第十七章二激光前言一自發(fā)輻射與能級壽命二-wenkub.com
2025-07-29 13:30 本頁面
【正文】 單色性極好（ ??～ 10 – 8A0， 即 2 109nm） 方向性極好（發(fā)散角～ 10 4弧度，若 D=2cm，月 地光斑幾百米。 答案 [D] 首 頁 上 頁 下 頁 退 出 39 例 按照原子的量子理論，原子可以通過 自發(fā)輻射和受激輻射方式發(fā)光，它們所產生的光的特點是： （ A）兩個原子自發(fā)輻射的同頻率的光是相干的，原子受激輻射的光與入射光是不相干的； （ B）兩個原子自發(fā)輻射的同頻率的光是不相干的，原子受激輻射的光與入射光是相干的； （ C）兩個原子自發(fā)輻射的同頻率的光是不相干的，原子受激輻射的光與入射光是不相干的； （ D）兩個原子自發(fā)輻射的同頻率的光是相干的，原子受激輻射的光與入射光是相干的； 首 頁 上 頁 下 頁 退 出 40 答案 [B] 兩個原子自發(fā)輻射同頻率的光，只能保證頻率相同，它們的掁動方向、掁動位相是彼此獨立的，即位相、掁動方向則彼此不能保證相同，所以不相干。 答：因為全息技術要記錄各發(fā)光點的相位。 ★ 激光的應用 1 可以做為長度和時間的基準。 首 頁 上 頁 下 頁 退 出 35 激光 測長和測速 ：主要突出了激光的良好的單色性。 ： 由放在工作物質兩端的反射鏡構成的光 學系統(tǒng)。為提高激光的方向性，還須運用一定的選橫模技術選出基橫模； 另外，也只有在單橫模的基礎上選出單縱模才能獲得激光的單頻振蕩。 橫模的成因較復雜。通常用符號 TEMmn表示，下標 m , n代表模的階數。諧振腔兩端反射鏡的設計中就具有這種實現多光束干涉的功能。原來在 ??區(qū)間中，可能存在的縱模個數為 N=3，通過縮短腔長，即擴大了相鄰兩個縱模頻率的間隔后，可能存在的縱模個數為 N=1，即可得到單模輸出。因此，某一波長的單色光總是有一定的譜線寬度的。 縱模：與諧振腔軸線零夾角的軸向駐波振動模式； 橫波：與諧振腔軸線有很小夾角的 “ 離軸 ” 的駐波振動模式； 首 頁 上 頁 下 頁 退 出 26 k=3 k=2 k=1 頻譜中每一個諧振頻率就稱為一個 縱模。選縱模，即是選頻。當激光以起偏角 i0通過布儒斯特窗時，其垂直于入射面的偏振成份將有一部分被反射掉，而其平行于入射面的偏振成份可以全部透過布儒斯特窗。其中反射率略低于另一端的反射鏡即可作為窗口，使部分激光透過窗口輸出。 一、光學諧振腔： 下圖為 He—Ne激光器的光學諧振腔。而躍遷到３Ｐ的氖原子又通過或自發(fā)輻射或同管壁碰撞回到基態(tài)，使能級３Ｐ及時地騰出來，以保持５Ｓ對３Ｐ或４Ｐ的粒子數反轉。氦原子較易吸收電子動能而被激發(fā)到它的亞穩(wěn)態(tài)（２ 3S0， 23S1），這些氦原子并不馬上躍回到基態(tài)，而是與氖原子發(fā)生碰撞，將能量轉移給氖原子，使氖原子激發(fā)到４Ｓ和５Ｓ兩能級，氦原子自身返回基態(tài)。只有高能級上存在著亞穩(wěn)態(tài)能級（平均壽命為 104秒）的物質，才能在外界激勵下實現粒子數反轉。 W12 W21 A21 E1 E2 由基爾霍夫定律， W21=W12 即 W12W21+A21 ? 對兩能級系統(tǒng)只可能N2 N1. 不可能粒子數反轉。 ,11212 NWdtdN ???????吸收因為 ,22121 NWdtdN ???????受激 由于 N1N2，所以在正常情況下，在外來光子的影響下，吸收的概率大于受激的概率。 ? ? ? ? ? ? 吸收受激自發(fā) 122121 dNdNdN ??3. 受激輻射和吸收之間的關系 在光與原子體系相互作用時，如自發(fā)輻射占優(yōu)勢，則發(fā)出的光為普通光；如受激輻射占優(yōu)勢就可發(fā)出激光。若原子體系中有許多原子都處于某一相同的激發(fā)能級，而外來誘發(fā)光子的能量恰與該激發(fā)能級相同，就可以促使處于同一激發(fā)態(tài)的其它原子發(fā)生受激輻射而放出同樣的光子，即受激輻光子的簡并度很高，相干性很好。我們定義：占據同一量子態(tài)的光子的平均數為光源的光子簡并度，并記作 ?,221 NdtdN ???????受激即 dtWNdN21221 ?????????受激即受激輻射的概率正比于處在該能級上的原子數， 首 頁 上 頁 下 頁 退 出 12 (3) 具有光的放大作用 ——在受激輻射過程中，將產生雪崩式的連鎖輻射，即特征完全相同的光子將成幾何級數增加。 E2 E1 N2 N1 h? 全同光子 ▼ 設激勵光強為 I， 則單位時間內，從 E2?E1受激輻射的原子數與 I， N2成正比。不同的能級，它的平均壽命不同。 dtANdN tNN ???0 21220即首 頁 上 頁 下 頁 退 出 8 能級的平均壽命 ﹡ 公式 的物理意義： dtANdN2122 ?? 其表示 dN2個原子在 E2能級上存在了 t秒后，才在 dt的時間間隔內離去，即 dN2=A21N2dt個原子在 E2能級上的壽命是 t秒。 E2 E1 N2 N1 h?
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