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《自發(fā)輻射受激輻射與受激吸收》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、1-3自發(fā)輻射、受激輻射與受激吸收光與物質(zhì)之間的共振相互作用是激光器發(fā)光的物理基礎(chǔ)。1900年普朗克提出量子化假說(shuō)，成功地解釋了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1913年玻爾又利用量子化假說(shuō)，成功地解釋了氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。N.玻爾愛(ài)因斯坦于1917年首次提出了受激輻射的概念。四十年后，這個(gè)概念在激光技術(shù)中得到的廣泛的應(yīng)用。愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦于1917年首次提出了受激輻射的概念。四十年后，這個(gè)概念在激光技術(shù)中得到的廣泛的應(yīng)用。Maiman的第一臺(tái)激光器本節(jié)首先討論黑體輻射的普朗克公式，然后介紹自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收這三種與
2、激光發(fā)光機(jī)理有關(guān)的躍遷過(guò)程，最后討論三種躍遷中引入的愛(ài)因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系。一、黑體輻射的普朗克公式熱輻射：處于任何溫度下的任意一個(gè)物理，都能夠吸收或輻射電磁波，這種由于物體中的分子或原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁輻射的現(xiàn)象稱為熱輻射。黑體：如果存在一種物體，它能夠完全吸收任何波長(zhǎng)的電磁輻射，我們就稱它為黑體?？涨惠椛淇山瓶闯墒且环N理想的黑體。比始終等于一的物體絕對(duì)黑體模型對(duì)于任何溫度，任何波長(zhǎng)吸收絕對(duì)黑體?打開(kāi)的窗戶從外面?陽(yáng)光進(jìn)入房間后經(jīng)多次反射全被吸收?這是一個(gè)近似的絕對(duì)黑體模型觀察是黑色的返回結(jié)束黑體熱輻射的大
3、小由單色能量密度描述，它定義為在單位體積內(nèi)，頻率處于ν處的單位頻率間隔內(nèi)的電磁輻射能量，即：實(shí)驗(yàn)證明，的大小與ν和溫度T有關(guān)。2200K2000K1800K1600K絕對(duì)黑體的單色輻出度按波長(zhǎng)分布曲線70605040302001.02.03.04.05.0M0λ(T)(μm)l(W.cm-2.μm-1)普朗克能量量子化假說(shuō)：原子中的電子運(yùn)動(dòng)可視為是一維的諧振子，他所吸收或發(fā)射的電磁輻射能量不能連續(xù)變化，只能以與諧振子的諧振的振動(dòng)頻率成正比的能量子作為基元，取它的整數(shù)倍。能量子的大小為：（1-3-2）式中：h——普朗
4、克常數(shù)；ν——振動(dòng)頻率。普朗克的輻射能量量子化假說(shuō)并得到了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合的黑體輻射普朗克公式。普朗克公式根據(jù)普朗克的能量量子化假說(shuō)和玻爾茲曼的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，可以得出黑體輻射分配到腔內(nèi)每個(gè)模式上的平均能量為：（1-3-3）式中：K——波爾茲曼常數(shù)，其值為1.38×10-23焦耳/開(kāi)爾文（J/K）。（1-2-6）由V的空腔內(nèi)、頻率為ν-ν+dν范圍內(nèi)的光波模式數(shù)為：可以寫出可以寫出腔內(nèi)單位體積處于頻率為ν處的單位頻率間隔中的光波模式數(shù)（或稱為單色模式密度）為：把（1-3-3）與（1-3-4）兩式相乘，便可以得到黑體輻射的
5、單色能量密度為：（1-3-5）普朗克公式二、躍遷玻爾在解釋原子光譜實(shí)驗(yàn)規(guī)律時(shí)，將經(jīng)典的理論與普朗克的能量量子化概念結(jié)合在一起，認(rèn)為原子中的電子可以在一些特定的軌道上運(yùn)動(dòng)，并具有一定的能量。這樣一來(lái)，每種原子就有一系列的與不同定態(tài)對(duì)應(yīng)的能級(jí)，各能級(jí)間的能量不連續(xù)。玻爾躍遷：當(dāng)原子從某一能級(jí)吸收了能量或釋放了能量，變成另一能級(jí)時(shí)，我們就稱它產(chǎn)生了躍遷。吸收躍遷：凡是吸收能量后從低能級(jí)到高能級(jí)的躍遷；輻射躍遷：釋放能量后從高能級(jí)到低能級(jí)的躍遷。特點(diǎn)：躍遷時(shí)所吸收或釋放的能量必須等于發(fā)生躍遷的兩個(gè)能級(jí)之間的能級(jí)差。如果吸收
6、或輻射的能量都是光能的話，此關(guān)系式表示為：（1-3-6）E2與E1分別是兩個(gè)能級(jí)的能量。hν是吸收或釋放的光子的能量。愛(ài)因斯坦從輻射與原子相互作用的量子論出發(fā)提出，躍遷的形式包括：自發(fā)輻射躍遷受激輻射躍遷受激吸收躍遷在激光器的發(fā)光過(guò)程中，始終伴隨著這三個(gè)躍遷過(guò)程。（一）自發(fā)輻射定義：處于高能級(jí)E2的原子自發(fā)祥低能級(jí)E1躍遷，并發(fā)射一個(gè)頻率等于ν=（E2-E1）/h的光子的過(guò)程稱為自發(fā)輻射躍遷。用自發(fā)躍遷幾率A21來(lái)描述：定義：發(fā)光材料在單位時(shí)間內(nèi)，從高能級(jí)上產(chǎn)生自發(fā)輻射的發(fā)光粒子數(shù)密度與高能級(jí)粒子數(shù)密度的比值。公式
7、為：（1-3-7）dn21——dt時(shí)間內(nèi)自發(fā)輻射粒子數(shù)密度；n2——E2能級(jí)總粒子數(shù)密度。下標(biāo)sp表示自發(fā)輻射躍遷。自發(fā)輻射躍遷的過(guò)程是一種只與原子本身的性質(zhì)有關(guān)，而與輻射場(chǎng)u(ν)無(wú)關(guān)的自發(fā)過(guò)程。A21的大小與原子處在E2能級(jí)上的平均壽命τ2有關(guān)，由微分方程：解此微分方程，可得到n2(t)隨時(shí)間變化規(guī)律為：N2(0)——計(jì)時(shí)起點(diǎn)t=0時(shí)粒子數(shù)密度E2能級(jí)的平均壽命τ2：t=0時(shí)的n2(0)衰減到它的1/e時(shí)所用的時(shí)間。（1-3-10）E2能級(jí)的平均壽命τ2（1-3-10）A21有可稱為自發(fā)輻射躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)。（
8、二）受激輻射定義：處于高能級(jí)E2上的原子在頻率為ν=（E2-E1）/h的輻射場(chǎng)激勵(lì)作用下，或在頻率為ν=（E2-E1）/h的光子誘發(fā)下，向低能級(jí)E1躍遷并輻射一個(gè)與激勵(lì)輻射場(chǎng)或誘發(fā)光子的狀態(tài)（包括頻率、運(yùn)動(dòng)方向、偏振方向、位相等）完全相同的光子的過(guò)程。其示意圖用受激輻射躍遷幾率W21來(lái)描述，它定義的方式類似于自發(fā)輻射躍遷幾率：（1-3-11）式中：dn21—
