物理实验中时常用到的一种重要光学元件,主要用来分光而形成光谱。波分解复用器也可以利用光栅制作。所有缝对应点发出的光线到P点时都满足干涉加强的条件,因而在P点处形成明条纹。一般来说,光栅上每单位长度的狭缝条数很多,光栅常数(a+b)很小,各X明条纹的位置分得很开。
光栅上狭缝愈多,透射光束愈强,因此所得条纹也愈亮。所以光栅衍射条纹具有又法细、又亮、又疏的特点,可以用衍射光栅X地测定光波的波长,也可以把不同波长的入射光烈地分开。3.光的散射当光通过介质时,偏离原来的方向而向四周传播,这种现象称为光的散射如果由于某些原因使介质的光学的均匀性遭到破坏,那么就出现了散射光。使介质的光学均匀性遭到破坏的原因是各种各样的,一种可能是在空间存在一些小质点,如烟、雾、灰尘等,它们使光产生散射;也可能是介质中分子密度产生起伏而引起折射率起伏,从而导致光的散射;还有一种可能是由各向异性引起的光的散射。与光的吸收完全类似,当光通过介质时由于光的散射,也会使透射光强减弱。根据散射光频率相对入射光频率是否有改变,可将散射分为两类:一类是线性散射,另类是非线性散射
线性散射如果散射光的频率等于入射光的频率,散射时没有新频率的光产生,这类散射称为线性散射。瑞利散射和米氏散射都属于线性散射。散射粒子大小在0.1~0.2以下的光的散射,称为瑞利散射或分子散射;如果散射粒子大小和光波长入同量X或者更大,称为米氏散射。通过大量实验研究得出,瑞利散射特点之一是散射光强Ⅰ与入射光波长A的四次方成反比,即Ioc/A(2-4-7)这就是X的瑞利散射定律。利用瑞利散射定律可以解释许多日常的自然现象,如天空为什么是蓝的?旭日和夕阳为什么是红的?因为按照瑞利散射定律,白光中的短波成分(蓝紫光)遭到的散射比长波成分(红黄色)强烈得多,因此天是蓝的。旭日和夕阳呈红色,是由于白光中的短波成分被更多地散射掉了,透过大气散射光的光中剩余较多的自然是长波成分了。
1)自发辐射原子具有一系列分立的能X,当处于激发态的原子是不稳定的,它们在激发态停留时间一般都非常短,大约为108s。在没有任何外界的作用情况下,原子也可以从激发态跃迁到基态。这种情况下的跃迁可分为两类:一类跃迁过程是通过碰撞转移能量,不发射电磁波,称为无辐射跃迁。另外一类在跃迁中释放的能量是以光辐射的形式放出,称为自发辐射,如自发辐射的光子在位相、偏振状态以及传播方向上都没有确定的关系。于大量原子所以自发辐射的光,其单色性、相干性和方向性都很差。普通光源发光就属于自发辐射。处于基态的原子,如果受到一个能量为hy的光子的作用,原子吸收了光子的能量,从基受激吸收。2.激光的形成通常情况下,发生受激辐射的概率很小,光放大不能持续下去。
