-光的受激辐射

1、华中科技大学武昌分校2系光信教研室1.2 光的受激辐射基本概念光的受激辐射基本概念一、光的受激辐射概念的产生一、光的受激辐射概念的产生普朗克普朗克1900年，辐射量子化假设；年，辐射量子化假设；波尔波尔1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；年，原子中电子运动状态的量子化假设；爱因斯坦爱因斯坦1917年，提出受激辐射概念。年，提出受激辐射概念。1. 黑体辐射的黑体辐射的Planck公式：公式：任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。黑体：黑体：能够完全吸收任何波长能够完全吸收任何波长 的电磁辐射的物体。的电磁辐射的物体。空腔辐射体空腔辐射体华

2、中科技大学武昌分校2系光信教研室热平衡状态：热平衡状态：黑体吸收的辐射能量黑体吸收的辐射能量 黑体发出的辐射能量黑体发出的辐射能量 单色能量密度单色能量密度 ：dEdVd Planck辐射能量量子化假说：辐射能量量子化假说：黑体辐射黑体辐射Planck公式：公式：33811hKThnEce 热平衡状态下，黑体辐射分配热平衡状态下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量到腔内每个模式上的平均能量1hKThEe 腔内单位体积中频率处于腔内单位体积中频率处于 附近附近单位频率间隔内的光波模式数单位频率间隔内的光波模式数338PnVdc 华中科技大学武昌分校2系光信教研室2. 跃迁：跃迁：跃迁：跃迁：

3、原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。吸收跃迁：吸收跃迁： 低低吸收能量吸收能量高高12hEE 辐射跃迁：辐射跃迁：高高辐射能量辐射能量低低（自发辐射）（自发辐射）华中科技大学武昌分校2系光信教研室3. 受激辐射：受激辐射：爱因斯坦爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，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。到热平衡，还必须存在受激辐射。二、自发辐射、受激吸收和受激辐射二、自发辐射、受激吸收和受激辐射1. 自发辐射自发辐射2E1E发光前发光前h发

4、光后发光后21hEE 华中科技大学武昌分校2系光信教研室普通光源普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程（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、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、相位不一定相同振动方向、相位不一定相同为为非相干光非相干光。自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：21A211SA 原子在能级原子在能级 的平均寿命的平均寿命2E只与原子本身性质有关，与辐射场无关只与原子本身性质有关，与辐射场无关华中科技大学武昌分校2系光信教研室2. 受激吸收受激吸收2E1E吸收前

5、吸收前h吸收后吸收后21hEE 受激吸收跃迁几率：受激吸收跃迁几率：1212WB 12B：受激吸收跃迁爱因斯坦系数：受激吸收跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关华中科技大学武昌分校2系光信教研室2E1E发光前发光前hh发光后发光后h21hEE 3. 受激辐射受激辐射当外来光子的频率满足当外来光子的频率满足 时，使原子中处于高时，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。能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。21hEE 21B：受激辐射跃迁爱因斯坦系数：受激辐射跃迁爱因斯坦系数只

6、与原子本身性质有关只与原子本身性质有关受激辐射跃迁几率：受激辐射跃迁几率：2121WB 与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关华中科技大学武昌分校2系光信教研室三、爱因斯坦三系数三、爱因斯坦三系数 的相互关系的相互关系212112ABB、热平衡状态：热平衡状态：辐射率辐射率 吸收率吸收率 （辐射场总光子数保持不变）（辐射场总光子数保持不变）玻尔兹曼统计分布：玻尔兹曼统计分布：221221112n An Bn B各能级上的原子数密度（集居数密度）各能级上的原子数密度（集居数密度）123nnn、 、21()2211EEKTnfenf 12ff、能级能级 和和 的简并度

7、，的简并度， 或称统计权重或称统计权重1E2E华中科技大学武昌分校2系光信教研室21211121212/( ,)hKTABTB feB f 12ff 122112213212138BBWWhABc 与与Planck公式比较公式比较33811hKThce 3213211212128Ahn hBcB fB f 华中科技大学武昌分校2系光信教研室结论：结论：1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。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

8、由自发辐射补偿。正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。四、受激辐射的相干性四、受激辐射的相干性自发辐射：自发辐射：相互独立、互不相关。相互独立、互不相关。受激辐射：受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的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）。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。受激辐射光子与入射光子属同一光子态。3. 自发辐射的出现随自发辐射的出现随 而增大，故波长越短，而增大，故波长越短， 自发辐射几率越大。自发辐射几率越大。3 不相干不相干相干光相干光华中科技大学武昌分校2系光信教研室总结总结自发辐射、受激吸收、受激辐射自发辐射、受激吸收、受激辐射含义、特点、相互区别、相互关系含义、特点、相互区别、相互关系受激辐射的相干性受激辐射的相干性掌握：掌握：爱因斯坦三系数爱因斯坦三系数的相互关系及所得结论的相互关