激光原理第一章1.2.ppt

太 原 理 工 大 学 物理与光电工程学院 太原理工大学物理与光电工程学院 太 原 理 工 大 学 理 学 院 物 理 系 第二节 光的受激辐射基本概念 黑体辐射的普朗克公式 光与物质原子相互作用的三种过程 受激辐射的相干性 三种过程的说明 光和物质的共振相互作用 尤其是受激辐射过程是激光器的物理基础 一、黑体辐射的普朗克公式 1、热辐射的基本概念 热辐射：处于某一温度T的物体能够发出和吸收电磁辐射，这种辐射因与温度T有关，故称为热辐射或温度辐射. 绝对黑体：如果某一物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射，称此物体为绝对黑体，简称黑体。 （3）黑体辐射：黑体处于某一温度T的热平衡情况下，则它所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，及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。 2、描述黑体辐射的典型物理量 ①单色能量密度 ：单位体积内，频率 处于 附近单位频率间隔内的电磁辐射能 量，它是频率和温度的函数。 为了从理论上解释实验测得的黑体辐射单色能量密度 的分布规律，人们从经典物理学出发所作的一切努力都归于失败。 普朗克提出了与经典概念完全不相容的辐射能量量子化假设，并在此基础上成功地得到了与实验相符的黑体辐射普朗克公式。 3、黑体辐射的普朗克公式 ①在热力学温度为T的热平衡状态下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量公式。 ③单色能量密度公式 ②模密度公式 二、光与物质原子相互作用的三种过程 在普朗克（Max Planck）以及玻尔（Niels Bohr）的工作基础上，爱因斯坦于1917年发表了《关于辐射的量子理论》，从光量子概念出发，提出了两个极为重要的概念：受激辐射和自发辐射。 受激辐射的概念是激光理论的核心基础，激光的诞生正是以此为基石的。 爱因斯坦于1905年提出光量子说来解释光电效应，即认为光是一束以光速运动的粒子流，每一个光粒子都携带着一份能量 激光理论之父 — 爱因斯坦 二、光与物质原子相互作用的三种过程 爱因斯坦从辐射与原子相互作用的量子论观点出发提出：辐射场（光）与物质原子相互作用应包含原子的自发辐射跃迁、受激吸收跃迁和受激辐射跃迁三种过程。 说明:与这三种相互作用过程相关的是物质原子的两个能级， 能量分别为E2和E1，粒子数密度分别为n2和n1 n2 n1 E2, E1, n2 n1 E2, E1, 自发辐射 ⑴定义：处于高能级E2的一个原子自发地跃迁到E1上, 并发射出一个能量为 的光子的过程。 自发辐射光 二、光与物质原子相互作用的三种过程 ⑵描述——自发辐射跃迁几率A21(或叫自发跃迁爱因斯坦系数) ①定义： 单位时间内n2个高能态原子中 发生自发跃迁的原子数与n2的 比值。 ②特点： a、A21只取决于原子本身的性质，与辐射场 无关。 b、A21实际上是原子在能级E2上的平均寿命 的倒数， 即原子在E2能级的平均寿命越短，则自发跃迁几率越高。 二、光与物质原子相互作用的三种过程 自发辐射 n2 n1 E2, E1, 受激吸收 ⑴定义：处于低能级E1上的一个原子,在频率为 的辐射 场激励下,吸收一个能量为 的光子并向E2能 级跃迁的过程。 入射光 二、光与物质原子相互作用的三种过程 ⑵描述——受激吸收跃迁几率W12 ①定义： 单位时间内低能级E1 上的n1个原 子中发生受激吸收跃迁到E2上的 原子数与n1的比值。 受激吸收 :受激吸收跃迁爱因斯坦系数 ②特点： 受激吸收跃迁与自发辐射跃迁不同，W12既与原子本身 的性质有关，又与辐射场 成正比。即: 二、光与物质原子相互作用的三种过程 n2 n1 E2, E1, 受激辐射 ⑴定义：处于高能级E2上的一个原子,在频率为 的辐射 场激励下,跃迁至低能级E1并辐射出一个能量为 的光子的过程。为受激吸收跃迁的反过程。 入射光 入射光 受激辐射光 二、光与物质原子相互作用的三种过程 ⑵描述——受激辐射跃迁几率W21 ①定义： 单位时间内n2个高能态原子中发 生受激跃迁的原子数与n2的比值。 ②特点： W21既与原子本身的性质有关，又与辐射场 成正 比。即: :受激辐射跃迁爱因斯坦系数。 二、光与物质原子相互作用的三种过程 受激辐射 二、光与物质原子相互作用的三种过程 请把这三幅图永远刻