二部分II光与物质作ppt课件.ppt

激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性第二部分光与物质的相互作用二、光与物质的相互作用二、光与物质的相互作用 任何物质的发光，溯其根源都是光与物质相互作用的结果同样激光产生的物理根底任何物质的发光，溯其根源都是光与物质相互作用的结果同样激光产生的物理根底也是光与物质的相互作用，即指光和构成激光任务物质中原子、分子或离子作用也是光与物质的相互作用，即指光和构成激光任务物质中原子、分子或离子作用〔一〕、黑体辐射〔一〕、黑体辐射1、空腔热辐射、空腔热辐射 绝对黑体：在任何温度下都能把照到其上的任何绝对黑体：在任何温度下都能把照到其上的任何频率的辐射完全吸收〔即频率的辐射完全吸收〔即(,T) ＝＝ 1〕的物体〕的物体2、黑体辐射的实验规律、黑体辐射的实验规律 将一个空腔的腔壁加热，使其坚持一恒定的温度将一个空腔的腔壁加热，使其坚持一恒定的温度T，，那么小孔出射的辐射相当于从面积等于小孔面积，温度那么小孔出射的辐射相当于从面积等于小孔面积，温度为为 T 的绝对黑体外表所出射如下图，图上每一条的绝对黑体外表所出射如下图，图上每一条曲线反映了在一定的温度下，单色辐出度按波长分布曲线反映了在一定的温度下，单色辐出度按波长分布的情况。

由热力学实际得出以下实验定律由热力学实际得出以下实验定律 黑体辐射的功率谱1－2000K；2－1800K；3－1600K4－1400K；5－1200K；6－1000K激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性〔〔1〕、斯忒潘－波耳兹曼定律〕、斯忒潘－波耳兹曼定律 黑体辐射出射度黑体辐射出射度 Me,B(T) 与绝对温度的与绝对温度的4次方成正比，即：次方成正比，即： Me,B(T) ＝＝ T4 式中式中  为斯忒潘常数，其值为为斯忒潘常数，其值为  ＝＝ 5.67 x 10-8 W.m-2.K-4〔〔2〕、维恩位移定律〕、维恩位移定律 每一曲线上有一个每一曲线上有一个Me,B(,T) 的最大值的最大值, 相应的波长为相应的波长为m，，T与与m的的关系为关系为 T m ＝＝ b 式中式中 b 称为维恩常数，其值为称为维恩常数，其值为 b ＝＝ 2.897 x 10-3 m.K 当温度升高时，当温度升高时， m 变小，阐明辐射能量向高频方向挪动。

变小，阐明辐射能量向高频方向挪动 绝对黑体温度与辐射出射度峰值波长对应值绝对黑体温度与辐射出射度峰值波长对应值黑体绝对温度〔K〕辐射峰值波长〔m〕1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 2.898 1.449 0.966 0.725 0.580 0.483 0.415第二部分光与物质的相互作用激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性〔〔3〕、〕、绝对黑体黑体辐射出射度分布曲射出射度分布曲线的峰的峰值定律定律 实验阐明，明，绝对黑体黑体辐射出射度的峰射出射度的峰值Me,B( m ,T)与与绝对温度的温度的5次方成正比，即次方成正比，即 Me,B( m ,T) ＝＝ C’T5 式中式中 C’ = 1.301 X 10-15 W-2. m -1.K-5 以上三个定律分以上三个定律分别表示了表示了绝对黑体黑体总辐射出射度射出射度 ( 分布曲分布曲线下的面下的面积 )、峰、峰值波波 长、峰、峰值波波长对应的的辐射出射度峰射出射度峰值与与绝对温度的关系。

温度的关系3、、维恩公式和瑞利－金斯公式恩公式和瑞利－金斯公式〔〔1〕、〕、维恩公式恩公式 Me,B( ,T) ＝＝ ( c2/ 5 ) e-(c/T) 据此公式据此公式绘出的曲出的曲线与与实验曲曲线在高在高频端符合端符合较好，低好，低频端端产生偏离〔〔2〕、瑞利－金斯公式〕、瑞利－金斯公式 Me,B( ,T) ＝＝ ( 2c/ 4 ) kT 据此公式据此公式绘出的曲出的曲线与与实验曲曲线在在长波段符合波段符合较好，但在短波段好，但在短波段误差很大第二部分光与物质的相互作用激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性4、普朗克公式、普朗克公式 1900年普朗克作了一次大胆的尝试他假设，黑体出射度的能量不是延续的，而年普朗克作了一次大胆的尝试他假设，黑体出射度的能量不是延续的，而是一份一份的他第一个提出了能量子假设，开创了近代物理的新纪元是一份一份的。

他第一个提出了能量子假设，开创了近代物理的新纪元普朗克黑体辐射的能量密度公式：普朗克黑体辐射的能量密度公式：(,T) ＝＝ ( 8h3/c3 )[ 1/(e(h/kT) - 1)]及黑体辐射的单色辐射出射度公式：及黑体辐射的单色辐射出射度公式：Me,B(,T) ＝＝ 2hc2-5 [1/ (e(hc/kT ) - 1)]式中式中 k 是波耳兹曼常数，是波耳兹曼常数， h 是普朗克常数是普朗克常数它们的数值为它们的数值为:k = 1.381 x 10-23 J/K; h = 6.626 x 10-34 J.s在短波部分，由于在短波部分，由于h>>kT, 那么那么e(h/kT) >>1,普朗克公式变为维恩公式；普朗克公式变为维恩公式；在长波部分，在长波部分，h<

形状无辐射跃迁：跃迁过程没有吸收和辐射光子无辐射跃迁：跃迁过程没有吸收和辐射光子辐射跃迁：原子能级的变化是经过吸收和发射光而实现的辐射跃迁：原子能级的变化是经过吸收和发射光而实现的这种跃迁可分为三种过程：自发辐射、受激吸收和受激发射这种跃迁可分为三种过程：自发辐射、受激吸收和受激发射1、自发辐射、自发辐射自发辐射跃迁几率自发辐射跃迁几率A21：： 在单位时间内，在单位时间内，E2能级上能级上n2个个粒子数中发生自发跃迁的粒子数粒子数中发生自发跃迁的粒子数与与n2的比值思索二能级情况：的比值思索二能级情况：E1和和E2，那么在，那么在dt时间内，由高能级时间内，由高能级E2自发辐射跃迁到低能级自发辐射跃迁到低能级E1的粒子的粒子数计为数计为dn2，那么，那么A21可表示为可表示为A21 ＝＝ (dn21/dt)自发自发(1/ n2)自发跃迁是一个只与原子特性有关自发跃迁是一个只与原子特性有关而与外界鼓励无关的过程，即而与外界鼓励无关的过程，即A21只由原子本身性质决议只由原子本身性质决议1、原子自发辐射2、原子受激吸收3、原子受激辐射E2E2E2E2E2E2E1E1E1E1E1E1入射光入射光自发辐射原子受激吸收受激辐射光入射光h = E2－E1h = E2－E1第二部分光与物质的相互作用激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性 假设E2能级只向E1能级跃迁，那么可得到： n2(t) = n02e-A21t = n20e-(t/) 自发跃迁过程使得高能级上的原子以指数规律衰减。

式中n20 为 t = 0 时辰E2能级上 的粒子数，  = (1/A21) 称为粒子在E2能级上的平均寿命 自发辐射功率： I(t) = h[dn21(t)/dt] = hA21n20(t) = hA21n20 e-A21t = I0e-A21t 自发辐射强度在外界鼓励停顿后，是以指数规律衰减的 自发辐射所发出的光称为荧光第二部分光与物质的相互作用激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性2、受激吸收、受激吸收 当外来辐射场作用于物质时，假定辐射场中包含有频率为当外来辐射场作用于物质时，假定辐射场中包含有频率为 ＝＝[(E2－－E1)/ h]的电磁波的电磁波(即有能量等于即有能量等于 = h=E2－－E1 的光子的光子)，使在低能级，使在低能级E1的粒子收到光子激发，的粒子收到光子激发，可以跃迁到可以跃迁到高能级高能级E2去，这个过程称为受激吸收去，这个过程称为受激吸收 在单位体积中，从能级在单位体积中，从能级E1跃迁到能级跃迁到能级E2的粒子数的粒子数dn12 为：为： dn12 = B12()n1dt B12 爱因斯坦受激吸收系数，是一个原子能级系统的特征参数。

爱因斯坦受激吸收系数，是一个原子能级系统的特征参数 受激吸收跃迁几率：受激吸收跃迁几率： W12 = (dn12/dt)(1/n1) W12的物理意义是在单位时间内，在单色辐射能量密度的物理意义是在单位时间内，在单色辐射能量密度 ()的光照射的光照射下，由于受激吸收而从能级下，由于受激吸收而从能级E1跃迁到能级跃迁到能级E2上的粒子数与能级上的粒子数与能级E1上总粒子数上总粒子数之比，即每一个处于低能级之比，即每一个处于低能级E1的粒子数，在的粒子数，在()的光照下，在单位时间内的光照下，在单位时间内发生受激吸收的几率发生受激吸收的几率 受激吸收过程是一个即与原子性质有关，也与外来辐射场的受激吸收过程是一个即与原子性质有关，也与外来辐射场的()有关的有关的过程 这种关系可以唯象地表示为：这种关系可以唯象地表示为： W12 = B12 () 即受激吸收爱因斯坦系数只与原子性质有关。

即受激吸收爱因斯坦系数只与原子性质有关第二部分光与物质的相互作用激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性3、受激辐射、受激辐射 当外来辐射场照射物质而粒子曾经处于高能级当外来辐射场照射物质而粒子曾经处于高能级E2上时，会发生受激辐射过程假设外上时，会发生受激辐射过程假设外来光的频率为来光的频率为 ＝＝(E2－－E1)/ h，由于遭到入射光子的激发，，由于遭到入射光子的激发，E2能级上的粒子将会跃迁而回能级上的粒子将会跃迁而回到到 E1 能级上去，同时又放射出一个光子来，这个光子的频率、振动方向、相位都与外来能级上去，同时又放射出一个光子来，这个光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致光子一致 在单位体积中，从能级在单位体积中，从能级E2跃迁到能级跃迁到能级E1的粒子数的粒子数dn21 为：为： dn21 = B21()n2dt 受激辐射跃迁几率：受激辐射跃迁几率： W21 ＝＝ (dn21/dt)(1/n2) W21 = B21 () B21 爱因斯坦受激辐射跃迁系数，是一个原子能级系统的特征参数。

爱因斯坦受激辐射跃迁系数，是一个原子能级系统的特征参数第二部分光与物质的相互作用激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性4、、A21、、B12和和B21的关系的关系 在一个温度为在一个温度为 T 的空腔中的空腔中, 辐射场与物质相互作用到达热平衡时辐射场与物质相互作用到达热平衡时,三种辐射同时存在，三种辐射同时存在，这种热平衡形状的标志是：这种热平衡形状的标志是：〔〔1〕、腔内存在着热平衡黑体辐射：〕、腔内存在着热平衡黑体辐射：〔〔2〕、腔内物质原子数按能级分布服从热平衡形状下的波耳兹曼分布：〕、腔内物质原子数按能级分布服从热平衡形状下的波耳兹曼分布： 式中式中 f2 和和 f1 分别为能级分别为能级 E2 和和 E1 的统计权重的统计权重〔〔3〕、在热平衡形状下，〕、在热平衡形状下，n2(或或n1)应坚持不变：应坚持不变：--=KTEEffnn121 212exp或第二部分光与物质的相互作用激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性2211123321218fBfBhnchBA=n=np=nf1= f2爱因斯坦关系5、受激辐射的相关性、受激辐射的相关性 受激辐射和自发辐射的异同：受激辐射和自发辐射的异同： 共同点：发射光子共同点：发射光子E2 － E1E ＝ hn n= E2 － E1h 不同点： 原因 特性 强度自发辐射： 完全自发 杂乱无章受激辐射： 受外来入射光鼓励 与入射光一样nrnhBNIste212=nhANIsp212=受激辐射与自发辐射的重要区别受激辐射与自发辐射的重要区别相关性相关性第二部分光与物质的相互作用激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性 SP、STA及STE 三种过程同时存在，只需强弱差别 自发辐射与受激辐射强度的比较 热平衡情况下，总是自发辐射强度占绝对优势  自发辐射光子可作为受激辐射或受激吸收的外来光子 受激辐射与受激吸收强度比较 热平衡情况下， n1 > n2 W12＝W21 (设f1＝f2)  受激辐射 < 受激吸收 吸收T=1500K,l=500nm第二部分光与物质的相互作用激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性自发辐射受激辐射自发辐射：自发辐射：原子在不受外界辐射场控制情况下的自发过程；大量原子的自发辐射场的相位是无规那么分布的，因此是不相关的。

此外，自发辐射场的传播方向和偏振方向也是无规那么分布的，即自发辐射平均地分配到腔内一切方式上受激辐射：受激辐射：是在外界辐射场的控制下的发光过程，即各原子的受激辐射的相位不在是无规那么分布，而是具有和外界辐射场一样的相位受激辐射光子与入射〔鼓励〕光子属于同一光子态；即受激辐射场与入射辐射场具有一样的频率、相位、波矢〔传播方向〕和偏振即受激辐射场与入射辐射场属于同一方式第二部分光与物质的相互作用。