第二章晶体的结合课件

1、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

2、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,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,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。,单色能量密度公式,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（Nie

3、ls 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

4、，粒子数密度分别为n2和n1,n2,n1,E2,E1,n2,n1,E2,E1,自发辐射,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,描述自发辐射跃迁几率A21(或叫自发跃迁爱因斯坦系数),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。,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

5、吸收,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,描述受激吸收跃迁几率W12,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,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,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

6、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,描述受激辐射跃迁几率W21,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。,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入你的大脑,自发辐射跃迁,受激吸收跃迁,受激辐射跃迁,三、爱因斯坦系数间的关系,1、黑体热平衡状态下的标志,腔内原子数满足玻耳兹曼分布,单色能量密度公式,n2和n1应保持不变(吸收跃迁数=发射跃迁数),或：

7、,三、爱因斯坦系数间的关系,2、爱因斯坦系数间的关系,特例：当f1=f2时，有：,四、受激辐射的相干性,1、受激辐射光与自发辐射光的区别,受激辐射光是相干光， 自发辐射光是非相干光。,2、造成两种辐射光区别的理论解释,爱因斯坦的唯象理论由于不涉及 原子发光的具体物理过程，故而 无法解释。,Im sorry!,量子电动力学的解释,量子电动力学可以证明：,受激辐射是在外界辐射的控制下产生的，受激辐射光子与激励的入射光子是同一光子态的，具有相同的频率、相位、波矢、偏振态。大量原子在同一辐射场激发下产生同一光子态或同一光波模式的光子，因而是相干的。,四、受激辐射的相干性,量子电动力学的解释,自发辐射不

8、受外界辐射场的影响，是自发的，大量原子的自发辐射光子具有各自不同的频率、相位、波矢、偏振态，呈无规则、随机的分布。自发辐射光平均地分配到腔内所有的模式上，而不属于同一光子态或同一光波模式，因而是非相干的。,四、受激辐射的相干性,四、受激辐射的相干性,激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation缩写为Laser，它表示“受激辐射的光放大”。,激光是20世纪的 四项重大的发明之一,激光的产生机制,方向性好 亮度高 单色性好 相干性好 这些特性决定了激光在许多领域的广泛应用： 军事、信息技术、光通信、医学、工业加工、科学研究,四、受激辐射的相干性,激光的特性,五、三种过程的说明,三种过程同时存在，只是有强弱差别； 热平衡情况下受激辐射和自发辐射比较：,T=1500K,l=500nm 空腔,热平衡状态下，受激辐射光强极其微弱，自发辐射占绝对优势