当前位置：文档之家 › 第一章 第二节 受激辐射、受激吸收与自发辐射分析

第一章 第二节 受激辐射、受激吸收与自发辐射分析

  • 格式：ppt
  • 大小：328.50 KB
  • 文档页数：14

下载文档原格式

  / 14

合集下载

激光原理背诵版(整理)

激光原理背诵版(整理)
31.损耗系数a:光通过单位长度介质后光强减少的百分数。形成激光的决定性条件：增益系数大于损耗系数G≥a，只有当G≥a（增益系数大于损耗系数），光在谐振腔内才能被放大
32.激光器三要素：工作物质、泵浦源、光学谐振腔
33.工作物质：提供受激辐射的能级结构
34.泵浦源：将低能级粒子抽运到高能级，实现粒子数反转
激光原理重点汇整
第1章 电磁场和物质的共振相互作用
1.电磁场和物质的共振相互作用：自发辐射、受激辐射、受激吸收。在热平衡条件下，自发辐射为主，使受激辐射占优的前提是实现粒子数的反转分布。
2.自发辐射和受激辐射的区别：自发辐射是随机的，各光子之间无关联性，受激辐射是相干光（频率、相位、波失、偏振均相同）；自发辐射是非相干光，受激辐射是相干光；
30.共焦腔与稳定球面镜腔的等价性：任何一个共焦腔可以与无穷多个稳定球面腔等价，任何一个稳定球面镜腔只能有一个等价共焦腔。
31.已知球面镜腔的的R1、R2、L，求z1、z2、和f，z1=负的L(L-R2)除以[(L-R1)+(L-R2)]，z1=L(L-R1)除以[(L-R1)+(L-R2)]，f平方=负的L（L-R1）（L-R2）（L-R1-R2）除以[(L-R1)+(L-R2)]平方
11.气体激光物质：碰撞加宽+多普勒加宽，气压低时以多普勒加宽为主（非均匀加宽），气压高时以碰撞为主（均匀加宽）。
12.固体激光物质：晶格振动加宽+晶格陷阱加宽，参杂及缺陷少时以晶格振动加宽为主(均匀加宽)，低温下为非均匀加宽。
13.液体激光物质：碰撞加宽
14.常见均匀加宽激光工作物质：红宝石、YAG、二氧化碳（＞1330帕）、砷化镓
32.非稳腔：高功率即大能量输出的激光器常为非稳腔，非稳腔内存在一对共轭像点，从共轭像点发出的球面波是腔内的自再现模。

受激辐射 受激吸收与自发辐射

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

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

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。

1.4光的受激吸收以及爱因斯坦三系数关系3受激吸收受激吸收

1.4光的受激吸收以及爱因斯坦三系数关系3受激吸收受激吸收
q激 (t ) c3 c3 1 ' 10 10 5 10 10 5 10 q自(t ) 8h 3 8h 3 20000
讨 论
思
•考Leabharlann 在各种光源中是否存在受激吸收？是什么 作用？
A21、B21、B12三个系数的关系
绝对黑体空腔内的原子系统中，单色辐射能量密度同时 满足普朗克公式
8h 3 1 A21 1 h h 3 kT c B B g 21 e 1 12 1 e kT 1 B21 g 2
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:
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
n2 g 2 e n1 g1 E2 E1 kT
E1能级总粒子数密度的百分比。
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
在光和原子相互作用达到热平衡的绝对黑体空 腔内的原子系统中，如果单色辐射能量密度为 ，则有如下关系
A21n2dt B21 n2dt B12 n1dt
自发辐射光子数 受激辐射光子数 受激吸收光子数
从E1经受激吸收跃迁到E2具有一定的跃迁速率则有
讨 论
dn2 B12 n1dt
式中的
（1.3.10）

为外来光的光场单色能量密度，即受激吸收跃迁速率与
外来光的光场单色能量密度成正比。 其他参数意义同自发辐射：n1为某时刻低能级E1上的原子数密度（即

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
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

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。
解
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

1.4光的受激吸收以及爱因斯坦三系数关系3受激吸收受激吸收


关系为
A21 8 3h 3 B21 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 ) A21Biblioteka 受激辐射的光功率体密度可表示为
q激 (t ) h n2 (t ) B21
受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度之比为
q激 (t ) c3 c3 1 ' 10 10 5 10 10 5 10 q自(t ) 8h 3 8h 3 20000
讨 论
思
•
考
在各种光源中是否存在受激吸收？是什么 作用？
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
n2 g 2 e n1 g1 E2 E1 kT
单位体积中的原子数），dn2表示在dt时间间隔内由E1受激吸收跃迁
到E2的原子数，“－”被去除表示E2能级的粒子数密度增加。
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 1 dn2 W12 B12 （1.3.11） n1 dt 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 为受激吸收跃迁到E2能级上的粒子数密度占处于
讨 论
上两个式子是爱因斯坦系数之间的基本关

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。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

dn21 dt sp

A21n2
自发辐射几率
A 自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）： 21
A21

1
S
原子在能级 E2 的平均寿命
只与原子本身性质有关，与辐射场无关
普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程 为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、 振动方向、相位不一定相同——为非相干光。
§1.2 受激辐射、受激吸收与自发辐射
光的受激辐射概念的产生
普朗克——1900年，辐射量子化假设； 爱因斯坦——1905年，光电效应；
波尔——1913年，Borr 提出量子化原子模型； 爱因斯坦——1917年，提出受激辐射概念。
波尔原子模型
1913 年，N. Bohr 提出了他的原子量子论中极为重要的两个 假定： ⑴ 原子能够，而且只能够稳定地存在与分立的能量
后来，索末菲将玻尔的量子化条件推广到多自由度体系的周
期运动中去，提出了推广的量子化条件：
pdq nh
(8)
q 是广义坐标，p 是广义动量。回路积分是沿运动轨道积分一
圈，n 是正整数，称为量子数。
波尔原子模型
跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。
吸收跃迁： 低 吸收能量 高 辐射跃迁： 高 辐射能量 低


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
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
相干光源---激光
3. 受激吸收
E2
h
E1
吸收前
吸收后
dn12 dt
st
W12n1
受激吸收跃迁几率 W12 B12
与原子本身性质和辐射场能量密度有关
B12 ：受激吸收跃迁爱因斯坦系数
只与原子本身性质有关
当光与原子相互 作用时，总是同 时存在这三种过 程!
§1.2.2 爱因斯坦三系数的相互关系
波尔原子模型
原子中的电子具有确定的分立轨道. “确定”:经典； ”分立”:量子。
定态的轨道如何确定？
h nm En Em
波尔原子模型
为了确定电子的轨道，即分立能量相应的定态，玻尔根据对
应原理，提出了量子化条件，即电子运动的角动量是量子化的
J n
n 1,2.......
(7)
其中 h / 2 1.0545 *10 34 J S 。
(E1,E2,……)相应地一系列状态中。这些状态称为定态。 ⑵ 原子在两个定态（分别属于 En 和 Em，设 En>Em）跃迁
时， 发射或吸收的电磁辐射的频率υ由下式给出：
h En Em （频率条件）
简言之，Bohr 量子论的核心思想有两条： 原子的具有分立能量的定态概念， 两个定态之间的量子跃迁概念和频率条件。
2. 受激辐射
E2
h
E1 发光前
h h
发光后
当外来光子的频率满足h E2时 E，1使原子中处于高能级 的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。
dn21 dt st
W21n2
受激辐射跃迁几率 W21 B21
与原子本身性质和辐射场能量密度有关
B21 ：受激辐射跃迁爱因斯坦系数 只与原子本身性质有关
v

A21 B21
(B21 f2
/
B12
1
f1) exp( h
/ kBT ) 1
与Planck公式比较


8 h 3
c3


1
h
e KT 1

A21 B21

8 h 3
c3

n h

B12 f1 B21 f2
f1 f2


B12 B21 W12 W21
（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
E2
n2 E2
n2
h
E1
n1
E1
n1
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:
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