二受激辐射
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
大学物理学专业《大学物理(二)》期末考试试卷-附答案
大学物理学专业《大学物理（二）》期末考试试卷附答案姓名：______ 班级：______ 学号：______考试须知：1、考试时间：120分钟，本卷满分为100分。
2、请首先按要求在试卷的指定位置填写您的姓名、班级、学号。
一、填空题（共10小题，每题2分，共20分）1、一质点作半径为0.1m的圆周运动，其运动方程为：（SI），则其切向加速度为＝_____________。
2、一平行板空气电容器的两极板都是半径为R的圆形导体片，在充电时，板间电场强度的变化率为dE/dt．若略去边缘效应，则两板间的位移电流为__________________。
3、长为、质量为的均质杆可绕通过杆一端的水平光滑固定轴转动，转动惯量为，开始时杆竖直下垂，如图所示。
现有一质量为的子弹以水平速度射入杆上点，并嵌在杆中. ，则子弹射入后瞬间杆的角速度___________。
4、两列简谐波发生干涉的条件是_______________，_______________，_______________。
5、一弹簧振子系统具有1.OJ的振动能量，0.10m的振幅和1.0m／s的最大速率，则弹簧的倔强系数为_______，振子的振动频率为_______。
6、动方程当t=常数时的物理意义是_____________________。
7、花样滑冰运动员绕通过自身的竖直轴转动，开始时两臂伸开，转动惯量为，角速度为；然后将两手臂合拢，使其转动惯量变为，则转动角速度变为_______。
8、在主量子数n=2，自旋磁量子数的量子态中，能够填充的最大电子数是______________。
9、一长直导线旁有一长为，宽为的矩形线圈，线圈与导线共面，如图所示. 长直导线通有稳恒电流，则距长直导线为处的点的磁感应强度为___________；线圈与导线的互感系数为___________。
10、一个中空的螺绕环上每厘米绕有20匝导线，当通以电流I=3A时，环中磁场能量密度w =_____________ ．()二、名词解释（共6小题，每题2分，共12分）1、能量子：2、受激辐射：3、黑体辐射：4、布郎运动：5、熵增加原理：6、瞬时加速度：三、选择题（共10小题，每题2分，共20分）1、气体在状态变化过程中，可以保持体积不变或保持压强不变，这两种过程（）。
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
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
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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。
辐射跃迁的三个基本过程-概述说明以及解释
辐射跃迁的三个基本过程-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分是介绍整篇长文的一个整体概况，是让读者对文章所讨论的主题有一个初步的了解。
下面是一个可能的概述部分的内容：引言部分会对辐射跃迁的三个基本过程进行探讨。
辐射跃迁是物质中能量从一个量子态到另一个量子态的过程，是光谱学和量子力学领域的重要研究对象。
本文将从理论和实验的角度分别对三个基本过程进行详细解析。
首先，我们将介绍第一个基本过程，即辐射跃迁的自发辐射。
自发辐射在自然界中广泛存在，我们将讨论其概念、机制和重要性。
随后，我们将探讨第二个基本过程，即辐射跃迁的受激辐射。
受激辐射是人类应用于激光技术中的基础原理，因此对其进行深入理解具有重要意义。
最后，我们将重点研究第三个基本过程，即辐射跃迁的吸收过程。
吸收是物质吸收外界能量的一种方式，广泛应用于光吸收、光电转换和光谱分析等领域。
通过对这三个基本过程的研究与分析，我们可以更好地理解物质的能级结构和光谱现象，为相关领域的理论研究和应用提供重要的参考依据。
（这是一个示例，你可以根据具体内容进行修改和调整）文章结构部分的内容可以按照以下方式编写：1.2 文章结构本文主要围绕辐射跃迁的三个基本过程展开讨论。
文章共分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分将首先概述辐射跃迁的重要性和应用领域，介绍为什么这三个基本过程对于我们的理解是至关重要的。
同时，我们还会给出这篇文章的目的，即通过详细介绍这些基本过程，帮助读者更好地理解辐射跃迁的原理和机制。
正文部分是本文的核心内容，将分为三个小节，分别详细介绍辐射跃迁的三个基本过程。
在每个小节中，我们将从理论和实践的角度来探讨每个基本过程的特点、机制、应用以及相关的实验方法和技术。
通过深入解析这些过程，我们将为读者提供一个更全面、深入的认识。
结论部分将对每个基本过程进行总结，并指出其在理论研究和实际应用中的重要性。
我们将回顾每个基本过程的关键点，强调其对于辐射跃迁研究的贡献，并对未来的发展和应用方向进行展望。
自发辐射与受激辐射
受激辐射在光通信和传感领域的应用研究
研究受激辐射在高速光通信、光学传感等领域的应用，提升信息传输和检测的效率与精 度。
自发辐射与受激辐射的交叉研究
自发辐射与受激辐射相互 转换的研究
探索自发辐射与受激辐射相互转换的物理机 制，以及在转换过程中的能量和信息传递规 律。
自发辐射与受激辐射的协 同作用研究
研究自发辐射和受激辐射在同一系统中的相 互作用，发掘其在光子学、光学传感等领域
的新应用。
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受激辐射产生的光子具有与原光子相 同的频率、相位、偏振和传播方向。
受激辐射的特性
相干性
01
受激辐射产生的光子之间具有相干性，即它们的频率、相位、
偏振和传播方向都相同。
方向性
02
由于受激辐射的光子与激发光子具有相同的传播方向，因此受
激辐射具有很强的方向性。
放大性
03
在介质中，受激辐射的光子数会不断放大，导致光强不断增强。
02 自发辐射过程中，电子从高能级跃迁至低能级， 释放出光子，并释放出能量。
03 自发辐射是一种非相干过程，与受激辐射不同， 其光子之间无确定的相位关系。
02
受激辐射
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，导致该粒 子从低能级跃迁到高能级，同时释放 出一个与原光子完全相同的光子。
自发辐射是一种自发过程，不受外界光子或电磁 场的影响。
自发辐射的特性
01
自发辐射的光子能量与跃迁的能级差相关，通常为 特定波长。
02
自发辐射的光子方向是随机的，不具有特定方向性。
大学土建专业《大学物理（二）》期中考试试卷 含答案
大学土建专业《大学物理（二）》期中考试试卷含答案姓名：______ 班级：______ 学号：______考试须知：1、考试时间：120分钟，本卷满分为100分。
2、请首先按要求在试卷的指定位置填写您的姓名、班级、学号。
一、填空题（共10小题，每题2分，共20分）1、两个同振动方向、同频率、振幅均为A的简谐振动合成后振幅仍为A，则两简谐振动的相位差为_______ 。
2、长为的匀质细杆，可绕过其端点的水平轴在竖直平面内自由转动。
如果将细杆置与水平位置，然后让其由静止开始自由下摆，则开始转动的瞬间，细杆的角加速度为_____，细杆转动到竖直位置时角加速度为_____。
3、一个质点的运动方程为（SI），则在由0至4s的时间间隔内，质点的位移大小为___________，在由0到4s的时间间用内质点走过的路程为___________。
4、一圆盘正绕垂直于盘面的水平光滑固定轴O转动，如图射来两个质量相同，速度大小相同，方向相反并在一条直线上的子弹，子弹射入圆盘并留在盘内，则子弹射入后的瞬间，圆盘的角速度_____。
5、在热力学中，“作功”和“传递热量”有着本质的区别，“作功”是通过__________来完成的; “传递热量”是通过___________来完成的。
6、已知质点的运动方程为，式中r的单位为m，t的单位为s。
则质点的运动轨迹方程，由t=0到t=2s内质点的位移矢量______m。
7、一个半径为、面密度为的均匀带电圆盘，以角速度绕过圆心且垂直盘面的轴线旋转；今将其放入磁感应强度为的均匀外磁场中，的方向垂直于轴线。
在距盘心为处取一宽度为的圆环，则该带电圆环相当的电流为________，该电流所受磁力矩的大小为________ ，圆________盘所受合力矩的大小为________。
8、设在某一过程P中，系统由状态A变为状态B，如果________________________________________，则过程P为可逆过程；如果_________________________________________则过程P为不可逆过程。
物体发光的原理
物体发光的原理一、引言光是人类日常生活中不可或缺的一部分，我们常见的太阳、灯泡、手机屏幕等都是通过物体发光而产生的。
那么，物体为什么会发光呢？本文将为大家详细解析物体发光的原理。
二、物体发光的基本概念物体发光，是指物体在一定条件下，能够自身发出光线的现象。
光线是由光子组成的，光子是一种电磁波粒子，具有能量和动量。
物体发光的现象是由物体内部的原子或分子发生能量跃迁而产生的。
三、物体发光的三种基本方式物体发光的方式可以分为三种：自发辐射、受激辐射和热辐射。
1. 自发辐射自发辐射是指物体在没有外界影响的情况下，由内部的原子或分子自发地发出光线。
这种发光过程是随机的，不受外界条件的影响。
例如，太阳、电灯泡等都是通过自发辐射产生的光线。
2. 受激辐射受激辐射是指物体在受到外界光的激发下，由内部的原子或分子发出光线。
在受激辐射中，外界光的能量被吸收后，原子或分子的能级跃迁被激发，从而发出与吸收的光具有相同性质的光。
常见的激光就是通过受激辐射产生的。
3. 热辐射热辐射是指物体在温度高于绝对零度时，由于内部原子或分子的热运动而发出的光线。
热辐射的光谱特征与物体的温度有关，温度越高，发出的光谱越宽，波长越短。
例如，红外灯、火焰等都是通过热辐射产生的光线。
四、物体发光的能级跃迁物体发光的原理涉及到原子或分子的能级跃迁。
原子或分子在低能级时处于稳定状态，当受到外界能量激发时，会跃迁到高能级，这个过程需要吸收能量，称为激发过程。
当原子或分子从高能级跃迁回低能级时，会释放出多余的能量，这个过程伴随着光的发射，称为辐射过程。
五、物体发光的条件物体发光需要满足以下两个基本条件：1. 物体必须具有能级结构只有具有能级结构的物体，才能够发生能级跃迁，从而产生发光现象。
例如，原子、分子等都具有能级结构。
2. 物体必须有足够的能量激发原子或分子物体需要通过吸收外界能量来激发内部的原子或分子，使其跃迁到高能级。
只有在能级跃迁过程中，才能发生发光现象。
自发辐射与受激辐射课件
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
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
高三物理能级跃迁知识点
高三物理能级跃迁知识点在高三物理中，能级跃迁是一个重要的知识点。
它涉及到原子的能级结构和电子的跃迁过程。
能级跃迁可以解释原子和分子的光谱现象，对于理解光的特性和物质的性质具有重要意义。
以下将详细介绍高三物理能级跃迁的相关知识点。
一、能级结构能级是描述原子或分子内电子状态的概念，它类似于梯子，每一层代表一个电子态。
原子中的能级由核心能级和价能级组成，核心能级的能量较高，电子较稳定。
价能级与电子的外层轨道相关，电子在这些能级上进行跃迁。
二、能级跃迁的种类1. 自发辐射自发辐射是指原子中的一个电子由高能级跃迁到低能级，并放出一定频率的光子。
这种跃迁是随机的，不受外界影响。
例如，氢原子的氢光谱可以通过自发辐射解释。
2. 受激辐射受激辐射是指原子或分子受到外界光线的激发后，一个处于高能级的电子跃迁到低能级，并放出与输入光子相同频率和相位的光子。
这种跃迁需要外界光子的能量与原子能级之间的能量差相等。
3. 吸收与发射吸收与发射是能级跃迁的基本过程。
原子在吸收光能后，电子从低能级跃迁到高能级，吸收的光子能量等于能级间的能量差。
当电子从高能级返回到低能级时，会释放出与吸收光子能量相等的光子。
三、跃迁频率与能级差能级之间的能量差决定了跃迁发生的频率。
根据普朗克定律和爱因斯坦系数，能级差与跃迁频率成正比。
能级之间的能量差越大，对应的跃迁频率就越高。
四、应用：光谱能级跃迁的光谱特性是研究物质的重要手段之一。
不同物质的能级结构和跃迁过程不同，因此它们具有独特的光谱特征。
通过观察和分析物质的光谱，可以得到物质的成分、结构和性质信息。
五、激光激光是受激辐射的一种特殊形式。
它利用受激辐射的原理，使电子在能级间进行跃迁，产生一束相干光。
激光具有单色性、相干性和高功率等特点，被广泛应用于科研、医疗、通信等领域。
六、实验室应用能级跃迁的知识在实验室中的应用十分广泛。
例如，通过测量原子或分子的光谱，可以确定其质量成分和结构；利用激光技术可以进行精密测量和激光加工；通过激光激发物质，可以研究材料的发光性质等。
医用物理20激光
• 光学活检（optical biopsy）
第三十一页，编辑于星期六：十九点 二分。
生物体的光谱测量和诊断
Spectral measurement and diagnosis of organisms
• 临床病理诊断的活检（biopsy）
– 将组织的一部分切片在显微镜下进行病理诊断。
第十九页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的种类 Types of lasers
• 燃料激光器Fuel laser：
–1966年，人们第一次利用巨脉冲红宝石激光 器泵浦氯化铝酞化菁和花菁类燃料，获得了 受激辐射。此后，染料激光器得到了迅速的 发展。
–特点：输出激光波长可调谐，某些染料波长 的可调节宽度达上百纳米；激光脉冲的宽度 可以很窄（可达10-15秒量级）；输出功率大， 可与固体激光器比拟，并且价格便宜。
• 固体激光器Solid-state laser：
–以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃为工作物质。最 常采用的是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石 等三种。
–特点：输出能量大（可达数万焦耳），峰值功 率高（连续功率可达数千瓦），结构紧凑牢固 耐用。
第十八页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的种类 Types of lasers
第十四页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的组成
Composition of laser
产生激光的装置称为激光器。激光器主要 由三部分组成：激光工作物质、谐振腔和 激励源。
第十五页，编辑于星期六：十九点 二分。
激光器的种类 Types of lasers
• 按工作物质
–固体激光器（如红宝石激光器） –气体激光器（如氦氖激光器） –液体激光器（如染料激光器） –半导体激光器（如砷化镓激光器） –自由电子激光器 –化学激光器（如氟化氢激光器）…
原子的自发辐射
原子的自发辐射【原创版】目录一、原子的自发辐射1.定义与原理2.自发辐射过程的特点3.自发辐射光的性质二、原子的受激辐射1.定义与原理2.受激辐射过程的特点3.受激辐射光的性质三、自发辐射与受激辐射的比较1.两种辐射过程的异同2.两种辐射光的性质比较正文一、原子的自发辐射原子的自发辐射是指处于高能级的粒子在没有外来光的影响下，自发跃迁到低能级而发出一个光子的过程。
这个过程是原子内部粒子在量子态间的自然跃迁，不需要外界的能量激发。
在这个过程中，原子会释放出能量，从而发出一个光子。
自发辐射过程的特点是完全随机的，因为原子在高能级和低能级之间跃迁是随机的。
所以自发辐射光是非相干的，即不同原子发射的光子之间没有固定的相位关系和方向。
这使得自发辐射光在激光产生、光场相干性保持等方面具有不利影响。
二、原子的受激辐射原子的受激辐射是指处于高能级的粒子在外来光的影响下，跃迁到低能级，辐射一个和外来光特性完全相同的光子的过程。
这个过程需要外界的光能激发，使得原子从高能级跃迁到低能级，并发出一个与外来光特性相同的光子。
受激辐射过程的特点是受外来光的影响，因此具有相干性。
即辐射出的光子与外来光的相位和方向相同，这使得受激辐射光具有更好的相干性，有利于激光的产生和光场相干性的保持。
三、自发辐射与受激辐射的比较自发辐射和受激辐射是原子发光的两种基本过程。
它们之间有以下异同：相同点：1.都是原子在量子态间跃迁的过程，只是跃迁的原因不同。
2.都会发射光子，且光子的能量与跃迁前后的能级差相等。
不同点：1.自发辐射是在没有外来光的情况下发生的，而受激辐射需要外来光的激发。
2.自发辐射光是非相干的，而受激辐射光是相干的。
3.自发辐射对激光产生和光场相干性的保持不利，而受激辐射有利于激光产生和光场相干性的保持。
综上所述，原子的自发辐射和受激辐射是两个不同的发光过程，它们在原理、过程特点和辐射光的性质上都有所区别。
在实际应用中，受激辐射因其良好的相干性而被广泛应用于激光产生等领域。
第二节 受激辐射
第二节受激辐射、受激吸收与自发辐射黑体辐射场，可以理解为组成黑体的原子和光场（或电磁波）相互作用的结果。
光波的产生和传播过程都不可避免涉及光和原子之间的相互作用。
在电磁场理论中，证明了电磁辐射来源于具有加速度的带电物体。
这个结论我们可以从很多方面得到验证。
医院的X光机利用高能电子快速减速辐射X射线；高能电子加速器所产生的电磁辐射就来源于具有加速度的电子；电真空微波器件输出的微波也来源于具有加速度的电子辐射。
光在物质中传播时，原子中的正电荷和负电荷受光场中电场作用，向相反方向运动，形成电偶极子，电偶极子向空间辐射光，和入射光场叠加在一起，形成物质中的总光波。
电磁场理论这些结论在用于宏观物质时，没有出现问题。
但用于解释原子发光过程时，却出项了难以调和的矛盾。
二十世纪初，通过实验已经知道电子是物质的基本组成部分，电子带负电，但物质都是电中性的，所以物质中一定还有带正电的部分。
通过测量电子的荷质比（），知道电子质量比原子质量小得多。
很重的带正电的部份称为原子核。
在这个基础上，物理学家开始猜想原子模型。
最早的原子模型是汤姆孙（J.J.Thomson）提出的，他设想原子就是带正电荷的那一部分均匀分布为一个胶状的球体，带负电的电子镶嵌在这个胶体上，原子就像一个面上有芝麻的面包。
原子发光的频率（光谱）就是这样一个球体的振动频率。
这个模型被后来的电子散射和粒子的散射实验证明是不对的。
卢瑟福（E.Rutherford）1909年粒子散射实验说明，原子大部分是空的，不是一个实心球。
所谓α粒子，就是由两粒带正电荷的质子和两粒中性的中子组成，相当于一个氦原子核。
在自然界内大部分的重元素（例如铀和镭，原子序数为82或以上）在衰变时辐射α粒子。
卢瑟福用α粒子去轰击铂薄片，按照汤姆孙模型，带正电的α粒子受到带正电的铂原子核的散射，α粒子应该偏离入射方向。
但实验发现，只有少量的α粒子发生大角度的偏转，大量原子直接穿过铂薄片，说明大量α粒子没有受到铂原子的作用，原子中的绝大部分空间空无一物。
自发辐射 受激辐射
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 ,
激发态吸收 基态漂白 受激辐射
激发态吸收基态漂白受激辐射下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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高二物理竞赛课件：受激辐射跃迁
1
式中c为真空中光速，于是比较两式，可知：
B12g1 B21g2
A21 B21
8πhν231 c3
此两式即为著名的爱因斯坦关系式。
若 E1 、E2 两能级简并度相等，即 g1=g2 ，则爱因斯
坦关系式8πhν231 c3
2.1.4 激光产生的必要条件
讨论：
爱因斯坦关系
设一原子系统两特定能级E1、E2简并度分别为g1、g2， 在温度T下处于热平衡状态， E1、E2能级原子数密度分
别为N1、N2 。
原子系统从吸收能量（E2-E1）后，单位时间内通过受 激吸收从E1 跃迁到E2 能级的原子数为：
迁处至于EE1上2上的的原原子子数，为N单：1位2 时B间12通ρ 过ν2自1 发N辐1 射与受激辐射跃
(受激辐射的概率是自发辐射概率的n倍)
其中n称为光子简并度，描述处于同一光子态的平均光子数量。
W21 B21
A21
A21
1 eh /kT 1 n
(受激辐射的概率是自发辐射概率的n倍)
室温下，普通辐射源的光子简并度 n 1
W21 A21
B21
A21
1 eh /kT
1
1
跃迁粒子数之比：
n2 (受激) n2 (自发)
2023/11/22
受激辐射跃迁
• 受激辐射概率：在频率21=（ E2 -E1 ）/h 的外界 光信号作用下，单位时间内从高能级态E2 跃迁到
低能级态E1的原子数密度N21与高能级E2 上总的原
子数密度N2 之比的比值。
W21
1 N2
dN21 dt
st
B21 ( 21)
N 2 为E2能级上的粒子数密度, (）为辐射场能量密度
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在1960年7月，梅曼宣布第一台红宝石激光器（ruby laser) 诞生了。
这是光学史上的重大里程碑发辐射(spontaneous radiation) N2 E2 h N1 E1 各原子自发辐射的光是独立的、无关的 非相干光 。
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。
激励能源
全反射镜
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， 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 --------精密测厚、测角，全息摄影等。
E 2 E1 N2 e kT 1 N1
但要产生激光必须使原子激发;且 N2 > N1, 称粒子数反转(population inversion)
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）
二．受激辐射 (stimulated radiation) E2 E1
N2 N1
h 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) N2 E2 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 上获得激光奠定了理论基础。
§3 激光产生的必要条件
一.粒子数反转(population inversion)
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：
Nn
En e kT
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
没有实验家,理论家就会迷失方向。 没有理论家,实验家就会迟疑不决。
现代光学基础
普通光源-----自发辐射
激光光源-----受激辐射 激光又名镭射 (Laser)， 它的全名是 “辐射的受激发射光放大”。 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
微波辐射器的发明
物理学家 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）
激光的发明
爱因斯坦的预见
受激辐射是一种在外界作用下发生的辐射， 在这个过程中，辐射场光子是对谐振子及分子 做功，使其做受迫振动，从而改变了分子的能 量。由于辐射场与分子之间的位相不同，这种 能量可正可负，如果辐射场光子对谐振子作正 功，分子将从低能级跃迁到高能态，分子吸收 能量；相反，若是对谐振子做负功，分子将从 高能态跃迁到低能态，分子释放出一定能量的 光子。这就是受激辐射过程。