光的受激辐射-资料

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光的三种辐射过程

光的三种辐射过程

光的三种辐射过程在探讨光的本质和特性时,我们不能忽视其与辐射的紧密联系。

光,作为电磁波的一种,具有特定的辐射过程。

这些过程主要可以分为三种:自发辐射、受激辐射和受激吸收。

为了深入理解这些过程,我们需要先了解一些基础知识。

首先,辐射是由原子内部电子状态的改变所产生的。

在原子中,电子围绕原子核运动,处于不同的能级。

当电子从高能级跃迁到低能级时,它会释放出能量,这种能量以电磁波的形式向外传播,这就是我们所说的辐射。

1. 自发辐射:这是最基础的一种辐射过程。

在高能级的原子,由于能量涨落,会自发地跳到低能级,并在跳下的过程中释放出一个光子。

这个过程是随机的,不依赖于外界的刺激。

所有的发光现象,如萤火虫发光、白炽灯发光等,都是自发辐射的结果。

2. 受激辐射:当一个光子与一个处于高能级的原子相遇时,这个光子有可能被原子吸收,使原子跳到更高的能级。

然而,这个高能级的原子并不稳定,它会很快地自发地跳回低能级,并在跳下的过程中释放出一个与原先被吸收的光子能量相同的光子。

这个过程就是受激辐射。

受激辐射产生的是相干光,因为从同一激发态跳回的两个光子有相同的频率和相位。

激光的原理就是基于受激辐射。

3. 受激吸收:与受激辐射相反,当一个光子与一个处于低能级的原子相遇时,这个原子有可能吸收这个光子的能量,跳到更高的能级。

这个过程就是受激吸收。

受激吸收是产生激光的一个重要步骤,因为在激光器中,首先需要通过受激吸收将电子激发到高能级,然后通过受激辐射产生激光。

以上就是光的三种辐射过程:自发辐射、受激辐射和受激吸收。

这三种过程是光与物质相互作用的重要方式,不仅决定了光的产生和传播方式,也影响了我们对光的理解和应用。

12---光的受激辐射

12---光的受激辐射

r rn dn
0

3
黑体辐射曲线
不同温度下黑体辐射的单色能量密度对频率的曲线
rn
4000K
3000K 2000K 1000K
0
1
2
3
4
5
n(1014Hz)
4
光与物质的作用
任何粒子的辐射光和吸收光的过程都是原子能级 之间的跃迁过程 光与物质的相互作用有三种不同的基本过程: 自发辐射 受激辐射 受激吸收 这三种过程总是同时存在,紧密联系。
19
波尔兹曼分布确定的辐射能量密度
根据波尔兹曼分布定律,动平衡的条件下,对于简并度g2 的高能级E2和简并度g1的低能级E1有
n2 g 2 e n1 g1

E2 E1 kT
e

hn kT
将高能级E2上的粒子数n2用低能级E1上的粒子数表示, 并代入动平衡的条件下三个爱因斯坦系数满足的关系式进 一步化简,得到热平衡空腔得单色辐射能量密度为
3
欲使式中两个等号同时满足必须保证分式前的系数和指 数前的系数都相等,因而得到三个爱因斯坦系数的内在 联系: A21 B21 8 hn 3 c 3 g1 B12 g 2 B21
21
一点讨论
如果 g1 g 2 ,则有 B12 B21 当高低能级的简并度相同时,受激辐射与受激吸收系数 相等。外来光子被吸收和激发受激辐射的机会相同。 但是一般讲高能级的简并度总比低能级的简并度要高, 因此受激辐射比受激吸收系数要小。 在折射率为的介质中,自发辐射系数与受激辐射系数 之间关系为
26
5
自发辐射
自发辐射:高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃 迁,同时放出能量为 hn E2 E1 的光子 自发辐射的特点:各个原子所发的光向空间各个方向传播, 是非相干光。下图表示自发辐射的过程

自发辐射受激辐射和受激吸收一自发辐射spontaneousradiation

自发辐射受激辐射和受激吸收一自发辐射spontaneousradiation

二、光泵(激励源)(optical pumping)
在受激辐射放大过程中,显然将减少处于高 能态的原子数,直至新的平衡态又重新建立, 从而破坏了粒子数反转状态,为了保持原子系 统的粒子数反转状态,需不断地将原子从低能 态抽运至高能态,需将能量注入原子系统,以 维持激光运转所必需之能量。
——光泵(optical pumping)
光泵可以是电学的,化学的,热学的,光学的方法
三.光学谐振腔(optical harmonic oscillator)
激光器有两个反射镜, 它们构成一个光学谐振腔。
全反射镜
激励能源

激光

部分反射镜
小结:产生激光的必要条件
l. 激励能源(使原子激发) 2. 粒子数反转(有合适的亚稳态能
级) 3.光学谐振腔(方向性,光放大,
二.受激辐射 (stimulated radiation)
E2 N2
h
E1 N1
全同光子
受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、 相位及传播方向均相同 ------有光的放大作用。
三 . 受激吸收(absorption) E2 N2
h
E1 N1 上述外来光也有可能被吸收,使原子从E1E2。
爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验汤斯
20世纪50年代,美国科学家汤斯等人,以及原苏联的科 学家普罗克霍洛夫等人独立发明了一种极低噪音微波放大器
——辐射受激发射微波放大器(maser)
1958年美国汤斯和肖洛提出,在一定条件下,可将上述 微波激射器的原理,推广至光波段。
——受激发射光波放大器(laser)
单色性)
§3 激光的主要特性 ★方向性极好的强光束
--------准直、测距、切削、武器等。 ★相干性极好的光束

《光的受激辐射》课件

《光的受激辐射》课件

PART 02
光的受激辐射原理
光的粒子性
光的粒子性描述
光的粒子性与能量
光是由粒子组成的,这些粒子被称为 光子。
每个光子携带一定的能量,与其波长 成反比。
光的粒子性实验证明
通过光电效应实验,爱因斯坦解释了 光的粒子性,并因此获得了诺贝尔物 理学奖。
原子能级结构
原子能级的概念
原子中的电子在不同的能级上运动,这些能级由 不同的能量值表示。
原子能级的稳定性
在不受外界影响的情况下,原子能级是稳定的。
能级的跃迁
当原子受到外界能量的影响时,电子可以从一个 能级跃迁到另一个能级。
受激辐射的过程
受激辐射的描述
当高能级上的原子受到某种外界光子的影响时,它会释放出一个 与外界光子完全相同的光子。
受激辐射的实验证明
通过实验,人们观察到了受激辐射现象,并进一步发展出了激光技 术。
03
响。
受激辐射的重要性
激光技术应用
受激辐射产生的相干光为激光提 供了源源不断的能量,广泛应用 于工业、医疗、通信等领域。
通信技术革新
光纤通信利用激光的单色性好、 方向性强等特点,实现了高速、 大容量的信息传输。
医学领域突破
激光在医学领域的应用如激光治 疗、激光手术等,为疾病的诊断 和治疗提供了新的手段。
受激辐射的特点
释放的光子与原光子频率相同,方向 相同,相位相同,传播方向相反。
ห้องสมุดไป่ตู้
受激辐射的发现
01
1917年,爱因斯坦提出受激辐射理论,解释了为什么某些物质 在特定条件下能够自发地产生光。
02
1960年,梅曼发明了第一台红宝石激光器,实现了受激辐射产
生的光放大,标志着激光技术的诞生。

第21讲 光的吸收、受激辐射与自发辐射

第21讲 光的吸收、受激辐射与自发辐射

ei(kk )t 1
kk
ei(kk )t 1
kk
其中,Hkk k | H | k k | Wˆ cost | k
k | Wˆ | k cos t Wkk (eit eit ) / 2
7
二、电子跃迁的微扰论描述(3)
H Wˆ cost,| (t) Cnk (t)eiEnt / | n
n
C (1) k k
(t
)
Wkk 2
ei(kk )t 1
Hale Waihona Puke kk ei(kk )t 1
kk
(1)
| k 是初态,| k 是末态,kk (Ek Ek ) / ,
对吸收,有Ek Ek , kk 0
对受激跃迁,有Ek Ek , kk 0
对光波,~101416 Hz, (1)式表明,只有当
(3)
只有
kk
时,入射光才对Ek Ek
的跃迁有显著贡献。这
种特性称为共振吸收。
或者说,材料对光的吸收
具有选择性。
11
三、吸收的跃迁速率(3)
Pk k
(t )
| Wkk |2 4 2
t
sin 2[(kk )t / 2] t[(kk ) / 2]2
(3)
由244页(6)和(12)式 :
lim
h
k k的跃迁概率为
光的吸收
Pk k
(t
)
|
C (1) k k
(t
)
|2
| Wkk |2 4 2
sin 2[(kk )t / 2] [(kk ) / 2]2
(3)
10
三、吸收的跃迁速率(2)
Pkk
(t)

受激辐射的特点以及激光的发生原理

受激辐射的特点以及激光的发生原理

受激辐射的特点以及激光的发生原理一、引言激光(Laser)是一种高度相干、单色性好、方向性强的光束。

它的发明和应用已经改变了人类的生活和技术水平。

激光是通过受激辐射产生的,下面我们将从受激辐射的特点以及激光的发生原理两个方面来详细讲解。

二、受激辐射的特点1. 概念受激辐射是指在一个已经存在的电磁场中,当有一个原子或分子处于基态时,由于外界电磁波作用下,使得该原子或分子跃迁到更高能级,并且在跃迁过程中放出一个与外界电磁波频率相同、相位相同、方向相同的电磁波。

2. 特点(1)相干性:由于受激辐射和外界电磁波具有相同频率、相位和方向,因此它们之间存在着非常好的相干关系。

(2)单色性:由于只有当外界电磁波频率与原子或分子跃迁能级之间的能量差等于放出光子能量时,才会产生受激辐射,因此产生的光波具有非常狭窄的频带宽度,即单色性好。

(3)方向性:由于受激辐射和外界电磁波在同一方向上传播,因此它们之间存在着非常好的方向性。

三、激光的发生原理1. 概念激光是利用受激辐射产生的一种光源。

它是由放大器、反射镜和能量源等组成的。

2. 发生原理(1)能量源:能量源可以是闪光灯、氙灯或者氩离子激光器等。

在这些能量源中,电子被激发到高能级,当电子回到基态时会放出一个光子。

(2)放大器:放大器是由有机染料或固体晶体等材料制成。

在放大器中,外界电磁波作用下,使得染料分子或晶体中的电子跃迁到更高能级,并且在跃迁过程中放出一个与外界电磁波频率相同、相位相同、方向相同的电磁波。

这个过程就是受激辐射。

(3)反射镜:反射镜是由高反射率的材料制成。

它们被放置在激光器的两端,使得激光在来回穿过放大器时不断地被反射,从而形成了一个光学腔。

(4)激光输出:当电子跃迁回到基态时,产生的光子会与其他已经存在的光子相互作用,从而放大了原来的光子。

这个过程就是受激辐射。

最终,在一个反射镜上形成了一束非常强大、相干性好、单色性好、方向性好的激光束。

四、总结受激辐射是产生激光的关键技术之一。

1.3光的受激辐射

1.3光的受激辐射

停止外部光源照射后, 从示波器上可观察到: ① 荧光强度曲线遵从指数律,即证实了自发发射光功率按指数 律衰减 A21 t
q (t ) q 0 e
② 测出荧光寿命, 则可(按 =1/A21)求出。
(i) Anm——从En 跃迁到Em的自发辐射几率
E3 E2 E1
E 2 E1 h
E2 E1

N2 h N1

(b) 受激辐射系数B21: 设外来光场单色能量密度ρv (入射光子满 足hv =E2 - E1),处于能级E2上的原子数密度为n2,在从t 到t+dt的 时间间隔内,有 -dn2个原子由于受辐射作用,而由E2跃迁到E1, 则有 -dn2=B21ρv n2dt (1-30)
E2 E1
受激发射是产生激光的最重要机理
外来光子
受激辐射光子
③受激发射的粒子系统是相干光源(相同→相干):
受激辐射是在外界辐射场的控制下的发光过程,因而各原 子的受激发射的相位不再是无规则分布的,而应有和外界辐射 场相同的相位。量子电动力学可证明:受激辐射光子与入射光 子属于同一光子态。
受激辐射与自发辐射的重要区别——相干性
6、瑞利-金斯公式——1900年瑞利--金斯利用经典电动力学和统 计力学(将固体当作谐振子且能量按自由度均分原则及电磁辐射 理论)得到一个公式,此公式在短波区域明显与实验不符,而理 论上却找不出错误——“紫外灾难” ,像乌云遮住了物理学睛朗的 天空。
( v , T )( 10
6 5 4 3 2 1 0 1 2 3
,即
t = 0 时 n2 = n20
t= t 时刻, E2上粒子数为n2(t)即 t = t 时 n2=n2(t) ∵ E2上粒子数减少的唯一去向是E1 ∴ dn2(t) = -dn2= -A21n2(t)dt (粒子只有两个能级)

光的受激辐射 激光原理及应用 [电子教案]电子

光的受激辐射  激光原理及应用 [电子教案]电子

光的受激辐射——激光原理及应用第一章:激光概述1.1 激光的定义1.2 激光的特点1.3 激光的发展历程第二章:光的受激辐射2.1 受激辐射的概念2.2 激光的产生原理2.3 激光的放大原理第三章:激光器的工作原理3.1 激光器的类型3.2 气体激光器3.3 固体激光器3.4 半导体激光器第四章:激光的应用领域4.1 激光在工业中的应用4.2 激光在医疗领域的应用4.3 激光在科研领域的应用4.4 激光在信息技术领域的应用第五章:激光技术的发展趋势5.1 激光技术的创新点5.2 我国激光技术的发展现状5.3 激光技术的发展前景第六章:激光在通信技术中的应用6.1 激光通信的基本原理6.2 激光通信的优势与挑战6.3 光纤通信技术的发展6.4 卫星激光通信的应用前景第七章:激光在材料加工中的应用7.1 激光切割与焊接7.2 激光打标与雕刻7.3 激光烧蚀与表面处理7.4 激光加工技术的创新与发展第八章:激光在生物医学领域的应用8.1 激光手术与治疗8.2 激光诊断与成像8.3 激光生物传感器与检测技术8.4 激光在基因工程与药物研发中的应用第九章:激光在科研与探索中的应用9.1 激光光谱分析与计量9.2 激光加速与粒子物理研究9.3 激光在天文观测中的应用9.4 激光在地球与环境科学研究中的作用第十章:未来激光技术的发展趋势与挑战10.1 激光技术在新能源领域的应用前景10.2 激光技术在智能制造中的应用与挑战10.3 激光技术在国防科技中的应用与发展10.4 激光技术在太空探索与星际通信中的潜在价值重点和难点解析1. 激光的定义与特点:理解激光的特定波长、相干性、平行性、亮度等特点,以及激光与普通光线的区别。

2. 激光的产生原理:掌握激光产生的基本过程,包括受激辐射、增益介质、光学谐振腔的作用。

3. 激光器的工作原理:了解不同类型激光器(气体、固体、半导体)的结构和工作机制,特别是半导体激光器的广泛应用。

(激光原理与应用)1.3光的受激辐射

(激光原理与应用)1.3光的受激辐射

上式可改写为:
A21
dn2 n2dt
A21的物理意义为:单位时间内,发生自发辐射的粒子数密
度占处于E2能级总粒子数密度的百分比。即每一个处于E2
能级的粒子在单位时间内发生的自发跃迁几率。
上方程的解为: n2(t)n20eA2t1 , 式中n20为t=0时处
于能级E2的原子数密度
自发辐射的平均寿命:原子数密度由 起始值降至它的1/e的时间
式中k为波尔兹曼常数。➢总辐射能量密度 : 0 νdν
光与物质的相互作用有三种不同的基本 过程:自发辐射、受激辐射、受激跃迁
1. 自发辐射
➢自发辐射: 高能级的原子自发地从高能级E2向
低能级E1跃迁,同时放出能量为 hE2E1
的光子。
➢自发辐射的特点:各个原子所发的光向空间各个方向 传播,是非相干光。
对于大量原子统计平均来说,从E2经自发辐射跃迁到E1具 有一定的跃迁速率
d2nA2n 12dt
式中“-”表示E2能级的粒子数密度减少;n2 为某时刻高能级E2上的原子数密度(即单位体 积中的原子数); dn2表示在dt时间间隔内由E2自发跃迁到E1的原 子数。 A21称为爱因斯坦自发辐射系数,简称自发辐射 系数。
在此假设外来光的光场单色能量密度为 ,且低能级E1
的粒子数密度为n1,则有:
d2nB12n1dt
式中B12称为爱因斯坦受激吸收系数
(3)令 W12B12,
则有: W12B12nd1dn2t
则W12(即受激吸收几率)的物理意义为:单位时间内,在 外来单色能量密度 的光照下,由E1能级跃迁到E2能级 的粒子数密度占E1能级上总粒子数密度的百分比。
1.3 光的受激辐射
辐射能量密度公式
➢单色辐射能量密度 ν :辐射场中单位体积内,频率在 ν

光的受激辐射

光的受激辐射

E2 and E1 表示两个激发态
一个光子的能量 hn E2 E1
辐射频率n E2 E1
h
• 自发辐射 (Spontaneous Emission)。
主要特征:无需外来光,随机发光,发出的光子不相关,
即相位、偏振态、传输方向是随机的;发出的光子能量分
布在许许多多个模式上。
E2 hn E1 E1 E2
Dn(z)
I0
0
z
g z Dnz
g z B21hnDnz
g z dI z 1 dz I z
g z z
Dn z 0 Dn z 0 Dn z 0
g z 0 g z 0 g z 0
g z z
结论: 黑体辐射在红外和可见光波段为非相干的
模密度 nn
8n 2 hn n c3 hn KT e 1
n hn n B21n W21 n 2 3 A21 A21 8n 8hn
c3 c3
物理意义?
W21 总光子数 (1) n A21 模式数
(1)自激荡概念
Active medium
amplifier
8n 2 n c3
hn hn KT e 1
E
hn e
hn kT
1
l= 60m
E 1 n hn kT hn e 1
n =103 n= 1; coherent
Example: T=300K l= 30cm
l= 0.6m n=10-35 incoherent
n 1 w21 n
(2) 避免产生许多模式,特定模式的n增加,使相干的 STE光子集中在一个或少数几个模内。

光的自发辐射 受激辐射、光放大

光的自发辐射   受激辐射、光放大

非相干光。
二、受激辐射和受激吸收
1)受激吸收 (共振吸收, 光的吸收)
处在低能级E1的原子受到
E2 能量等于h=E2-E1的光子
h
的照射时,吸收这一光子
E1 跃迁到高能级E2的过程。
n1 —— t时刻处于能级E1上的原子密度为
dn12 dt
——单位时间内由于吸收光子从低能级E1 吸 跃迁到高能级E2的原子数密度
大功率激光器 I 109 1017Wcm2sr 1
可使一切金属熔化
可使一切非金属化为一缕青烟
二、激光的应用
粒子数反转分布
激光是受激幅射的光,但还存在自发幅射和吸收, 要使受激辐射超过吸收和自发辐射才能实现光放大
根据玻尔兹曼 能量分布律
N e 2
( E2 E1 ) kT
N1
热动平衡下, N2N1,即处于高能级的原子数
大大少于低能级的原子数——粒子数的正常分布
受激辐射占支配地位粒子数反转
高能级上的粒 子数超过低能 级上的粒子数
激光
14-5 光的自发辐射 受激辐射、光放大
光与原子体系相互作用,同时存在吸收、自发辐射 和受激辐射三种过程。
一、原子的自发辐射
在没有任何外界作用下,激发态原子自发地从
高能级E2向低能级E1跃迁,同时辐射出一光子。
满足条件:h=E2-E1
E2

E2
h
E1
E1 •
随机过程,用概率描述。
n2—— t时刻处于能级E2上的原子数密度
我国第一台红宝石激光发射器
激光发射器---氦氖红光
氩离子激光器
14-7 激光的特性与应用
一、激光的特性
一)高度单色性
激光所包含的波长或频率范围极小

人体生物学之人体结构

人体生物学之人体结构

➢腔内存在着由普朗克公式表示的热平衡黑体辐射。
➢物质原子数按能级的分布服从玻尔兹曼分布。
n2
g2
E2 E1
e kT
n1 g1
➢热平衡条件下,n2(或n1)保持不变:从能级E2跃迁到能级E1的粒 子数应等于从能级E1跃迁到能级E2上的粒子数。
n2
A21
n1 B12
n2 n1
g2 g1
E2 E1
二、受激辐射和自发辐射
黑体辐射实质上是辐射场和构成黑体的物质原子相互作用的 结果。 原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发出量子跃迁, 或称能级跃迁。 热跃迁:交换的能量是热运动的能量。 光跃迁:交换的能量是光能。
假设:
1)物质是同类原子(粒子)组成的体系;
2)参与相互作用的原子只有两个能级E2、E1,且 E2 。E单1 位体积内处于
两能级的原子数分别为n2、 n1
E2,n2
E1,n1
1,自发辐射
资料仅供参考,不当之处,请联系改正。
如果有原子处于高能级E2
到低能级E1
h 21 E2 E1
特点:1)自发产生;2)辐射是独立的
E2 E1
E2,n2
E1,n1
h 21 E2 E1
自发发射系数A21:设在高能级E2上的粒子数密度为n2,在t~t+dt时间内, 由高能级E2自发跃迁到低能级E1的粒子数dn21:
资料仅供参考,不当之处,请联系改正。
§1.2 光的受激辐射基本概念
一、黑体辐射的普朗克公式
1. 处于某一温度T的物体能够发出和吸收电磁辐射,称为热
辐射或温度辐射。如果某一物质能够完全吸收任何波长 的电磁辐射,则称此物体为绝对黑体,简称黑体。
2. 处于某一温度T的黑体在热平衡情况下,吸收的辐射能量

1.2 受激辐射(Stimulated Emission)

1.2 受激辐射(Stimulated Emission)

黑体辐射普朗克(Planck)公式(见下页推导):
8 hν3
c3
1 hν e kbT 1
kb:玻尔兹曼常数,等于1.38062×10-23J/K
4
普朗克公式的推导:
将辐射常振子的能量量子化,按照玻色-爱因斯坦统计分布,处于=h
能级的每一运动状态的平均光子数目为
1 n h
e kbT 1
体积V、单位频率间隔 内的黑体辐射能量为
2
第一章 激光的基本原理/§1.2 受激辐射(Stimulated Emission)
原子中电子的状态由四个量子数来确定: • 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。 • 角量子数l。l=0,1,2,…,n-1。 它表征电子有不同的轨道动量矩。对于l=0,1, 2,3等的电子,依次用s,p,d,f字母表示。 • 磁量子数m。m=0,±1, ±2, …, ±l。 磁量子数可以决定轨道动量矩在外磁场方向上的 分量。 • 自旋量子数s。s=±1/2 。 决定电子自旋动量矩在外磁场方向上的分量。
分别求氢原子在300K、30000K温度下,处于基态与第
一激发态的粒子数之比。氢原子能级计算公式为
En=E1/n2, 其中n为主量子数,E1 =-13.6ev为基态能级。

n E2 E1
e 2
kT
n1
E1 13.6ev
E2
13.6 22
3.4ev
T 300K
n e e e 1
E1 E2 kT
dn21 dt
sp
A21n2
n2
n e A21t 20
n e
t s
20

§1.2 受激辐射(Stimulated Emission)

§1.2 受激辐射(Stimulated Emission)
黑体辐射分配 到腔内每个模 式的平均能量
热平衡黑体辐 射 公 式:
dn21 dn dn + 21 = 12 dt sp dt st dt sta
玻尔兹曼分布
n2 f E −E 1 = 2 exp − 2 n f1 KT 1
原子结构与能级示意图
5
第一章 激光的基本原理/§1.2 受激辐射(Stimulated Emission)
说 明: A21~τs − dn2 = dn21 = A21n2 dt dt sp
n2 = n20e
− A21t
= n20e
−t /τs
E2能级上的粒子数n2随时间按指数规律衰减 能级上的粒子数 自发辐射系数A 与自发辐射(荧光) 自发辐射系数 21与自发辐射(荧光)寿命τs呈倒数关系 三、爱因斯坦关系式- A21 、B21 和B12三系数的关系 爱因斯坦关系式- 三种过程同时存在, 三种过程同时存在,只是有强弱差别 自发辐射与受激辐射强度的比较: 自发辐射与受激辐射强度的比较:
A n2 + B21ρν n2 = B ρν n 21 12 1
ρν =
A 1 21 ⋅ h ν B B f1 kT 21 12 e −1 ⋅ B f2 21
爱因斯坦关系:
A 8πh 3 ν 21 = =n h ν ν 3 B21 c B f1 = B21 f2 12
f1=f2
B = B21 12 W =W 12 21
A21 = 1
受激吸收几率
dn 1 W = 12 12 dt sta n1
受激辐射几率
dn21 1 W = 21 dt ste n2
τs

受激辐射效应

受激辐射效应

特点介绍
特点介绍
受激辐射的光子不是自发产生的,而是在入射光的扰动下被引发的,所以辐射光子和外来诱发光子是完全相 同的光子,二者不可分辨,它们的频率,传播方向,偏振态和相位都是相同的,它们相互叠加后使光的强度大大 增加,使入射光得到光放大。受激辐射使光不断放大而获得的一种光就是激光。
光的受激吸收和受激辐射这两个过程,实际上是同时存在的,但是它们发生的概率却不同。这是因为在热平 衡态下,物质中处于低能级的原子数总是比处于高能级的原子数要多,因此光的受激吸收过程占优势,以致通常 观察到的是原子系统的光吸收现象,而不是光的受激辐射现象。
谢谢观看
不过爱因斯坦并没有想到利用受激辐射来实现光的放大。因为根据玻尔兹曼统计分布,平衡态中低能级的粒 子数总比高能级多,靠受激辐射来实现光的放大实际上是不可能的。
因此在爱因斯坦提出受激辐射理论的许多年内,这个理论并没有太多运用,仅仅局限于理论上讨论光的散射、 折射、色散和吸收等过程。直到1933年,在研究反常色散问题时才触及到光的放大。
爱因斯坦是在论述普朗克黑体辐射公式的推导中提出受激辐射概念的。这篇论文题为《辐射的量子理论》, 发表在德文《物理学年鉴》上。爱因斯坦在玻尔能级理论的基础上进一步发展了光量子理论,他不但论述了辐射 的两种形式:自发辐射和受激辐射,而且也讨论了光子与分子之间的两种相互作用:能量交换和动量交换,为后 来发现的康普顿效应奠定了理论基础(参看§9.1)。
激发寿命与跃迁机率取决于物质种类的不同。处于基态的原子可以长期的存在下去,但原子激发到高能级的 激发态上去以后,它会很快地并且自发地跃迁回到低能级去。在高能级上滞留的平均时间,称为原子在该能级上 的“平均寿命”,通常以符号“τ”表示。一般说,原子处于激发态的时间是非常短的,约为10-8秒。

受激吸收(辐射)的经典力学模型

受激吸收(辐射)的经典力学模型

受激吸收和受激辐射是物理学中的基本概念,它们涉及到物质与光相互作用的过程。

在经典力学中,我们可以通过以下模型来解释这些现象:
1. 受激吸收:当光子(能量量子)照射到物质上时,物质中的电子吸收光子的能量,从低能级跃迁到高能级。

这个过程称为受激吸收。

在经典力学中,我们可以将这个过程视为光子与电子之间的相互作用,能量守恒和动量守恒定律在这个过程中得到满足。

2. 受激辐射:当物质中的电子从高能级跃迁回低能级时,会释放出光子。

这个过程称为受激辐射。

在经典力学中,我们可以将这个过程视为电子与光子之间的相互作用。

受激辐射的光子能量和方向与入射光子相同,但频率可能有所不同。

经典力学模型通常基于以下几个假设:
1. 光子与电子之间的相互作用是瞬间完成的,不存在延迟。

2. 电子在吸收和辐射过程中,其动量守恒,即电子在跃迁前后的动量之和保持不变。

3. 忽略电子之间以及电子与原子核之间的相互作用,将电子视为点粒子。

通过以上假设,我们可以利用经典力学的方法研究受激吸收和受激辐射现象。

然而,需要注意的是,在实际应用中,特别是在微观和量子尺度上,需要考虑量子力学效应,例如波函数坍缩和量子纠缠等。

这时,经典力学模型可能不再适用,而需要采用量子力学方法进行研究。

此外,受激辐射过程中的光子释放具有一定的随机性,实际应用中常常涉及到统计力学的方法来描述这个过程。

在统计力学框架下,受激辐射的光子数和能量分布可以通过概率密度函数来描述。

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此公式在短波区域明显与实验不符,而理论上却找不出错 误——“紫外灾难” ,像乌云遮住了物理学睛朗的天空。
(v,T)1 ( 0 9W/2(H m )z) 普朗克公式——普朗克注意到
在过去的理论中,把黑体中的
瑞利 - 金斯公式
原子和分子都看成可以吸收 或
6
5
实验曲线
辐射电磁波的谐振子,且电磁 波与谐振子交换能量时可以以
(a)特点:各粒子自发、独立地发射的光子。各光子的方向、
偏振、初相等状态是无规的, 独立的,粒子体系为非相干
光20源20/。4/12(普通光源)
(b) 自发发射系数A21 : 设E2上粒子数(密度)为n2 , 时间dt内、单 位体积内经自发发射从E2跃迁到E1的粒子数为 - dn2
则因dn2∝n2 且dn2 ∝dt
*(因为不同粒子发射的光子与入射光子的频率、位相、 偏振等状态相同, 而且使相干光子数目不断增加, 所以受激 发射使激光具备了高亮度、方向性、单色性、相干性的特 点)
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E2

N2
h
E1

N1
(b)受激辐射系数B21: 设外来光场单色能量密度ρv (入射光 子满足hv =E2 - E1),处于能级E2上的原子数密度为n2,在从t 到t + dt 的时间间隔内,有- d n2 个原子由于受辐射作用, 而由E2跃迁到E1,则有
跃迁到高能级E2
E2 h ●
N2
E1

N1
(a)受激吸收系数B12: 设E1的粒子数(密度)为n1,单色辐射能量密 度ρv的光入射(入射光子满足hv=E2-E1)时,在单位体积、时间 间隔dt内吸收光子而由E1跃迁到E2的粒子数为
dn2=B12ρvn1dt (1-32) 其中B12称为受激吸收系数
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(c) A21的物理意义:
自发发射几率
从式(1-25)可见, A21是单位时间、单位体积内在E2上所有n2 个粒子中会发生自发发射的粒子所占的比例, 所以A21是自 发发射的几率。
(d)高能级上粒子数随时间的变化规律:
设 t =0 时刻 ,E2上粒子数为n20 , 即 t = 0 时 n2 = n20 t= t 时刻, E2上粒子数为n2(t)即 t = t 时 n2=n2(t)
(g) A21是粒子能级结构的特征量(对一种粒子的每两个 能级来说是常量), 和外电磁场ρ(v,t)(入射光场)无关.
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(h)例: 荧光实验
光源S 发的光经过会聚透镜 L 会聚到红宝石晶体上,红宝
石中处于基态E1能级的铬离子吸收入射光中的黄光和绿光,被
激发到E3能级,通过无辐射跃迁到达E2能级,然后通过自发辐
-dn2=B21ρvn2dt (1-30) 其中B21称为受激辐射系数
B21是粒子能级结构的特征量, 它的数值由不同原子的 不同跃迁而定,和外电磁场ρv无关 。
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-dn2=B21ρvn2dt 可定义:
(c)受激发射跃迁几率W21:
W21B21v
1
n2
dn2 dt
(1-31)
W21的物理意义:——单位时间内,在外来单色能量密度 为ρv的光照射下,由于E2和E1间发生受激跃迁, E2能级上减 少的粒子数密度占E2能级总粒子数n2 的百分比;也即E2 能级上 每一个粒子单位时间内发生受激辐射的几率。
其中 q0= h v A21n20 是 t =0 时的自发发射光功率
可见: 自发发射光功率随时间 t 亦按指数律衰减
按2经020典/4/1模2 型,原子的自发跃迁是原子中电子的自发阻尼振荡
q ( t) hd d n t 2 hA 2 n 2 1 ( t) hA 2 n 2 1 e 0 A 2t1 q 0 e A 2t1
∵ E2上粒子数减少的唯一去向是E1 (粒子只有两个能级) ∴ dn2(t) = -dn2=-A21n2(t)dt
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dn2(t) = -dn2=-A21n2(t)dt
n n 2 20 d n n 2 2 ((tt))0 tA 2d 1t

n2(t)n20 eA21t
ln n n 2 20 A 2t1
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一 . 经典辐射理论
经典的辐射理论引用偶极子的概念,反映了光的发射和吸 收过程的规律。
偶极子强迫振动时释放能量 —— 受激发射现象 偶极子强迫振动时吸收能量 —— 受激吸收现象 偶极子阻尼振动时释放能量 —— 自发发射现象
二. 黑体热辐射
1.热辐射 实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波, 这种能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射.
2.黑体 能完全吸收照射到 它上面的各种频率的电磁辐射的 物体称为黑体 .(黑体是理想模 型)
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3.黑体辐射理论 描述物体处于热平衡状态时吸收和辐射能量的 宏观特征及其规律。
4.单色辐射出能量密度 黑体辐射能量密度 ——
(v,T) dw
辐射场中单位体积内,频dv率dV在v附近的
单位频率间隔中的辐射能量。
(b) B12是粒子能级结构的特征量, 它的数值由不同原子
的不同跃迁而定,和外电磁场ρv无关 。
(c)受激吸收跃迁几率W12:同前,与(1-31)比较
W12B12v
1 n1
dn2 dt
(1-33)
W12的物理意义:——在外来单色能量密度为ρv的光照射 下,单位时间内,由E1能级跃迁到E2能级的粒子数密度占E1能级 总粒子数n1 的百分比;也即E1能级上每一个粒子单位时间内发生 受激吸收而跃迁到E2能级的几率。
s 小孔 L 1
T 空腔
平行光管 棱镜
L 2 会聚透镜
c
热电偶
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(,T)
(v,T)1 ( 0 9W/2(H m )z)
2200K 6
2000K
5
1800K
4
1600K
3
2
实验曲线
T200k0
1
0
m
01
2
3/1014Hz
注:寻求 (v,T) 的函数形式进而确定单色辐出度的形式是当时黑体
可见: W21是单位时间内粒子因受激发射由E2跃迁到E1 的几率;且与外电磁场ρv有关。
注意: 当B21 一定时,外来光的单色能量密度ρv愈大,受 激辐射几率W21 就愈大。
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(3).受激吸收:——原处于低能级E1的粒子,受到能量恰为 hv=E2-E1的光子照射而吸收该光子的能量,
(1-26)
可见: 高能级E2上粒子数随时间t按指数律衰减。 ( e )自发发射光功率q(t) (即光强与时间)t的关系:
∵ 参予自发发射的每个粒子发射一个光子hv
∴ q ( t) hd d n t 2 hA 2 n 2 1 ( t) hA 2 n 2 1 e 0 A 2t1 q 0 e A 2t1
们的能量只能是某些能量子的整数倍。
En n n1.2.3 量子数 h
1900年德国物理学家 普朗克导出了一个公式: “普朗克公式”
v
8 hv3
c3
ห้องสมุดไป่ตู้
1
hv
ekT 1
事实上正是这一理论导致了
量子力学的诞生,普朗克也成
为了量子力学的开山鼻祖,
1918年因此而获得诺贝尔奖。
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(v,T)1 ( 0 9W/2(H m )z)
(1)模型:(参予与光相互作用的)粒子只有间距为hv=E2-E1(E2>E1) 的二个能级,且它们符合辐射跃迁选择定则。
(2).在这种模型中的辐射跃迁:
粒子从低能级向高能级跃迁,须吸收光子; hv=E2-E1 从高能级向低能级跃迁, 会发射光子。 hv=E2-E1
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E2 E1
h
(f ) A21和激发态平均寿命的关系: 设: t = τ 时 q(τ) = q0 /e 则 : A21=1/ τ 或 τ=1/A21
(1-27)
可见: ①自发发射系数A21等于激发态平均寿命τ的倒数;
② τ可视为粒子系统自发发射发光的持续时间, 即 t >τ的光功率 [q(t)<q0/e] 巳可忽略不计
E2

N2
h
E1

N1
(a)特点:
①受激发射只能在频率满足hv=E2-E1的光子的激励下发生;
②不同粒子发射的光子与入射光子的频率、位相、偏振等 状态相同; 这样,光场中相同光子数目增加,光强增大,即入 射光被放大 ——光放大过程
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E2
外来光子
E1
受激幅射光子
③受激发射的粒子系统是相干光源(相同→相干):
瑞利 - 金斯公式
6
**
5
* * 实验曲线
4
*
3 *
2* 1
*
*
* *
T200k0
* * 普朗克公式
***
01
2
3/1014Hz
三.光和物质的相互作用
1. 爱因斯坦粒子模型
爱因斯坦在光量子论的基础上, 把光频电磁场与物质 的相互作用划分为三种过程----自发发射, 受激吸收和受激 发射, 并把它们用三个爱因斯坦系数加以定量描述。
射跃迁到E1能级,同时发射频率满足 v E2 的E1红色荧光,在侧面
的的光电管将显示荧光讯号。
h
停止外部光源照射后, 从示波器上可观察到
①荧光强度曲线遵从指数律
即: 证实了自发发射光功率按指数律衰减
q(t)qeA21t 2020/4/12 0
②测出荧光寿命τ, 则可(按A21=1/τ)求出(自发发 射系数或自发发射几率)A21的数值大小
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