[工学]第二章 激光工作物质及基本原理.ppt

任何粒子辐射光和吸收光的过程都是原子能级之间的跃迁过程 光与物质的相互作用有三种不同的基本过程： 自发辐射 受激辐射 受激吸收 这三种过程总是同时存在，紧密联系。 对于大量原子统计平均来说，从E2经自发辐射跃迁到E1具有一定的跃迁速率。 式中n2为某时刻高能级E2上的原子数密度（即单位体积中的原子数）， dn2表示在dt时间间隔内由E2自发跃迁到E1的原子数，“－”表示E2能级的粒子数密度减少，A21称为爱因斯坦自发辐射系数。 由上述定义爱因斯坦自发辐射系数可表示为 物理意义是：单位时间内，发生自发辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的百分比。即每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生的自发辐射跃迁几率。 解该方程得： 式中n20为t=0时处于能级E2的原子数密度 自发辐射的平均寿命 ： 2.受激辐射 受激辐射：当受到外来的能量 的光照射时，高能级E2上的原子受到外来光的激励作用向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。 光的受激辐射过程： 从E2经受激辐射跃迁到E1具有一定的跃迁速率则有 式中的 为外来光的光场单色能量密度，即受激辐射跃迁速率与外来光的光场单色能量密度成正比 其他参数意义同自发辐射：n2为某时刻高能级E2上的原子数密度（即单位体积中的原子数），dn2表示在dt时间间隔内由E2受激辐射跃迁到E1的原子数，“－”表示E2能级的粒子数密度减少 B21称为爱因斯坦受激辐射系数，简称受激辐射系数 受激辐射（跃迁）几率W21定义为 ，则有 物理意义为：单位时间内，在外来单色能量密度为 的光照下，E2能级上发生受激辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的百分比 注意：自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色能量密度的乘积 从E1经受激吸收跃迁到E2具有一定的跃迁速率则有 式中的 为外来光的光场单色能量密度，即受激吸收跃迁速率与外来光的光场单色能量密度成正比 其他参数意义同自发辐射：n1为某时刻高能级E1上的原子数密度（即单位体积中的原子数），dn2表示在dt时间间隔内由E1受激吸收跃迁到E2的原子数，“－”被去除表示E2能级的粒子数密度增加 B12称为爱因斯坦受激吸收系数，简称受激吸收系数 受激吸收（跃迁）几率W12定义为 ，则有 物理意义为：单位时间内，在外来单色能量密度为 的光照下，E1能级上因为受激吸收跃迁到E2能级上的粒子数密度占处于E1能级总粒子数密度的百分比 某原子自发辐射产生的光子对于其他原子来讲是外来光子，会引起受激辐射与吸收，因此三个过程在大量原子组成的系统中是同时发生的。由此可讨论三个爱因斯坦系数之间的关系 1. A21、B21、B12三个系数的关系 在光和原子相互作用达到热平衡的绝对黑体空腔内的原子系统中，如果单色辐射能量密度为 ，则有如下关系： 达到热平衡的绝对黑体空腔内任何位置的光强都相等，理想空腔内壁反射率为1，黑体温度为常数T 根据玻尔兹曼分布定律，动平衡的条件下，对于简并度g2的高能级E2和简并度g1的低能级E1有 绝对黑体空腔内的原子系统中，单色辐射能量密度同时满足普朗克公式 讨论 如果 ，则有 对于发光介质中某一单位体积，自发辐射的光强 大量原子(分子)之间的无规“碰撞”是引起谱线加宽的另一重要原因。在气体物质中,大量原子(分子)处于无规热运动状态,当两个原子相遇而处于足够接近的位置时(或原子与器壁相碰时), 原子间的相互作用足以改变原子原来的运动状态。这时我们认为两原子发生了“碰撞”。在晶体中,虽然原子基本上是不动的,但每个原子也受到相邻原子的偶极相互作用(即原子-原子藕合相互作用)，这种作用也会改变激活离子的运动状态，这时我们也可称之为“碰撞”。 二、非均匀加宽 非均匀加宽的特点是,原子体系中每个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献,因而可以区分谱线上的某一频率范围是由哪一部分原子发射的。气体工作物质中的多普勒加宽和固体工作物质中的晶格缺陷加宽均属非均匀加宽类型。 从量子力学观点，粒子在激发态的寿命可理解为原子处于该状态的时间测不准量? ，根据能量-时间不确定原理 中心频率 上、下频率为 线宽为 如果E1 是基态，原子停留时间无限长， ?1=0，则谱线线宽为 所以经典