光的受激辐射概要.ppt

* 光的受激辐射（Stimulated Emission) 一、光和物质 (原子、分子、离子，统称粒子) 相互作用的三种过程 自发辐射(SP) E1 E2 hn (Spontaneous Emission) 受激吸收(STA) hn E1 E2 (Stimulated absorption) 受激辐射(STE) hn E1 E2 2hn (Stimulated Emission) E2 and E1 表示两个激发态 一个光子的能量 辐射频率 E1 E2 hn E1 E2 hn 自发辐射 （Spontaneous Emission）。 主要特征：无需外来光，随机发光，发出的光子不相关，即相位、偏振态、传输方向是随机的；发出的光子能量分布在许许多多个模式上。 自发辐射几率(Spontaneous transition rate) A21 －能级2?1 跃迁的特征参数 E2能级平均寿命 推导 A21 and ?s 的关系式 E1 E2 hn 在自发辐射过程中，E2 能级上粒子随时间按指数衰减 自发辐射几率A21与自发辐射（能级）寿命ts呈倒数关系 ts 可以通过实验测得，由 A21 =1/?s可获得自发辐射几率 A21只决定于物质本身性质，与辐射场??无关 受激跃迁 受激吸收 stimulated absorption (STA) 受激发射 stimulated emission (STE) hn E1 E2 受频率为 的光场作用 受激辐射的光子具有完全相同的相位、偏振态和传输 方向 受激吸收几率 W12 受激辐射几率 W21 －单色能量密度 (J· m-3· s) 受激辐射几率与辐射场的强度 成正比 能级2?1 and 1?2 的受激跃迁几率相等 即 受激跃迁与自发跃迁是本质不同的物理过程 为受激吸收和受激辐射跃迁系数，常数 B12和B21的大小只与物质本身性质有关，与外界辐射 场无关 A21、B21和B12关系式（爱因斯坦关系式）推导 二、爱因斯坦关系式－ A21 、B21 和B12的关系 爱因斯坦关系 热平衡黑体 辐 射 公 式 玻尔兹曼分布 模密度n? 黑体辐射分配到腔内每个模式的平均能量 f1=f2 能级简并度 说明： SPE,STA,STE 三种过程同时存在，只是有强弱差别 单位时间STE增加的光子数密度 单位时间STA减少的光子数密度 3. 两种受激跃迁比较 (热平衡情况下) T=1500K,l=500nm 空腔 2. 两种辐射比较 (热平衡情况下) SPE（自发辐射）占绝对优势 4. 自发辐射光子可作为引起受激辐射的 外来光 起始阶段的受激辐射的外来光来自于介质的自发辐射 因此，当光在介质内传输时，光将被吸收而衰减。 激光产生的基本原理（概述） 激光产生的条件: (1) 粒子数反转分布 (2) 增益 损耗 即自激振荡的阈值条件 Flash lamp Flash lamp Output beam External mirror External mirror Partly transmission Ruby laser 694.3nm 发光粒子－铬离子 (Cr3+) 泵浦光源－闪光灯, 其作用是实现铬离子反转分布 光谐振腔－两平面反射镜，实现光反馈，使受激辐射光放大形成激光 以红宝石激光器 (Ruby Laser) 为例 一、受激辐射占优势的条件 －粒子数反转分布 （population inversion） 粒子数反转分布 受激辐射占主导 光放大 实现粒子数反转的工作物质称为增益(或激活)介质 粒子数反转分布是产生激光的前提条件 如何实现粒子数反转分布？ 只有依靠外界向物质提供能量(泵浦或称激励)才能打破热平衡，实现粒子数反转 E n 常温下，Bolzman分布 反转分布 r1 r2 medium energy source Almost any energy source can be used as pump, even another laser. 泵浦方法 光学 a) 闪光灯；b) 其它激光器（如半导体激光器） 电 a) 气体放电; b) 大能量电子束; c) 注入电流 (产生电子-空穴对) 3. 化学反应 a) 火焰; b) 爆炸 4. 电离性辐射 a) 核弹 b) X-ray 5. Thermal oven …… 二、 受激辐射光放