华中科技大学第2讲：认识激光-爱因斯坦唯像理论-朱晓

光电子学导论第2讲：认识激光----爱因斯坦唯像理论主讲人：朱晓2014-02认识激光（激光是如何产生的？）激光原理与技术英文名称：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation---------LASER中文名称：受激辐射的光放大---简称激光激光是如何产生的？第一节普朗克黑体辐射第二节爱因斯坦唯像理论第三节对爱因斯坦唯像理论的修正第四节激光器速率方程理论激光原理与技术黑体辐射与普朗克公式黑体：一个物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射，则称此物体为绝对黑体或黑体。自然界中不存在绝对黑体，而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近似。黑体辐射：当黑体处于某一恒定温度的热平衡状态，它吸收的电磁辐射和发射的电磁辐射完全相等，即处于能量平衡状态，这将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。第一节普朗克黑体辐射激光原理与技术普朗克公式：光波模式的概念？激光原理与技术激光原理与技术在自由空间，具有任意波矢的单色波都可以存在，但是当光被约束在有限空间,其本征模式不同于平面单色波,在一个有界的空间V内，只有一系列特定的平面单色驻波存在。光波模式的概念？在空腔为的立方体内，满足驻波条件：相邻模的间隔为：每个模式在空间占有的体积元为：激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术光子态与光波模式是电磁场运动状态描述的两种等效提法，是两种等效的物理概念；相格的空间体积以及一个光波模式或光子态占有的空间体积都等于相干体积；属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，而不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的。验证了光子假说的正确性。平衡态时，空腔中的模式是固定的。再次说明同一模式的光子是相干的。为爱因斯坦唯像理论奠定了基础。激光原理与技术普朗克黑体辐射公式的意义第二节爱因斯坦唯像理论激光原理与技术自发辐射---（Spontaneousemission）激光原理与技术受激吸收（StimulatedAbsorption）激光原理与技术激光原理与技术受激辐射（StimulatedEmission）激光原理与技术－单色能量密度(J·m-3·s)受激吸收几率W12受激辐射几率W21自发辐射几率A21激光原理与技术二、爱因斯坦关系式－A21

、B21

和B12的关系爱因斯坦关系热平衡黑体辐射公式玻尔兹曼分布模密度n

黑体辐射分配到腔内每个模式的平均能量f1=f2说明：1、上述三种过程同时存在只是强弱存在差别。2、在热平衡状态下两种辐射的比较（自发辐射和受激辐射）：自发辐射占绝对优势。3、自发辐射的光子可作为受激吸收和受激辐射的诱导光子4、自发辐射的光子相位无规则分布因而不具有相干性；受激辐射的光子与入射光子具有相同光子态。激光原理与技术激光原理与技术激光原理与技术受激辐射的相干性自发辐射和受激辐射的区别是什么？自发辐射发出的光子在相位、传输方向、偏振方向等特性上是无规则的，即平均分配在腔内可能稳定存在的所有的电磁场模式上；受激辐射则是受到外加电磁场激发而产生的过程，由量子电动力学可以严格证明受激辐射光子与入射光子属于同一光子态，即具有相同的频率、相位、波矢和偏振等特性。按照经典原子模型，将原子看作简谐振动的电偶极子，自发跃迁是原子中电子的自发阻尼振荡，因此每个原子的自发跃迁互相之间没有关联；而受激辐射可以看作电子在外加光场作用下做受迫振动，其振荡频率、相位、方向等与外加光场一致。