高二物理竞赛课件：受激辐射跃迁

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受激辐射跃迁

12022/9/30受激辐射跃迁受激辐射：处于高能级态E2的原子在频率21=（E2-E1）/h的外界光作用下跃迁到E1，同时辐射出能量为（E2-E1）、且与外界光信号同一状态的光子，这两个光子再去诱发产生更多状态相同的光子。这样，在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，这一过程称为受激辐射。

22022/9/30受激辐射概率：在频率21=（E2-E1）/h的外界光信号作用下，单位时间内从高能级态E2跃迁到低能级态E1的原子数密度N21与高能级E2上总的原子数密度N2之比的比值。受激辐射跃迁为爱因斯坦受激辐射系数,只与粒子本身的性质有关。为辐射场能量密度为E2能级上的粒子数密度,

32022/9/30受激辐射跃迁受激辐射的特点是：这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的，而且受激辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外来光子具有完全相同的状态。在受激辐射过程中，输入一个光子，可以得到两个状态完全相同的光子输出。并且这两个光子可再作用于其他原子上，产生受激辐射，而获得大量特征完全相同的光子。这便是受激辐射的光放大原理。激光器发光，正是利用受激辐射的上述特点，所以激光具有单色性好、方向性好、亮度高以及相干性好的特点。

42022/9/30受激吸收：处于低能级态E1的原子在频率为21=（E2—E1）/h的辐射场作用下吸收一个光子，并跃迁高能级态E2的过程。

52022/9/30受激吸收概率：由于受激吸收，单位时间从E1能级跃迁到E2能级的原子数密度N12与E1能级总原子数密度N1的比值。为爱因斯坦受激吸收系数,只与粒子本身的性质有关。为辐射场能量密度为E1能级上的原子数密度,

6爱因斯坦关系大量粒子构成的粒子体系(如原子或分子等)中，三种跃迁同时存在。E2自发辐射的能量(E2-E1)的光子，对其它粒子而言可视为外来入射光，使E1上粒子发生受激吸收，使E2上粒子发生受激辐射，三种过程相互联系，这种相互联系可由表示原子特定能级E1、E2特性的参数A21、B21、B12来表示。

7爱因斯坦关系设一原子系统两特定能级E1、E2简并度分别为g1、g2，在温度T下处于热平衡状态，E1、E2能级原子数密度分别为N1、N2。原子系统从吸收能量（E2-E1）后，单位时间内通过受激吸收从E1跃迁到E2能级的原子数为：处于E2上的原子，单位时间通过自发辐射与受激辐射跃迁至E1上的原子数为：由于系统处于热平衡状态，则应有以下关系式成立：

8即因而有：又由于在热平衡状态下，N1、N2按照玻尔兹曼分布：式中，k为玻尔兹曼常数。于是有：

9式中c为真空中光速，于是比较两式，可知：此两式即为著名的爱因斯坦关系式。若E1、E2两能级简并度相等，即g1=g2，则爱因斯坦关系式可简化为：在热平衡条件下，光辐射的能量密度(21)又可由普朗克公式给出：

10讨论：1）受激吸收与受激辐射比较因n1>>n2，故：结论：热平衡下，大量粒子受激吸收至高能级，而通过受激辐射返回低能级的粒子数很少。爱因斯坦关系式2.1.4激光产生的必要条件设g1=g2=1,则：

112）自发辐射与受激辐射比较爱因斯坦关系式

12室温下，普通辐射源的光子简并度跃迁粒子数之比：结论：热平衡下,受激辐射概率(或粒子数)远小于自发辐射概率(或粒子数)。

13自发辐射寿命的物理意义：经过s后，E2上的原子数密度N2减少到初值N20的1/e倍。s越大，表明原子在E2上逗留时间越长。s无穷大时，称E2为稳态s较长的能态称为亚稳态2022/9/30