2021-2022学年高二物理竞赛课件：受激辐射跃迁.pptx

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1、受激辐射跃迁受激辐射跃迁 2022/10/16 受激辐射跃迁受激辐射跃迁受激辐射：处于高能级态E2的原子在频率 21=（E2-E1）/h 的外界光作用下跃迁到E1，同时辐射出能量为（E2-E1）、且与外界光信号同一状态的光子，这两个光子再去诱发产生更多状态相同的光子。这样，在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，这一过程称为受激辐射。2022/10/16 受激辐射概率：在频率 21=（E2-E1）/h 的外界光信号作用下，单位时间内从高能级态E2 跃迁到低能级态E1的原子数密度N21与高能级E2 上总的原子数密度N2 之比的比值。受激辐射跃迁受激辐射跃迁为为爱因斯坦受激辐射系数

2、爱因斯坦受激辐射系数,只与粒子本身的性质只与粒子本身的性质有关。有关。为辐射场能量密度为辐射场能量密度 为为E2能级上的粒子数密度能级上的粒子数密度,2022/10/16 受激辐射跃迁受激辐射跃迁受激辐射的特点是：这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的，而且受激辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外来光子具有完全相同的状态。在受激辐射过程中，输入一个光子，可以得到两个状态完全相同的光子输出。并且这两个光子可再作用于其他原子上，产生受激辐射，而获得大量特征完全相同的光子。这便是受激辐射的光放大原理。激光器发光，正是利用受激辐射的上述特点，所以激

3、光具有单色性好、方向性好、亮度高以及相干性好的特点。2022/10/16 受激吸收：处于低能级态E1的原子在频率为 21=（E2E1）/h 的辐射场作用下吸收一个光子，并跃迁高能级态E2 的过程。2022/10/16 受激吸收概率：由于受激吸收，单位时间从E1能级跃迁到 E2 能级的原子数密度N12与E1能级总原子数密度N1的比值。为为爱因斯坦受激吸收系数爱因斯坦受激吸收系数,只与粒子本身的性质只与粒子本身的性质有关。有关。为辐射场能量密度为辐射场能量密度 为为E1能级上的原子数密度能级上的原子数密度,爱因斯坦关系爱因斯坦关系 大量粒子构成的粒子体系(如原子或分子等)中，三种跃迁同时存在。E2

4、自发辐射的能量(E2-E1)的光子，对其它粒子而言可视为外来入射光，使E1上粒子发生受激吸收，使E2上粒子发生受激辐射，三种过程相互联系，这种相互联系可由表示原子特定能级E1、E2特性的参数A21、B21、B12来表示。爱因斯坦关系爱因斯坦关系 设一原子系统两特定能级E1、E2简并度分别为g1、g2，在温度T下处于热平衡状态，E1、E2能级原子数密度分别为N1、N2。原子系统从吸收能量（E2-E1）后，单位时间内通过受激吸收从E1 跃迁到E2 能级的原子数为：处于E2上的原子，单位时间通过自发辐射与受激辐射跃迁至E1上的原子数为：由于系统处于热平衡状态，则应有以下关系式成立：即即 因而有：因而

5、有：又由于在热平衡状态下，又由于在热平衡状态下，N1、N2 按照玻尔兹曼分布按照玻尔兹曼分布：式中，式中，k为玻尔兹曼常数。于是有：为玻尔兹曼常数。于是有：式中式中c为真空中光速，于是比较两式，可知：为真空中光速，于是比较两式，可知：此两式即为著名的此两式即为著名的爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式。若若 E1、E2 两能级简并度相等，即两能级简并度相等，即 g1=g2，则爱因斯，则爱因斯坦关系式可简化为：坦关系式可简化为：在热平衡条件下，光辐射的能量密度在热平衡条件下，光辐射的能量密度 (21)又可由又可由普朗普朗克公式克公式给出：给出：讨论：讨论：1）受激吸收与受激辐射比较）受激吸收与受激辐射比

6、较因因n1n2，故：，故：结论：热平衡下，大量粒子受激吸收至高能级，而通结论：热平衡下，大量粒子受激吸收至高能级，而通过受激辐射返回低能级的粒子数很少。过受激辐射返回低能级的粒子数很少。爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式2.1.4 2.1.4 激光产生的必要条件激光产生的必要条件设设g1=g2=1,则：则：2）自发辐射与受激辐射比较）自发辐射与受激辐射比较 爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式室温下，普通辐射源的室温下，普通辐射源的光子简并度光子简并度跃迁粒子数之比：跃迁粒子数之比：结论：热平衡下结论：热平衡下,受激辐射概率受激辐射概率(或粒子数或粒子数)远小于自远小于自发辐射概率发辐射概率(或粒子数或粒子数)。自发辐射寿命的物理意义：经过 s后，E2上的原子数密度N2减少到初值 N20的1/e倍。s 越大，表明原子在E2上逗留时间越长。s无穷大时，称E2为稳态 s 较长的能态称为亚稳态 2022/10/16