量子力学与激光晶体结合的应用,激光是基于什么量子力学原理?

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激光是基于什么量子力学原理?

激光通常被认为是根据量子力学原理产生的明亮光束。但是一种用声音模拟激光的新设备把它带回了基础物理世界。

把手机振动器依次安放在铝板上可以形成相干震动,这与激光产生相干光的方式相似。此设备可以证明激光并不限制在量子世界里,这与大多数物理学家的观点相悖。

  “很多我们平常认为与激光相关的现象事实上都存在于经典物理中。”伊利诺伊大学香槟分校的物理学家理查德•韦弗说,“无需量子力学就能理解。”

  激光的应用十分广泛,从镭射笔到武器,但是都基于相同的原理。在受激发射过程中,红宝石棒(第一台激光设备)上的原子吸收光子激发出电子。被激发的电子会重新发射原始光子和一颗与之同步运行的相同光子,生成相干光。电子管两端的镜子会使之来回反射并激发出更多的光子。当有足够的光子步调一致时,杂乱无章的光线会突然转化为完美的相干光。

  物理学家大多从量子力学的角度去思考激光的作用。例如,激光原理是因为光的波粒二象性;激光原理是因为光子恰巧是玻色子,它们可以聚集在同样的能量状态下。

当原子中的电子从低能级的电子层向高能级电子层跃迁的过程中,实际上电子会进入某种过渡状态,在这种情况下,电子从一个只有负电荷的电单级粒子变成某种“电偶极子”(同时具有正负两极),并且会响应于与其特征频率一致的外部电场(例如入射的光子),于是此这个还没有开始“发泄”电子被那“闯进来”的光子“带坏了”,变得跟这光子的某些特性一致(术语叫“谐振”),然后这电子还接收了入射光子的能量,迅速跃迁到位(比原来快得多),立即开始“发泄”。但跟以往不同,电子这次“发泄出来”的光子的方向和相位都跟入射的那个光子完全相同。结果大量相同的原子在同一束光的照射下都释放出与入射光方向完全一致的光子,汇聚成了一大束平行光——激光。

由于需要持续不断地提供外来光束来激发原子发出激光,而且还需要增强最终获得的激光的强度。于是科学家们发明了“光学腔”这种设备巧妙地来产生激光。光学腔又叫“激光腔”或者“光学谐振腔”——就是置于两面对射的镜子之中的发光体(术语称为“增益介质”,因为发光管中通常装了能够发出单色光的物质,可以是气体,也可以是液体或者等离子体)。如此,被充电的“增益介质”不断地在自己产生的“激光”的照射下不断地产生新的激光,并且两面镜子将光线不断叠加增强,只要输入的电功率足够抵消激光在镜子间反射的消耗以及“增益介质”散射光的消耗,那么就可以向外输出激光了。

量子力学应用举例?

在许多现代技术装备中,量子物理学的效应起了重要的作用。从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置,都关键地依靠了量子力学的原理和效应。对半导体的研究导致了二极管和三极管的发明,最后为现代的电子工业铺平了道路。在核武器的发明过程中,量子力学的概念也起了一个关键的作用。

在上述这些发明创造中,量子力学的概念和数学描述,往往很少直接起了一个作用,而是固体物理学、化学、材料科学或者核物理学的概念和规则,起了主要作用,但是,在所有这些学科中,量子力学均是其基础,这些学科的基本理论,全部是建立在量子力学之上的。

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