工學]第二十一章原子的量子理論-資料下載頁
2025-01-12 12:53本頁面
【正文】 p , 5 d , 4 f , 6 s , 5 p , 4 d , 5 s , 4 p , 3 d , 4 s , 3 p , 3 s , 2 p , 2 s , 1 s , 電子在泡利不相容原理限制下，按照以上順序填充（有少數(shù)例外）。 167。 219 激光 大量同種原子構成的原子系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，遵從玻爾茲曼分布律，處于能量為 Ei上的原子數(shù)為 由此可得 N2 N1，即表明 在熱平衡下，高能級上的原子數(shù)小于低能級上的原子數(shù)。 絕大多數(shù)原子處于能量最低的能級（基態(tài)）上 。 在兩能級 E1和 E2（ E2 E1 ）上原子數(shù)之比為 kTEi iN /e ??一 . 原子在各能級上的分布 kTEENN /)(12 12e ??? 在沒有外界影響的條件下，處于高能級 E2上的原子以一定的概率向低能級 E1躍遷，同時發(fā)出一個頻率為 的光子。 t 時刻處于激發(fā)態(tài) E2上的原子數(shù)為 N2，則 dt 時間內(nèi)由高能級 E2自發(fā)輻射到低能級 E1上的原子數(shù)為 tNAN dd 22121 ?二 . 自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收 1. 自發(fā)輻射 hEE /)( 12 ???A21為愛因斯坦自發(fā)輻射系數(shù) 各原子在自發(fā)輻射過程中發(fā)出的光波 是不相干光波 。 自發(fā)輻射 E2 E1 ?h 在頻率為 的入射光子激勵下，處于高能級 E2上的原子以一定的概率向低能級 E1躍遷，同時發(fā)出一個頻率為 的光子。 t 時刻處于激發(fā)態(tài) E2上的原子數(shù)為 N2，則 dt 時間內(nèi)由高能級 E2受激輻射到低能級 E1上的原子數(shù)為 tNBN d)(d 22121 ???2. 受激輻射 hEE /)( 12 ??? 受激輻射過程中發(fā)出的光波相位、偏振狀態(tài)、傳播方向相同， 是相干光波 。 hEE /)( 12 ???受激輻射 E2 E1 ?h?hB21為愛因斯坦受激輻射系數(shù)， 為輻射能密度。 )(?? 當頻率為 的光子入射時，使處于低能級 E1上的原子以一定的概率吸收入射光子而躍遷到高能級 E2上。 t 時刻處于低能級 E1上的原子數(shù)為 N1，則 dt 時間內(nèi)受激吸收由低能級 E1到高能級 E2上的原子數(shù)為 tNBN d)(d 11212 ???3. 受激吸收 hEE /)( 12 ???受激吸收 E2 E1 ?hB12為愛因斯坦受激吸收系數(shù)， 為輻射能密度。 )(?? 當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，處于能級 E1和 E2上的原子數(shù)達到穩(wěn)定分布，即 可解得 tNAtNBtNB dd)(d)( 221221112 ?? ????4. 自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收同時存在 1e1)(/2112212121211221????kThBBBABNNBA???利用普朗克黑體輻射公式 1e1π8)(/33?? kThch????得 2133212112π8 , BchABB ???介質(zhì)中粒子數(shù)反轉（ N2N1）是光放大的必要條件。 三 . 激光原理 1. 粒子數(shù)的反轉與光放大 當頻率為 的光子入射時， dt 時間內(nèi)由于受激輻射和受激吸收使入射單色光波場凈增的相干光子數(shù)為 hEE /)( 12 ???tNNBNNN )d)((ddd 12212121 ???? ??亞穩(wěn)態(tài) E2 E1 E3 基態(tài) 激發(fā)態(tài) 光激勵 nm 紅寶石受強光照射，鉻離子被激勵到激發(fā)態(tài)，很快轉移到亞穩(wěn)態(tài)，實現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)對基態(tài)的粒子數(shù)反轉。 2. 光學諧振腔 在諧振腔中只有平行于軸線方向的光線才能來回反射，得到連鎖式放大，形成強大的軸向光束從M2輸出，構成 激光振蕩 。 在諧振腔中必須是駐波才能形成穩(wěn)定的激光振蕩，則要求光腔的長度為半波長的整數(shù)倍，即 ?,3,2,1 ,2 ?? nnL ?M2 M1 M2 M1 全反射鏡 半反射鏡 偏離軸線的光逸出腔外 輸出 平行軸線的光來回反射 四 . 激光器 氦 氖氣體激光器 E’2 E1 E2 基態(tài) 碰撞交換 放電 nm E’1 基態(tài) He Ne E’3 M1 M2 高壓直流電源 陽極 陰極 毛細管 nm He、 Ne混合氣體 激光器的基本結構包含三個部分 ：（ 1）工作物質(zhì)；（ 2）光學諧振腔；（ 3）激勵能源。 五 . 激光的特性及應用 1. 良好的相干性 HeNe 激光器發(fā)出的 nm激光相干長度可達幾千米。 激光具有不同于普通光的一系列性質(zhì)： 2. 良好的單色性 HeNe 激光器發(fā)出的激光頻率寬度只有 。 3. 良好的方向性 HeNe 激光器發(fā)出的激光束發(fā)散角接近 106 rad。 4. 極高的亮度 輸出功率為 10mW 的 HeNe 激光器產(chǎn)生的亮度比太陽大幾千倍。 激光的優(yōu)良特性使它已獲得日益廣泛的應用。 用氬的蘭綠激光為猴子作視網(wǎng)膜脫落焊接手術 激光全息底片 再現(xiàn)的物象 全息技術 如全息技術、干涉計量和測距；又如材料加工，醫(yī)學上的激光手術，農(nóng)業(yè)的種子處理，以及各種軍事應用等。
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