【正文】 也只有在滿足輻射躍遷選擇定則時，一個處于低能級 E1的原子才有可能吸收一個能量為?=h?=E2E1的外來光子，而使該原子躍遷到高能級 E2。這種輻射場稱為 黑體輻射或平衡輻射 （ blackbody radiation） 。 How to do it? 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? 光波模式的選擇，由兩塊平行平面反射鏡完成，即法布里－珀羅 （ FabryPerot） 干涉儀 ? 在受激輻射過程中，通過一個光子的激勵作用可以得到兩個全同光子；若這兩個全同光子再引起其它原子產(chǎn)生受激輻時就能得到更多的全同光子，這種現(xiàn)象稱為光放大，這是產(chǎn)生激光放大和振蕩的一個重要概念，光放大須在一定條件下產(chǎn)生。 and will eventually grow into a coherent selfsustained oscillation inside the laser cavity formed by the two end mirrors. The threshold condition for the buildup of laser oscillation is thus that the total roundtrip gainthat is, laser gain minus cavity and coupling lossesmust have a magnitude greater than unity. 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 光的自激振蕩 ? 無限長的放大器 ? 實際的自激振蕩器 ? 自激振蕩條件 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? 損耗系數(shù)定義為光通過單位距離后光強衰減的百分?jǐn)?shù) ? 同時考慮增益和損耗 ? 假設(shè)有微弱光 (I0)進入一無限長放大器。 激光器是一個光的自激振動器。 ? The roundtrip phase shift inside the cavity must be some (large) integer multiple of 2?, or the roundtrip length must be integer number of wavelengths at the oscillation frequency. 02 22Lq???? ?? ? ? ? ? 02Lq ????深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? 達到諧振時 ， 腔的光學(xué)長度應(yīng)為半波長的整數(shù)倍 ，也稱為激光器的相位平衡條件 （ 駐波條件 ） ? 諧振頻率是分立的 。只有在這種情況下，光才能不斷得到放大，使輸出光強逐漸增加，稱其為激光器起振條件或閾值條件 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? ?稱為光學(xué)諧振腔的平均損耗系數(shù)（包括增益物質(zhì)的本身損耗和通過兩個反射鏡的傳輸損耗，其中包括了有用光的輸出） ? 在光放大過程中，高能級向低能級的受激輻射使上下能級的原子數(shù)之差減小，因而受激輻射作用減弱，這引起增益系數(shù) g 的減小，直至 g=?， 激光器維持一個穩(wěn)定的振蕩并輸出穩(wěn)定的光功率。 01 msgII???0() smIIg ????深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? 實際上，只要在具有一定長度的光放大器兩端放置光諧振腔，軸向光波模就能在反射鏡間往返傳播，就等效于增加放大器的長度。 ? 增益系數(shù)也是光波頻率的函數(shù)。 50000K 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 21212121338 AWABchn ??? ?? ????如果能創(chuàng)造一種情況，使腔內(nèi)某一特定模式 （或少數(shù)幾個模式）的 ??大大增加，而其它所有模式的 ??很小，就能在這一特定（或少數(shù)幾個）模式內(nèi)形成很高的光子簡并度。 ? 處于某一溫度 T的黑體在熱平衡情況下，吸收的輻射能量等于發(fā)出的輻射能量，即黑體與輻射場之間處于能量 (熱 )平衡狀態(tài)。 ]e xp[ )(1212 12TkEEbffNN ???深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? Boltzmann?s Principle states that when a collection of atoms is in thermal equilibrium at a positive temperature T, the relative populations of any two energy levels E1 and E2 are given by ? Thus for a collection of atoms is in equilibrium at a normal positive temperature T, an upperlevel population is always smaller than a lowerlevel population. ]e xp[ )(12 12TkEEbNN ???深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 （三）輻射躍遷和非輻射躍遷 ? 一個處于高能級 E2的原子，總是力圖使自己的能量狀態(tài)過渡到低的能級 E1。 ? 由于原子熱運動，原子間相互碰撞或原子與器壁的碰撞，不可能所有原子都處在基態(tài)，有一定數(shù)量的原子激發(fā)到不同的激發(fā)態(tài)。依次用 E EE … 、 En表示。 l。 ? 角量子數(shù) l。原子處在這種狀態(tài)時，稱為 激發(fā)態(tài)(excited state)。 n深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 五、原子的能級結(jié)構(gòu) （一）原子能級、簡并度 ? 原子由原子核和繞原子核旋轉(zhuǎn)的核外電子組成，原子核帶正電，電子帶負(fù)電，但二者電量相等。 ? 光源的相干體積為 ? 如果要求傳播方向限于張角 ??之內(nèi)并具有頻帶寬度 ??的光波相干，則光源應(yīng)局限在空間體積 Vcs之內(nèi)。 ? 一個相格所占有的坐標(biāo)空間體積（或稱相格空間體積）為 zyx PPPhzyx???????3深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 （三）等效性 ? 一個光波模是由兩列沿相反方向傳播的行波組成的駐波，因此一個光波模在相空間的 Px、Py和 Pz軸方向所占的線度為 ? 利用 ，在相空間中得到 ? 一個光波模在相空間也占有一個相格。用廣義笛卡兒坐標(biāo) x、 y、 z、 Px、 Py、 Pz所支撐的六維空間來描述質(zhì)點的運動狀態(tài)。 lk?lh?lk??lh? lk??深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? 二、光波模式和光子狀態(tài) ? 按照量子電動力學(xué)概念，利用波動和粒子兩種觀點，說明： 光波的模式和光子的狀態(tài)是等效的 。 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? 任意電磁波可看作是一系列單色平面電磁波（以波矢 為標(biāo)志）的線性疊加，或一系列電磁波的本征模式（或本征狀態(tài)）的疊加。 ? 這種 能夠存在于腔內(nèi)的駐波（以某一波矢 為標(biāo)志）稱為電磁波的模式或光波模 。 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? 對于一維運動情況，測不準(zhǔn)關(guān)系為 ，意味著處于二維相空間面積元 之內(nèi)的粒子運動狀態(tài)在物理上是不可區(qū)分的，它們應(yīng)屬于同一種狀態(tài)。光場的相干函數(shù)來度量） ? 如果在空間體積 Vc內(nèi)各點的光波場都具有明顯的相干性，則 Vc稱為相干體積。即屬于同一光子態(tài)的光子是相干的 。按照一定規(guī)律分布在若干層特定的軌道上。原子在中間狀態(tài)停留的時間比在激發(fā)態(tài)停留的時間長得多，這一狀態(tài)稱為 亞穩(wěn)態(tài) (103s左右 ) 。對于 l=0， 1， 2， 3等的電子，依次用 s， p， d， f字母表示。 s=177。反過來， 某一能級并不只對應(yīng)一個電子態(tài) ，可以對應(yīng)于若干個量子態(tài)，即電子可以有兩個或兩個以上的不同運動狀態(tài)具有相同的能級。從總的粒子集團來看，處于能量較低能級的粒子較多，處于能量較高能級的粒子較少，而處于基態(tài)粒子最多。 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? 這種發(fā)射或吸收光子從而使原子造成能級間躍遷的現(xiàn)象叫 輻射躍遷 。 ? 黑體輻射是黑體溫度 T和輻射場頻率 ?的函數(shù) ，用 單色能量密度 ??來描述：在單位體積內(nèi)，頻率處于 ?附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量 (J?m3?s） 深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ? A particularly important kind of radiation field is that emitted by a black body. Such a body absorbs with 100% efficiency all the radiation falling on it, irrespective of the radiation frequency. A close approximation to a black body (absorber and emitter) is a enclosed cavity containing a small hole. Radiation that enters the hole has very little chance of escaping. If the inside of this cavity is in thermal equilibrium it must lose as much energy as it absorbs and the emission from the hole is therefore characteristic of t