2021-2022学年高二物理竞赛课件：受激辐射跃迁

1、受激辐射跃迁2022/9/6 受激辐射跃迁受激辐射：处于高能级态E2的原子在频率21=（E2-E1）/h 的外界光作用下跃迁到E1，同时辐射出能量为（E2-E1）、且与外界光信号同一状态的光子，这两个光子再去诱发产生更多状态相同的光子。这样，在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，这一过程称为受激辐射。2022/9/6 受激辐射概率：在频率21=（ E2 -E1 ）/h 的外界光信号作用下，单位时间内从高能级态E2 跃迁到低能级态E1的原子数密度N21与高能级E2 上总的原子数密度N2 之比的比值。受激辐射跃迁为爱因斯坦受激辐射系数, 只与粒子本身的性质有关。为辐射场能量密度

2、为E2能级上的粒子数密度,2022/9/6 受激辐射跃迁受激辐射的特点是：这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的，而且受激辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外来光子具有完全相同的状态。在受激辐射过程中，输入一个光子，可以得到两个状态完全相同的光子输出。并且这两个光子可再作用于其他原子上，产生受激辐射，而获得大量特征完全相同的光子。这便是受激辐射的光放大原理。激光器发光，正是利用受激辐射的上述特点，所以激光具有单色性好、方向性好、亮度高以及相干性好的特点。2022/9/6 受激吸收：处于低能级态E1的原子在频率为21=（E2E1）/h 的辐射

3、场作用下吸收一个光子，并跃迁高能级态E2 的过程。2022/9/6 受激吸收概率：由于受激吸收，单位时间从E1能级跃迁到 E2 能级的原子数密度N12与E1能级总原子数密度N1的比值。为爱因斯坦受激吸收系数, 只与粒子本身的性质有关。为辐射场能量密度 为E1能级上的原子数密度, 爱因斯坦关系 大量粒子构成的粒子体系(如原子或分子等)中，三种跃迁同时存在。E2自发辐射的能量(E2-E1) 的光子，对其它粒子而言可视为外来入射光，使E1上粒子发生受激吸收，使E2上粒子发生受激辐射，三种过程相互联系，这种相互联系可由表示原子特定能级E1、E2特性的参数A21、B21、B12来表示。 爱因斯坦关系 设

4、一原子系统两特定能级E1、E2简并度分别为g1、g2，在温度T下处于热平衡状态， E1、E2能级原子数密度分别为N1、N2 。 原子系统从吸收能量（E2-E1）后，单位时间内通过受激吸收从E1 跃迁到E2 能级的原子数为： 处于E2上的原子，单位时间通过自发辐射与受激辐射跃迁至E1上的原子数为： 由于系统处于热平衡状态，则应有以下关系式成立：即 因而有： 又由于在热平衡状态下， N1 、 N2 按照玻尔兹曼分布： 式中，k为玻尔兹曼常数。于是有：式中c为真空中光速，于是比较两式，可知：此两式即为著名的爱因斯坦关系式。若 E1 、E2 两能级简并度相等，即 g1=g2 ，则爱因斯坦关系式可简化为： 在热平衡条件下，光辐射的能量密度 (21) 又可由普朗克公式给出：讨论：1）受激吸收与受激辐射比较因n1n2，故：结论：热平衡下，大量粒子受激吸收至高能级，而通过受激辐射返回低能级的粒子数很少。 爱因斯坦关系式2.1.4 激光产生的必要条件设g1=g2=1, 则：2）自发辐射与受激辐射比较 爱因斯坦关系式室温下，普通辐射源的光子简并度跃迁粒子数之比： 结论：热平衡下, 受激辐射概率(或粒子数)远小于自发辐射概率(或粒子数)。自发辐射寿命的物理意义：经过s后，E2上