清华大学第二部分-(II)-光与物质作用.ppt

* 激光的基本原理及特性 第二部分 光与物质的 相互作用 二、光与物质的相互作用 任何物质的发光，溯其根源都是光与物质相互作用的结果。同样激光产生的物理基础 也是光与物质的相互作用，即指光和构成激光工作物质中原子、分子或离子作用。 （一）、黑体辐射 1、空腔热辐射 绝对黑体：在任何温度下都能把照到其上的任何 频率的辐射完全吸收（即?(?,T) ＝ 1）的物体。 2、黑体辐射的实验规律 将一个空腔的腔壁加热，使其保持一恒定的温度T， 则小孔出射的辐射相当于从面积等于小孔面积，温度 为 T 的绝对黑体表面所出射。如图所示，图上每一条 曲线反映了在一定的温度下，单色辐出度按波长分布 的情况。由热力学理论得出以下实验定律。 黑体辐射的功率谱 1－2000K；2－1800K；3－1600K 4－1400K；5－1200K；6－1000K 激光的基本原理及特性 （1）、斯忒潘－波耳兹曼定律 黑体辐射出射度 Me,B(T) 与绝对温度的4次方成正比，即： Me,B(T) ＝ ?T4 式中 ? 为斯忒潘常数，其值为 ? ＝ 5.67 x 10-8 W.m-2.K-4 （2）、维恩位移定律 每一曲线上有一个Me,B(?,T) 的最大值, 相应的波长为?m，T与?m的关系为 T ?m ＝ b 式中 b 称为维恩常数，其值为 b ＝ 2.897 x 10-3 m.K 当温度升高时， ?m 变小，说明辐射能量向高频方向移动。 绝对黑体温度与辐射出射度峰值波长对应值 黑体绝对 温度（K） 辐射峰值 波长（?m） 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 2.898 1.449 0.966 0.725 0.580 0.483 0.415 第二部分 光与物质的 相互作用 激光的基本原理及特性 （3）、绝对黑体辐射出射度分布曲线的峰值定律 实验表明，绝对黑体辐射出射度的峰值Me,B(?m ,T)与绝对温度的5次方成正比，即 Me,B(?m ,T) ＝ C’T5 式中 C’ = 1.301 X 10-15 W.cm-2. ?m -1.K-5 以上三个定律分别表示了绝对黑体总辐射出射度 ( 分布曲线下的面积 )、峰值波 长、峰值波长对应的辐射出射度峰值与绝对温度的关系。 3、维恩公式和瑞利－金斯公式 （1）、维恩公式 Me,B(?,T) ＝ ( ?c2/?5 ) e-(?c/?T) 据此公式绘出的曲线与实验曲线在高频端符合较好，低频端产生偏离。 （2）、瑞利－金斯公式 Me,B(?,T) ＝ ( 2?c/?4 ) kT 据此公式绘出的曲线与实验曲线在长波段符合较好，但在短波段误差很大。 第二部分 光与物质的 相互作用 激光的基本原理及特性 4、普朗克公式 1900年普朗克作了一次大胆的尝试。他假设，黑体出射度的能量不是连续的，而 是一份一份的。他第一个提出了能量子假设，开创了近代物理的新纪元。 普朗克黑体辐射的能量密度公式： ?(?,T) ＝ ( 8?h?3/c3 )[ 1/(e(h?/kT) - 1)] 及黑体辐射的单色辐射出射度公式： Me,B(?,T) ＝ 2?hc2?-5 [1/ (e(hc/kT ?) - 1)] 式中 k 是波耳兹曼常数， h 是普朗克常数。 它们的数值为: k = 1.381 x 10-23 J/K; h = 6.626 x 10-34 J.s 在短波部分，由于h?kT, 则e(h?/kT) 1, 普朗克公式变为维