第21讲 光的吸收、受激辐射与自发辐射

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。

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。

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§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。

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。