激光原理1.1光的波粒二象性培训资料.pptVIP

自发辐射的性质 无关联 A21只与原子本身的性质有关，与外 场无关。 各向同性 非单色性 非偏振光 非相干光 已知A21，可求得单位体积内发出的光功率。若一个光子的能量为 h ，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： 1.3.2 光和物质的作用 2. 受激辐射(Stimulated ratiation) (1) 受激辐射：高能级E2上的原子当受到外来能量 的光照射时向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子，如图（1-8）所示。 图（1-8）光的受激辐射过程 1.3.2 光和物质的作用 2. 受激辐射(Stimulated ratiation) (2)受激辐射的特点： 只有 时，才能发生受激辐射 受激辐射的光子与外来光子的特性一样， 如频率、位相、偏振和传播方向 相干光（量子电动力学证明：受激辐射光子与入射光子属于同一个光子态） 图（1-8）光的受激辐射过程 1.3.2 光和物质的作用 受激辐射这一特性在爱因斯坦理论中是得不到证明的，因为爱因斯坦在进行这方面工作时，他是唯象地引入的，没有涉及到原子发光的具体过程。严格证明只有依靠量子电动力学。 2. 受激辐射(Stimulated ratiation) 式中的参数意义同自发辐射。B21称为爱因斯坦受激辐射系数，简称受激辐射系数。 (3) 同理从E2经受激辐射跃迁到E1具有一定的跃迁速率，在此假设外来光的光场单色能量密度为 ，则有： 图（1-8）光的受激辐射过程 1.3.2 光和物质的作用 (4) 令 ，则有： (5) 注意：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能量密度的乘积。 则W21(即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。 1.3.2 光和物质的作用 3. 受激吸收(Stimulated absorption) 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。 如图（1-9）所示。 图（1-9）光的受激吸收过程 1.3.2 光和物质的作用 低能级的粒子受到满足Bohr频率光子激励下而向上跃迁 式中B12称为爱因斯坦受激吸收系数 (2) 同理从E1经受激吸收跃迁到E2具有一定的跃迁速率，在此假设外来光的光场单色能量密度为 ，且低能级E1的粒子数密度为n1，从t时刻到t+dt时刻则有： 3. 受激吸收(Stimulated absorption) (3) 同理令 ，则有： 则W12(即受激吸收几率)的物理意义为：单位时间内，在外来单色能量密度 的光照下，由E1能级跃迁到E2能级的粒子数密度占E1能级上总粒子数密度的百分比。 图（1-9）光的受激吸收过程 1.3.2 光和物质的作用 1.3.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 1. 在光和原子相互作用达到动平衡的条件下，有如下关系： 自发辐射光子数 受激辐射光子数 受激吸收光子数 ??① 爱因斯坦系数A21，B21，B12只是原子能级之间的特征参量，与外来辐射场单色能量密度 无关。所以可以把研究的原子系统冲入热力学温度为T的空腔内，使光与物质作用达到热平衡，来求得爱因斯坦系数之间的关系。： 单位体积中，在dt时间内，由高能级E2通过自发辐射和受激辐射而跃迁到低能级E1的原子数应等于低能级E1吸收光子而跃迁到高能级E2的原子数。 1.3.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 由波尔兹曼分布定律可知： ??② 将②代入①得： 由此可算得热平衡空腔的单色辐射能量密度 为： 将上式与第三节中由普朗克理论所得的黑体单色辐射能量密度公式比较可得： ③ ④ ③式和④式就是爱因斯坦系数间的基本关系，虽然是借助空腔热平衡这一过程得出的，但它们普遍适用。 2. 如果 ，则有 在折射率为 的介质中， ③式应改写为： 1.3.4 自发辐射光功率与受激辐射光功率 1. 某时刻自发辐射的光功率体密度 同理，受激辐射的光功率体密度 受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度之比为： 对于平衡热辐射光源 ，则有： 2. 以温度T=3000K的热辐射光源，发射的波长为500nm例： 普通