12激光

单位体积中单位时间内，从E2 E1的受 激辐射的原子数为

d
N dt
21
受激

W21
N2
W21 = B21·(、T) B21 — 受激辐射系数
A21 、B21 、B12 统称为爱因斯坦系数 爱因斯坦从理论上得出：
B21 = B12
B21 = B12
W12 W21
8 h 3
h 等于原子高、低能级的能量差E2
E1、且高能级上有原子存在时，入射 光子的电磁场就会诱发原子从高能级 跃迁到低能级，同时放出一个与入射 光子完全相同的光子。
受激辐射有光放大作用：
E2
●
N2
全同光子
（频率、相位、
E1
h 振动方向和传播
●
N1 方向相同）
好激光器： 1020个光子 / 量子态
(,T)是单位频率间隔内外来辐射的能
量密度 B12 — 吸收系数
3. 受激辐射 （stimulated radiation）
爱因斯坦在研究黑体辐射时，发现辐 射场和原子交换能量时，只靠自发辐 射和吸收是不能达到热平衡的，还必 须存在另一种辐射方式—— 受激辐射。
受激辐射指的是，若入射光子的能量
上世纪六十年代初对发明激光器有 贡献的三位科学家。
巴索夫
汤斯
普罗恰洛夫
种类：
按工作物质分
பைடு நூலகம்氙闪光灯
固体
（如红宝石Al2O3）
触发 电极
聚光器
激光束 红宝石棒Al 2O3
液体（如某些染料；可以调频） 气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs）
按工作方式分
连续式（功率可达103 W） 脉冲式（平均功率可达1014 W ）
En
Nn
N2
N1
En
Nn e kT
N2 < N1
但要产生光放大必须N2 > N1，这是 因为， 能量为 E2 E1 的入射辐射 可引起两种过程：
受激辐射

d N21 dt
受激

B21
,T
N2

W21 N 2
吸收

d N12 dt
吸收

B12
A21 C 3 B12
A21大， B12 和 B21也大
爱因斯坦的受激辐射理论为六 十年代初实验上获得激光奠定 了理论基础
二. 粒子数布居反转 （population inversion）
1. 为何要粒子数布居反转
由大量原子组成的系统，在温度 不太低的平衡态，原子数目按能 级的分布服从玻耳兹曼统计分布
亚稳态
亚稳态
电
子
碰
撞
跃
迁
与管壁碰撞
发生“无辐
射跃迁”
Ne原子可以产生多条激光谱线,其中 最强的三条（标在了能级图中）是：
0.6328m 1.15 m 3.39 m
红光 红外
它们都是从亚稳态到非亚稳态和 非基态之间发生的，因此较易实 现粒子数反转。

d N21 dt
自 发

A21N 2
Ａ21 自发辐射系数，它是单个原子
在单位时间内发生自发辐射的概率
各原子发射的自发辐射光子是彼此独立 的、因而自发辐射光是非相干光 。
2. 吸收（absorption）
若原子处在某个能量为E1的 低能级，另有某个能量为E2 的高能级。当入射光子的能
波长：极紫外──可见光──亚毫米
(100 n m ） （1.222 m m ）
一. 原子的激发和辐射
1. 自发辐射（spontaneous radiation）
原子处于激发态是不稳定的，会 自发的跃迁到低能级，同时放出 一个光子，这叫自发 辐射。
E2
N2
h
E1
N1
设 N1 、N2 为单位体积中处于E1 、 E2能级的原子数。 则在单位体积中单位时间内从E2 E1自发辐射的原子数为
这称为“泵浦”或“抽运”激发的 方式可以有光激发和原子碰撞激发 等。
为了有利于粒子数反转，激 活物质应满足：
有三能级或三能级以上的能 级系统；
上能级应为“亚稳态” （自 发辐射系数小）；
下能级不应是基态，而且对 下下能级的自发辐射要大。
例 He Ne 气体激光器的粒子数反转
He是辅助物质，Ne是激活物质，He 与 Ne之比为5:1 10:1 。（电子的 碰撞使He原子被激发的概率使比Ne 原子被激发的概率大）
量h 等于E2 E1时，原子就
可能吸收光子而从低能级跃
迁到高能级，这个过程称为
吸收。
E2
h
●
N2
E1
●
N1
设 N1 、N2 分别为单位体积中处于 E1 、E2能级的原子数。则单位体 积中单位时间内，因吸收光子而
从 E1E2 的原子数为：

d
N 12 dt
吸 收

W12
N1
W12=Ｂ12 ( 、T )
激光
激光又名镭射(Laser)， 全名为“辐射的受激发 射光放大” （Light
amplification by stimulated emission of radiation）
世界上第一台激光器诞生于1960年。 此前，1954年制成了受激发射的微波 放大器—— 梅塞（Maser） 它们的基本原理都是基于1916年爱因 斯坦提出的受激辐射理论。
,T
N1

W12 N1
要产生光放大必须 d N21 d N12
d t 受激 d t 吸收
因为 B21=B12 W21=W12 必须 N2 >N1 —— 粒子数布居反转
2. 粒子数布居反转（简称粒子 数反转）举例
粒子数反转态是非热平衡态。
为了促使粒子数反转的出现，必须 用一定的手段去激发原子体系。