激光原理與技術--第一章輻射理論概要與激光產生的條件(編輯修改稿)
2025-04-17 03:12 本頁面
【文章內容簡介】 輻射平均壽命為： ?? m nmA1??已知 A21，可求得單位體積內發(fā)出的光功率。若一個光子的能量為 ，某時刻激發(fā)態(tài)的原子數密度為 n2(t)，則該時刻自發(fā)輻射的光功率密度（ W/m3）為： h νAtntq 21221 )()( ?hνdtnBdn ??1122 ?式中 B12稱為愛因斯坦受激吸收系數 (2) 同理從 E1經受激吸收躍遷到 E2具有一定的躍遷速率，在此假設外來光的光場單色能量密度為 ，且低能級 E1的粒子數密度為 n1，則有： ?? 受激吸收 (1) 處于低能級 E1的原子受到外來光子（能量 ）的刺激作用，完全吸收光子的能量而躍遷到高能級 E2的過程。如圖（ 19）所示。 12 EEh ??? ??dtndnBW121212 ??? ??(3) 同理令 ，則有： ??1212 BW ?則 W12(即受激吸收幾率 )的物理意義為：單位時間內，在外來單色能量密度 的光照下，由 E1能級躍遷到 E2能級的粒子數密度占 E1能級上總粒子數密度的百分比。 ??圖（ 19）光的受激吸收過程 112121)(ndtdnW St???1212 BW ?受激吸收 受激吸收躍遷幾率 W12 E1 E0 hv受激輻射 自發(fā)輻射 由原子自發(fā)躍遷發(fā)出的光波 E1 E0 hv受激輻射簡易原理圖 . 1E2E. 。 2E1E 發(fā)光前 發(fā)光后 ?h?h?h 受激輻射的光放大示意圖 受激輻射 (1) 受激輻射：高能級 E2上的原子當受到外來能量 的光照射時向低能級 E1躍遷，同時發(fā)射一個與外來光子完全相同的光子，如圖（ 18）所示。 12 EEh ??? ??(2)受激輻射的特點： ?只有 當時，才能發(fā)生受激輻射 ?受激輻射的光子與外來光子的特性一樣， 如頻率、位相、偏振和傳播方向 12 EEh ???dtnBdn ??2212 ??式中的參數意義同自發(fā)輻射。 B21稱為愛因斯坦受激輻射系數，簡稱受激輻射系數。 (3) 同理從 E2經受激輻射躍遷到 E1具有一定的躍遷速率，在此假設外來光的光場單色能量密度為 ，則有： ??圖（ 18）光的受激輻射過程 dtndnBW222121 ??? ??(4) 令 ，則有： ??2121 BW ?(5) 注意：自發(fā)輻射躍遷幾率就是自發(fā)輻射系數本身，而受激輻射的躍遷幾率決定于受激輻射系數與外來光單色能量密度的乘積。 則 W21(即受激輻射的躍遷幾率 )的物理意義為：單位時間內，在外來單色能量密度為 的光照下， E2能級上發(fā)生受激輻射的粒子數密度占處于 E2能級總粒子數密度的百分比。 ??受激輻射 光的受激吸收躍遷的反過程就是受激輻射躍遷 E1 E0 hvhv受激輻射光子與入射光子屬于同一光子態(tài)； 受激輻射場與入射輻射場屬于同一模式，具有相同的頻率、相位、波矢和偏振； 激光其實就是一種受激輻射相干光。 自發(fā)輻射 受激輻射 受激吸收 產生條件 自發(fā)進行 滿足 才有可能發(fā)生 需滿足 現(xiàn)象特征 ? 與外界無影響，只與能級性質有關 ? 同類粒子同組能級間的躍遷 ? 無固定相位關系 ? 不同偏振 ? 輻射光方向難確定 ?與外來光子同頻率、同相位、同偏振方向、同傳播方向 ?此過程是產生激光的基本過程 ?此過程是受激輻射的逆過程 21h v E E??21h v E E??自發(fā)輻射 受激輻射 受激吸收 能級系統(tǒng) 特征參量 ? ：每一個處于 能級的粒子在單位時間內發(fā)生自發(fā)躍遷的概率 ? 自發(fā)躍遷概率的倒數 ? ：原子能級系統(tǒng)特征參量 ? ： 能級每個粒子單位時間內發(fā)生受激輻射的幾率 ? ：能級系統(tǒng)的特征參量 ? ： 能級上每個粒子單位時間內因受激吸收而躍遷到 能級上的幾率 21A2E211A? ?21B12W 2E12B12W 1E2E自發(fā)輻射 受激輻射 受激吸收 區(qū)別與聯(lián)系（分） ?產生非相干光 ? 躍遷幾率是自發(fā)輻射系數本身 ?產生相干光 ?幾率取決于受激輻射系數和外來光單色能量密度的乘積 ? 一定，單色能量密度越大，受激輻射幾率越大 ?受激吸收幾率取決于吸收系數和外來單色輻射能量密度的乘積 21B自發(fā)輻射 受激輻射 受激吸收 區(qū)別與聯(lián)系（總） 在大量光和原子粒子的系統(tǒng)作用中，三者過程同時發(fā)生，密切相關。 自發(fā)輻射光子數 +受激輻射光子數 =受激吸收光子數 愛因斯坦系數之間的關系： 光功率體密度普通光源受激輻射約占自發(fā)輻射的二萬分之一，而激光光源自發(fā)輻射是自發(fā)輻射的 5
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