《光的受激辐射》ppt课件

《《光的受激辐射》ppt课件》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、1—3光的受激辐射1900年,普朗克用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射规律,1913年,玻尔提出原子中电子运动状态量子化假设,爱因斯坦在此基础上,研究了关于光与物质相互作用的问题,他明确指出,只有自发辐射和光吸收两过程,是不足以解释普朗克黑体辐射公式的,必需引入受激吸收过程的逆过程——受激发射。他把光频电磁场与物质的相互作用划分为三种过程----自发发射,受激吸收和受激发射,并把它们用三个爱因斯坦系数加以定量描述。一.经典辐射理论经典的辐射理论引用偶极子的概念，反映了光的发射和吸收过程的规律。偶极子强迫振动时释放能量——受激发射现象偶极子

2、强迫振动时吸收能量——受激吸收现象偶极子阻尼振动时释放能量——自发发射现象二.黑体热辐射1.热辐射实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波，这种能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射.2.黑体能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体.（黑体是理想模型）3.黑体辐射理论描述物体处于热平衡状态时吸收和辐射能量的宏观特征及其规律。4.单色辐射出能量密度黑体辐射能量密度——辐射场中单位体积内，频率在v附近的单位频率间隔中的辐射能量。会聚透镜空腔小孔平行光管棱镜热电偶02200K2000K1800K1600K01236123

3、45实验曲线注：寻求的函数形式进而确定单色辐出度的形式是当时黑体辐射研究者们的一大目标！5.维恩公式——1896年德国维恩（Wien）从热力学普遍理论出发，将黑体谐振子能量按频率分布类同于Maxwell速度分布，由经典理论导出，在长波方面与实验数据不符。6.瑞利--金斯公式——1900年瑞利--金斯利用经典电动力学和统计力学（将固体当作谐振子且能量按自由度均分原则及电磁辐射理论）得到一个公式，此公式在短波区域明显与实验不符，而理论上却找不出错误——“紫外灾难”,像乌云遮住了物理学睛朗的天空。0123612345实验曲线瑞利-金斯公式普朗克公

4、式——普朗克注意到在过去的理论中，把黑体中的原子和分子都看成可以吸收或辐射电磁波的谐振子，且电磁波与谐振子交换能量时可以以任一大小的分额进行，（从0到大）。普朗克当时大胆地放弃了这一概念，提出了一个革命性的假设,即能量的吸收与辐射只能按不连续的一份一份能量进行。7.普朗克量子假设：辐射黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子辐射电磁波并和周围电磁场交换能量，但这些谐振子只能处于某些特殊的状态。它们的能量只能是某些能量子的整数倍。量子数1900年德国物理学家普朗克导出了一个公式：“普朗克公式”0123612345实验曲线瑞利-金斯公式*****

5、***********普朗克公式事实上正是这一理论导致了量子力学的诞生，普朗克也成为了量子力学的开山鼻祖，1918年因此而获得诺贝尔奖。三.光和物质的相互作用1.爱因斯坦粒子模型爱因斯坦在光量子论的基础上,把光频电磁场与物质的相互作用划分为三种过程----自发发射,受激吸收和受激发射,并把它们用三个爱因斯坦系数加以定量描述。(1)模型:(参予与光相互作用的)粒子只有间距为hv=E2－E1(E2＞E1)的二个能级,且它们符合辐射跃迁选择定则。(2).在这种模型中的辐射跃迁:粒子从低能级向高能级跃迁,须吸收光子;hv=E2-E1从高能级向低能级

6、跃迁,会发射光子。hv=E2-E12.光频电磁场与物质的三种相互作用过程(1).自发发射——在无外电磁场作用时,粒子自发地从E2跃迁到E1,发射光子hv。自发辐射是原子在不受外界辐射场控制的情况下自发过程，因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的，因而是不相干的。此外，自发辐射场的传播方向和偏振方向也是无规则分布的。（自发辐射平均地分配在腔内所有的模式上。）(a)特点:各粒子自发、独立地发射的光子。各光子的方向、偏振、初相等状态是无规的,独立的，粒子体系为非相干光源。(普通光源)E2E1n2n1h(b)自发发射系数A21:设E2上粒

7、子数(密度)为n2,时间dt内、单位体积内经自发发射从E2跃迁到E1的粒子数为-dn2则因dn2∝n2且dn2∝dt∴或(1-25)关于数字下标的说明(下同):①单下标----能级的量[如n2为E2上粒子数(密度)]②双下标----过程的量,先初态后末态(如A21表示从E2跃迁到E1的自发发射系数)(c)A21的物理意义:从式(1-25)可见,A21是单位时间、单位体积内在E2上所有n2个粒子中会发生自发发射的粒子所占的比例,所以A21是自发发射的几率。自发发射几率从式(1-25)可知(d)高能级上粒子数随时间的变化规律:设t=0时刻，E2

8、上粒子数为n20，即t=0时n2=n20t=t时刻，E2上粒子数为n2（t）即t=t时n2=n2（t）∵E2上粒子数减少的唯一去向是E1(粒子只有两个能级)∴dn2(t)=－dn