激光的物理基础

激光的物理基础内容摘要：

ers the hole has very little chance of escaping. If the inside of this cavity is in thermal equilibrium it must lose as much energy as it absorbs and the emission from the hole is therefore characteristic of the equilibrium temperature inside the cavity. Thus this type of radiation is often called „thermal‟ or „cavity‟ radiation. 深圳大学电子科学与技术学院 • 普朗克提出辐射能量量子化假设：在温度 T的热平衡情况下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量为 • 腔内单位体积中频率处于 附近的单位频率间隔内的光波模式数为 • 黑体辐射的普朗克公式 1bhkThEe33811bhkThEnc e  energy density per unit frequency 238PnV d c模密度 深圳大学电子科学与技术学院 二、光的辐射和吸收 • 黑体辐射实质上是辐射场和构成黑体的物质原子相互作用的结果 • 原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发出量子跃迁，或称能级跃迁 • 热跃迁：交换的能量是热运动的能量 • 光跃迁：交换的能量是光能 • 光跃迁中将同时存在着光的 自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁 三个过程 深圳大学电子科学与技术学院 光（辐射场）和物质相互作用三过程 • 假设： 1）物质是同类原子（粒子）组成的体系；２）参与相互作用的原子只有两个能级E E1，单位体积内处于两能级的原子数分别为 n n1 • 自发辐射 • 原子处于高能级 E2 原子处于低能级 E1 • 特点： 1）自发产生； 2）辐射是独立的 h21 h21＝ E2－ E1 深圳大学电子科学与技术学院 • 物理描述： • 设在某一粒子集合中，在高能级 E2上的粒子数密度为 n2， 在 tt+dt时间内，由高能级 E2自发跃迁到低能级 E1的粒子数 dn21可由下式描述： dtnAdnsp 22121 )( 221211)(ndtdnAsp表示每一个处于 E2能级的粒子在单位时间内自发向 E1能级跃迁的几率 A21： 自发跃迁概率 深圳大学电子科学与技术学院  1）只与原子自身的性质有关  2）是原子在 E2能级上的平均寿命的倒数 单位时间内能级 E2所减少的粒子数为 221212 )( nAdtdndtdnsp )e xp()e xp()( 2021202stntAntn sA 121 A21： 自发跃迁爱因斯坦系数 深圳大学电子科学与技术学院 • Let us concentrate on two of these levels1 and 2, for example. If the atom is known to in state 2 at t=0 there is a finite probability per unit time that it will undergo a transition to state 1, emitting in the process a photon of energy h=E2E1. This process, occuring as it does without the inducement of a radiation field, is referred to as spontaneous emission. 深圳大学电子科学与技术学院 • Another equivalent way of thinking about spontaneous transitions, and one corresponding more closely to experimental situations, is the following: consider a large number N2 of identical atoms that are known to be in state 2 at t=0. The average number of these atoms undergoing spontaneous transitions to state 1 per unit time is 21222121 )(nnAdtdn sp深圳大学电子科学与技术学院 where A21 is the spontaneous rate and  is called the spontaneous lifetime associated with the transition 21. It follows that from quantum mechanical considerations that spontaneous transitions take place from a given state only to states lying lower in energy, so no spontaneous transitions take place from 1 to 2. The rate A21 can be calculated using the eigenfunctions of states 2 and 1. 深圳大学电子科学与技术学院 受激吸收 • 非自发的，有辐射场作用；减弱辐射的强度 • W12=B12， W12与原子性质有关，与场有关，称为 受激吸收跃迁概率 • B12只与原子性质有关，称为 受激吸收跃迁爱因斯坦系数 12 12 1() std n W n d t112121)(ndtdnWst在 tt+dt时间内，由低能级 E1受激吸收到高能级 E2的粒子数 dn12可由下式描述： 深圳大学电子科学与技术学院 受激辐射 21 21 2() stdn W n dt221211)(ndtdnWst• 非自发的，有辐射场作用；增强辐射的强度；与原光子性质、状态完全相同 • W21与原子性质有关，与场有关，称为 受激辐射跃迁概率 ； • B21只与原子性质有关，称为 受激辐射跃迁爱因斯坦系数 在 tt+dt时间内，由高能级 E2受激辐射到低能级 E1的粒子数 dn21可由下式描述： 深圳大学电子科学与技术学院 Induced transition • In the presence of an electromagic field of frequency ~(E2E1)/h an atom can undergo a transition from state 1 to 2, absorbing in the process a quantum of excitation (photon) with energy h from the field. If the atom happens to occupy state 2 at the moment when it is first subject to the electromagic field, it will make a downward transition to state 1, emitting a photon of energy h. 深圳大学电子科学与技术学院 • What distinguishes the process of induced transition from the spontaneous is the fact that the induced rate for 21 and 12 transition is equal, whereas the spontaneous 12(that is, the one in which the atomic energy increases) transition rate is zero. Another fundamental difference is that the induced rate is proportional to the intensity of the electromagic field, whereas the spontaneous rate is independent of it. The relationship between the induced transition rate and the (inducing) field intensity is of fundamental importance in treating the interaction of atomic systems with electromagic fields. 深圳大学电子科学与技术学院 三、 爱因斯坦系数之间的关系 腔内黑体辐射场 与物质原子相互作用的结果应该维持黑体处于温度为 T的热平衡状态 • 腔内存在着由普朗克公式表示的热平衡黑体。