1-3輻射理論概要與激光產(chǎn)生的條件-光的受激輻射_百(精)

1、13.1黑體熱輻射7 3光的受激輻射第_章輻射理論激光產(chǎn)生的條件1.絕對(duì)黑體又稱黑體：某一物體能夠完全吸收任何波長(zhǎng)的電磁輻射。自 然界中絕對(duì)黑體是不存在的2.空腔輻射體是一個(gè)比較理想的絕對(duì)黑體3平衡的黑體熱輻射：輻射過程中始終保持溫度 T 不變第一尹|上一才|矽茄無|廠一無|矽茨無|回目錄1. 3.1黑體熱輻射單色輻射能量密度幾: 頻率間隔中的輜射能量7 3光的受激輻射第_章輻射理論概臂激光產(chǎn)生的條件4.輻射能雖密度公式軸射場(chǎng)中單位體積穴，頻率在附近的單位dcodcoPv_ dVdi由處理大量光子的量了統(tǒng)計(jì)理論得到貞空中幾在臺(tái)了假設(shè)的星礎(chǔ)上，與溫度 T 及頻率的關(guān)系，即為悴朗克黑體輻射的單色輻

2、射能雖密度公式8/?v v5 5幾=式中 k 為波爾茲曼常數(shù)。C總槁射能雖密度:-1第 章上一頁(yè)回首頁(yè)下一頁(yè)回末頁(yè)回目錄第一尹|上一無|回茄劉廠 無|回末頁(yè)回目錄1.3.2光和物質(zhì)的作用自發(fā)輻射光與物質(zhì)的相互作用有三種不同的肚本過程：受激輻射 受激吸收口發(fā)輜射的特點(diǎn)： 備個(gè)原子所發(fā)的光向空間各個(gè)力向傳播， 足非相十光。圖(1-6)夜示自發(fā)編対的過咅 U巾-E2對(duì) J：人雖原子統(tǒng)計(jì) V 均來說，從 E2 經(jīng)口發(fā)輻射躍遷到 E1 具有一定的躍遷速率。仞_1_JL_ 5- -dndn2 2= = A Alxlxn n2 2dtdt圖(16口發(fā)輻射式中“一”表示 Eg 能級(jí)的粒子數(shù)密度減少：A?稱為愛

3、 I 人 I 斯坦口發(fā)輸射系數(shù),簡(jiǎn)稱口發(fā)輻射系數(shù)。心 1 的物理意義為：能級(jí)總粒子數(shù)密度的帀分比。即每個(gè)處于 Eg 能級(jí)的粒了在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的白發(fā)躍遷幾率。上方程的解為：“2=J 式中20 為 t 二 0 時(shí)處于能級(jí) Eg 的原子數(shù)密度。H 發(fā)輻射的平均壽命丁 ：原了數(shù)密度由起始值降至它的 1/e 的時(shí)間T= 1/対己知 A21，可求得單位體積內(nèi)發(fā)出的光功率。若一個(gè)光子的能量為加,某時(shí) 刻激發(fā)態(tài)的原子數(shù)密度為 r)2(t),則該時(shí)刻口發(fā)輛射的光功率密度(W/m3)為:21(0 =n2t)A2xhv1.自發(fā)輻射H發(fā)輻射： 高能級(jí)的原子 H發(fā)地從高能級(jí)E?向低能級(jí)躍遷,量為2 = 6- d 的光

4、了。第一尹I上一無I回茄劉廠 無|回末頁(yè)回目錄1. 3. 2光和物質(zhì)的作用dndnA Azz = =- -n n2 2dtdt上式可73光的受激輻射第_章輻射理論概臂激光產(chǎn)生的條件73光的受激輻射第_章輻射理論Jp激光產(chǎn)生的條件I第一章上一無I矽茄無I下一頁(yè)矽茨無|回目錄13. 2光和物質(zhì)的作用7 3光的受激輻射第_章輻射理論激光產(chǎn)生的條件7 3光的受激輻射第_章輻射理論概葺激光產(chǎn)生的條件乙受激輻射(1)受激輜射：高能級(jí) E2 上的原子當(dāng)受到外 6 來能晝& = “ -E的光照射時(shí)向低能級(jí) E 躍遷，同時(shí)發(fā)射個(gè)與外來光子完金和同的 光子，如圖(1-8)所示。m*A/z*hvhvJAz*

5、hvhv-/; m- -圖(1-8光的受激輛射過程(2)受激輻射的特點(diǎn)：A 只有爪,=E2-,當(dāng)時(shí)，才能發(fā)生受激輻射受激輻射的光子與外來光子的特性一樣，如頻率、位相.偏振和傳播方向(3)同理從 E2 經(jīng)受激輜射躍遷到曰貝仃定的躍遷速率，在此假設(shè)外來光的光 場(chǎng)單色能量密度為 P 則有：(一如2= =K Klln nzPvzPvdtdt 式中的參數(shù)意義同口發(fā)軸射 B21 稱為愛 I 人 I 斯坦受激輻射系數(shù)，簡(jiǎn)稱受激輛射系數(shù)|第一章上一無|矽茄無|下一頁(yè)矽茨無|回目錄1. 3. 2光和物質(zhì)的作用(4)令 W21=% % PvPv 貝 U 有:21 = 3“PFPF一 Tndnd則 W2i(即受激輻

6、射的躍遷兒率)的物理意義為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，在外來單 色能量密度為幾的光照卜，Ez 能級(jí) I發(fā)住受激輻射的粒子數(shù)密度占處 于 E 2 能級(jí)總粒子數(shù)密度的帀分比。(5)注意：H 發(fā)輻射躍遷幾率就是 H 發(fā)輻射系數(shù)木豺，而受激輻射的躍遷幾率 決怎丁受激輜射系數(shù)與外來光單色能量密度的乘積。I第一章上一無I矽茄無I下一頁(yè)矽茨無|回目錄第一尹|上一頁(yè)呵滬才|廠一列回末頁(yè)回目錄13. 2光和物質(zhì)的作用7 3光的受激輻射第_章輻射理論激光產(chǎn)生的條件3.受激吸收(1)處于低能級(jí) E 的原子受到外來光子(能叫屋& =V/=；2-d)的刺激作用，完全吸 收光子的能雖f 而躍遷到高能級(jí) E2 的過程。如圖(1-

7、9)所示。叫d小-&圖光的受激吸收過程(2)同理從 E經(jīng)受激吸收躍遷到 E2 具有一足的躍遷速率，任此假設(shè)外來光的光 場(chǎng)單色能量密度為且低能級(jí)呂的粒子數(shù)密度為 n”則有：dndn2 2= = R Rn nn nx xp pv vdtdt式屮 B12 稱為愛因斯坦受激吸收系數(shù)(3)同理令 =B B則有： = 異嚴(yán)-如/n.dtn.dt則 W】2(即受激吸收幾率)的物理意義為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，在外來單色能量密度幾的、 光照下，由&能級(jí)躍遷到耳能級(jí)的粒了數(shù)密度山 H 能級(jí)上總粒子數(shù)密度的百分比。第一尹|上一頁(yè)呵滬才|廠一列回末頁(yè)回目錄7 3光的受激輻射第_章輻射理論概葺激光產(chǎn)生的條件3.

8、3自發(fā)輻射.受激輻射和受激吸收之間的關(guān)系1 金光和原子相互作用達(dá)到動(dòng)丫衡的條件下，有如卜關(guān)系:A A2l2ln n2 2dfdf + +宀山=-fl發(fā)輛射光子數(shù)受激輛射光子數(shù)受激吸收光子數(shù)由波爾茲曼分布定律可知：f fft y= 丁齊 _將代入得:+ A%)邑“ =B B“p p 瞥SiSi由此可算得熱平衡空腔的單色輻射能量密度P.P.為：STTHv vJ% -1第一尹|上一頁(yè)呵滬才|廠一列回末頁(yè)回目錄第一章I上一園矽眾刮廠一無|回末頁(yè)回目錄73光的受激輻射第_章輻射理論概臂激光產(chǎn)生的條件7 3光的受激輻射第_章輻射理論激光產(chǎn)生的條件將上式與第 T Vf 中由普朗克理論所得的黑體單色輻射能屋密度公式比較町得：A 218 8 刃 2 2&竝=程比 1 -式和式就是愛因斯坦系數(shù)間的早木關(guān)系，雖然是借助空腔熱平衡這一 過程得出的，但它們普遍適用。2.如果幻=肌，則有嘰=53 3在折射率為的介質(zhì)中，式應(yīng)改寫為:嚴(yán) “21第一章I上一園矽眾刮廠一無I回末頁(yè)回目錄1. 3.4自發(fā)輻射光功率與受激輻射光功率1.某時(shí)刻自發(fā)輻射的光功率體密度q(q(2 舁 2心 同理,受激輻射的光功率體密度山)比 4 4受激輜射光功率體密度與自發(fā)輜射光功率體密度之比為:%(門hnhn2 2(t)B(t)Bu up pv vB B2X2Xp pv vC-= =-= = =p p你(F)h h v