1-3辐射理论概要与激光产生的条件-光的受激辐射_百(精)

1、13.1黑体热辐射7 3光的受激辐射第_章辐射理论激光产生的条件1.绝对黑体又称黑体：某一物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射。自 然界中绝对黑体是不存在的2.空腔辐射体是一个比较理想的绝对黑体3平衡的黑体热辐射：辐射过程中始终保持温度 T 不变第一尹|上一才|矽茄无|厂一无|矽茨无|回目录1. 3.1黑体热辐射单色辐射能量密度几: 频率间隔中的辎射能量7 3光的受激辐射第_章辐射理论概臂激光产生的条件4.辐射能虽密度公式轴射场中单位体积穴，频率在附近的单位dcodcoPv_ dVdi由处理大量光子的量了统计理论得到貞空中几在臺了假设的星础上，与温度 T 及频率的关系，即为悴朗克黑体辐射的单色辐

2、射能虽密度公式8/?v v5 5几=式中 k 为波尔兹曼常数。C总槁射能虽密度:-1第 章上一页回首页下一页回末页回目录第一尹|上一无|回茄刘厂 无|回末页回目录1.3.2光和物质的作用自发辐射光与物质的相互作用有三种不同的肚本过程：受激辐射 受激吸收口发辎射的特点： 备个原子所发的光向空间各个力向传播， 足非相十光。图(1-6)夜示自发编対的过咅 U巾-E2对 J：人虽原子统计 V 均來说，从 E2 经口发辐射跃迁到 E1 具有一定的跃迁速率。仞_1_JL_ 5- -dndn2 2= = A Alxlxn n2 2dtdt图(16口发辐射式中“一”表示 Eg 能级的粒子数密度减少：A?称为爱

3、 I 人 I 斯坦口发输射系数,简称口发辐射系数。心 1 的物理意义为：能级总粒子数密度的帀分比。即每个处于 Eg 能级的粒了在单位时间内发生的白发跃迁几率。上方程的解为：“2=J 式中20 为 t 二 0 时处于能级 Eg 的原子数密度。H 发辐射的平均寿命丁 ：原了数密度由起始值降至它的 1/e 的时间T= 1/対己知 A21，可求得单位体积内发出的光功率。若一个光子的能量为加,某时 刻激发态的原子数密度为 r)2(t),则该时刻口发辆射的光功率密度(W/m3)为:21(0 =n2t)A2xhv1.自发辐射H发辐射： 高能级的原子 H发地从高能级E?向低能级跃迁,量为2 = 6- d 的光

4、了。第一尹I上一无I回茄刘厂 无|回末页回目录1. 3. 2光和物质的作用dndnA Azz = =- -n n2 2dtdt上式可73光的受激辐射第_章辐射理论概臂激光产生的条件73光的受激辐射第_章辐射理论Jp激光产生的条件I第一章上一无I矽茄无I下一页矽茨无|回目录13. 2光和物质的作用7 3光的受激辐射第_章辐射理论激光产生的条件7 3光的受激辐射第_章辐射理论概葺激光产生的条件乙受激辐射(1)受激辎射：高能级 E2 上的原子当受到外 6 來能昼& = “ -E的光照射时向低能级 E 跃迁，同时发射个与外來光子完金和同的 光子，如图(1-8)所示。m*A/z*hvhvJAz*

5、hvhv-/; m- -图(1-8光的受激辆射过程(2)受激辐射的特点：A 只有爪,=E2-,当时，才能发生受激辐射受激辐射的光子与外來光子的特性一样，如频率、位相.偏振和传播方向(3)同理从 E2 经受激辎射跃迁到曰貝仃定的跃迁速率，在此假设外來光的光 场单色能量密度为 P 则有：(一如2= =K Klln nzPvzPvdtdt 式中的参数意义同口发轴射 B21 称为爱 I 人 I 斯坦受激辐射系数，简称受激辆射系数|第一章上一无|矽茄无|下一页矽茨无|回目录1. 3. 2光和物质的作用(4)令 W21=% % PvPv 贝 U 有:21 = 3“PFPF一 Tndnd则 W2i(即受激辐

6、射的跃迁儿率)的物理意义为：单位时间内，在外來单 色能量密度为几的光照卜，Ez 能级 I发住受激辐射的粒子数密度占处 于 E 2 能级总粒子数密度的帀分比。(5)注意：H 发辐射跃迁几率就是 H 发辐射系数木豺，而受激辐射的跃迁几率 决怎丁受激辎射系数与外來光单色能量密度的乘积。I第一章上一无I矽茄无I下一页矽茨无|回目录第一尹|上一页呵沪才|厂一列回末页回目录13. 2光和物质的作用7 3光的受激辐射第_章辐射理论激光产生的条件3.受激吸收(1)处于低能级 E 的原子受到外來光子(能叫屋& =V/=；2-d)的刺激作用，完全吸 收光子的能虽f 而跃迁到高能级 E2 的过程。如图(1-

7、9)所示。叫d小-&图光的受激吸收过程(2)同理从 E经受激吸收跃迁到 E2 具有一足的跃迁速率，任此假设外來光的光 场单色能量密度为且低能级吕的粒子数密度为 n”则有：dndn2 2= = R Rn nn nx xp pv vdtdt式屮 B12 称为爱因斯坦受激吸收系数(3)同理令 =B B则有： = 异严-如/n.dtn.dt则 W】2(即受激吸收几率)的物理意义为：单位时间内，在外來单色能量密度几的、 光照下，由&能级跃迁到耳能级的粒了数密度山 H 能级上总粒子数密度的百分比。第一尹|上一页呵沪才|厂一列回末页回目录7 3光的受激辐射第_章辐射理论概葺激光产生的条件3.

8、3自发辐射.受激辐射和受激吸收之间的关系1 金光和原子相互作用达到动丫衡的条件下，有如卜关系:A A2l2ln n2 2dfdf + +宀山=-fl发辆射光子数受激辆射光子数受激吸收光子数由波尔兹曼分布定律可知：f fft y= 丁齐 _将代入得:+ A%)邑“ =B B“p p 瞥SiSi由此可算得热平衡空腔的单色辐射能量密度P.P.为：STTHv vJ% -1第一尹|上一页呵沪才|厂一列回末页回目录第一章I上一园矽眾刮厂一无|回末页回目录73光的受激辐射第_章辐射理论概臂激光产生的条件7 3光的受激辐射第_章辐射理论激光产生的条件将上式与第 T Vf 中由普朗克理论所得的黑体单色辐射能屋密度公式比较町得：A 218 8 刃 2 2&竝=程比 1 -式和式就是爱因斯坦系数间的早木关系，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.如果幻=肌，则有叽=53 3在折射率为的介质中，式应改写为:严 “21第一章I上一园矽眾刮厂一无I回末页回目录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q(q(2 舁 2心 同理,受激辐射的光功率体密度山)比 4 4受激辎射光功率体密度与自发辎射光功率体密度之比为:%(门hnhn2 2(t)B(t)Bu up pv vB B2X2Xp pv vC-= =-= = =p p你(F)h h v