自发辐射与受激辐射
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受激辐射 受激吸收与自发辐射
（自发辐射）
h E1 E2
§1.2.1 受激辐射、受激吸收与自发辐射
爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之 间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。
1. 自发辐射
h E2 E1
E2Leabharlann hE1发光前
发光后
单位时间从上能级跃迁到 下能级的原子数目为:
dn21 dt sp
或不能发生，则受激辐射也可以或不能发生。
受激辐射的相干性 自发辐射：相互独立、互不相关。 不相干
受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的 外来光子具有相同的特征（频率、相 位、振动方向及传播方向均相同）。
受激辐射光子与入射光子属同一光子态。 相干光
总结
掌握：
自发辐射、受激吸收、受激辐射 含义、特点、相互区别、相互关系 爱因斯坦三系数的相互关系及所得结论 受激辐射的相干性
热平衡状态：
辐射率 吸收率 （辐射场总光子数保持不变）
n2 A21 n2B21 n1B12
n1、n2、n3 ——各能级上的原子数密度（集居数密度）
玻尔兹曼统计分布：
n f e 2
2
( E2 E1 ) KT
n1 f1
f1、f2 ——能级 E1 和 E2的简并度，
或称统计权重
A21
8 h
c3
3
B21
结果讨论
1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故 正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。
3. 自发辐射的出现随 3而增大，故波长越短，
自发辐射几率越大。 4. 自发辐射和受激辐射具有相同的选择定则，自发辐射可以
h E1 E2
§1.2.1 受激辐射、受激吸收与自发辐射
爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之 间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。
1. 自发辐射
h E2 E1
E2Leabharlann hE1发光前
发光后
单位时间从上能级跃迁到 下能级的原子数目为:
dn21 dt sp
或不能发生，则受激辐射也可以或不能发生。
受激辐射的相干性 自发辐射：相互独立、互不相关。 不相干
受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的 外来光子具有相同的特征（频率、相 位、振动方向及传播方向均相同）。
受激辐射光子与入射光子属同一光子态。 相干光
总结
掌握：
自发辐射、受激吸收、受激辐射 含义、特点、相互区别、相互关系 爱因斯坦三系数的相互关系及所得结论 受激辐射的相干性
热平衡状态：
辐射率 吸收率 （辐射场总光子数保持不变）
n2 A21 n2B21 n1B12
n1、n2、n3 ——各能级上的原子数密度（集居数密度）
玻尔兹曼统计分布：
n f e 2
2
( E2 E1 ) KT
n1 f1
f1、f2 ——能级 E1 和 E2的简并度，
或称统计权重
A21
8 h
c3
3
B21
结果讨论
1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故 正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。
3. 自发辐射的出现随 3而增大，故波长越短，
自发辐射几率越大。 4. 自发辐射和受激辐射具有相同的选择定则，自发辐射可以
自发辐射与受激辐射
激光在垂直于腔轴旳横截面上形成旳稳定旳光强分布， 称激光旳横模。
1.6 激光束有哪些特点?
（1）光能量在空间和时间上高度集中（2）相干性好（3） 方向性好
1.7 设He-Ne 激光器腔长L分别为0.30m、1.0m,气体折射率n1, 试求纵模频率间隔各为多少?
据:
C
2nL
L
0.30m, 1
3108 21 0.3
激光器一般有三个基本构成部分： (1) 激活介质(2) 鼓励能源(3) 光学谐振
1.4 概括光学谐振腔旳作用。 （1）维持光振荡（2）选择激光旳方向性（3）提升激光旳单色性。
1.5 何谓激光旳纵模和横模?
因为激光器输出旳每一种谐振频率旳光，因其光强是沿纵 向（腔轴方向）分布旳驻波场。一般激光器是多纵模输出， 假如采用措施，能够输出单纵模，大大提升激光色性。
鼓励（泵浦）：实现粒子数反转旳过程。 具有亚稳态旳原子构造，才干实现粒子数反转。
红宝石激光器（三能级系统）
E3 E2
E1
E3 (10-8s)
E3
E2 (10-3s)
E2
h
E1
E1
氦氖激光器（四能级系统）
E4
(10-8s) E4
E3
(10-3s) E3
h
E2
E2
E1
E1
1.3 光学谐振腔
工作物质
思索题：
1.1 自发辐射与受激辐射比较有哪些不同？ 粒子自发地从高能级跃迁到低能级，同步发出一种光子，这
一过程叫做自发辐射。
若处于高能级旳粒子，在一种能量等于两能级之差（E2-E1） 旳光子作用下，从高能级跃迁到低能级并发射一种光子，这一过程 称为受激辐射。与自发辐射不同，辐射一定要在外来光作用下发生 并发射一种与外来光子完全相同旳光子。受激辐射光是相干光。受 激辐射光加上原来旳外来光，使光在传播方向上光强得到放大。
1.6 激光束有哪些特点?
（1）光能量在空间和时间上高度集中（2）相干性好（3） 方向性好
1.7 设He-Ne 激光器腔长L分别为0.30m、1.0m,气体折射率n1, 试求纵模频率间隔各为多少?
据:
C
2nL
L
0.30m, 1
3108 21 0.3
激光器一般有三个基本构成部分： (1) 激活介质(2) 鼓励能源(3) 光学谐振
1.4 概括光学谐振腔旳作用。 （1）维持光振荡（2）选择激光旳方向性（3）提升激光旳单色性。
1.5 何谓激光旳纵模和横模?
因为激光器输出旳每一种谐振频率旳光，因其光强是沿纵 向（腔轴方向）分布旳驻波场。一般激光器是多纵模输出， 假如采用措施，能够输出单纵模，大大提升激光色性。
鼓励（泵浦）：实现粒子数反转旳过程。 具有亚稳态旳原子构造，才干实现粒子数反转。
红宝石激光器（三能级系统）
E3 E2
E1
E3 (10-8s)
E3
E2 (10-3s)
E2
h
E1
E1
氦氖激光器（四能级系统）
E4
(10-8s) E4
E3
(10-3s) E3
h
E2
E2
E1
E1
1.3 光学谐振腔
工作物质
思索题：
1.1 自发辐射与受激辐射比较有哪些不同？ 粒子自发地从高能级跃迁到低能级，同步发出一种光子，这
一过程叫做自发辐射。
若处于高能级旳粒子，在一种能量等于两能级之差（E2-E1） 旳光子作用下，从高能级跃迁到低能级并发射一种光子，这一过程 称为受激辐射。与自发辐射不同，辐射一定要在外来光作用下发生 并发射一种与外来光子完全相同旳光子。受激辐射光是相干光。受 激辐射光加上原来旳外来光，使光在传播方向上光强得到放大。
自发辐射与受激辐射的区别并总结激光的原理、特点、分类
1、自发辐射与受激辐射的区别自发辐射：处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去,同时辐射出一个光子，这种辐射叫做自发辐射。
受激辐射：当原子处于激发态E2时,如果恰好有能量 (这里E2 ）E1）的光子射来，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迂到低能级E1上去，这种辐射叫做受激辐射。
区别：与自发辐射不同，辐射一定要在外来光作用下发生并发射一个与外来光子完全相同的光子.受激辐射光是相干光。
受激辐射光加上原来的外来光,使光在传播方向上光强得到放大。
自发辐射是不受外界辐射场影响的自发过程，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。
2、试总结激光的原理、特点、分类1）原理激光是光受激辐射的放大，它通过辐射的受激放射而实现光放大。
光放大即是一个光子射入一个原子体系之后，在离开此原子体系时，成了两个或更多个特征完全相同的光子。
但光子射入原子体系后与原子体系的相互作用时,总总包含吸收、自发辐射与受激辐射三种过程。
要得到激光必须使受激辐射胜过吸收和自发辐射在三个过程中居主导地位.2）特点主要特点：定向发光、亮度极高、颜色极纯、能量密度极高其他特点：激光是单色或单频的;激光是相干光,其所有的光波都同步，整束光就好像一个“波列”；激光是高度集中的,即它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象.3）分类按工作介质的不同来分类：固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器.按激光输出方式的不同分类：连续激光器和脉冲激光器。
（其中脉冲激光的峰值功率可以非常大）按发光的频率和发光功率大小分类等。
自发辐射与受激辐射
探索新型受激辐射源，如量子点激光器、光纤激光器等，提高其输出功率、光谱纯度和 稳定性。
受激辐射在光通信和传感领域的应用研究
研究受激辐射在高速光通信、光学传感等领域的应用，提升信息传输和检测的效率与精 度。
自发辐射与受激辐射的交叉研究
自发辐射与受激辐射相互 转换的研究
探索自发辐射与受激辐射相互转换的物理机 制，以及在转换过程中的能量和信息传递规 律。
自发辐射与受激辐射的协 同作用研究
研究自发辐射和受激辐射在同一系统中的相 互作用，发掘其在光子学、光学传感等领域
的新应用。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
受激辐射产生的光子具有与原光子相 同的频率、相位、偏振和传播方向。
受激辐射的特性
相干性
01
受激辐射产生的光子之间具有相干性，即它们的频率、相位、
偏振和传播方向都相同。
方向性
02
由于受激辐射的光子与激发光子具有相同的传播方向，因此受
激辐射具有很强的方向性。
放大性
03
在介质中，受激辐射的光子数会不断放大，导致光强不断增强。
02 自发辐射过程中，电子从高能级跃迁至低能级， 释放出光子，并释放出能量。
03 自发辐射是一种非相干过程，与受激辐射不同， 其光子之间无确定的相位关系。
02
受激辐射
受激辐射的定义
受激辐射：在介质中，当一个光子与 介质中的粒子相互作用时，导致该粒 子从低能级跃迁到高能级，同时释放 出一个与原光子完全相同的光子。
自发辐射是一种自发过程，不受外界光子或电磁 场的影响。
自发辐射的特性
01
自发辐射的光子能量与跃迁的能级差相关，通常为 特定波长。
02
自发辐射的光子方向是随机的，不具有特定方向性。
受激辐射在光通信和传感领域的应用研究
研究受激辐射在高速光通信、光学传感等领域的应用，提升信息传输和检测的效率与精 度。
自发辐射与受激辐射的交叉研究
自发辐射与受激辐射相互 转换的研究
探索自发辐射与受激辐射相互转换的物理机 制，以及在转换过程中的能量和信息传递规 律。
自发辐射与受激辐射的协 同作用研究
研究自发辐射和受激辐射在同一系统中的相 互作用，发掘其在光子学、光学传感等领域
的新应用。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
受激辐射产生的光子具有与原光子相 同的频率、相位、偏振和传播方向。
受激辐射的特性
相干性
01
受激辐射产生的光子之间具有相干性，即它们的频率、相位、
偏振和传播方向都相同。
方向性
02
由于受激辐射的光子与激发光子具有相同的传播方向，因此受
激辐射具有很强的方向性。
放大性
03
在介质中，受激辐射的光子数会不断放大，导致光强不断增强。
02 自发辐射过程中，电子从高能级跃迁至低能级， 释放出光子，并释放出能量。
03 自发辐射是一种非相干过程，与受激辐射不同， 其光子之间无确定的相位关系。
02
受激辐射
受激辐射的定义
受激辐射：在介质中，当一个光子与 介质中的粒子相互作用时，导致该粒 子从低能级跃迁到高能级，同时释放 出一个与原光子完全相同的光子。
自发辐射是一种自发过程，不受外界光子或电磁 场的影响。
自发辐射的特性
01
自发辐射的光子能量与跃迁的能级差相关，通常为 特定波长。
02
自发辐射的光子方向是随机的，不具有特定方向性。
光跃迁的三种方式
光跃迁的三种方式嘿，朋友们！今天咱来聊聊光跃迁的三种方式，这可有意思啦！你想想看，光就像个调皮的小精灵，在不同的状态之间蹦来跳去。
这三种方式啊，就像是小精灵的不同玩耍路径。
自发辐射，这就像是小精灵突然心血来潮，自己就蹦跶出来了。
它不需要别人催促，自顾自地就从高能级跳到低能级，还顺便放出一个光子。
这光子就像是小精灵玩耍时洒下的快乐种子。
这多神奇啊！我们平时看到的很多发光现象，其实都有自发辐射的功劳呢。
受激吸收呢，就像是小精灵看到了一个特别吸引它的东西，迫不及待地跑过去。
一个光子跑过来，原子里的电子就被吸引着从低能级跑到高能级啦。
这就好像小精灵被一个好玩的玩具吸引住了一样。
还有受激辐射，这可厉害啦！就像是小精灵不但自己玩得开心，还叫上小伙伴一起玩，而且小伙伴还跟它一模一样。
一个光子跑过来，诱导原子发射出一个和它一模一样的光子，这两个光子就结伴一起玩耍啦。
这多有趣呀！咱生活中很多地方都有光跃迁的这三种方式在默默发挥作用呢。
比如那些漂亮的霓虹灯，它们的发光不就是因为光跃迁吗？还有激光，那可是受激辐射的杰作呢！光跃迁的这三种方式，就像是一个神秘而又有趣的魔法世界。
自发辐射是自由的魔法，受激吸收是吸引的魔法，受激辐射是复制的魔法。
它们共同构成了光的奇妙世界。
咱得好好琢磨琢磨这些神奇的现象，它们可不是随便出现的哟！这背后的科学道理可深着呢！想想看，如果没有这些光跃迁，我们的世界得少多少精彩呀！所以啊，可别小看了这小小的光跃迁，它里面蕴含的奥秘可多啦！总之呢，光跃迁的三种方式真的是太有趣、太重要啦！我们得多多去了解、去探索，这样才能发现更多关于光的神奇之处呀！。
3.2 自发辐射、受激吸收和受激辐射几率-20200401
ρν为连续光谱辐射场，宽度Δν'远大于原子发射谱线的半宽度Δν， 则受激辐射引起的高能级粒子数变化速率：
g( ,0 )
D'
g( ,0 ) D
0
dn21 dt
st
n2 B21g , 0
d
n2 B21 g , 0 0 d
n2 B21 0
连续谱辐射场在原子中心
频率处的单色能量密度
Nl:第l模内的光子数密度
V:光腔体积
n
8
v3
2
模密度
固体物质：al
A21
nV D
W21
A21nl
n DV
A21
n D
Nl
W12
f2 f1
A21nl
n DV
f2 f1
A21 N l
n D
由于单色辐射场 D ' D ，在D '范围内可以认为g
,
0
为定值，且 '
只有在D 和D ' 共同覆盖的频率范围才有响应，因此：
g( ', 0 )
g( ', 0 )
d
0
d
由此得到改变后的速率方程：
D
'
D'
dn21 dt
st
n2W21 d
0
'
n2B21
g
爱因斯坦三种辐射系数的修正
自发辐射、受激辐射、受激吸收几率的基本关系式：
dn21 dt
sp
A21n2
dn21 dt
st
W21n2;
W21 B21
dn12 dt
st
W12n1;
W12 B12
自发辐射受激辐射与受激吸收
玻尔
跃迁： 当原子从某一能级吸收了能量或释放了能量，变成另
一能级时，我们就称它产生了跃迁。 吸收跃迁：凡是吸收能量后从低能级到高能级的跃迁； 辐射跃迁：释放能量后从高能级到低能级的跃迁。 特点：跃迁时所吸收或释放的能量必须等于发生跃迁的两 个能级之间的能级差。
如果吸收或辐射的能量都是光能的话，此关系式表示为：
用自发跃迁几率A21来描述： 定义：发光材料在单位时间内，从高能级上产生自发辐射
的发光粒子数密度与高能级粒子数密度的比值。公式为：
A21
dn21 dt
sp
1 n2
（1-3-7）
dn21——dt时间内自发辐射粒子数密度；
n2——E2能级总粒子数密度。
下标sp表示自发辐射跃迁。
自发辐射跃迁的过程是一种只与原子本身的性质有关，
E2 E1 hv （1-3-6） E2与E1分别是两个能级的能量。hν是吸收或释放的光 子的能量。
爱因斯坦从辐射与原子相互作用的量子论出发提出， 跃迁的形式包括：
➢自发辐射跃迁 ➢受激辐射跃迁 ➢受激吸收跃迁
在激光器的发光过程中，始终伴随着这三个跃迁过程。
（一）自发辐射 定义：处于高能级E2的原子自发祥低能级E1跃迁，并发射 一个频率等于ν=（E2-E1）/h的光子的过程称为自发辐射 跃迁。
用的时间。
2
1 A21
（1-3-10）
E2能级的平均寿命τ2
2
1 A21
（1-3-10）
A21有可称为自发辐射跃迁爱因斯坦系数。
（二）受激辐射 定义：处于高能级E2上的原子在频率为ν=（E2-E1）/h的 辐射场激励作用下，或在频率为ν=（E2-E1）/h的光子诱 发下，向低能级E1跃迁并辐射一个与激励辐射场或诱发光 子的状态（包括频率、运动方向、偏振方向、位相等）完 全相同的光子的过程。
自发辐射与受激辐射课件
实验设备
激光器、光学放大器、光谱仪、光学 显微镜等。
自发辐射与受激辐射的联合实验研究
实验步骤 1. 准备实验样品，如同时具有自发辐射和受激辐射特性的复合材料。 2. 使用激光器和光学放大器分别作为自发辐射和受激辐射的激励源。
自发辐射与受激辐射的联合实验研究
3. 在复合材料中同时观察自发辐射 和受激辐射的产生和特性。
02
受激辐射概述
受激辐射的定义
• 受激辐射：在介质中，当一个光子与介质中的粒子相互作用时， 如果光子的能量恰好等于该粒子的某个能级差，该粒子会吸收 光子能量并跃迁至高能级。随后，该粒子会自发地跃迁回低能 级，并释放出与原光子频率、相位和偏振状态相同的光子。这 个过程称为受激辐射。
受激辐射的特性
4. 使用光谱仪和光学显微镜分别测量 自发辐射和受激辐射的光谱分布、强 度和方向性。
05
自发辐射与受激辐射的 应用前景
自发辐射的应用前景
生物医学成像
自发辐射产生的光子可用于生物 医学成像技术，如荧光成像和光 学显微镜，有助于研究生物分子
结构和细胞功能。
生物传感器
自发辐射荧光可用于生物传感器， 检测生物分子之间的相互作用和 浓度变化，为疾病诊断和治疗提
供依据。
环境监测
自发辐射荧光还可以用于环境监 测，如水体污染和空气质量评估，
有助于保护环境和人类健康。
受激辐射的应用前景
激光技术
受激辐射产生的相干光可用于激光技术，如激光切割、激光焊接 和激光雷达等，具有高精度、高效率和低成本的优点。
光通信
受激辐射产生的光子可用于光通信领域，实现高速、大容量和长距 离的信息传输，是现代通信技术的关键组成部分。
自发辐射与受激辐射 课件
激光器、光学放大器、光谱仪、光学 显微镜等。
自发辐射与受激辐射的联合实验研究
实验步骤 1. 准备实验样品，如同时具有自发辐射和受激辐射特性的复合材料。 2. 使用激光器和光学放大器分别作为自发辐射和受激辐射的激励源。
自发辐射与受激辐射的联合实验研究
3. 在复合材料中同时观察自发辐射 和受激辐射的产生和特性。
02
受激辐射概述
受激辐射的定义
• 受激辐射：在介质中，当一个光子与介质中的粒子相互作用时， 如果光子的能量恰好等于该粒子的某个能级差，该粒子会吸收 光子能量并跃迁至高能级。随后，该粒子会自发地跃迁回低能 级，并释放出与原光子频率、相位和偏振状态相同的光子。这 个过程称为受激辐射。
受激辐射的特性
4. 使用光谱仪和光学显微镜分别测量 自发辐射和受激辐射的光谱分布、强 度和方向性。
05
自发辐射与受激辐射的 应用前景
自发辐射的应用前景
生物医学成像
自发辐射产生的光子可用于生物 医学成像技术，如荧光成像和光 学显微镜，有助于研究生物分子
结构和细胞功能。
生物传感器
自发辐射荧光可用于生物传感器， 检测生物分子之间的相互作用和 浓度变化，为疾病诊断和治疗提
供依据。
环境监测
自发辐射荧光还可以用于环境监 测，如水体污染和空气质量评估，
有助于保护环境和人类健康。
受激辐射的应用前景
激光技术
受激辐射产生的相干光可用于激光技术，如激光切割、激光焊接 和激光雷达等，具有高精度、高效率和低成本的优点。
光通信
受激辐射产生的光子可用于光通信领域，实现高速、大容量和长距 离的信息传输，是现代通信技术的关键组成部分。
自发辐射与受激辐射 课件
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2020/8/12
思考题：
1.1 自发辐射与受激辐射比较有哪些不同？ 粒子自发地从高能级跃迁到低能级，同时发出一个光子，这
一过程叫做自发辐射。
若处在高能级的粒子，在一个能量等于两能级之差（E2-E1） 的光子作用下，从高能级跃迁到低能级并发射一个光子，这一过程 称为受激辐射。与自发辐射不同，辐射一定要在外来光作用下发生 并发射一个与外来光子完全相同的光子。受激辐射光是相干光。受 激辐射光加上原来的外来光，使光在传播方向上光强得到放大。
专题Ι 激光技术
激光又名镭射 (Laser), 它的全名是“辐射的受激发射光放大”。 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
1.1 自发辐射和受激辐射
1、吸收过程：
hE2E1
E4 E3
2、自发辐射过程： 激发态 E2
h
h
hE2E1
2020/8/12
激励（泵浦）：实现粒子数反转的过程。 具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。
红宝石激光器（三能级系统）
E3 E2
E1
E3 (10-8s)
E3
E2 (10-3s)
E2
h
E1
E1
2020/8/12
氦氖激光器（四能级系统）
E4 E3 E2 E1
2020/8/12
(10-8s) E4 (10-3s) E3
2020/8/12
1.2 激光工作物质在热平衡情况下能否实现粒子数反转分布?怎样 能实现粒子数反转?
不能。在热平衡条件下，粒子数的分布服从玻耳兹曼分
布律，高能级的粒子数总小于低能级的粒子数。 借助于外界的激励能源（为电激励, 光激励, 化学激励等
能源），打破激活介质热平衡时的粒子数分布，使高能级的 粒子数大于低能级的粒子数。这种激活介质要具有合适的能 级结构。 1.3 激光器有哪几个基本组成部分?
激光器一般有三个基本组成部分： (1) 激活介质(2) 激励能源(3) 光学谐振
2020/8/12
1.4 概括光学谐振腔的作用。 （1）维持光振荡（2）选择激光的方向性（3）提高激光的单色性。
1.5 何谓激光的纵模和横模?
由于激光器输出的每一个谐振频率的光，因其光强是沿纵 向（腔轴方向）分布的驻波场。一般激光器是多纵模输出， 如果采取措施，可以输出单纵模，大大提高激光色性。
h E2
E1
1.3 光学谐振腔
工作物质
全反射镜
部分反射镜
谐振腔长度： Ln (n1,2,3, )
2
谐振腔的作用：
（1）维持光振荡，起到光放大作用。
（2）使激光产生极好的方向性。
（3）使激光的单色性好。
2020/8/12
氦氖激光： 6328A 红宝石激光： 6943A 1.4 激光的特性
1、方向性好。 2、单色性好。 3、相干性好。 4、能量集中。
激光在垂直于腔轴的横截面上形成的稳定的光强分布， 称激光的横模。
2020/8/12
1.6 激光束有哪些特点?
（1）光能量在空间和时间上高度集中（2）相干性好（3） 方向性好
1.7 设He-Ne 激光器腔长L分别为0.30m、1.0m,气体折射率n1, 试求纵模频率间隔各为多少?
据:
202012
3、受激辐射过程：
hE2E1
h
E2 h h
E1
受激辐射的特点结论：受激辐射产生的光子 与原来的光子具有完全相同的状态。
结论：受激辐射而得到的光是相干光。
2020/8/12
1.2 激光的产生 1、粒子数反转
Ek
nk e kT
N1 N2
E2 粒子数反转
E1 产生激光的必要条件：实现粒子数反转。
C
2nL
L
0.30m,
1
3108 2 1 0.3
5108
Hz
L
1.0m, 2
3108 211.0
1.5108 Hz
谢谢大家！
2020/8/12
思考题：
1.1 自发辐射与受激辐射比较有哪些不同？ 粒子自发地从高能级跃迁到低能级，同时发出一个光子，这
一过程叫做自发辐射。
若处在高能级的粒子，在一个能量等于两能级之差（E2-E1） 的光子作用下，从高能级跃迁到低能级并发射一个光子，这一过程 称为受激辐射。与自发辐射不同，辐射一定要在外来光作用下发生 并发射一个与外来光子完全相同的光子。受激辐射光是相干光。受 激辐射光加上原来的外来光，使光在传播方向上光强得到放大。
专题Ι 激光技术
激光又名镭射 (Laser), 它的全名是“辐射的受激发射光放大”。 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
1.1 自发辐射和受激辐射
1、吸收过程：
hE2E1
E4 E3
2、自发辐射过程： 激发态 E2
h
h
hE2E1
2020/8/12
激励（泵浦）：实现粒子数反转的过程。 具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。
红宝石激光器（三能级系统）
E3 E2
E1
E3 (10-8s)
E3
E2 (10-3s)
E2
h
E1
E1
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氦氖激光器（四能级系统）
E4 E3 E2 E1
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(10-8s) E4 (10-3s) E3
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1.2 激光工作物质在热平衡情况下能否实现粒子数反转分布?怎样 能实现粒子数反转?
不能。在热平衡条件下，粒子数的分布服从玻耳兹曼分
布律，高能级的粒子数总小于低能级的粒子数。 借助于外界的激励能源（为电激励, 光激励, 化学激励等
能源），打破激活介质热平衡时的粒子数分布，使高能级的 粒子数大于低能级的粒子数。这种激活介质要具有合适的能 级结构。 1.3 激光器有哪几个基本组成部分?
激光器一般有三个基本组成部分： (1) 激活介质(2) 激励能源(3) 光学谐振
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1.4 概括光学谐振腔的作用。 （1）维持光振荡（2）选择激光的方向性（3）提高激光的单色性。
1.5 何谓激光的纵模和横模?
由于激光器输出的每一个谐振频率的光，因其光强是沿纵 向（腔轴方向）分布的驻波场。一般激光器是多纵模输出， 如果采取措施，可以输出单纵模，大大提高激光色性。
h E2
E1
1.3 光学谐振腔
工作物质
全反射镜
部分反射镜
谐振腔长度： Ln (n1,2,3, )
2
谐振腔的作用：
（1）维持光振荡，起到光放大作用。
（2）使激光产生极好的方向性。
（3）使激光的单色性好。
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氦氖激光： 6328A 红宝石激光： 6943A 1.4 激光的特性
1、方向性好。 2、单色性好。 3、相干性好。 4、能量集中。
激光在垂直于腔轴的横截面上形成的稳定的光强分布， 称激光的横模。
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1.6 激光束有哪些特点?
（1）光能量在空间和时间上高度集中（2）相干性好（3） 方向性好
1.7 设He-Ne 激光器腔长L分别为0.30m、1.0m,气体折射率n1, 试求纵模频率间隔各为多少?
据:
202012
3、受激辐射过程：
hE2E1
h
E2 h h
E1
受激辐射的特点结论：受激辐射产生的光子 与原来的光子具有完全相同的状态。
结论：受激辐射而得到的光是相干光。
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1.2 激光的产生 1、粒子数反转
Ek
nk e kT
N1 N2
E2 粒子数反转
E1 产生激光的必要条件：实现粒子数反转。
C
2nL
L
0.30m,
1
3108 2 1 0.3
5108
Hz
L
1.0m, 2
3108 211.0
1.5108 Hz
谢谢大家！
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