激光原理与应用讲-第一章教学文案.ppt

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1、上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录激光原理与应用讲-第一章上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回

2、首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.1 光光的的波波粒粒二二象象性性 光的一个基本性质就是具有波粒二象性，人们对光的认识从牛顿的微粒说，到菲涅尔的波动说，再到爱因斯坦的光子说。一方面光是电磁波，具有波动的性质，有一定的频率和波长。另一方面光是光子流，光子是具有一定能量和动量的物质粒子。在一定条件下，某一方面的属性比较明显。上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页

3、回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.1 光光的的波波粒粒二二象象性性 首先了解一下光的波动性，从物质本源上来讲光波是一种电磁波，是 和 的振动和传播,如图（1-1）所示。习惯上常把电矢量叫做光矢量。图（1-1）电磁波的传播1.1.1 光波光波（1）变化的电场和变化的磁场相互激发，形成变化的电磁场在空间传播。（2）光对人眼或感光仪器等起作用的主要是电矢量 。上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一

4、页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.1 光光的的波波粒粒二二象象性性1.1.1 光波光波1、线偏振光线偏振光Ex(1)线偏振光线偏振光ExyEy(2)自然光自然光z传播方向图（1-1）电磁波的传播这里我们讨论的是电矢量在xy平面的震动方向：上一页上一页上一页上

5、一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.1 光光的的波波粒粒二二象象性性2、光速、频率和波长三者的关系光速、频率和波长三者的关系(1)波长：振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。波长：振动状态在经历一个周期的时间内向前

6、传播的距离。1.1.1 光波光波上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.1 光光的的波波粒粒二二象象性性(3)光速：光速：(2)频率：频率：光矢量每秒钟振动的次数(4)三者的关系三者的关系在真空中 各种介质

7、中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同 2、光速、频率和波长三者的关系光速、频率和波长三者的关系1.1.1 光波光波上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.1 光光的的波波粒粒二二象象性性1.1.1

8、光波光波3、单色平面波单色平面波(1)平面波平面波(2)单色平面波：具有单一频率的平面波单色平面波：具有单一频率的平面波波阵面或等相位面：光波位相相同的空间各点所连成的面平面波：波阵面是平面准单色波：实际上不存在完全单色的光波，总有一定的频率宽度，如称为准单色波。上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回

9、首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.1 光光的的波波粒粒二二象象性性理想的单色平面波（简谐波）设真空中电磁波的电矢量 在坐标原点沿x方向作简谐振动，磁矢量 在y方向作简谐振动，频率均为 ，且t=0时两者的初位相均为零。则 、的振动方程分别为：图（1-1）电磁波的传播上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末

10、页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.1 光光的的波波粒粒二二象象性性为方便起见两式统一写为标量形式：其中，U为场矢量大小，代表或的大小，U0为场矢量的振幅。图（1-1）电磁波的传播设光波以速度c向z方向传播,波场中z轴上任一点P的振动方程：上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回

11、首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.1 光光的的波波粒粒二二象象性性图（1-1）电磁波的传播具体分析：具体分析：(a)z一定时，则U代表场矢量在该点作时间上的周期振动(c)z、t同时变化时，则U代表一个行波方程，可以表示两个不同时刻空间各点的振动状态。也可以改写成如下形式：从上式可看出，光波具有时间周期性和空间周期性。时间周期为T，空间周期为；时间频率为1/T，空间频率为1/。(b)t一定时，则U代表场矢量随位置的不同作空间的周期变

12、化上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.1 光光的的波波粒粒二二象象性性(3)平面波的复数表示法、光强平面波的复数表示法、光强单色平面波的复数表示：或 根据欧拉公式可把行波方程写作：计算结果仅取实数部分：

13、1.1.1 光波光波3、单色平面波单色平面波上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.1 光光的的波波粒粒二二象象性性复振幅 ：引入复振幅后，行波方程改写为（空间变量与时间变量分开表示）：其模 代表振幅在空间

14、的分布，辐角(-kz)代表位相在空间的分布 上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.1 光光的的波波粒粒二二象象性性光强：定义为单位时间内通过垂直于光传播方向单位面积的光波能量，用字母I代表，单位为W/m2

15、 常记作：光强与光矢量大小的平方成正比，即由于光的频率很高，通常用探测器测量到的只是光强的平均值 ：上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.1 光光的的波波粒粒二二象象性性(4)球面波及其复数表示法球面波及

16、其复数表示法球面波的振幅随波面半径r的增大成反比例减小，其简谐波方程为：球面波的复数表示法：球面波：光波波面为一系列同心球面的波例如，均匀介质中点光源发出的光波1.1.1 光波光波3、单色平面波单色平面波上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回

17、末页回末页回目录回目录回目录回目录1.1 光光的的波波粒粒二二象象性性1.1.2 光子光子在真空中一个光子的能量为，动量为，则它们与光波频率，波长之间的关系为（爱因斯坦）：当光和物质相互作用时，例如产生原子对光的发射和吸收时，光的粒子性就表现的较为明显，可以把光当做光子流看待上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上

18、一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.1 光光的的波波粒粒二二象象性性式中h是普朗克常数，h=6.6310-34Js。光的能量是所有光子能量的总和，当光与物质交换能量时，光子只能整个地被原装吸收或发射。上述两个基本关系式为康普顿散射实验所证实（1923年），并在现代量子电动力学中得到理论解释。上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回

19、首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.1 光光的的波波粒粒二二象象性性小结：小结：光的偏振特性：激光器的输出多为线偏振光，而普通光源发出的光基光的偏振特性：激光器的输出多为线偏振光，而普通光源发出的光基本上是自然偏振光本上是自然偏振光真空中光速、频率和波长之间的关系：真空中光速、频率和波长之间的关系：平面波的行波方程：平面波的行波方程：光子的能量公式：光子的能量公式：，光子能量公式在研究激光的激发时是经常，光子能量公式在研究激光的激发

20、时是经常用到的用到的上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.2 原原子子的的能能级级和和辐辐射射跃跃迁迁主量子数n，n=1，2，3，代表电子运动区域的大小和它的总能量的主要部分；辅量子数l，l=0，1，2，

21、（n-1）代表轨道的形状和轨道角动量，这也同电子的能量有关。对l=0，1，2，3等的电子顺次用s,p,d,f字母表示；1.2.1 原子能级、简并度原子能级、简并度1.原子中电子的状态由下列四个量子数来原子中电子的状态由下列四个量子数来确定（标记）：确定（标记）：上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首

22、页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.2 原原子子的的能能级级和和辐辐射射跃跃迁迁磁量子数（即轨道方向量子数）m=0，1，2，l代表轨道在空间的可能取向，即轨道角动量在某一特殊方向的分量；自旋量子数（即自旋方向量子数）ms=1/2，代表电子自旋方向的取向，也代表电子自旋角动量在某一特殊方向的分量。上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页

23、下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.2 原原子子的的能能级级和和辐辐射射跃跃迁迁2.原子能级原子能级 和和 能级简并度能级简并度电子能级（原子系统能级），依次用E0，E1，E2，En表示基态：原子处于最低的能级状态激发态：能量高于基态的其它能级状态简并能级：同一能级有两个或两个以上的不同运动状态简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目1.2.1 原子能级、简并度原子能级、简并度上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页

24、下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.2 原原子子的的能能级级和和辐辐射射跃跃迁迁ssP以氢原子为例来具体说明原子的能级中的简并度由于氢原子只有一个核外电子，所以该电子的状态就可以代表原子的状态当电子的主量子数n=1即电子在最内层轨道运动时；l=0；m=0；ms=

25、1/2当电子的主量子数n=2即电子在次内层轨道运动时；l=0；m=0；ms=1/2l=1；m=0，1；ms=1/2那么如何得知电子具体运动状态呢？上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.2 原原子子的的能能

26、级级和和辐辐射射跃跃迁迁多电子原子的能级状态将更为复杂，但遵循以下规律电子的量子数遵守泡利不相容原理：不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的量子数；电子填充原子壳层时遵守最小能量原理：通常电子从最低能级开始填充，再依次填充能量较高的能级；电子的轨道运动和自旋运动会产生复杂耦合：各个电子轨道间和自旋间的耦合大于每个电子轨道与自旋间的耦合称为LS耦合，反之称为JJ耦合。上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回

27、首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.2 原原子子的的能能级级和和辐辐射射跃跃迁迁（1）跃迁必须改变奇偶态。即原子发射或吸收光子，只能出现在一个偶态能级到另一个奇态能级，或是一个奇态能级到另一个偶态能级之间。（2）J=0，1（J=0J=0除外）对于采用LS耦合的原子还必须满足下了选择定则：（3）L=0，1（L=0L=0除外）（4）S=0，即跃迁时S不能发生改变1.2.2 辐射跃迁选择定则辐射跃迁选择定则 对于具有多个核外电子的原

28、子来说，其状态标记也要复杂得多，通常用总角动量量子数J，总轨道量子数L和总自旋量子数S来描述。上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.2 原原子子的的能能级级和和辐辐射射跃跃迁迁1.2.3 波尔兹曼分布波尔

29、兹曼分布1.现考虑由现考虑由n0个相同原子个相同原子(分子或离子分子或离子)组成的系统，在热平衡条件下，组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：式中 Ei的简并度；k=1.3810-23J/K波尔兹曼常数；T热平衡时的绝对温度；ni处在Ei能级的原子数2.分别处于分别处于Em和和En能级上的原子数能级上的原子数nm和和nn必然满足下一关系：必然满足下一关系：上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条

30、条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.2 原原子子的的能能级级和和辐辐射射跃跃迁迁1.2.3 波尔兹曼分布波尔兹曼分布3.为简单起见，假定能级简并度为简单起见，假定能级简并度讨论：1），2），3）T0且EmEn，nmnn结论：通常情况下不存在粒子数翻转，无法实现对光子的放大。上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目

31、录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.2 原原子子的的能能级级和和辐辐射射跃跃迁迁1.2.4 辐射跃迁和非辐射跃迁辐射跃迁和非辐射跃迁1.辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象2.非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量3.辐

32、射跃迁与非辐射跃迁的主要区别：辐射跃迁伴随光子的发射或吸收，遵守跃迁选择定则；非辐射跃迁并不伴随光子的发射和吸收，不遵守跃迁选择定则上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.2 原原子子的的能能级级和和辐辐射

33、射跃跃迁迁小结：小结：表征电子运动状态的四个量子数：主量子数、辅量子数、磁量子数、表征电子运动状态的四个量子数：主量子数、辅量子数、磁量子数、自旋量子数自旋量子数波尔兹曼定律（统计规律）：波尔兹曼定律（统计规律）：辐射跃迁与非辐射跃迁的主要区别：辐射跃迁伴随光子的发射或吸收，辐射跃迁与非辐射跃迁的主要区别：辐射跃迁伴随光子的发射或吸收，遵守跃迁选择定则；而非辐射跃迁并不伴随光子的发射和吸收，不遵遵守跃迁选择定则；而非辐射跃迁并不伴随光子的发射和吸收，不遵守跃迁选择定则守跃迁选择定则上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录

34、回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.3 光光的的受受激激辐辐射射1.3.1 黑体热辐射黑体热辐射1.绝对黑体又称黑体：指绝对黑体又称黑体：指某一物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射某一物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射。自然界中绝对黑体是不存在的。自然界中绝对黑体是不存在的。2.空腔辐射体是一个比较理想的绝对黑体，空

35、腔辐射体是一个比较理想的绝对黑体，进入小孔的电磁波将在腔内来回反射而无法逸出。进入小孔的电磁波将在腔内来回反射而无法逸出。3.平衡的黑体热辐射：当空腔加热到一定温度平衡的黑体热辐射：当空腔加热到一定温度T后，空前内表面的热辐射后，空前内表面的热辐射 在腔内来回反射，形成一个稳定的辐射场。小孔则是黑体辐射的光源面。在腔内来回反射，形成一个稳定的辐射场。小孔则是黑体辐射的光源面。上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回

36、首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.3 光光的的受受激激辐辐射射1.3.1 黑体热辐射黑体热辐射单色辐射能量密度 ：定义为辐射场中单位体积内，频率在 附近的单位频率间隔中的辐射能量4.辐射能量密度公式（统计规律）辐射能量密度公式（统计规律）上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条

37、条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.3 光光的的受受激激辐辐射射在量子假设的基础上，由处理大量光子的量子统计理论得到真空中 与温度T及频率 的关系，即为普朗克黑体辐射的单色辐射能量密度公式式中h是普朗克常数，k为波尔兹曼常数。总辐射能量密度:上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理

38、理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.3 光光的的受受激激辐辐射射光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收1.自发辐射自发辐射自发辐射:高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为 的光子。图（1-6）表示自发辐射的过程。自发辐射的特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干

39、光。1.3.2 光和物质的作用光和物质的作用图（1-6）自发辐射上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.3 光光的的受受激激辐辐射射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

40、中“”表示E2 能级的粒子数密度减少；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。A21称为爱因斯坦自发辐射系数，简称自发辐射系数。图（1-6）自发辐射上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页

41、下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.3 光光的的受受激激辐辐射射图（1-6）自发辐射上式可改写为：A21 的物理意义为：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跃迁几率。上方程的解为：,式中n20为t=0时处于能级E2的原子数密度。上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下

42、一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.3 光光的的受受激激辐辐射射自发辐射的平均寿命 ：全部原子完成自发辐射跃迁所需时间之和对原子数平均，等于原子数密度由起始值降至它的1/e的时间：设高能级En跃迁到Em的跃迁几率为Anm，则激发态En的自发辐射平均寿命为：于是已知A21，可求得单位体积内发出的光功率：上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要

43、与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.3 光光的的受受激激辐辐射射2.受激辐射受激辐射(1)受激辐射：高能级 E2上的原子当受到外来能量 的光照射时向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子，如图（1-8）所示。(2)受激辐射的特点：只有 当时，才能发生受激辐射 受激辐射的光子与外来光子的特性一样，如频率、位相、偏振和传播方向图（1-8）光的受激辐

44、射过程1.3.2 光和物质的作用光和物质的作用上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.3 光光的的受受激激辐辐射射式中的参数意义同自发辐射。B21称为爱因斯坦受激辐射系数，简称受激辐射系数。(3)同理从E2

45、经受激辐射跃迁到E1具有一定的跃迁速率，在此假设外来光的光场单色能量密度为 ，则有：(4)令 ，则有：则W21(即受激辐射的跃迁几率)的物理意义为：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。上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首

46、页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.3 光光的的受受激激辐辐射射(5)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。图（1-6）自发辐射图（1-8）光的受激辐射过程上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上

47、一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.3 光光的的受受激激辐辐射射式中B12称为爱因斯坦受激吸收系数(2)同理从E1经受激吸收跃迁到E2具有一定的跃迁速率，在此假设外来光的光场单色能量密度为 ，且低能级E1的粒子数密度为n1，则有：3.受激吸收受激吸收(1)处于低能级E1的原子受到外来光子（能量 ）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。如图（1-9）所示。图（1-9）光的受激吸收过程1.3.2 光和物质的作用光和物质的作用上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页

48、回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.3 光光的的受受激激辐辐射射图（1-9）光的受激吸收过程(3)同理令 ，则有：则W12(即受激吸收几率)的物理意义为：单位时间内，在外来单色能量密度 的光照下，由E1能级跃迁到E2能级的粒子数密度占E1能级上总粒子数密度的百分比。上一页上

49、一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.3 光光的的受受激激辐辐射射1.3.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系1.在光和原子相互作用达到动平衡的条件下，有如下关系：由波

50、尔兹曼分布定律可知：自发辐射光子数受激辐射光子数受激吸收光子数将代入得：上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录第第一一章章 辐辐射射理理论论概概要要与与激激光光产产生生的的条条件件上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录上一页上一页上一页上一页回首页回首页回首页回首页下一页下一页下一页下一页回末页回末页回末页回末页回目录回目录回目录回目录1.3 光光的的受受激激辐辐射射由此可算得热平衡空腔的单色辐射能量密度为：将上式与普朗克理论所得的