《激光原理》課件：1-2

1、第第1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.21.2光的受激輻射概念光的受激輻射概念一、光的受激輻射概念的產(chǎn)生一、光的受激輻射概念的產(chǎn)生普朗克普朗克1900年，輻射量子化假設(shè)；年，輻射量子化假設(shè)；波爾波爾1913年，原子中電子運動狀態(tài)的量子化假設(shè)；年，原子中電子運動狀態(tài)的量子化假設(shè)；愛因斯坦愛因斯坦1917年，提出受激輻射概念。年，提出受激輻射概念。1. 黑體輻射的黑體輻射的Planck公式：公式：任何物質(zhì)在一定溫度下都要輻射和吸收電磁輻射任何物質(zhì)在一定溫度下都要輻射和吸收電磁輻射（熱輻射）。（熱輻射）。黑體：黑體：能夠完全吸收任何波長能夠完全吸收任何波長 的電磁輻射的物體。的電磁輻射

2、的物體。空腔輻射體空腔輻射體第第1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.21.2光的受激輻射概念光的受激輻射概念熱平衡狀態(tài)：熱平衡狀態(tài)：黑體吸收的輻射能量黑體吸收的輻射能量 黑體放出的輻射能量黑體放出的輻射能量 單色能量密度單色能量密度 ：dEdVd Planck輻射能量量子化假說：輻射能量量子化假說：黑體輻射黑體輻射Planck公式：公式：33811hKThmEce 熱平衡狀態(tài)下，黑體輻射分配熱平衡狀態(tài)下，黑體輻射分配到腔內(nèi)每個模式上的平均能量：到腔內(nèi)每個模式上的平均能量：1hKThEe 腔內(nèi)單位體積中頻率處于腔內(nèi)單位體積中頻率處于 附近附近單位頻率間隔內(nèi)的光波模式數(shù)為：單位頻率間隔

3、內(nèi)的光波模式數(shù)為：238MmVdc第第1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.21.2光的受激輻射概念光的受激輻射概念2. 躍遷：躍遷：躍遷：躍遷：原子從某一能級吸收或釋放能量，變成另一能級。原子從某一能級吸收或釋放能量，變成另一能級。吸收躍遷：吸收躍遷： 低低吸收能量吸收能量高高12hEE 輻射躍遷：輻射躍遷：高高輻射能量輻射能量低低第第1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.21.2光的受激輻射概念光的受激輻射概念二、自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射二、自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射1. 自發(fā)輻射自發(fā)輻射（Spontaneous Emission）。2E1E發(fā)光前發(fā)光前h發(fā)光后發(fā)

4、光后21hEE 普通光源普通光源（白熾燈、日光燈、高壓水銀燈）的發(fā)光過程（白熾燈、日光燈、高壓水銀燈）的發(fā)光過程為自發(fā)輻射。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的光彼此獨立，頻率、為自發(fā)輻射。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的光彼此獨立，頻率、振動方向、相位不一定相同振動方向、相位不一定相同為為非相干光非相干光。第第1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.21.2光的受激輻射概念光的受激輻射概念E1E2hE1E2h221211ndtdnAsp主要特征：主要特征：無需外來光，隨機發(fā)光，發(fā)出的光子不相干，即無需外來光，隨機發(fā)光，發(fā)出的光子不相干，即相位、偏振態(tài)、傳輸方向是隨機的；發(fā)出的光子能量分布在相位、偏振態(tài)、傳輸方向

5、是隨機的；發(fā)出的光子能量分布在許許多多個模式上。許許多多個模式上。自發(fā)輻射幾率自發(fā)輻射幾率（Spontaneous transition rate）：）： A21 能級能級21 躍遷的特征參數(shù)躍遷的特征參數(shù)sA121E2能級平均壽命能級平均壽命第第1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.21.2光的受激輻射概念光的受激輻射概念tAenn21202221212nAdtdndtdnsp221211ndtdnAspsspndtdndtdn2212stenn/202sA121推導(dǎo) A21 and s 的關(guān)系式 在自發(fā)輻射過程中，在自發(fā)輻射過程中，E2 能級上粒子隨時間按指數(shù)衰減；能級上粒子隨時

6、間按指數(shù)衰減； 自發(fā)輻射幾率自發(fā)輻射幾率A21與自發(fā)輻射（能級）壽命與自發(fā)輻射（能級）壽命 s呈倒數(shù)關(guān)系；呈倒數(shù)關(guān)系； s 可以通過實驗測得，由可以通過實驗測得，由 A21 =1/ s可獲得自發(fā)輻射幾率；可獲得自發(fā)輻射幾率； A21只決定于物質(zhì)本身性質(zhì)，與輻射場只決定于物質(zhì)本身性質(zhì)，與輻射場 無關(guān)。無關(guān)。第第1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.21.2光的受激輻射概念光的受激輻射概念2. 受激吸收（受激吸收（stimulated absorption STA）2E1E吸收前吸收前h吸收后吸收后21hEE 受激吸收躍遷幾率：受激吸收躍遷幾率：1212WB 12B：受激吸收躍遷愛因斯坦

7、系數(shù)：受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)與原子本身性質(zhì)和輻射場能量密度有關(guān)與原子本身性質(zhì)和輻射場能量密度有關(guān)121211stdnWdtn唯象的表示為：唯象的表示為：第第1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.21.2光的受激輻射概念光的受激輻射概念2E1E發(fā)光前發(fā)光前hh發(fā)光后發(fā)光后h21hEE 3. 受激輻射（受激輻射（stimulated emission STE）當(dāng)外來光子的頻率滿足當(dāng)外來光子的頻率滿足 時，使原子中處于高時，使原子中處于高能級的電子在外來光子的激發(fā)下向低能級躍遷而發(fā)光。能級的電子在外來光子的激發(fā)下向低能級躍遷而發(fā)光。21hEE 受激

8、輻射的受激輻射的光放大示意圖光放大示意圖受激輻射光具有與外來光子一樣的特征：受激輻射光具有與外來光子一樣的特征：相位、偏振相位、偏振態(tài)、傳輸方向完全相同態(tài)、傳輸方向完全相同，所以受激輻射光是相干光。所以受激輻射光是相干光。第第1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.21.2光的受激輻射概念光的受激輻射概念21B：受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)：受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)受激輻射躍遷幾率：受激輻射躍遷幾率：2121WB 與原子本身性質(zhì)和輻射場能量密度有關(guān)與原子本身性質(zhì)和輻射場能量密度有關(guān)212121stdnWdtn第第1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物

9、理基礎(chǔ)1.21.2光的受激輻射概念光的受激輻射概念三、愛因斯坦三系數(shù)三、愛因斯坦三系數(shù) 的相互關(guān)系的相互關(guān)系212112ABB、熱平衡狀態(tài)：熱平衡狀態(tài)：輻射率輻射率 吸收率吸收率 （輻射場總光子數(shù)保持不變）（輻射場總光子數(shù)保持不變）玻爾茲曼統(tǒng)計分布：玻爾茲曼統(tǒng)計分布：221221112n An Bn B各能級上的原子數(shù)密度（集居數(shù)密度）各能級上的原子數(shù)密度（集居數(shù)密度）123nnn、 、21()2211EEKTnfenf 12ff、能級能級 和和 的簡并度，的簡并度， 或稱統(tǒng)計權(quán)重或稱統(tǒng)計權(quán)重1E2E（1）（2）第第1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.21.2光的受激輻射概念光的受

10、激輻射概念21211121212/( ,)hKTABTB feB f 12ff 122112213212138BBWWhABc 與與Planck公式比較得：公式比較得：33811hKThce 3213211212128Ahm hBcB fB f 由（由（1）和（）和（2）可得：）可得：Planck 公式為：公式為：第第1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.21.2光的受激輻射概念光的受激輻射概念結(jié)論：結(jié)論：1. 其他條件相同時，受激輻射和受激吸收具有相同其他條件相同時，受激輻射和受激吸收具有相同 幾率。幾率。2. 熱平衡狀態(tài)下，高能級上原子數(shù)少于低能級上原熱平衡狀態(tài)下，高能級上原子數(shù)

11、少于低能級上原子子 數(shù)，故正常情況下，吸收比發(fā)射更頻繁，其差數(shù)，故正常情況下，吸收比發(fā)射更頻繁，其差額由自發(fā)輻射補償。額由自發(fā)輻射補償。3. 自發(fā)輻射的出現(xiàn)隨自發(fā)輻射的出現(xiàn)隨 而增大，故波長越短，而增大，故波長越短， 自發(fā)輻射幾率越大。自發(fā)輻射幾率越大。3 第第1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.21.2光的受激輻射概念光的受激輻射概念四、受激輻射的相干性四、受激輻射的相干性自發(fā)輻射：自發(fā)輻射：相互獨立、互不相關(guān)。相互獨立、互不相關(guān)。受激輻射：受激輻射：受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激 輻射的外來光子具有相同的特征輻射的外來光子具有相同的特征 （頻率、相位、

12、振動方向及傳播方（頻率、相位、振動方向及傳播方 向均相同）。向均相同）。受激輻射光子與入射光子屬同一光子態(tài)。受激輻射光子與入射光子屬同一光子態(tài)。不相干不相干相干光相干光第第1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.21.2光的受激輻射概念光的受激輻射概念說明：說明：1.1. SPE,STA,STE SPE,STA,STE 三種過程同時存在，只是有強弱差別三種過程同時存在，只是有強弱差別2.2. 兩種輻射比較兩種輻射比較 ( (熱平衡情況下熱平衡情況下) ) 答案：答案：SPESPE（自發(fā)輻射）占絕對優(yōu)勢（自發(fā)輻射）占絕對優(yōu)勢單位時間單位時間STESTE增加的光子數(shù)密度增加的光子數(shù)密度單位時間單位時間STASTA減少的光子數(shù)密度減少的光子數(shù)密度112112221221nBnWnBnW3. 兩種受激躍遷比較兩種受激躍遷比較 ( (熱平衡情況下熱平衡情況下) )9332121102118kThspsteehcABIIhBnIhAnIstesp212212T=1500K,l=500nm 空腔第第1章章 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光