最新激光原理 1.1-1.5 辐射理论概要与激光产生的条件教学讲义PPT.ppt

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1、激光原理1.1-1.5辐射理论概要与激光产生的条件1.1光的波粒二象性（wave-particleduality）光子说认为：光是一种以光速运动的光子流，其基本性质是波粒二象性：一方面，光是电磁波，具有波动的性质；另一方面，光子是具有能量和动量的物质粒子.波动性和粒子性总是同时存在；在一定条件下，可能某一方面的属性比较明显。1.1.1光的本性在研究光与物质相互作用时，往往突出光的粒子性；在研究光的传播过程时，往往突出光的波动性.2021/9/72首都师范大学物理系王卫宁光的粒子属性和波动属性密切关联光子质量:ε：光子的能量：光

2、波频率h=6.626×10-34J·s普朗克常数光子动量：光子能量：ε=hC：光速n0：光子运动方向（平面波传播方向）上的单位矢量2021/9/73首都师范大学物理系王卫宁1.2原子的能级和辐射跃迁1.2.1原子的状态、能级和能级图1.2.2辐射跃迁1.2.3玻尔兹曼分布2021/9/77首都师范大学物理系王卫宁1.2.1原子的状态、能级和能级图1.原子的结构原子是个电中性的粒子系统。原子序数为Z的原子，中心有个带正电的原子核，外围有Z个带负电的电子围绕它运动。电子绕原子核旋转的轨道有圆形，也有椭圆形，但其圆形的轨道半径以

3、及椭圆形轨道的长短轴大小不是任意的，它们是确定并且是分立的，称之为量子化轨道。玻尔（N.Bohr）模型:Simplestmodelofanatom2021/9/78首都师范大学物理系王卫宁3、基态与激发态基态：原子所处的最低能量状态。激发态：高于基态的所有定态。当外界向原子提供能量并被原子吸收时，原子就会跃迁到激发态。处于激发态的原子是不稳定的。原子激发态的寿命一般为10-8秒。2、电子的定态及轨道跃迁在一定轨道上运动的电子具有一定的能量，轨道不同，其能量的高低不同;电子处在特定轨道运动时，不辐射也不吸收能量，处于某种“

4、定态”.当电子吸收或放出能量时，会在不同轨道间发生跃迁，跃迁前后的能量差满足频率法则：h=EjEiEiEjE=Ej－Ei=h2021/9/79首都师范大学物理系王卫宁处于不同状态下的原子具有不同的、分立（不连续）的能量值,称为能级，依次用E0，E1，E2，…En表示原子的能级用一些位置高低不同的水平线来表示，就是能级图。原子能级图（简，示意）:E0基态E1E2En激发态4.能级和能级图2021/9/710首都师范大学物理系王卫宁1.2.2辐射跃迁与非辐射跃迁1.辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子发生能级间跃迁（必须

5、满足辐射跃迁选择定则，p.7)2.非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量2021/9/711首都师范大学物理系王卫宁1.2.3玻尔兹曼分布大量原子组成的体系在温度为T的热平衡状态下，原子数（ni）按能级(Ei)服从玻尔兹曼定律：k=1.380710-23JK-1，为玻尔兹曼常数gi为能级简并度,表示处于Ei能级的粒子可能有的状态数nE正常分布下，高能态的原子数远远小于低能态的原子数.如：室温（T=300K），E2-E1～1eV(1.602×10-19J)，g

6、2=g12021/9/712首都师范大学物理系王卫宁1.3光的受激辐射激光的产生是利用了光与物质相互作用的三个基本过程，即自发辐射、受激辐射和受激吸收受激辐射过程是激光的物理基础受激辐射的概念是爱因斯坦1917年重新推导黑体辐射Plank公式中提出来的2021/9/713首都师范大学物理系王卫宁1.3.1黑体辐射的普朗克公式黑体热辐射的单色能量密度:黑体：能够完全吸收任何波长的电磁辐射012345Wavelength(m)510443210(,3000)W/m-4实验曲线（T）blackbodyradiation,Pla

7、nck’sformulationenergydensity2021/9/714首都师范大学物理系王卫宁真空中黑体单色辐射单色能量密度随(T,)的分布单位体积中频率处于附近单位频率间隔内的光波模式数热平衡状态下分配到腔内每个模式上的平均能量h=6.62610-34Js：普朗克常数:频率T：温度（K）k=1.38066210-23J/K玻尔兹曼常数辐射能量量子化假说:物体吸收或辐射的能量只能是某一最小能量单元(h)的整数倍黑体辐射的普朗克公式：总辐射能量密度:2021/9/715首都师范大学物理系王卫宁1.3.2光与

8、物质的相互作用光与物质（原子、分子等）的相互作用的三种基本过程threeopticaltransitionprocesses：自发辐射受激辐射受激吸收2021/9/716首都师范大学物理系王卫宁1、自发辐射Spontaneousemission发射光子h=E