受激吸收和自发辐射-赣南师范学院.PPT

* 光电子技术学课件之二： ——激光原理和技术简介 制作者： 赣南师范学院物理与电子信息学院： 王形华 2006 ．9 一、光子的基本特性 爱因斯坦根据光电效应实验并结合普朗克能量子假说,提出了光量子理论:光是一种以光速运动的光子流,光子和其它基本粒子一样,具有能量、动量和质量。它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满足： 激光原理和技术简介 (4)、光子具有两种可能的独立偏振态，对应 于光波场的两个独立偏振方向； (5)、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，是玻色子。（电子的自旋量子数为 ，是费米子。） 二、 光辐射的量子理论基础 1、三种跃迁 受激吸收概率： 为爱因斯坦吸收系数, 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, （1) 受激吸收 处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子， 跃迁到高能级态。 (2) 自发辐射 光子能量： 自发跃迁概率： 单位时间、单位体积内， 上粒子的减少为： 于是有： 为 自发辐射寿命。 处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子（自发辐射只与原子本身性质有关，与辐射场的 无关） 。 (3) 受激辐射 受激辐射的概率： 称为爱因斯坦受激发射系数。 处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。 受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性。 2、爱因斯坦关系 设一个原子系统有特定两个能级 ,其简并度为 （同一量子态占据的光子数目）, 在温度T下处于热平衡状态, 能级的原子占有数密度分别为 ,则原子系统从辐射场中吸收能量 后,单位时间内从 跃迁到 能级的原子数为： 单位时间内， 的原子数数为： 由于系统处于热平衡状态，则应有： 即： 所以有： 热平衡状态下， 按波尔兹曼分布： 即： 热平衡条件下，光辐射的能量密度的普朗克公式为： 比较两式有： 上述两式即著名的爱因斯坦关系式。 若两能级的简并度相同，则有： 结论： 三个爱因斯坦系数是相互关联的。 对一定的原子体系而言，自发发射系数 A21 与受激发射系数 B 之比正比于 的三次方，因而 两能级相差越大， 就越高，A,B的比值就越大，也就是 越高自发辐射越容易，受激辐射越困难。一般在热平衡下，主要是自发辐射。 单位体积内粒子自发跃迁所辐射的功率为 以上推理都是认为能级是理想的无宽度的、从而粒子辐射是单色的，也就是能量集中在单一频率上。实际上，自发辐射并非单色的，而是分布在中心频率附近的一个有限范围内，这一现象称为光谱线展宽。 3、 光谱线展宽 考虑谱线展宽的情况，自发辐射的功率应是频率的函数，则总的自发辐射的功率为： 光谱线的线性函数： 其满足归一化条件： （1）、受激辐射下光谱线展宽的类型 均匀展宽： 均匀展宽的特点是，引起展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。任何一个粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，每一个发光粒子都以洛沦兹线型发射。主要有自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽。 非均匀展宽： 非均匀展宽的特点是，粒子体系中粒子发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献。这种展宽主要有多普勒展宽与残余应力展宽。 （2）均匀展宽的分析 自然展宽 由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上的寿命有限形成的。 由傅立叶变换得其频谱分布为： 自发辐射的功率为： 总功率为： 所以： 当 有： 因此有： 得： 于是有： 也可写成： 碰撞展宽