激光原理师范课件

1900年1917年普朗克

用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射分布规律；波尔

提出原子中电子运动状态量子化假设;爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射的普朗克公式，首先提出受激辐射概念。引言1913年一、黑体热辐射绝对黑体：能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为绝对黑体，绝对黑体又称黑体，在自然界中绝对黑体是不存在的，因此绝对黑体是一种理想模型。

空腔辐射体是一个比较理想的绝对黑体。

平衡的黑体热辐射：辐射过程中始终保持温度T不变。1绝对黑体辐射场用单色辐射能量密度来描述。单色辐射能量密度

定义：辐射场中单位体积内，频率在v附近的单位频率间隔中的辐射能量：

在量子假设的基础上，由处理大量光子的量子统计理论得到真空中单色辐射能量密度与温度T及频率v之间的关系，即为普朗克黑体辐射的单色辐射能量密度公式式中k为玻尔兹曼常数。一、黑体热辐射单色辐射能量密度2（1.3.1）（1.3.2）不同温度下黑体辐射的单色辐射能量密度对频率的曲线

1000K2000K3000K4000K012345n(1014Hz)一、黑体热辐射黑体热辐射曲线二、光与物质的作用任何粒子的辐射光和吸收光的过程都是与原子的能级之间的跃迁过程联系在一起的。光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射受激辐射受激吸收这三种过程总是同时存在，紧密联系。粒子数反转激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激光器内产生并占主导地位而抑制自发辐射。二、光与物质的作用自发辐射：高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为的光子。自发辐射的特点：

各列光波频率相同，但振动方向不同，相位不同，传播方向不同，所以是非相干光。二、光与物质的作用1.自发辐射发光前发光后二、光与物质的作用1.自发辐射自发辐射的光功率密度自发辐射跃迁速率方程自发辐射系数自发辐射过程中E2能级粒子数变化规律自发辐射平均寿命讨论假定t时刻E2能级的原子数密度为n2，那么经过t-t+dt后自发跃迁到E1能级的原子数密度为

dn2表示在t时刻dt时间间隔内由E2自发跃迁到E1的原子数密度，“－”表示E2能级的粒子数密度减少。改写上式有1.自发辐射自发辐射跃迁速率方程1（1.3.3）称为爱因斯坦自发辐射跃迁速率方程。A21称为爱因斯坦自发辐射系数，简称自发辐射系数，它是粒子能级系统的特征参量。即对应每一种粒子的两个能级就有一个确定的A21值。由上述定义爱因斯坦自发辐射系数可表示为物理意义是：某一t时刻单位时间内，发生自发辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的百分比。A21是每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生自发跃迁的几率。

1.自发辐射自发辐射系数（1.3.4）21.自发辐射

解上述方程得：

式中n20为t=0时处于能级E2的原子数密度。（1.3.5）自发辐射过程中E2能级粒子数变化规律3由全部原子完成自发辐射跃迁所需时间之和对原子数平均，可以得到自发辐射平均寿命。它等于原子数密度由起始值降低到1/e所用的时间，用表示1.自发辐射

即能级寿命等于自发跃迁几率的倒数。（1.3.6）如果高能级En

可以跃迁到m个低能级Em上，设高能级En跃迁到Em的跃迁几率为Anm，则激发态En的自发辐射平均寿命为：（1.3.7）自发辐射平均寿命41.自发辐射若一个光子的能量为，某时刻激发态的原子数密度为n2（t），则该时刻自发辐射的光功率密度（W/m3）为：自发辐射的光功率密度5举例-普通光源普通光源（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、振动方向、相位不一定相同——为非相干光。普通光源向四面八方辐射,光线分散到4球面度的立体角内。特点：多波长、任意方向、不相干。受激辐射：当受到外来的能量的光照射时，高能级E2上的原子受到外来光的激励作用向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。发光前发光后2.受激辐射当外来激励光子能量为高低两能级能量差为

时，才能发生受激辐射。受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同，即：频率、相位、偏振方向和传播方向完全一样，因此受激辐射的光与外来辐射的光具有相干性。受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同可以在量子电动力学中得到证明。2.受激辐射2.受激辐射受激辐射跃迁速率方程与受激辐射系数。受激辐射几率。讨论（1）受激辐射跃迁速率方程与受激辐射系数原子从E2经受激辐射跃迁到E1具有改写上式有

（1.3.8）式称为爱因斯坦受激辐射速率方程，式中的为外来光的光场单色能量密度，即受激辐射跃迁速率与外来光的光场单色能量密度成正比。B21称为爱因斯坦受激辐射系数，简称受激辐射系数。它是原子能级系统的特征参量。2.受激辐射讨论（1.3.8）受激辐射（跃迁）几率W21定义为则有受激辐射的跃迁几率的物理意义为：单位时间内，在外来单色辐射能量密度为的光照下，E2能级上发生受激辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的百分比。（2）受激辐射几率2.受激辐射（1.3.9）讨论举例-激光激光是光的受激辐射。激光的特点：单色性好,方向性强，相干性好，亮度高。基本沿某一条直线传播,通常发散角限制在10-6球面度量级的立体角内。自发辐射与受激辐射比较注意1：自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色辐射能量密度的乘积。注意2：当受激辐射系数B21一定时，外来光的单色辐射能量密度越大，受激辐射几率越高。注意3：受激辐射与自发辐射极为重要的区别在于相干性。小结理解：黑体辐射的普朗克公式掌握:

1.自发辐射、受激辐射含义、特点、规律及相互区别

2.受激辐射的相干性课后查阅学习1.查阅《量子力学》或《热力学与统计物理》教材，了解1900年普朗克，如何用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射分布规律。2.查阅学习受激吸收。

学习提要：受激吸收的定义受激吸收跃迁速率与受激吸收系数受激吸收几率

3

受激吸收受激吸收：处于低能级E1的原子受到外来光子（能量）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。吸收前吸收后3

受激吸收（1）受激吸收跃迁速率与受激吸收系数（2）受激吸收几率讨论从E1经受激吸收跃迁到E2具有一定的跃迁速率则有式中的为外来光的光场单色能量密度，即受激吸收跃迁速率与外来光的光场单色能量密度成正比。其他参数意义同自发辐射：n1为某时刻高能级E1上的原子数密度（即单位体积中的原子数），dn2表示在dt时间间隔内由E1受激吸收跃迁到E2的原子数，“－”被去除表示E2能级的粒子数密度增加。B12称为爱因斯坦受激吸收系数，简称受激吸收系数。（1）受激吸收跃迁速率与受激吸收系数3.受激吸收讨论（