原子的自发辐射
原子的自发辐射
原子的自发辐射摘要：一、原子的自发辐射1.自发辐射的定义2.自发辐射的过程3.自发辐射光的特性4.自发辐射在量子光学中的地位二、原子的受激辐射1.受激辐射的定义2.受激辐射的过程3.受激辐射光的特性4.受激辐射在激光产生中的应用三、自发辐射与受激辐射的比较1.两种辐射过程的异同2.两种辐射光的相干性比较3.自发辐射和受激辐射在实际应用中的影响正文：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。
在这个过程中，原子会自发地从高能级跃迁到低能级，并辐射出一个光子。
由于各原子的自发辐射过程完全是随机的，所以自发辐射光是非相干的。
在量子光学中，自发辐射是一个基本问题。
由于真空涨落的影响，处于激发态的原子会自发地从激发态跃迁到基态，并发出一个光子（辐射）。
这一光子没有固定的相位和方向，是随机的。
因此，对于激光的产生、原子和光场相干性的保持，自发辐射的存在都是不利的。
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。
在这个过程中，外来光的作用使得原子从高能级跃迁到低能级，并辐射出一个与外来光特性完全相同的光子。
由于受激辐射光与外来光特性完全相同，所以受激辐射光是相干的。
受激辐射在激光产生中具有重要应用。
激光的产生主要依赖于受激辐射过程，通过外来光的作用，使得原子从高能级跃迁到低能级，并辐射出一个与外来光特性完全相同的光子。
这样，激光就具有了高度的相干性和单一的频率特性。
三、自发辐射与受激辐射的比较自发辐射和受激辐射是两种不同的辐射过程。
自发辐射是原子在没有外来光作用下自发跃迁到低能级而发出的光子，而受激辐射是在外来光的作用下，原子跃迁到低能级并辐射出的光子。
在光的相干性方面，自发辐射光是非相干的，而受激辐射光是相干的。
这是因为自发辐射过程中，原子的跃迁是随机的，而受激辐射过程中，原子的跃迁是由外来光诱导的，具有确定性。
受激辐射 受激吸收与自发辐射
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
原子与原子核——知识介绍
原子和原子核 ——知识介绍一．原子结构（一）原子的核式结构人们认识原子有复杂结构是从1897年汤姆生发现电子开始的。
汤姆生通过研究对阴极射线的分析发现了电子，从而知道，电子是原子的组成部分，为了保持原子的电中性，除了带负电的电子外，还必须有等量的正电荷。
因此汤姆生提出了“葡萄干面包”模型：正电荷部分连续分布于整个原子，电子镶在其中。
1909年卢瑟福在α粒子散射实验中，以α粒子轰击重金属箔发现：大多数α粒子穿过薄膜后的散射角很小，但还有八千分之一的α粒子，散射角超过了900，有些甚至被弹回来，散射角几乎达到1800。
1911年卢瑟福提出了原子核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核称为原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕核高速旋转。
从α粒子散射实验的数据可以估计出原子核的大小约为10-15——10-14米，原子半径大约为10-10米。
原子核式结构模型较好的解释了α粒子散射实验现象，也说明了汤姆生的“葡萄干面包”模型是错误的。
（二）玻尔的氢原子理论1．1．巴耳末公式1885年，瑞士物理学家巴耳末首先发现氢原子光谱中可见光区的四条谱线的波长，可用一经验公式来表示：)121(122n R -=λ n =3，4，5……式中λ为波长，R =×10 7米-1称为里德伯恒量，上式称为巴耳末公式。
2．2．里德伯公式1889年，里德伯发现氢原子光谱德所有谱线波长可用一个普通的经验公式表示出来：)11(122n m R -=λ式中n=m+1，m+2，m+3……，上式称为里德伯公式。
对于每一个m ，上式可构成一个光谱系： m=1，n=2，3，4……赖曼系（紫外区）m=2，n=3，4，5……巴尔末系（可见光区）m=3，n=4，5，6……帕邢系（红外区）m=4，n=5，6，7……布喇开系（远红外区）3．3．玻尔的氢原子理论卢瑟福的原子核式结构模型能成功地解释α粒子散射实验，但无法解释原子的稳定性和原子光谱是明线光谱等问题。
2-2 光与物质相互作用
n2(t) n20 e
A21t
理学院 物理系
§2.2光与物质相互作用.玻色爱因斯坦关系式 2—E2能级平均寿命，定义：E2上粒子数变为初 始值1/e所需时间，则：
1 A21 2 n20 n20 e e
因此：
A21
1
2
理学院 物理系
A21—自发辐射几率；自发辐射爱因斯坦系数。
理学院 物理系
§2.2光与物质相互作用.玻色爱因斯坦关系式
热平衡状态下：自发辐射和受激辐射光强比为：
I sp I ste
A21 e B21
h kT
1
2014年6月10日星期二
理学院 物理系
B21—受激辐射爱因斯坦系数。
理学院 物理系
§2.2光与物质相互作用.玻色爱因斯坦关系式 二、爱因斯坦三系数A21，B12，B21关系 热平衡状态下，E1、E2能级上原子数密度保持不变：
Байду номын сангаас
dn21 dn21 dn12 ( ) sp ( ) st ( ) st dt dt dt
即：
A21 n2 B21 ( ) n2 B12 ( ) n1
ν
⑵受激辐射跃迁几率w21
2014年6月10日星期二 理学院 物理系
§2.2光与物质相互作用.玻色爱因斯坦关系式
dn 21 1 w 21 ( )st dt n2
⑶受激辐射特点 a.必须在外界辐射场作用下进行； b.受激辐射跃迁几率w21与原子本身性质和外界辐射 场有关；
w21 B21 ( )
§2.2光与物质相互作用.玻色爱因斯坦关系式 一. 三种相互作用 1.自发辐射 ⑴定义：处于高能级的一个原子，在没有外来光子 的情况下，自发向E1跃迁，并发射出一个能量为 hν 的光子。 E2 E1
相干光的获得方法
相干光的获得方法相干光是一种特殊的光波，具有明显的干涉和衍射效应，广泛应用于光学领域。
获得相干光有多种方法，包括自发辐射、激光、干涉仪等。
以下将对这些方法进行详细介绍。
首先，自发辐射是一种获得相干光的常见方法。
自发辐射是指原子或分子在激发态自发跃迁到基态时所产生的辐射。
这种辐射具有一定的相干性，可以通过适当的方法获得相干光。
例如，可以利用光栅或干涉仪对自发辐射进行干涉，从而获得相干光。
其次，激光也是一种常用的获得相干光的方法。
激光是一种具有极高相干性的光源，可以通过受激辐射的原理产生。
激光的相干性主要体现在其波长的一致性和相位的一致性上。
因此，利用激光可以获得高质量的相干光，广泛应用于干涉、衍射、全息等领域。
此外，干涉仪也是获得相干光的重要工具。
干涉仪是一种利用光的干涉现象来获得相干光的装置。
常见的干涉仪有干涉滤光片、迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪等。
通过这些干涉仪，可以将来自不同光源的光波进行干涉，获得具有高度相干性的光。
除了以上提到的方法，还有一些其他辅助手段可以用于获得相干光，如光纤、相干光源等。
光纤是一种能够传输相干光的光学器件，可以在光通信、光传感等领域发挥重要作用。
而相干光源则是专门用于产生相干光的光源，具有较高的相干性和稳定性。
总的来说，获得相干光的方法多种多样，每种方法都有其特定的应用场景和优势。
在实际应用中，可以根据具体需求选择合适的方法来获得所需的相干光。
相信随着光学技术的不断发展，获得相干光的方法将会更加多样化和高效化，为光学领域的发展带来新的机遇和挑战。
大连理工大物2作业答案_40-44
2、 粒 子 在 一 维 无 限 深 势 方 阱 中 运 动 ， 图42-1 为 粒 子 处 于 某 一 能 态 的 波 函 数ψ (x)的 曲 线 ，(1)写出 粒 子 的 波 函 数；(2)用数学的方法求出粒子出现概率最大的位置。 解：（1）粒子的波函数： ψ (x) = 0,
(x)| = 0给出，即 （2）粒子出现最大的位置由 d|ψdx
∞
1=
−∞
|ψ (x)| dx = |A|
2
2 0
∞
e−2ax dx =
1 |A|2 2a
解之得 A= √ 2a 0
2 a
4、在宽度为a的一维无限深方势阱中运动的粒子定态波函数为ψ (x) =
2a 求：（1）基态粒子出现在 a 3 < x < 3 范围内的概率； （2）主量子数n = 2的粒子出现概率最大的位置。 解：可知定态波函数已归一化 2a （1）基态粒子出现在 a 3 < x < 3 范围内的概率
8、若一个电子和一个质子具有同样的动能，哪个粒子的德布罗意波长较大？ 解：考虑到相对论效应，有 λ= 因为mp me ,所以λe > λp . hc Ek (Ek + 2m0 c2 )
3πx √ cos (−a ≤ x ≤ a) 2a a （1）求粒子在x = a 2 处出现的概率密度； a （2）在− a < x < 5 5 范围内，粒子出现的概率。 解：由波函数的形式可知波函数已经归一化 （1）粒子在x = a 2 处出现的概率密度： p(x = a/2) = |ψ (x = a/2)| =
3、如图41-1所示一束动量为p的电子，通过缝宽为a的狭缝，在距离狭缝为R处放置一荧光屏，求屏上衍射图样中 央明条纹的宽度d. 解：由德布罗意关系知 λ = h/p 单缝衍射暗条纹的条件为 a sin θk = ±kλ 由于R 于是 d,所以sin θ1 ≈ d/2R. d = 2R sin θ1 = 2Rλ/a = 2Rh/pa
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。
激光的原理与特性
3、亮度高强度大
亮度是光源在单位面积上，向某一方向的 单位立体角内发射的功率.
1米长的40W日光灯,与1米长的40W CO2 激光器 相比亮度相差1010=100亿倍. 红宝石脉冲激光器1016KW/cm2比太阳高100 亿倍.
可用于制造微光武器，在千分之几秒内将 钢板击穿，也可用于控核聚变，触发氢弹。 激光碎石术正是利用此特性。
• 辐射亮度,与人眼对不同波长的感觉无关. YAG激光看不见,但可以切割骨骼、肿瘤等， He-Ne激光能看见，但只能做理疗。
相干性好
若频率相同、振动方向相同的两列波，在相 遇处位相差恒定，这两列波就是相干的。
激光是受激辐射，受激辐射的光子其频率和 振动方向均相同，且光子之间又相互关联，所 以在较长时间内位相差可保持恒定的。因此， 激光具有很好的相干性。
2、激光生物作用机理
• 光致发光作用 • 光致发热作用 • 光敏压强作用 • 光致化学反应 • 光的电磁场作用 • 光致生物刺激作用
3、激光治疗的基本方法及其原理
激光外科术 激光针灸术 激光光动力学术
激光理疗术 激光内镜术
a.激光外科手术
切割:激光光刀(热光刀、冷光刀) 止血:激光光凝 缝合:激光焊接粘合
c、激光穴位治疗
用弱激光的生物刺激作用代替传统的针和灸的刺激进 行治疗称之为激光穴位治疗。
激光穴位治疗对人体作用的基础实验 He-Ne激光穿透能力研的究实验研究
穴位的特异性实验研究 热效应实验研究 对皮肤电阻影响实验研究 对神经系统及肌肉组织的影响实验研究 激光穴位治疗循经传导实验研究 对免疫功能影响的实验研究 镇痛作用实验研究 激发经络隐性传感实验研究
4A2
R2 ：629.9nm 基态
红宝石中Cr3+能级
自发辐射术语-概述说明以及解释
自发辐射术语-概述说明以及解释1.引言1.1 概述自发辐射是指原子、分子或其他系统在无外界干预下自发地向周围发射能量或粒子的过程。
它是物质与能量交互作用的重要现象之一，在自然界中广泛存在并发挥着重要的作用。
自发辐射不仅在基础科学研究中具有重要意义，还在许多应用领域发挥着关键作用，如医学诊断、能源领域等。
自发辐射的研究可追溯到19世纪中叶，当时科学家们开始对不同物质的辐射行为进行观察和分析。
通过实验与理论研究，人们逐渐认识到自发辐射的本质和规律。
自发辐射的特征主要包括辐射的几率与时间的关系、辐射能量的分布以及辐射的方向性等。
自发辐射是由系统内部的变化引起的，这些变化导致了能量的重新排列和释放。
辐射过程中，系统将原本带有辐射能量的基元粒子转移给外界，同时系统的能量降低。
不同物质的自发辐射过程具有一定的规律性，例如自发辐射的速率与物质中的辐射源数目和类型等因素有关。
通过对自发辐射的研究，科学家们可以揭示物质的性质和组成，甚至深入理解宇宙的演化过程。
未来的自发辐射研究将会集中在几个方向上。
首先，随着技术的不断发展，科学家们将能够更加精确地测量和控制自发辐射过程，从而揭示更多新的特性和规律。
其次，对于不同物质自发辐射机制的深入研究能够提供更好的应用基础，如材料科学中的光电子学和光催化等。
最后，自发辐射的研究还将促进相关领域的发展，推动科学技术的进步，为未来的应用和创新奠定基础。
综上所述，自发辐射作为一种重要的物理现象，在基础科学研究和应用中都具有重要价值。
通过对其特征和规律的深入研究，科学家们能够揭示物质之间相互作用的奥秘，为我们的生活和技术进步提供更多的可能性。
1.2 文章结构文章结构文章的结构是指文章整体组织和呈现的方式。
一个清晰、有条理的结构能够帮助读者更好地理解文章的内容和思路。
本文将按照以下结构进行组织：引言：在引言部分，我们将对自发辐射进行概述，介绍本文的目的，并简要说明文章的结构。
正文：正文将包括两个主要部分：自发辐射的定义和自发辐射的特征。
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
普通物理学第七版 第十四章 激光和固体的量子理论简介
最外层价电子对应的能带为价带；该带可以是满 带, 也可以是被电子部分填充的；
价带之上的能带没有分布电子, 称为空带。
在相邻的两个能带之间, 可以有不存在电子稳
定能态的能量区域, 称为禁带。
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未排满电子的价带和紧靠价带的空带又称为导带。
晶体的能带结构图
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四、导体、半导体和绝缘体 按能带论, 不同的导电性能, 是因为它们的能带结 构不同。 绝缘体: 价带满，且禁带宽（ Eg=3～6 eV） 半导体: 价带满，但禁带窄（ Eg=0.1～1.5 eV）
4.相干性好 普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米, 激光可 达几十千米。
可用于光学实验、全息照相、全息存储等。
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激光测距、 Laser videodisc with 激光切割金属 雷达、制导 simulated laser beam
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五、激光冷却 1.运动着的原子→共振吸收光子 基态到激发态, 动量减小, 速度减小。 2.处于激发态的原子→自发辐射光子回到基态 虽然反冲会得到动量, 但自发辐射出的光子的方向 是随机的, 多次自发辐射平均下来并不增加原子的动 量。
杂质元素的五个价电子的四个 价电子与硅或锗形成共价键, 多提供的一个电子与杂质原子 结合较弱。
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可以证明: 多余电子的能级处在禁带中紧靠空带 处，该能级称为施主能级。
施主能级上的电子极易激发到导带底形成电子导电, 从而导电性大大增强。
n 型半导体以电子导电为主。
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在四价的本征半导体硅（Si）或锗（Ge）中掺入少 量三价的杂质元素硼（B）或镓（Ga）等形成空穴 型半导体称为 p 型半导体。
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激光原理与技术复习——简答题
激光原理复习题----填空简答论述1.什么是光波模式？答：光波模式:在一个有边界条件限制的空间内，只能存在一系列独立的具有特定波矢的平面单色驻波。
这种能够存在于腔内的驻波（以某一波矢为标志）称为光波模式。
2.如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度？答：光的相干性:在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某些特性的相关性。
相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需的时间，称为相干时间。
相干长度：相干光能产生干涉效应的最大光程差，等于光源发出的光波的波列长度。
3.何谓光子简并度，有几种相同的含义？激光源的光子简并度与它的相干性什么联系？答：光子简并度：处于同一光子态的光子数称为光子简并度。
光子简并度有以下几种相同含义：同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数。
联系：激光源的光子简并度决定着激光的相干性，光子简并度越高，激光源的相干性越好。
4.什么是黑体辐射？写出公式,并说明它的物理意义。
答：黑体辐射：当黑体处于某一温度的热平衡情况下，它所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间应处于能量（热）平衡状态，这种平衡必然导致空腔内存在完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。
物理意义：在单位体积内，频率处于附近的单位频率间隔中黑体的电磁辐射能量。
.5.描述能级的光学跃迁的三大过程，并写出它们的特征和跃迁几率。
Page10答：(1)自发辐射：处于高能级的一个原子自发的向跃迁，并发射一个能量为的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。
特征：a) 自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发过程,无需外来光。
b) 每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元，原子之间毫无联系而且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然相同，均为，各列光波之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发的光将向空间各个方向传播，即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。
宇称—原子状态的奇偶性态
末 系
的 2发
射
与
吸
收 1
• 热激发原子的能量分布
达到热平衡状态时( T ) ，各状态的原子数
E3
E2
N i e Ei / kT
若能级是 gi 重简并的
E1
Ni
g e Ei / kT i
N g e i
i ( Ei E1 ) / kT
N1 g1
T
例 试分别估计室温(300 K)和6000 K 的高温下，处于第一激发态 的氢原子数与处于基态原子数之比。
偶数 偶性态 li 奇数 奇性态
电偶极跃迁光子的宇称为-1
( li ) 1
普遍的选择定则：跃迁只能发生在不同的宇称之间。
偶性态
奇性态
电偶极跃迁中, 通常观测的是单电子跃迁的光谱，即电子组态 中只有一个电子的量子态发生了改变。自旋角动量不变
L-S 耦合 S 0 L 0,1 J 0,1 (0 0除外)
6000
e 19.7
2 109
N1
可能
1 g ~ 1023
处于激发态原子的绝对数并不小。
二. 原子的辐射与吸收
• 原子的自发辐射
dt 时间内， 状态2 → 状态1
dN21 N2dt dN21 A21N2dt
自 发
N2 E2
自 发
辐
辐 射
射
E1
系
(
dN 21 dt
)自发
N2 A21
数
表示一个原子在单位时间内由状态2自发跃迁到状态1的几率。
经过介质薄层, 光强增量为
激
I0
I I+dI
活
dI GIdz
介
质
I dI
激光产生基本原理
激光基本原理一、激光产生原理1、普通光源的发光——受激吸收和自发辐射普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。
激发的过程是一个“受激吸收”过程。
处在高能级（E2）的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。
辐射光子能量为hυ=E2-E1这种辐射称为自发辐射。
原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。
由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。
在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。
于是在上、下两个能级上的原子数密度比为N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。
因为E2>E1，所以N2《N1。
例如，已知氢原子基态能量为E1＝－，第一激发态能量为E2=，在20℃时，kT≈，则N2/N1∝exp（－400）≈0可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。
一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。
2、受激辐射和光的放大由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。
电子能量由主量子数n(n=1,2,…)决定。
但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。
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 ,
原子在界面附近自发辐射率的闭合轨道理论计算
原子在界面附近自发辐射率的闭合轨道理论计算王丽林;徐强;隗莲【摘要】利用闭合轨道理论，对原子在界面附近的自发辐射率的计算公式进行了推导，并对界面附近原子自发辐射率的多周期振荡现象进行了系统的研究。
首先，根据光子的闭合轨道理论，把原子的自发辐射用经典的偶极天线辐射来模拟，推导出原子在一个金属界面旁的自发辐射率的计算公式，然后再推广到两个金属界面旁的原子自发辐射情况，并对原子自发辐射率的多周期振荡进行了分析。
%We derived the formula of the spontaneous emission rate of atoms near the interfaces and discussed the multi-periodic oscillating phenomenon of the atoms near the interfaces .First of all ,according to the photon closed-orbit theory ,we simulated the spontaneous emission of atom near interface as the radiation of the classic dipole antenna ,then we derived the calculation for-mula of the spontaneous emission of atom near a metalsurface .Next ,we developed this case to the spontaneous emission of atom near two metal surfaces ,and analyzed the multi-periodic oscil-lating phenomenon appeared in the spontaneous emission rate of atom near two metal surfaces .【期刊名称】《山东理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(000)005【总页数】6页(P67-72)【关键词】原子;界面;自发辐射率;闭合轨道理论【作者】王丽林;徐强;隗莲【作者单位】山东铝业职业学院电气工程系，山东淄博255065;鲁东大学物理与电子工程学院，山东烟台264025;鲁东大学物理与电子工程学院，山东烟台264025【正文语种】中文【中图分类】O562原子所处环境对原子自发辐射的影响研究从20世纪40年代开始一直受到人们的关注[1-4].近年来，随着实验技术的进步和理论研究的深入，激发态原子的自发辐射率受介质环境的调制也已引起人们的广泛关注.光子晶体热潮的兴起、微装置捕陷作用以及应用场操纵高激发态原子的研究都极大地推动了对激发态原子的自发辐射率受环境调制问题的研究.用量子电动力学(QED)推导出的自发辐射率，看不出随环境参数变化的规律.杜孟利等人利用闭合轨道理论对电介质层中以及电介质界面附近原子的自发辐射率的多周期振荡进行了系统的研究，把闭合轨道理论中的电子扩展到了光子，获得了成功[5-6].本文利用闭合轨道理论对环境中原子的自发辐射率的多周期振荡的研究，在第一部分研究激发原子在一个无限大的金属界面旁的自发辐射率,第二部分研究用两个理想的金属界面夹着的电介质中的原子的自发辐射率.1 一个金属界面旁的原子自发辐射1.1 闭合轨道理论分析闭合轨道理论最初是由杜孟利等人提出的，用来解释强磁场中原子光吸收谱的振荡现象[7].根据闭合轨道理论，当原子从高激发态跃迁到一个较低的态时，在原子附近辐射光子，光子以电磁波的形式向外出射，当电磁波向外传播到离原子较远处时可以近似由经典轨道来描述，当经典轨道族碰到界面后返回到原子附近，与这些轨道联系的波与出射波干涉叠加可以在自发辐射率中形成一个振荡.因为原子的自发辐射类似偶极天线的辐射，因此，本文考虑与自发辐射的一个经典的对应：偶极天线的辐射.先看原子旁边只有一个无限大的理想金属面的情况，设金属面与z轴垂直并位于距正z轴l处的地方，原子在x轴原点处(图1).原子辐射出的光子沿着z轴作简谐振荡，它对应的电偶极矩为d0=de-iω0t，其中ω0为振荡频率，d0表示极化方向的单位矢量.它的辐射率为Wd=P/U，其中P为偶极天线的平均辐射功率，U为天线的能量.辐射率可以写为(1)图1 原子与金属界面的距离是l这里把振子附近的电场E分为两个部分，出射部分E0和返回部分Eret.用r表示空间某点相对于偶极子的矢量位置，出射电场部分可以写为[d0-3r0(r0·d0)]×(2)返回电场Eret依赖于环境或偶极天线所在的介质.考虑偶极天线位于距理想金属面l处且与金属面平行的情况，由镜像方法可以得到偶极天线处的返回电场为(3)1.2 平行情况(电偶极矩d与x轴夹角为0)分析当原子对应的电偶极矩d与x轴方向平行时，即单位矢量d0与单位矢量r0夹角为90°时，根据闭合轨道理论,模拟偶极天线辐射，设理想金属面的一边是折射率为n的电介质，其中偶极子出射电场矢量位置r=2lr0，故这时原子的自发辐射率可以写为(4)其中,是对应真空中的原子自发辐射率，k0=ω0/c为辐射光在真空中的波数，为了研究方便在闭合轨道理论公式中引入一个无量纲量a=l/λ0，再有k0=2π/λ0，则式(4)变为(5)根据方程(5)，令理想金属面的一边是折射率n=1和n=1.49,利用maple软件可以画出相对自发辐射率Wd/W0随原子与金属界面距离l的变化图(其中原子与金属界面距离由无量纲参量a=l/λ0表示)，如图2所示.从图2可以看出，相对自发辐射率表现为周期振荡，随着原子与金属界面距离的增加，振荡的振幅逐渐衰减.当原子离界面足够远时，自发辐射率接近于原子在真空中的自发辐射率.在折射率不同的介质中，周期振荡也是有差异的.1.3 垂直情况分析当原子对应的电偶极矩d与x轴方向垂直时，即单位矢量d0与单位矢量r0夹角为0°时，根据闭合轨道理论,设理想金属面的一边是折射率为n的电介质，其中偶极子出射电场矢量位置r=2lr0，故这时偶极天线的辐射率可以写为(6)令a=l/λ0，k0=2π/λ0，则式(6)变为(7)(a) 介质的折射率n=1(b)介质的折射率n=1.49图2 电偶极矩与x轴平行时相对自发辐射率随原子与金属界面距离的变化根据方程(7)，可以画出理想金属面的一边是折射率n=1和n=1.49的相对自发辐射率随原子与金属界面距离的变化图，如图3所示.从图3可以看出，相对自发辐射率的周期振荡类似于平行情况，但是在原子与金属界面距离相同的情况时，垂直比水平的振荡幅度大.(a) 介质的折射率n=1(b)介质的折射率n=1.49图3 电偶极矩与x轴垂直时相对自发辐射率随原子与金属界面距离的变化1.4 一般情况分析当原子对应的电偶极矩d与x轴方向成任意角度θ(小于等于90°)时，即单位矢量d0与单位矢量r0夹角为(90°±θ)时，设理想金属面的一边是折射率为n的电介质，其中偶极子出射电场矢量位置r=2lr0，故这时原子的自发辐射率可以写为(8)令a=l/λ0，k0=2π/λ0，则式(8)变形为(9)根据方程(9)，可以画出理想金属面的一边是折射率n=1.49的相对自发辐射率随原子与金属界面距离的变化图，其中还存在参量θ角，为了更明显的从图像上观察结果，本文对θ取多个角度，如图4所示.从图4可以看出，图像均为周期性振荡，大体情况与上面相似.在折射率n给定的情况下，随原子对应的电偶极矩与x轴方向的角度增大，振荡幅度增大.图4(a)和图4(d)分别与图2(b)和图3(b)比较可以看出角差不多大时，画出的图像差别较小.原子与金属界面的距离和电偶极矩与x轴方向所成角度对自发辐射率都会产生较大影响.(a)θ=5°(b)θ=30°(c)θ=45°(d) θ=85°图4 相对自发辐射率随原子与金属界面距离的变化(n=1.49)2 两个金属界面旁的原子自发辐射2.1 理论分析在上述分析中我们已经得到一个金属界面旁的原子自发辐射率，现在由此推广到两个金属界面的情况.当原子对应的电偶极矩d与x轴方向平行时，一个金属界面旁的原子自发辐射率为式(4).当偶极天线与金属面之间的距离大于半个波长时，式(4)中的括号内的后两项可以忽略不计，得(10)其中S=2nk0l为辐射光子从原子到金属面再返回到原子的作用量，显然这光子路径为一个闭合轨道.现在通过图像来比较一下理想金属面的一边是折射率n=1时,利用式(4)和式(10)画出相对自发辐射率随原子与金属界面距离的变化图，其中实线代表式(4)，虚线代表式(10)，如图5所示.图5 相对自发辐射率随原子与金属界面距离的变化(n=1)由图5看出，实线与虚线几乎重叠，故式(4)与式(10)所得图像相差很小，即(4)式括号内的后两项可以忽略不计，所以一个金属面前偶极子辐射率可以近似表达为式(10).根据上述理论分析，把式(10)扩展到两个金属面间填充着同样的电介质的情况，有(11)其中Sj=nk0Lj为第j个闭合轨道的作用量，Lj为该轨道的几何长度；φj=-mjπ为相位修正，mj表示被金属面反射的次数，式(11)即为闭合轨道理论公式.2.2 公式推导两个平行的无限大的理想金属板，板间填充折射率为n的非吸收性介质，自发辐射原子处于介质中.设选取坐标原点在发射原子处，z轴与金属板垂直，原子在介质中相对与两金属板的距离分别为l1和l2，介质的厚度为l=l1+l2.如图6所示.为了方便计算两个平面平行金属板间原子的自发辐射率，只考虑偶极距d平行于金属板的情况，则采用式(11).根据闭合轨道理论，在此种情况下存在四个基本的闭合轨道，如图7所示.其中四个轨道的作用量分别为S1=2nk0l1，S2=2nk0l2，S3=S4=2nk0l，四个相位修正分别为φ1=φ2=-π，φ3=φ4=-2π，代入式(11)可得原子自发辐射率为(12)图6 原子距离金属界面的距离分别为l1、l2图7 原子在两金属界面间的四个基本的闭合轨道为方便研究自发辐射率中的多周期振荡，定义R=(l2-l1)/(l2+l1)用以标记原子相对于上下的金属板的位置，定义两个金属板间的标准距离为l0=λ0=2π/k0，即辐射光子在真空中的波长，同时定义标度变量表示整个体系的大小变化，金属板间的距离则为l=al0.简单的几何关系给出原子与上金属界面距离以及原子与下金属界面距离的关系分别为l1=a(1-R)l0/2和l2=a(1+R)d0/2.在给定R后，就可以给出自发辐射率作为自变量为空间标度变量a的函数，由式(12)可得(13)2.3 结果分析在两平行平面金属板界面中填充折射率为n的电介质时，原子的自发辐射率公式由闭合轨道理论已经得出，其中标度变量a与原子到金属板界面的距离有关.因此，在R和折射率n给定时，根据式(13)就可以画出原子相对于金属界面在不同位置时相对自发辐射率随标度变量a的变化.现在令折射率n=1.49，原子相对位置分别为R=0，1/3，1/2，3/5，3/4，4/5时，画出图像如图8所示.(a) R=0(b) R=1/3(c) R=1/2(d) R=3/5(e) R=3/4(f) R=4/5图8 原子相对于金属界面在不同位置时相对自发辐射率随标度变量的变化(n=1.49).从图8可以看出，在图8(a)中辐射原子位于介质中点，辐射率表现为衰减的锯齿状振荡.图8(b)中原子距离上边的金属板为介质厚度的1/3，自发辐射率中一些高频振荡出现.余下的4幅图像显示，随原子距离上边金属板距离的增大自发辐射率中一些高频振荡逐渐增多，该周期振荡的中心是1.0，即为真空中的自发辐射率.在图中有许多峰出现，当R=0时，原子位于介质中点所以每个峰对应两个闭合轨道，当原子不在两个金属板的中间位置时，有一些峰的简并被解除，有一些被保留下来.3 结束语根据经典偶极天线的辐射情况，通过引入位置的标度变量，讨论了一个金属界面旁的原子自发辐射对激发态原子自发辐射率的影响，并将原子自发辐射率的结果在推广到两个金属界面旁的情况.研究表明，随着激发态原子位置的变化，自发辐射率呈现复杂的多周期振荡，辐射出的光子经界面反射后返回到原子上，与出射的光子相干,从而抑制或加速激发态原子的自发辐射.自发辐射率的振荡与光子的闭合轨道相对应，正是这种多周期的光子闭合轨道贡献的迭加，原子的自发辐射率呈现复杂的振荡特性.【相关文献】[1]Philpott M R. Fluorescence from molecules between mirrors [J]. Chem.phys.Leet, 1973, 19(3): 435-439.[2]Milonni P W,Knight P L. Spontaneous emission between mirrors[J]. mun, 1973, 9(2): 119-122.[3]Kleppner D. Inhibited spontaneous emission[J]. Phys.Rev.Lett, 1981, 47(4): 233-236.[4]Goy P, Raimond J M, Gross M,et al. Observation of cavity-enhanced single-atom spontaneous emission[J]. Phys.Rev.Lett, 1983, 50(24): 1903-1906.[5]Wang F H, Jin Y P, Gu B Y, et al. Application of closed-orbit theory to the spontaneousemission of atoms near a single dielectric interface[J]. Phys.Rev.A, 2005, 71(4): 044901-8.[6]Du M L, Wang F H, Jin Y P , et al. Oscillations in the spontaneous emission rate of atoms in a dielectric slab:Effects of photon closed orbits [J]. Phys.Rev.A, 2005,71(6): 065401-7.[7]Du M L,Delos J B. Effect of closed classical orbits on quantum spectra:Ionization of atoms in a magnetic field[J]. Phys.Rev.Lett, 1987,58(17): 1731-1733.。