第十七课二激光前言一自发辐射与能级寿命二.ppt

* 首 页 上 页 下 页 退 出 * 第十七章 (二)激 光 前 言 （一）自发辐射与能级寿命 （二）受激辐射和吸收 （三）粒子数反转 （四）光学谐振腔 （五）纵膜与横模 （六）激光的应用 前 言 一、 激光(Laser) 全名是 “辐射的受激发射光放大” (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) 1917年，爱因斯坦在他的辐射理论中预言有受激发射的存在。 1964年钱学森建议使用“激光”。 ·1961年9月我国第一台激光器问世。 激光器是从微波量子放大器发展而来。 1960年，梅曼（Maiman) 成功制成第一台红宝石激光器。同年， 雅文（Javan）又制成了氦氖激光器。 二、特点： 三、种类： 四、波长： 极紫外──可见光──亚毫米 (100 nm） （1.222 mm） 单色性极好（??～10 – 8A0，即2×10-9nm） 方向性极好（发散角～10 -4弧度，若D=2cm，月-地光斑几百米。1962年—红宝石激光器） 亮度极好（脉冲功率～10 14瓦，太阳表面亮度的1010倍） 相干性极好 （相干长度达102Km） 按工作物质分 固体（如红宝石Al2O3） 液体（如某些染料） 气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs） 按工作方式分 连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达1014 W ） （一）自发辐射与能级寿命 处于高能级的原子是不稳定的，它要向低能级跃迁并发射一个频率 为 的光子。 1、自发辐射及其规律 ﹡ 处于高能级的原子，在没有外界影响的情况下，自发地发生向低能级的跃迁，叫做自发辐射。 ﹡自发辐射的规律： 设在时刻t处于能级E2的原子中，有一定数量的原子在dt时间内会自发地跃迁到E1能级上。对于个别原子的辐射，是随机的。对于大量原子的辐射则遵从统计规律。 E2 E1 N2 N1 h? 一种是不受外界影响的自发地发生，一种是在外界影响下发生。 玻耳兹曼统计分布： 若E2 E1，则两能级上的原子数目之比 由大量原子组成的系统，在温度不太低的平衡态，原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计分布： 即在正常情况下，处于高能级的原子数要比低度能级上的原子数要少很多 即位于高能级原子的数目随能级的增高按指数衰减。 式中n为决定能量的主量子数 例如，若 取 T～103 K, ? kT～1.38×10-20J～0.086 eV E2 –E1～1eV 其估计值为 ﹡设在t时刻处于E2能级的原子数为N2，在t—t+dt时间内，有- dN2个原子跃迁到E1能级，即原子在dt时间内自发跃迁的概率为 对于自发跃迁，跃迁的概率与该能级上的原子数成正比，若设A21为单位时间内自发跃迁的概率（称为自发辐射系数），则有 其表明，处于高能级的原子数，随时间的增长按指数规律减少。 设t=0时，处于能级E2的原子数为N20，则由（1）积分得， 即，单位时间内从E2能级上跃迁的原子数与N2成正比。 2、能级的平均寿命 ﹡公式 的物理意义： 其表示-dN2个原子在E2能级上存在了t秒后，才在dt的时间间隔内离去，即-dN2=A21N2dt个原子在E2能级上的寿命是t秒。 如果将所有原子处于E2能级的寿命ti求和，即求∑ti，再除以原子总数N20，即表示原子在E2能级上的平均寿命。 ﹡能级的平均寿命： 设-dN2个原子处于E2能级的寿命为t,那么-dN2个原子在E2能级中的总寿命为 t A21N2dt，将这个结果，对所有可能的寿命求和，即为N20个原子处于E2能级的全部寿命的总和，即总寿命为 于是平均寿命为 积分，得 ?＝1／A21 即原子在某一能级上的寿命，与原子在该能级上单位时间内自发跃迁的概率有关。 显然，单位时间内自发跃迁的概率越大，则其平均寿命就短。不同的能级，它的平均寿命不同。 　一般说来，大多数能级的平均寿命约为10-8秒，但也有些元素的某几个能级的平均寿命比较长，约为10-4秒，是普通能级平均寿