第21讲光的吸收、受激辐射与自发辐射

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大学物理激光课件讲义

受激辐射
发光前发光后
。
受激辐射的光放大示意图
表明，处于低能级的电子数大于高能级的电子数，这种分布叫做粒子数的正常分布.
1 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布
二激光原理
已知
叫做粒子数布居反转 , 简称粒子数反转或称布居反转.
1 自发辐射
原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级自动跃迁到低能级，这种跃迁称为自发跃迁. 由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.
一自发辐射受激辐射
。
发光后
自发辐射
自发辐射
单击添加文本
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2 光吸收
原子吸收外来光子能量 , 并从低能级跃迁到高能级 , 且 , 这个过程称为光吸收.
2 单色性好
激光的单色性比普通光高倍.
能量集中
END
相干性好普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光 , 激光的发光过程是受激辐射, 它发出的光是相干光.
吸收后
。
吸收前
.
受激吸收
3 受激辐射
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
原子中处于高能级的电子, 会在外来光子 (其频率恰好满足 ) 的诱发下向低能级跃迁, 并发出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射.
红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石
。
。
全反射镜
半透射镜
红宝石棒
。
脉冲灯
红宝石激光示意图
。
01
02
03
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
04
激光器发展的主要方面
扩展了激光的波长范围.
激光的功率大大提高.
激光器能实现小型化.

受激辐射受激吸收与自发辐射

（自发辐射）
h E1 E2
§1.2.1 受激辐射、受激吸收与自发辐射
爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。
1. 自发辐射
h E2 E1
E2Leabharlann hE1发光前
发光后
单位时间从上能级跃迁到下能级的原子数目为:
dn21 dt sp
或不能发生，则受激辐射也可以或不能发生。
受激辐射的相干性自发辐射：相互独立、互不相关。不相干
受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的外来光子具有相同的特征（频率、相位、振动方向及传播方向均相同）。
受激辐射光子与入射光子属同一光子态。相干光
总结
掌握：
自发辐射、受激吸收、受激辐射含义、特点、相互区别、相互关系爱因斯坦三系数的相互关系及所得结论受激辐射的相干性
热平衡状态：
辐射率吸收率（辐射场总光子数保持不变）
n2 A21 n2B21 n1B12
n1、n2、n3 ——各能级上的原子数密度（集居数密度）
玻尔兹曼统计分布：
n f e 2
2
( E2 E1 ) KT
n1 f1
f1、f2 ——能级 E1 和 E2的简并度，
或称统计权重

A21

8 h
c3
3
B21
结果讨论
1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。
3. 自发辐射的出现随 3而增大，故波长越短，
自发辐射几率越大。 4. 自发辐射和受激辐射具有相同的选择定则，自发辐射可以

自发辐射与受激辐射

激光在垂直于腔轴旳横截面上形成旳稳定旳光强分布，称激光旳横模。
1.6 激光束有哪些特点?
（1）光能量在空间和时间上高度集中（2）相干性好（3）方向性好
1.7 设He-Ne 激光器腔长L分别为0.30m、1.0m,气体折射率n1, 试求纵模频率间隔各为多少?
据:
C
2nL
L
0.30m, 1
3108 21 0.3
激光器一般有三个基本构成部分： (1) 激活介质(2) 鼓励能源(3) 光学谐振
1.4 概括光学谐振腔旳作用。（1）维持光振荡（2）选择激光旳方向性（3）提升激光旳单色性。
1.5 何谓激光旳纵模和横模?
因为激光器输出旳每一种谐振频率旳光，因其光强是沿纵向（腔轴方向）分布旳驻波场。一般激光器是多纵模输出，假如采用措施，能够输出单纵模，大大提升激光色性。
鼓励（泵浦）：实现粒子数反转旳过程。具有亚稳态旳原子构造，才干实现粒子数反转。
红宝石激光器（三能级系统）
E3 E2
E1
E3 (10-8s)
E3
E2 (10-3s)
E2
h
E1
E1
氦氖激光器（四能级系统）
E4
(10-8s) E4
E3
(10-3s) E3
h
E2
E2
E1
E1
1.3 光学谐振腔
工作物质
思索题：
1.1 自发辐射与受激辐射比较有哪些不同？粒子自发地从高能级跃迁到低能级，同步发出一种光子，这
一过程叫做自发辐射。
若处于高能级旳粒子，在一种能量等于两能级之差（E2-E1）旳光子作用下，从高能级跃迁到低能级并发射一种光子，这一过程称为受激辐射。与自发辐射不同，辐射一定要在外来光作用下发生并发射一种与外来光子完全相同旳光子。受激辐射光是相干光。受激辐射光加上原来旳外来光，使光在传播方向上光强得到放大。

自发辐射与受激辐射的区别并总结激光的原理、特点、分类

1、自发辐射与受激辐射的区别自发辐射：处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去,同时辐射出一个光子，这种辐射叫做自发辐射。

受激辐射：当原子处于激发态E2时,如果恰好有能量 (这里E2 ）E1）的光子射来，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迂到低能级E1上去，这种辐射叫做受激辐射。

区别：与自发辐射不同，辐射一定要在外来光作用下发生并发射一个与外来光子完全相同的光子.受激辐射光是相干光。

受激辐射光加上原来的外来光,使光在传播方向上光强得到放大。

自发辐射是不受外界辐射场影响的自发过程，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。

2、试总结激光的原理、特点、分类1）原理激光是光受激辐射的放大，它通过辐射的受激放射而实现光放大。

光放大即是一个光子射入一个原子体系之后，在离开此原子体系时，成了两个或更多个特征完全相同的光子。

但光子射入原子体系后与原子体系的相互作用时,总总包含吸收、自发辐射与受激辐射三种过程。

要得到激光必须使受激辐射胜过吸收和自发辐射在三个过程中居主导地位.2）特点主要特点：定向发光、亮度极高、颜色极纯、能量密度极高其他特点：激光是单色或单频的;激光是相干光,其所有的光波都同步，整束光就好像一个“波列”；激光是高度集中的,即它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象.3）分类按工作介质的不同来分类：固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器.按激光输出方式的不同分类：连续激光器和脉冲激光器。

（其中脉冲激光的峰值功率可以非常大）按发光的频率和发光功率大小分类等。

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)

3.2 自发辐射、受激吸收和受激辐射几率-20200401

ρν为连续光谱辐射场，宽度Δν'远大于原子发射谱线的半宽度Δν，则受激辐射引起的高能级粒子数变化速率：
g( ,0 )
D'
g( ,0 ) D
0
dn21 dt
st
n2 B21g , 0
d
n2 B21 g , 0 0 d
n2 B21 0
连续谱辐射场在原子中心
频率处的单色能量密度
Nl:第l模内的光子数密度
V:光腔体积
n
8
v3
2
模密度
固体物质：al
A21
nV D
W21
A21nl
n DV
A21
n D
Nl
W12
f2 f1
A21nl
n DV
f2 f1
A21 N l
n D
由于单色辐射场 D ' D ，在D '范围内可以认为g
,
0
为定值，且 '
只有在D 和D ' 共同覆盖的频率范围才有响应，因此：
g( ', 0 )
g( ', 0 )
d
0
d
由此得到改变后的速率方程：
D
'
D'
dn21 dt
st
n2W21 d
0
'
n2B21
g
爱因斯坦三种辐射系数的修正
自发辐射、受激辐射、受激吸收几率的基本关系式：
dn21 dt
sp
A21n2
dn21 dt
st
W21n2;
W21 B21
dn12 dt
st
W12n1;
W12 B12

自发辐射,受激辐射和受激吸收

自发辐射,受激辐射和受激吸收
自发辐射、受激辐射和受激吸收都是物理学中的概念，与原子和分子的能级结构有关。

在能级结构中，原子或分子会存在多个能级，不同能级的能量是不同的。

当原子或分子从一个能级跃迁到另一个能级时，会释放或吸收能量，这种能量以电磁波的形式传播，即辐射。

而这种辐射分为三种情况：
1. 自发辐射：当原子或分子从一个高能级跃迁到一个低能级时，会自发地释放能量，这种辐射称为自发辐射。

这种辐射是随机的，不需要外界的干预。

2. 受激辐射：当原子或分子在一个高能级上受到外界电磁波的刺激时，会跃迁到低能级并释放出辐射，这种辐射称为受激辐射。

这种辐射是受外界刺激而发生的，需要外界电磁波的存在。

3. 受激吸收：当原子或分子在低能级时受到外界电磁波的刺激，它们会吸收能量并跃迁到高能级，这种现象称为受激吸收。

这种辐射也是受外界刺激而发生的，需要外界电磁波的存在。

以上三种辐射在物理学中起到了重要的作用，如在激光技术、核物理、天文学等领域得到广泛应用。

- 1 -。

自发辐射与受激辐射课件

实验设备
激光器、光学放大器、光谱仪、光学显微镜等。
自发辐射与受激辐射的联合实验研究
实验步骤 1. 准备实验样品，如同时具有自发辐射和受激辐射特性的复合材料。 2. 使用激光器和光学放大器分别作为自发辐射和受激辐射的激励源。
自发辐射与受激辐射的联合实验研究
3. 在复合材料中同时观察自发辐射和受激辐射的产生和特性。
02
受激辐射概述
受激辐射的定义
• 受激辐射：在介质中，当一个光子与介质中的粒子相互作用时，如果光子的能量恰好等于该粒子的某个能级差，该粒子会吸收光子能量并跃迁至高能级。随后，该粒子会自发地跃迁回低能级，并释放出与原光子频率、相位和偏振状态相同的光子。这个过程称为受激辐射。
受激辐射的特性
4. 使用光谱仪和光学显微镜分别测量自发辐射和受激辐射的光谱分布、强度和方向性。
05
自发辐射与受激辐射的应用前景
自发辐射的应用前景
生物医学成像
自发辐射产生的光子可用于生物医学成像技术，如荧光成像和光学显微镜，有助于研究生物分子
结构和细胞功能。
生物传感器
自发辐射荧光可用于生物传感器，检测生物分子之间的相互作用和浓度变化，为疾病诊断和治疗提
供依据。
环境监测
自发辐射荧光还可以用于环境监测，如水体污染和空气质量评估，
有助于保护环境和人类健康。
受激辐射的应用前景
激光技术
受激辐射产生的相干光可用于激光技术，如激光切割、激光焊接和激光雷达等，具有高精度、高效率和低成本的优点。
光通信
受激辐射产生的光子可用于光通信领域，实现高速、大容量和长距离的信息传输，是现代通信技术的关键组成部分。
自发辐射与受激辐射课件

第21讲光的吸收、受激辐射与自发辐射.

n
二、电子跃迁的微扰论描述(2)
目标：用微扰论确定Cnk (t )。由201页31式 1 C (t ) i
(1) k k
e
0
t
ik k t
Wk k k dt Hk 2i
ik k t it it e ( e e )dt 0
t
ei (kk ) t 1 ei (kk ) t 1 k k k k ˆ cos t | k k | H | k k | W 其中，H k k it it ˆ | W | cos t W (e e ) / 2 Wk k 2
11
三、吸收的跃迁速率(3)
| Wk k | t sin [( k k )t / 2] Pk k (t ) (3) 2 2 4 t[( k k ) / 2]
2 2
由244页(6)和(12)式 : sin x lim ( x), 2 x
2
10
三、吸收的跃迁速率(2) 2 2 | W | sin [( k k )t / 2] (1) 2 k k Pk k (t ) | Ck k (t ) | (3) 2 2 4 [( k k ) / 2]
只有
k k
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。
9
返
三、吸收的跃迁速率(1)
Wk k e 1 e 1 C (t ) (1) 2 k k k k 对吸收，有Ek Ek , k k 0，又 0,
(1) k k i ( k k ) t i ( k k ) t

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

受激辐射与自发辐射

§9-4 光振荡一、受激辐射与自发辐射受激辐射除了吸收过程相矛盾外，还与自发辐射相矛盾，处于激发态能级的原子，可以通过自发辐射或受激辐射回到基态，在这两种过程中，自发辐射往往是主要的，设高低能级的粒子数密度分别为21n n 和，根据（9-7）式和（9-8）式，可得到受激辐射和自发幅射光子数之比。

21()u v B R A = （9-24）如果要使1R >>，则能量密度()u v 必须很大，而在普遍光源中，能量密度()u v 通常是很小的，例如在热平衡条件下，对于发射1m λμ=的热光源来讲，当温度为300K 时1210R -=，由（9-24）式可知，在此情况下，受激辐射光子数比自发辐射光子数少得多，如果要使受激辐射光子数等于自发辐射光子数，即1R =，则此热光源温度就需高达500000K ，可见在一般光源中，自发辐射大大超过了受激辐射。

但是我们可以设计一种装置，使在某一方向上的受激辐射，不断得到放大和加强，就是说，使受激辐射在某一方向上产生振荡，而其它方向传播的光很容易逸出腔外，以致在这一特定方向上超过自发辐射，这样，我们就能在这一方向上实现受激辐射占主导地位的情况，这种装置叫做光学谐振腔。

二、光学谐振腔象电子技术中的振荡器一样，要实现光振荡，除了有放大元件以外，还必须具备正反馈系统，在激光器中，可实现粒子数反转的工作物质就是放大元件，而光学谐振腔就起着正反馈、谐振和输出的作用。

全反射镜工作物质部分反射镜（图9－10）图9-10就是光学谐腔的示意图，在作为放大元件的工作物质两端，分别放置一块全反射镜和一块部分反射镜，它们互相平行，且垂直于工作物质的轴线，这样的装置就能起到光学谐振腔的作用。

当能实现粒子数反转的工作物质受到外界的激励后，就有许多粒子跃迁到激发态去，激发态的粒子是不稳定的，它们在激发态寿命的时间范围以内会纷纷跳回到基态，而发射出自发辐射光子，这些光子射向四面八方，其中偏离轴向的光子很快就逸出谐振腔外，只有沿着轴向的光子，在谐振腔内受到两端两块反射镜的反射而不致于逸出腔外，这些光子就成为引起受激辐射的外界感应因素，以致产生了轴向的受激辐射，受激辐射发射出来的光子和引起受激辐射的光子有相同的频率，发射方向，偏振状态和位相，他们沿轴线方向不断地往复通过已实现了粒子数反转的工作和振荡，这是一种雪崩式的放大过程，使谐振腔内沿轴向的光骤然增加，而在部分反射镜中输出，这便是激光。

自发辐射,受激辐射和受激吸收的特点

自发辐射,受激辐射和受激吸收的特点1.自发辐射是一种原子核或原子外层电子自发放出能量的过程。

Spontaneous emission is a process in which a nucleus or outer electron of an atom emits energy spontaneously.2.自发辐射不受外界影响，是由原子或分子自身性质决定的。

Spontaneous emission is not affected by external factors, and is determined by the intrinsic properties of the atom or molecule.3.自发辐射的能量和频率与原子或分子的能级有关。

The energy and frequency of spontaneous emission are related to the energy levels of the atom or molecule.4.自发辐射通常发生在原子或分子的激发态向基态跃迁的过程中。

Spontaneous emission typically occurs during thetransition of an atom or molecule from an excited state to a ground state.5.自发辐射的特点是不需要外界能量的输入，而是自身发出能量。

The characteristic of spontaneous emission is that itdoes not require input of external energy, but emits energyon its own.6.受激辐射是指分子或原子在外界刺激下放出辐射。

Stimulated emission refers to the emission of radiationby a molecule or an atom under external stimulation.7.受激辐射需要外界刺激才能发生。

自发辐射受激辐射和受激吸收之间的关系爱因斯坦系数之间的关系

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Байду номын сангаас之间
关系为
A21 B21

8 3h 3
c3
四、自发辐射光功率与受激辐射光功率
对于发光介质中某一单位体积，自发辐射的光功率体密度可表示为
q自(t) h n2 (t) A21
g1B12 g2 B21
上两个式子是爱因斯坦系数之间的基本关系.由于三个系数都是原子的特征参量,所以它们与具体过程无关.
三、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系
（2）特例情况下的爱因斯坦系数之间的关系讨
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。
B12称为爱因斯坦受激吸收系数，简称受激吸收系数。
3. 受激吸收
（2）受激吸收几率
受激吸收（跃迁）几率W12定义为 W12 B12 则
有
W12

B12

1 n1
dn2 dt
（1.3.11）
受激吸收的跃迁几率的物理意义为：单位时间内，
在外来单色能量密度为的光照下，E1能级上因
自发辐射光子数受激辐射光子数
受激吸收光子数
式子的左边是与高能级上粒子数有关的辐射光子数，而右边是与低能级上粒子数有关的吸收光子数，即发射与吸收光子数相等.
三、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系
A21、B21、B12三个系数的关系
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

自发辐射受激辐射

2 单色性好激光的单色性比普通光高 1010 倍.
3 能量集中 4 相干性好
普通光源的发光过程是自发辐射 , 发出的不是相干光 , 激光的发光过程是受激辐射 , 它发出的光是相干光.
自发辐射的特点：所发光互相独立，频率、振动方向和相位不一定相同, 是非相干光.
2 光吸收
原子吸收外来光子能量 h , 并从低能级 E1 跃迁
到高能级E2 , 且 E2 E1 h , 这个过程称为光吸收.
. 受 E2
激
h
E2
. 。吸
收
E1
E1
吸收前
吸收后
16-9 激光
3 受激辐射
16-9 激光
一自发辐射受激辐射
1 自发辐射
原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激
发态的高能级 E2 自动跃迁到低能级 E1 , 这种跃迁
称为自发跃迁. 由自发跃迁而引起的光辐射称为自发
辐射. 自发辐射
(E2 E1) h
E2 .
E2
。 h
E1
E1 .
发光前
发光后
16-9 激光
N2 N1
E2 ............. N2
E1 。E。2 。。E。1 N1
粒子数反转分布
16-9 激光
美国物理学家梅曼于1960年9月制成第一台红宝石固体激光器.
从外界输入能量（如光照、放电等） , 把
低能级上的原子激发到高能级上去 , 这个过程叫
做激励（也叫泵浦）.
E3
。激发态 (10 8s)
原子中处于高能级 E2 的电子,会在外来光子（其频
率恰好满足 h E2 E1）的诱发下向低能级 E1 跃迁 ,

自发辐射受激辐射与受激吸收.ppt

W21 B21uv （1-3-12）
式中：B21——受激辐射跃迁爱因斯坦系数。
（三）受激吸收定义：处于低等级E1上的一个原子在频率等于ν =（E2-E1） /h的辐射场作用下，或吸收一个光子后向高能级E2 跃迁的过程。
其示意图
它与受激辐射跃迁的过程恰好相反，其跃迁几率：
W12

(
dn12 dt
而与辐射场u(ν )无关的自发过程。A21的大小与原子处在 E2能级上的平均寿命τ 2有关，由微分方程：
dn2 (t) dt

( dn21 dt
)sp

A21n2 (t)
解此微分方程，可得到n2(t)随时间变化规律为：
n2 (t) n2 (0)e A21t
N2(0)——计时起点t=0时粒子数密度
)
st
1 n1
式中：dn12——dt时间内受激吸收粒子数密度；
n1——E1能级粒子数密度。
因受激吸收跃迁过程也是在辐射场uν 作用下产生的，故其跃迁几率W12也应与辐射场大小成正比，即
W12 B12uv （1-3-14）
受激吸收跃迁几率W12：
W12 B12uv （1-3-14）
式中：B12——受激吸收跃迁爱因斯坦系数。正是由于有受激吸收过程的存在，才使得墙内黑体辐
玻尔
跃迁：当原子从某一能级吸收了能量或释放了能量，变成另
一能级时，我们就称它产生了跃迁。吸收跃迁：凡是吸收能量后从低能级到高能级的跃迁；辐射跃迁：释放能量后从高能级到低能级的跃迁。特点：跃迁时所吸收或释放的能量必须等于发生跃迁的两个能级之间的能级差。
如果吸收或辐射的能量都是光能的话，此关系式表示为：
的单色能量密度为：

物理第二十一章知识点

第21章量子物理的应用激光知识点一: （三种跃迁过程--------发辐射、受激辐射、受激吸收）原子在高能级和低能级之间辐射跃迁和吸收跃迁满足同一频率条件 hE E v 12-=。

1. 自发辐射：在不受外界影响的条件下，激发态原子自发的辐射光子返回到基态的过程。

（各光波波列的频率、相位、偏振状态以及传播方向不同。

）2. 受激辐射：处于激发态2E 上的原子，在能量为 12E E hv -= 的外来光子的诱导下，产生由2E 向低能级1E 的受迫跃迁，同时发射一个与外来光子相同的光子的发光过程。

（各光波波列的频率、相位、偏振状态以及传播方向相同。

）受激辐射特点: a.不能自发的进行辐射; b.光波不外来光波特征相同; c.具有光放大作用。

受激辐射是产生激光的必要条件。

激光器的发光过程是受激辐射占主导地位。

普通光源的发光过程是自发辐射占主导地位。

3. 受激吸收：处于低能级1E 上的原子，吸收满足频率条件 hE E v 12-=的外来光子，而跃迁到高能级2E 上的过程。

知识点二: （激光原理：打破热平衡，实现粒子数反转）1. 粒子数反转：系统中处于高能级的粒子数多于处在低能级的粒子数的分布，叫做粒子数反转分布。

2. 实现粒子数反转的条件：激活物质：能实现粒子数反转的物质。

激活物质必须存在亚稳态能级。

3. 三能级系统和四能级系统：1.三能级系统满足频率条件： h E E v 12-=。

2E 为亚稳态。

（代表：红宝石激光器）2.四能级系统满足频率条件： hE E v 23-=。

E3为亚稳态。

（代表: 钛玻璃激光器、氦氖激光器）因为3E 和2E 能级之间更容易实现粒子数反转，因此四能级系统比三能级系统有更多的优势。

3. 产生激光必要条件：a.实现粒子数反转b.使原子被激发c.实现光放大4. 激光器的基本组成部分:a.工作物质b.激励能源c.光学谐振腔光学谐振腔作用：增强亮度，控制方向，选择频率。

第21讲 光的吸收、受激辐射与自发辐射

大学物理激光课件讲义

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第21讲 光的吸收、受激辐射与自发辐射

3.2 自发辐射、受激吸收和受激辐射几率-20200401

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物理第二十一章知识点

第21讲光的吸收、受激辐射与自发辐射

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