《大学物理》课程PPT教学课件（下册）第五篇 近代物理学基础 第二十一章 激光（激光原理）

§2L.1激光原理 Light Amplification by stimulated Emission of radiation Laer-受激辐射光放大 激光的基本原理 1.自发辐射与受激辐射 光与原子体系相互作用,同时存在吸收 自发辐射和受激辐射三种过程

§21.1 激光原理 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser — 受激辐射光放大 一、激光的基本原理 1. 自发辐射与受激辐射 光与原子体系相互作用，同时存在吸收、 自发辐射和受激辐射三种过程

光与原子的程互作用 三、受激辐射 E E3 E2 hV=E2-E1 E 基态原子

自发辐射 在没有任何外界作用下,激发态原子自发地从 高能级向低能级跃迁,同时辐射出一光子。 满足条件:hv=E2-E、E E v EI E 随机过程,用概率描述 N2-t时刻处于能级E2上的原子数 dN 单位时间内从高能级自发跃迁到 dt 自低能级的原子数

自发辐射 在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从 高能级向低能级跃迁，同时辐射出一光子。 满足条件：h = E2− E1 E1 E2 • h E1 • E2 随机过程，用概率描述 N2 — t 时刻处于能级E2上的原子数 自       t N d d 21 — 单位时间内从高能级自发跃迁到 低能级的原子数

dN 21 A N dt 自 21 自发辐射概率(自发跃迁率):表示一个原子 在单位时间内从E2自发辐射到E1的概率 自发辐射过程中各个原子辐射出的光子的相位 偏振状态、传播方向等彼此独立,因而自发辐射的光 是非相干光

21 2 21 d d A N t N  =      自 A21 — 自发辐射概率（自发跃迁率）：表示一个原子 在单位时间内从E2自发辐射到E1的概率 自发辐射过程中各个原子辐射出的光子的相位、 偏振状态、传播方向等彼此独立，因而自发辐射的光 是非相干光

受激辐射 处于高能级E2上的原子,受到能量为hv=E2-E1 的外来光子的激励,由高能级E2受迫跃迁到低能级E1, 同时辐射出一个与激励光子全同的光子。 频率、相位、偏振态、 v 传播方向等均同 E v v E

受激辐射 处于高能级E2上的原子，受到能量为h = E2−E1 的外来光子的激励，由高能级E2受迫跃迁到低能级E1， 同时辐射出一个与激励光子全同的光子。 频率、相位、偏振态、 传播方向等均同 • E1 E2 h h E1 • E2 h

E E 解说

随机过程,用概率描述 (山)一单位时国内从高能级后受被妖到 dN 21 WN. w 21 B21·p(v,t) dt)受 W21-表示一个原子在单位时间内从E2受激辐射 跃迁到E1的概率 B21-受激辐射系数(由原子本身性质决定) p(v,t)一辐射场的能量密度

随机过程，用概率描述 受       t N d d 21 — 单位时间内从高能级E2受激跃迁到 低能级E1的原子数 21 2 21 d d W N t N  =      受 B21 — 受激辐射系数（由原子本身性质决定） W21 — 表示一个原子在单位时间内从E2受激辐射 跃迁到E1的概率 ( , ) 21 21 W = B    t  (  , t ) — 辐射场的能量密度

受激吸收 能量为hv=E2E1的光子入射原子系统时,原子 吸收此光子从低能级E1跃迁到高能级E2 N1-t时刻处于能级E1上的原子数 dN 单位时间内由于吸收光子从E跃迁 d吸到E2的原子数密度 dN MN W12= B2r plv,t) dt丿吸 W12-受激吸收跃迁概率 B12一受激吸收系数p(v,t)一辐射场的能量密度

受激吸收 能量为h = E2− E1的光子入射原子系统时，原子 吸收此光子从低能级 E1 跃迁到高能级 E2 。 N1 — t 时刻处于能级E1上的原子数 吸       t N d d 12 — 单位时间内由于吸收光子从E1跃迁 到E2的原子数密度 12 1 12 d d W N t N  =      吸 W12 — 受激吸收跃迁概率 B12 — 受激吸收系数  ( , t ) — 辐射场的能量密度 ( , ) 12 21 W = B    t

2.粒子数反转 激光是通过受激辐射实现光放大,即要使受激 辐射超过吸收和自发辐射 根据玻尔兹曼2_(E2-E1)kr 能量分布律 N 热动平衡下,N2>N1,即处于高能级的原子数 大大少于低能级的原子数一粒子数的正常分布 受激辐射占支配地位→粒子数反转 高能级上的粒子数超 过低能级上的粒子数

2. 粒子数反转 激光是通过受激辐射实现光放大，即要使受激 辐射超过吸收和自发辐射 根据玻尔兹曼 能量分布律 E E kT e N N ( ) 1 2 − 2 − 1 = 热动平衡下， N2N1，即处于高能级的原子数 大大少于低能级的原子数 — 粒子数的正常分布 受激辐射占支配地位  粒子数反转 高能级上的粒子数超 过低能级上的粒子数

实现粒子数反转的条件: 今要有实现粒子数反转分布的物质,这种物质具有 适当的能级结构; 今必须从外界输入能量,使工作物质中尽可能多的 粒子处于激发态。(激励或泵浦) 激励方法:光激励、电激励、化学激励 工作物质的能级结构:具有亚稳态(寿命较长) 只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转

实现粒子数反转的条件： 要有实现粒子数反转分布的物质，这种物质具有 适当的能级结构； 必须从外界输入能量，使工作物质中尽可能多的 粒子处于激发态。（激励或泵浦） 激励方法：光激励、电激励、化学激励 工作物质的能级结构：具有亚稳态(寿命较长) 只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转