固体物理简介
简明固体物理
简明固体物理固体物理是物理学中的一个重要分支，研究物质的固态结构、性质和相互作用。
在固体物理领域，研究的对象是固体物质，如金属、半导体、绝缘体等，这些物质在自然界中广泛存在，对我们的生活和科技发展有着重要的影响。
固体物理的研究内容涉及晶体结构、晶体缺陷、晶格振动、电子结构、磁性等多个方面。
其中，晶体结构是固体物理研究的基础，晶体结构的不同会导致固体物质具有不同的性质。
晶体缺陷是指晶体中原子位置的缺陷或错误，会影响晶体的力学性质和电学性质。
晶格振动是晶体中原子围绕平衡位置作微小振动的现象，影响了固体的热学性质。
电子结构是固体物质中电子的分布规律，决定了固体的导电性和光电性。
磁性是固体物质中原子或电子的磁矩相互作用所产生的性质，对于磁性材料的研究至关重要。
固体物理的研究方法主要包括实验和理论两种。
实验是通过实验手段对固体物质进行性质测试和分析，从而揭示其内在规律。
理论是通过建立数学模型和物理模型，推导出固体物质的性质和行为，为实验结果提供理论解释。
在固体物理领域，有许多重要的理论和现象。
其中，晶体学是固体物理的基础理论之一，研究晶体的结构和性质。
布拉格衍射是固体物理中重要的实验现象，通过衍射现象可以确定晶体的晶格常数和结构。
能带理论是固体物理中重要的理论，描述了固体中电子的能级分布和导电性质。
费米面是固体物理中重要的概念，描述了固体中费米子的动力学性质。
磁性共振是固体物理中重要的实验技术，用于研究固体中原子或电子的磁性行为。
固体物理的研究不仅有着理论上的重要意义，还有着广泛的应用价值。
固体物理的研究成果广泛应用于材料科学、电子技术、信息技术、能源领域等多个领域，推动了现代科技的发展和进步。
总的来说，固体物理是一门重要的物理学科，研究物质的固态结构、性质和相互作用，对于理解物质世界的规律、推动科技发展具有重要意义。
希望通过对固体物理的研究，能够揭示更多物质的奥秘，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
固体物理
• 晶向：通过晶体中一列原子的 晶列方向； • 晶向组：原子排列方式相同， 并且相互平行的一系列晶向， 用[ u v w ] 表示； • 晶向族：原子排列方式相同的 晶向组的集合用，< u v w > 表示。 • 晶向指数uvw求法：（1）求晶 向上某点坐标（以a,b,c为单位 ）；（2）化为互质整数。4来自正空间与倒空间的映射关系
单晶电子衍射问题
1/
晶体衍射的介绍
ch 1200 eV V 1/ 2 h 150 电子束波长 1/ 2 (2meV ) V
X射线波长
d hkl L / R
L
min
2 1/d
衍射的实质是波在接近波长尺寸的规 则障碍物上的传播现象。
四、准晶体：具有取向有序没有平移有序。
§1.2 晶体结构和空间点阵
一、晶体中的等同点
构成晶体的微粒和微粒的排列方式一道称为晶体结构。 在晶体机构中物质环境和几何环境完全相同的点称 为等同点，结合晶体的结构特点它有如下性质： （1）晶体结构中，对于任意一点，都可以找到与之 对应的等同点；（2）等同点的个数是无穷多的； （3）在任意两个等同点的连线上，必然分布有无数 个等同点；（4）物质环境必须相同，同种原子但是 不同键结构应该视为不同的物质环境；（5）、不同 原子组成晶体时，各种原子组成的基本单元的重心 就是等同点，这些基本单元就称为基元。 等同点在空间形成规则排列，它代表了晶体的长程 有序排列，称之为空间点阵；基元反应了晶体的微 观的、个性的短程组成方式，因此我们有： 晶体 结构= 空间点阵+基元
2
固体物理(黄昆)第一章总结
固体物理(黄昆)第一章总结.doc固体物理（黄昆）第一章总结固体物理学是一门研究固体物质微观结构和宏观性质的学科。
黄昆教授的《固体物理》一书为我们提供了深入理解固体物理的基础。
本总结旨在概述第一章的核心内容，包括固体的分类、晶体结构、晶格振动和固体的电子理论。
一、固体的分类固体可以根据其结构特征分为晶体和非晶体两大类。
晶体具有规则的几何外形和有序的内部结构，而非晶体则没有长程有序性。
晶体又可以根据其内部原子排列的周期性分为单晶体和多晶体。
二、晶体结构晶体结构是固体物理学的基础。
黄昆教授详细讨论了晶格、晶胞、晶向和晶面等概念。
晶格是描述晶体内部原子排列的数学模型，而晶胞是晶格的最小重复单元。
晶向和晶面则分别描述了晶体中原子排列的方向和平面。
三、晶格振动晶格振动是固体物理中的一个重要概念，它涉及到晶体中原子的振动行为。
黄昆教授介绍了晶格振动的量子化描述，包括声子的概念。
声子是晶格振动的量子，它们与晶体的热传导和电导等性质密切相关。
四、固体的电子理论固体的电子理论是固体物理学的核心内容之一。
黄昆教授从自由电子气模型出发，介绍了固体中电子的行为和性质。
自由电子气模型假设电子在固体中自由移动，不受原子核的束缚。
这一模型可以解释金属的导电性和热传导性。
五、能带理论能带理论是固体电子理论的一个重要组成部分。
黄昆教授详细讨论了能带的形成、能隙的概念以及电子在能带中的分布。
能带理论可以解释不同固体材料的导电性差异，是现代半导体技术和电子器件设计的基础。
六、固体的磁性固体的磁性是固体物理中的另一个重要主题。
黄昆教授讨论了磁性的来源，包括原子磁矩和电子自旋。
磁性固体可以分为顺磁性、抗磁性和铁磁性等类型，它们的磁性行为与电子结构密切相关。
七、固体的光学性质固体的光学性质涉及到固体对光的吸收、反射和透射等行为。
黄昆教授介绍了固体的光学性质与电子结构之间的关系，包括光的吸收和发射过程。
八、固体的热性质固体的热性质包括热容、热传导和热膨胀等。
固体物理学概论
固体物理学概论固体物理学是研究物质的结构和性质的一门学科，它涵盖了领域广泛且深奥的知识。
本文将为读者介绍固体物理学的基础知识和主要研究内容。
一、晶体结构晶体是物质在固态中具有长程有序的结构，其原子、离子或分子按照规则排列。
晶体结构对物质的性质和功能具有重要影响。
固体物理学研究晶体结构的方法和特性，发展了晶体学的基本理论。
1. 空间点阵空间点阵是描述晶体结构的重要工具，它由一组等距离的格点所组成。
常见的点阵有简单立方点阵、面心立方点阵和体心立方点阵等。
这些点阵可以通过平移和旋转操作来描述晶体的周期性。
2. 晶胞和晶格晶胞是晶体中基本重复单元，它由一组原子、离子或分子构成。
晶格是由晶胞组成的整体结构，它描述了晶体中原子的排列方式。
晶胞和晶格可以通过晶体学的实验方法进行确定。
二、电子结构电子结构是固体物理学中的核心内容，它研究了电子在晶体中的行为和性质。
电子结构决定了物质的导电性、磁性以及光学性质等。
1. 能带理论能带理论是描述晶体中电子分布的重要理论模型。
根据能量分布，电子在晶体中具有禁带和能带的概念。
导带和价带之间的能隙决定了物质的导电性质。
2. 费米能级费米能级是描述固体中电子填充状态的参考能量。
它决定了电子在晶体中的分布规律，以及固体的导电性质。
费米能级的位置和填充程度影响了物质的导电性。
三、磁性和磁性材料磁性是固体物理学研究的另一个重要方向。
固体材料在外加磁场下表现出不同的磁性行为，如铁磁性、顺磁性和反铁磁性等。
1. 磁化强度和磁矩磁化强度是描述材料对磁场响应的物理量，它与材料中的磁矩相关。
磁矩是材料中带有自旋的原子或离子产生的磁场。
2. 磁性材料的分类磁性材料可以根据其磁性行为进行分类。
铁磁材料在外加磁场下显示出强烈的磁化行为，顺磁材料对外加磁场表现出弱磁化行为，而反铁磁材料在一定温度下表现出特殊的磁性行为。
四、光学性质固体物理学还研究了固体材料的光学性质。
物质在光场中的相互作用导致了光的传播、吸收和散射等现象。
固体物理
固体物理发展前景固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态，及其相互关系的科学。
它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。
固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质，包括晶体和非晶态固体。
简单地说，固体物理学的基本问题有：固体是由什么原子组成？它们是怎样排列和结合的？这种结构是如何形成的？在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？各种固体有哪些可能的应用？探索设计和制备新的固体，研究其特性，开发其应用。
近30年来固体物理的研究热点有：1.准晶态的发现 2.纳米科学 3.材料的巨磁阻效应LaSrMnO31.准晶态准晶发现的正式记录开始于1984 年11 月,Shechtman 与Ilan Blech, Denis Grat ias, John Cahn 在Physical Reciew Letters上发表了一篇文章, 展示了一幅具有显著的五次或十次对称的电子衍射图.其明锐的斑点显示了长程有序, 但斑点的分布不具有周期性. 根据当时的晶体学理论, 这两者是矛盾的, 因而受到许多著名科学家的强烈反对. 许多解决方案提了出来, 如巨大的单胞或/ 多重孪晶0, 来挽救晶体中的有序即周期性0 的范式. 但这些方案没有通过随后的实验检验. 使用电子显微镜记录的高分辨图像也证实了准晶完全没有周期结构。
准晶的这篇开创性文章发表后, 这种新材料立即在许多科学领域掀起了一股热浪, 包括数学、物理、化学、材料科学, 当然还有晶体学. 现在已经有7000 多篇准晶的文章发表在科学杂志上, 出版了约40 本专著, 而且文献还在以每星期14 篇文章的速度在继续增长. 大多数文章都是由两个以上国家或两个以上领域的科学家共同撰写. 这样一种国际性的、多学科的合作已经持续了15 年以上, 这在科学史上可能是史无前例的。
现在准晶己不再是不可思议的了, 同时具有长程序与非周期性的原子排列能用计算机模拟出来. 使用现代衍射技术已经能够相当精确地测定准晶的实际结构, 而对基本的原子模块的自相似0 操作也证明如周期性一样有效地产生长程有序。
固体物理学的基本原理
固体物理学的基本原理固体物理学是物理学的一个重要分支，研究的是固体材料的性质和行为。
固体物理学的基本原理涉及到原子结构、电子结构、晶体结构等多个方面，对于理解和应用固体材料具有重要意义。
1. 原子结构固体物理学的基本原理之一是原子结构。
固体是由原子构成的，而原子又由质子、中子和电子组成。
在固体物理学中，我们研究的核心问题之一就是如何理解和描述原子的结构。
从经典的玻尔模型到量子力学的波函数，人们提出了不同的描述原子结构的模型，并通过实验来验证它们的正确性。
2. 晶体结构在固体物理学中，研究晶体结构也是至关重要的。
晶体是固体中最常见的形态，其结构具有高度的有序性和周期性。
人们通过X射线衍射等手段得以揭示晶格结构，并据此建立了布拉维格点、晶格常数等概念。
一些经典的晶体结构包括简单立方、面心立方和体心立方等，它们对于材料的性质和行为有着深远的影响。
3. 电子结构固体物理学中电子结构也是一个核心问题。
电子作为固体中最活跃的部分，在电导、磁性等性质中发挥着关键作用。
费米能级、能带理论、布里渊区等概念都是固体物理学中描述电子结构的重要工具。
通过对电子结构的深入研究，人们可以更好地理解材料的导电性、光电特性等。
4. 热学性质固体物理学不仅涉及结构性质，还包括了热学性质。
晶格振动和声子是固体热学性质的重要研究对象，而热膨胀、比热容等参数则直接与固体材料的热学行为相关。
5. 光学性质此外，在固体物理学中我们也会探讨材料的光学性质。
折射率、透过率、吸收谱等参数能够帮助我们了解材料在光学上的表现，并指导着诸如激光器、太阳能电池等应用技术。
结语综上所述，固体物理学作为物理学领域中极富挑战性和重要性的一个分支，其基本原理涵盖了原子结构、晶体结构、电子结构以及热学和光学性质等多个方面。
只有深入掌握这些基本原理，我们才能更好地解释和应用各种复杂材料在现实世界中表现出来的特殊行为，并推动科技进步与工程实践。
固体物理学的基本原理
固体物理学的基本原理固体物理学是一门研究固体材料及其性质、行为和相互作用的科学。
它综合了物理、化学和工程学等多个学科的知识，对于理解自然界中各种材料的基本特性，以及它们在科技应用中的表现具有重要意义。
本文将对固体物理学的基本原理进行详细探讨，主要包括固体的晶体结构、声子和光子的角色、电子行为以及热力学性质等内容。
一、固体的晶体结构固体材料的微观结构是影响其宏观性质的重要因素。
处于一定规律排列的原子或分子形成的晶体结构是固体物理学研究的核心内容之一。
根据原子在空间中的排列方式，我们可以将固体材料分为两大类：晶态固体和非晶态固体。
1. 晶态固体晶态固体拥有长范围的有序结构，其基本单元称为“单位胞”。
单位胞包含了一定数量的原子，通过平移操作可以重复排列形成整个晶体。
常见的晶格类型包括立方晶格、六方密堆积、面心立方等。
每种晶格都具有独特的对称性和几何特征，决定了其物理性质。
2. 非晶态固体非晶态固体没有长程有序的排列，其原子位置分布随机。
例如，玻璃便属于这种类型。
非晶态材料在许多应用中展现出优异性能，如优良的光学透明性和柔韧性，但在热导、电导等方面通常不如晶态材料。
二、声子与光子的角色在固态物质中，声子和光子是了解物质内能量传递及其性质的两个重要概念。
1. 声子声子是声波在晶体中传播时形成的一种准粒子，表示晶格中原子的集体振动模式。
在热传导和声波传播过程中，声子的行为至关重要。
相对于气体或液体而言，由于固体内部原子的紧密排列，使得声子的传播既可以非常有效，又存在特点明显的散射现象，这直接影响了材料的热导率。
2. 光子光子是电磁辐射波中的粒子，自然界中几乎无处不在。
当光照射到固态表面时，会发生吸收、反射和透射现象。
在半导体材料中，光子的行为同样重要，因为它们与电子之间的相互作用可导致光电效应，使得半导体器件能够有效转换光能与电能。
三、电子行为电子是固态物质中最重要的载流子之一，其行为直接关系到材料的导电性、磁性及相变等现象。
对固体物理学的初步认识
对《固体物理学》的初步认识固体物理学研究的对象固体物理学是研究固体的性质、它的微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。
固体的内部结构和运动形式很复杂，这方面的研究是从晶体开始的，因为晶体的内部结构简单，而且具有明显的规律性，较易研究。
以后进一步研究一切处于凝聚状态的物体的内部结构、内部运动以及它们和宏观物理性质的关系。
这类研究统称为凝聚态物理学。
由于固体物理本身是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基础，也由于固体物理学科内在的因素，固体物理的研究论文已占物理学中研究论文三分之一以上。
同时，固体物理学的成就和实验手段对化学物理、催化学科、生命科学、地学等的影响日益增长，正在形成新的交叉领域。
固体物理对于技术的发展有很多重要的应用，晶体管发明以后，集成电路技术迅速发展，电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之迅速发展。
其经济影响和社会影响是革命性的。
这种影响甚至在日常生活中也处处可见。
固体的一些性质固体磁性是一个有很久历史的研究领域。
抗磁性是物质的通性，来源于在磁场中电子的轨道运动的变化。
从20世纪初至30年代，经过许多学者努力建立了抗磁性的基本理论。
范扶累克在1932年证明在某些抗磁分子中会出现顺磁性；朗道在1930年证明导体中传导电子的非局域的轨道运动也产生抗磁性，这是量子的效应；居里在1895年测定了顺磁体磁化率的温度关系，朗之万在1905年给出顺磁性的经典统计理论，得出居里定律。
顺磁性的量子理论连同大量的实验研究，导致顺磁盐绝热去磁致冷技术出现，电子顺磁共振技术和微波激射放大器的发明，以及固体波谱学的建立。
固体的相变晶体内部的原子可以形成不同形式的点阵。
处于不同形式点阵的晶体，虽然化学成分相同，物理性质却可能不同。
不同的点阵形式具有不同的能量：在低温时，点阵处于能量最低的形式；当晶体的内部能量增高，温度升高到一定数值，点阵就会转变到能量较高的形式。
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固体物理简介
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自
E2
发
自 发
辐
辐 射
射
E1
系
(
dN21 dt
)自发
N2 A21
数
受
E2
激
吸
受 激 吸 收
收
E1
系
( dN12 dt
)吸收
k N1 I W12
数
受
激
E2
受 激
辐
辐
射
E1
射 系
(
dN21 dt
)受激
k N2I
B21
数
光波的频率 相位偏振态
自发 辐射
无关
受激 辐射
全同
一般情况下 W12 B21
普通光源一自发辐射 激光光源一受激辐射
一.激光的特性及分类
1. 高方向性 激光发散角极小，可小到 10-4 弧度， 可用于定位，准直，导向，测距等。
比如：投射到月球（38万公里）后，光斑直径仅约2公里 测地球—月球距离精度达几厘米
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2. 高单色性
例如：氦－氖激光器的单色性为
< 10-17 m
Ａ21 自发辐射系数
Ａ21 —— 单个原子在单位时间内发生自发辐射的概率
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2. 受激吸收
若原子处在某个能量为E1的低能级，另有某个能量
为E2的高能级，当入射光子的能量 h = E2 E1 时，原
子就可能吸收光子，从低能级跃迁到高能级，
这个过程 —— 受激吸收
设 N1 、N2 分别为单位体积中处于 E1(瞬时功率可达 1014 W )
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➢ 波长范围： 极紫外 ─ 可见光 ─ 亚毫米
(100 n m)
(1.222 m m )
➢ 组成包括： 激励能源 工作物质 (含有亚稳态能级) 光学谐振腔
➢ 物理过程： 粒子数反转 光放大作用 谐振腔的作用
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受激辐射 ——
若入射光子的能量 h 等于原子高、低能级间的能量
差 E2 E1，且高能级上有原子存在时，入射光子的电磁场 就会诱发原子，从高能级跃迁到低能级，同时放出一个与 入射光子完全相同的光子。
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设 N1 、N2 分别为单位体积中处于 E1 、E2 能级的原子数
单位体积中单位时间内，从E2 E1的受激
辐射的原子数为：
d
N dt
21
受激
k
N2
I
B21
B21 —— 受激辐射系数
E2
●
E1
●
N2
h
N1
B21 —— 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率
Ａ21、 W12、 B21 —— 爱因斯坦系数
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自发辐射与受激辐射的比较
自发辐射：处于高能级的原子在不受外界因素影响的条件下， 自发地由高能级向低能级跃迁所产生的辐射
e kT
1
N1
N2 N1
N1 N2 I 0 I 0
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说明
1. 当介质处于粒子数反转态，光在其中传播时得以放大。
2. 实现粒子数反转的必备条件 1) 依靠泵浦源激发原子
粒子数反转态是非热平衡态，为了促使粒子数反转 的出现必须用一定的手段去激发原子体系，这个过程 称为“泵浦”或“抽运”。
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受激辐射有光放大作用
E2
●
N2
h
E1
●
N1
全同光子: 频率、相位、振动方向、传播方向都相同
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三.粒子数反转和光放大
介质中的光强 I 变化
受激吸收
- N1 B
受激辐射
+ N2 B
自发辐射
忽略
介质
光强变化 I ~ (N2 N1)B
热平衡 状态
粒子数 反转态
N2
E2 E1
E2 h ● N2
则单位体积中单位时间内，因吸
收光子而从 E1E2 的原子数为：
E1
● N1
d
N 12 dt
吸收
k
N1 IW12
W12 受激吸收系数
W12 —— 单个原子在单位时间内发生受激吸收过程的概率
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3. 受激辐射
爱因斯坦在研究黑体辐射时，发现辐射场和原子交换 能量时，只靠自发辐射和吸收，是不能达到热平衡的还必 须存在另一种辐射方式 —— 受激辐射
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§17-1 激光特性简介
激光 （laser）—— “受激辐射的光放大” （Light amplification by stimulated emission of radiation）
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世界上第一台激光器诞生于1960年 基本原理都是基于1916年爱因斯坦提出的受激辐射理论
普通光源中，氪(Kr)灯单色性最好 = 4.710-13 m
能量集中在很窄的频率范围激光的谱线分辨率高，可 用于研究原子、分子、晶体等物质的能级和光谱的精细结 构，超精细结构等。
3. 高相干性 • 相干长度可达几十公里 • 激光波面上各个点可以做到都是相干的
用于测量长度、干涉以及全息术，X 射线激光可作分
子和生物高分子的全息图。
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4. 高亮度
脉冲瞬时功率可达 ～ 1014 W 可用于精密加工，医学
可产生108 K的高温 引起核聚变
5. 分类 ➢ 按工作物质分类
固体 (如 红宝石Al2O3)
液体 (如 某些染料)
气体 (如 He-Ne，CO2)
半导体 (如 砷化镓 GaAs)
➢ 按工作方式分类
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二.光的吸收与辐射
1. 自发辐射
原子处于激发态是不稳定的，会自发跃迁到低能 级，同时放出一个光子，这个过程 —— 自发辐射
设 N1 、N2 为单位体积中处于 E1 、E2 能级的原子数
则在单位体积中单位时间内，
从E2 E1自发辐射的原子数为：
E2
N2
h
E1
N1
d N21 dt
自 发
A21N 2
激发的方式可以有光激发和原子碰撞激发等
2) 适合能级分布的激活物质 • 有三能级或三能级以上的能级系统
• 上能级应为“亚稳态”（自发辐射系数小）
• 下能级不应是基态，而且对下下能级的自发辐射要大
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例: He-Ne 激光器中Ne气粒子数反转态的实现 He 是辅助物质 Ne 是激活物质 激活方式直流气体放电 He 与 Ne 之比为5∶1 10∶1
亚稳态
碰撞 电子
碰撞
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四. 光学谐振腔
为了强化光放大，应使受激辐射光反复多次通过 激活物质，实现这一目的的装置是光学谐振腔
在激活物质两侧配置两个反射镜，就构成了一个 “光学谐振腔”
特点 —— 与外界条件无关，不可控制 各原子产生的辐射互不相关，各个光子的频率、 位相、偏振态和传播方向各不相同， 光的单色性和相干性差
受激辐射：处于高能级的原子在外来光子的作用下由高能级 向低能级跃迁所产生的辐射
特点 —— 所产生的两个光子的运动状态完全相同， 即两个光子的频率、位相、偏振态和传播方向 完全相同，单色性和相干性好