【2017年整理】第一章 辐射理论.doc

第一章 辐射理论 辐射理论基本概念 一、光的本性——波粒二象性 1．人类对光本性的认识过程 粒子性：光的反射→光电效应 波动性：光的衍射、折射 P8 图1.1.4 杨氏双缝干涉 描述粒子特性的物理量 E, P 描述波动特性的物理量 ν，λ E=hν,P=h/λ 二、能级分布（玻尔兹曼分布） 原子有多个能级，每个能级上存在能量相同的多个态，即简并度。 玻尔兹曼分布： 式中f1，f2分别是E1，E2的统计权重 玻尔兹曼分布的意义 三、黑体辐射 绝对黑体（黑体）：能够吸收任何波长的电磁辐射的物体 热辐射或温度辐射 黑体辐射或平衡辐射 温度T恒定的黑体存在确定的辐射场 黑体辐射是黑体温度T和辐射场ν的函数，用单色能量密度ρν描述。 ρν定义为：在单位体积内，频率处于附近单位频率间隔中的电磁辐射能量 黑体辐射的普朗克公式为： 四、受激辐射和自发辐射 两能级系统 自发辐射 处于高能级E2的原子自发的向低能级E1跃迁，并发射一个能量为hν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。 自发跃迁几率A21定义： 单位时间内n2个高能态原子中自发跃迁的原子数与n2的比值。 可以证明：，是原子在能级E2的平均寿命。 A21也称自发跃迁爱因斯坦系数。只与原子本身特性有关，与辐射场无关。 受激吸收 处于低能级E1的原子，在频率为ν的辐射场作用下，吸收一个能量为hν的光子，并向高能级E1跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁。 受激吸收跃迁几率（定义）： W12也称受激吸收跃迁爱因斯坦系数。不仅与原子本身特性有关，而且与辐射场有关。 B12称受激吸收跃迁爱因斯坦系数。 受激辐射 高能级E2的原子在频率ν的辐射场作用下，向低能级E1跃迁，并发射能量hν的光子。 受激辐射跃迁的几率 B21称受激辐射跃迁爱因斯坦系数。 4．A21，B21，B12的关系 热平衡的空腔黑体中，满足1）热平衡黑体辐射；2）原子数按能级分布服从热平衡状态下玻耳兹曼分布；3）各能级粒子数恒定。可以得到： 当统计权重 作业： 1．名词解释和基本概念 自发辐射跃迁和自发辐射；受激辐射；受激吸收 2．P23页，第2题，第3题，第6题 第二节 谱线宽度和光谱线型 一、谱线加宽 由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率（E2-E1）/h附近一个很小的频率范围内，这就叫谱线加宽。 相应地，自发辐射功率不再集中在频率（E2-E1）/h上，应表示为频率的函数P(ν)，分布在ν-ν+dν范围的功率为P(ν) dν 总的功率 单一频率时： 谱线的线型函数： 线型函数的归一化条件： 时，为线型函数的最大值，在时下降至最大值的一半，即 称为谱线宽度 半高宽的概念 二、均匀加宽 如果引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，则这种加宽称作均匀加宽 1．自然加宽 在不受外界影响的情况下，受激原子并非永远处于激发态，它们会自发地向低能态跃迁，因而受激原子在激发态上具有有限的寿命，造成原子谱线的自然加宽。 自然加宽谱线具有洛仑兹线型： 其中，，称为自然加宽的谱线宽度。 时，线型函数的数值各为多少？ 2．碰撞加宽 气体：原子（或分子）无规则运动，当两个原子相遇（或处于足够接近的位置时），原子间的相互作用改变原来的运动状态。 晶体：相邻原子偶极相互作用而改变自己的运动状态。 弹性碰撞：不会减少激发态原子数目，但有可能使自发辐射波列发生无规相变，等效于原子寿命缩短。 非弹性碰撞：减少激发态原子数目，引起激发态原子寿命缩短。 碰撞加宽谱线也具有洛仑兹线型： 其中，，称为碰撞线宽。位平均碰撞时间 时，线型函数的数值各为多少？ 在激光工作物质是气体的情况下，均匀加宽来源于自然加宽和碰撞加宽，其线型函数称为均匀加宽线型函数 3．晶格振动加宽 晶格场及其对原子能级的影响 温度越高，谱线越宽 固体激光器中，晶格振动加宽是主要的加宽因素 三、非均匀加宽 原子体系中，每个原子只对与它表观中心频率相应的部分有贡献，可以区分谱线上某一频率范围是由哪一部分原子发射的。 表观中心频率！ 1．光学多普勒效应 原子发光中心频率为 原子相对于接收器以运动时，接收器测得的光波频率 取一级近似： 在光与原子相互作用的过程，原子中心频率为，原子沿着z方向以运动时，原子感受到的光波频率为 当与原子中心频率相同时，它们产生最大的相互作用，这时对应的光波频率 当沿光波传播方向时，； 当与光波传播相反时，； 称为原子的表观中心频率。 2．多普勒加宽 具有高斯函数形式 半高宽度为 用描述 3．晶格缺陷加宽 作业：1解释名词：谱线加宽 2．叙述谱线加宽的主要类型，以