第一章 光的吸收和发射.
第一章 光波与光源 光的电磁理论 激光的原理、特性和应用 发概要
五、激光器的种类 种类分固体激光器、气体激光器、染料激光器。 固体激光器：以绝缘晶体或玻璃为工作物质。 少量的过渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃， 经光泵激励后产生受激辐射作用。主要有红宝石激 光器、钛宝石激光器、半导体激光器。 气体激光器：如He-Ne激光器、氩离子激光器、 CO2激光器、N2分子激光器等。 染料激光器：采用在适当的溶剂中溶入有机染 料作为激光器的工作物质。
3 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的 激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图 受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质 原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足 两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受 激辐射和受激吸收过程同时存在。当吸收过程占优 势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。
2、N2/ N1>1时，高能级E2上原子数大于低能级E1 上原子数，称粒子数反转分布，有dN21 > dN12，表 明光经介质传播的过程中受激辐射的光子数大于受 激吸收的光子数，宏观效果表现为光被放大，或称 光增益。能引起粒子数反转分布的介质称为激活介 质或增益介质。实现粒子数反转分布是产生激光的 必要条件。 设增益介质的增益系数为G，在此介质z处的光强 为I(z),经dz距离后光强改变dI，则dI=GIdz ，积分得 I ( z) I 0eGz I0为z=0处的光强
E2 E1 h
光发射的三种跃迁过程
1 自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低 能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图； 2 受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下， 处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时 发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图； 两种辐射过程特点的比较： 自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播 方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光； 受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向 均与外来的光波相同， 辐射的光波是相干光。
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。
光电子物理基础第一章-物质中光的吸收和发射
• 有限范围内成立；需修正
2)禁戒的直接跃迁 • 在某些材料中，k=0的直接跃迁是禁止 的,k≠0的直接跃迁是允许的， Wif正比于k2， 正比于(hν-Eg)，则αd＝α(hν-Eg)3/2，其中
α = 2 / 3 ⋅ B(2mr / m) f if' / hνf if
直接跃迁的吸收系数随频率的 变化
1.3.2 激子吸收
基本吸收中，认为被激发电子变成了导带中自 由粒子，价带中产生的空穴也是自由的。但是 受激电子与空穴会彼此吸引(库仑场)，有可能 形成束缚态，称为激子。电中性 能在晶体中自由运动的激子称自由激子，又称 瓦尼尔(Wannier)激子。不能自由运动的激子 称束缚激子，又称弗伦克尔(Frankel)激子。
1/ 2
1.3.3 杂质吸收
三个方面 1）从杂质中心的基态到激发 态的激发，可引起线状吸收 谱。 2）电子从施主能级到导带或 从价带到受主能级的吸收跃 迁 红外区
3)从价带到施主能级或从被 电子占据的受主能级到导 带的吸收跃迁。 几率小。 浅受主能级到导带的跃迁 吸收跃迁系数
α = AA N A (hν − E g + E A )1/ 2
中红外范围内，自由载流子吸收按λ2规 律变化。近红外区不再适用。 电子在导带中跃迁，不同能量状态间跃 迁，则必须改变波矢量，为了动量守恒， 电子动量的改变可由声子或电离杂质的 散射来获得补偿。 近红外区域，M.Becker等人指出①电子 受到声学声子散射， α ∝λ1.5②电子受到 光学声子散射， α ∝λ2.5 ③受杂质散射， α ∝λ3∼3.5
（1）允许的跃迁 （2）禁止的跃迁
3)布尔斯坦-莫斯移动 重掺杂半导体的本 征吸收限向高频方 向移动，布尔斯坦 －莫斯移动 4)带尾效应 • 直接跃迁吸收系数 的光谱曲线，吸收 系数随光子能量减 小呈指数衰减
光谱分析技术及应用.doc
第一章绪论第一节光学分析的历史及发展1．吸收光谱：由于物质对辐射的选择性吸收而得到的光谱。
2．发射光谱：构成物质的各种粒子受到热能、电能或者化学能的激发，由低能态或基态跃迁到较高能态，当其返回基态时以光辐射释放能量所产生的光谱。
第二章光谱分析技术基础第一节电磁辐射与波谱1．电磁辐射的波动性（1）散射丁铎尔散射和分子散射两类。
丁铎尔散射：当被照射试样粒子的直径等于或大于入射光的波长时。
分子散射：当被照射试样粒子的直径小于入射光的波长时。
分为瑞利散射（光子与分子相互作用时若没有能量交换）和拉曼散射（有能量交换）。
（2）折射和反射全反射：当入射角增大到某一角度时，折射角等于90，再增大入射角，光线全部反射回光密介质中，没有折射。
（3）干涉当频率相同，振动方向相同，周相相等或周相差保持恒定的波源所发射的电磁波互相叠加时，会产生波的干涉现象。
（4）衍射光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象。
2．电磁波的粒子性光波长越长，光量子的能量越小。
光子：一个光子的能量是传递给金属中的单个电子的。
电子吸收一个光子后，能量会增加，一部分用来挣脱束缚，一部分变成动能。
3．物质的能态当物质改变其能态时，它吸引或发射的能量就完全等于两能级之间的能量差。
从低能态到高能态需要吸收能量，是为吸收光谱，即吸光度对波长或频率的函数。
从高能态到低能态需要释放能量，是为发射光谱。
第二节原子吸收光谱分析1．当原子吸引能量的时候，按能量数量使核外电子从一级跃迁到另一级，这与吸收的能量有关。
吸收能量的多少与原子本身和核外电子的状态有关。
第三节 分子吸收与光谱分析1．分子吸收与原子的不同在于，分子还需要转动跃迁、振动跃迁、电子跃迁等几个能级。
2．朗伯-比尔（Lambert-Beer ）法则：设某物质被波长为λ、能量为的单色光照射时，)(0λI 在另一端输出的光的能量将出输入光的能量低。
考虑物质光程长度为L 中一个薄层)(λt I ，其入射光为，则其出射光为。
《光学》全套课件
Δ
=2en2
(
1 cosγ
sin2 γ) +λ cosγ 2
Δ
=
2en2
c
os
γ
+
λ 2
Δ =2e n22
n12
sin2 i +λ 2
干涉条件
2e
n22
n12
sin2
i
2
k
k 1,2, 加强（明）
( 2k 1 ) 2 k 0,1,2, 减弱（暗）
额外程差的确定 不论入射光的的入射角如何
M1
x
S1S2 平行于 WW '
d
S1
S2
C M2
o
W'
d <<D
D
屏幕上O点在两个虚光源连线的垂直平分线上，屏幕 上明暗条纹中心对O点的偏离 x为:
x =kλ D d
x = 2k +1 λ D 2d
明条纹中心的位置 暗条纹中心的位置
k =0,±1,±2L
2 洛埃镜
E
S1
d
S2
光栏
E
p
p'
Q'
M
L
橙 630nm~590nm 黄 590nm~570nm 绿 570nm~500nm
折射率
n=c = u
εrμr
青 500nm~460nm 蓝 460nm~430nm 紫 430nm~400nm
u = c ,λ = λ0 nn
§1-2 光源 光的相干性
一、光源
1.光源的发光机理 光源的最基本发光单元是分子、原子
§1-3 光程与光程差
干涉现象决定于两束相干光的位相差 两束相干光通过不同的介质时, 位相差不能单纯由几何路程差决定。
第1-1章 光的吸收和发射
——E与K垂直，横波 对于每一个 有两个独立的偏振方向 即，每组确定的（n1，n2，n3）表示两个腔模
m （最高频率）
模式数目:
N (m )
2 1 8
4
3
( Lm c
)3
1 3
L3m3 2c3
1/8球
在一定频率范围内，单 位体积的模数:
如，通过测量吸收或发射谱线的强度，可以给出宇宙中恒 星气体或星际空间中元素的浓度；比较同一元素、不同谱 线的强度，可以给出热平衡条件下，辐射物体的温度等。
1、自发发射（spontaneous emission）
一个分子由激发态Ei跃迁到低能级态Ek的自发辐射跃迁几率为
dPiks dt
Aik
总跃迁几率 Ai Aik
k
dt时间后，Ei能级减少的粒子数为
dNi Ai Nidt
积分得
Ni
(t)
N e Ait i0
能级Ei的平均自发寿命： i
1 Ai
Ni个分子在跃迁中发射的功率为，
dWik / dt Nih ik Aik
2、碰撞感生无辐射跃迁 collison-induced radiationless transitions
N m gn exp( m n )
Nn gm
kBT
√ 较高能级m上的原子数总是小于较低能级n上的原子数；
√ 如果m和n能量间隔很大，激发态m上的布居可以少到可以忽略。
2、爱因斯坦跃迁几率
自发辐射：处于激发态的原子在没有外界的 E2 , N2
影响下，以辐射的方式返回基态的过程
第一章 激光基本原理--Part1
• 在物质与辐射场的相互作用中，构成物质的原子 或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射 或吸收。 • 粒子数反转：能利用受激发射实现光放大 • 受激辐射光子与激励光子具有相同的频率、方向、 相位、偏振态，是相干光。
Einstein
1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受 激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢 原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖； "for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum" 1950年，Kastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实 现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而 获得诺贝尔奖。 "for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms"
1966年研制成了固体锁模激光器获得了超短脉冲。 1970年研制成了准分子激光器。 1977年研制成了红外波段的自由电子激光器 （FEL） 1984年研制出光孤子激光器（SL） 美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员于1992年研 制出当时世界上最小的固体激光器，它在扫描电子显微 镜下看起来就像一个个微型图钉，其直径只有 2 至 10 微 米。在一个大头针的针头上，可以装下1万个这样的新型 半导体激光器。
DARPA built the megawatt-class Alpha HF chemical laser during the 1980s
An electron-beam pumped ArF laser experiment at Sandia National Laboratories (1975, Courtesy Sandia National Labs)
光电信息技术 光电发射效应
§1.1.2 光电发射效应
物体受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应
或称光电发射效应，这种多发生于金属和金属氧化物。在 第
光电器件中，光电管、光电倍增管和某些光电器件都是建 一
章
立在光电发射效应基础上的。
光
光电发射效应的几个规律。其中主要的基本定律和性质有： 电
1、光电发射第一定律
信
当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电
息 技
发射电流 IK 与被阴极所吸收的光通量ΦK 成正比。即
术
IK = SK ΦK
物 理
式中SK 为表征光电发射灵敏度的系数。这个关系式看上去 基
第 一 章
定了外光电效应器件具有很高的频响。
根据光量子理论，每个电子的逸出都是由于吸收了一 光
个光子能量的结果，而且一个光子的全部能量都由辐射转 变成光电子的能量。因此，光线愈强，也就是作用于阴极 表面的量子数愈多，这样就会有较多的电子从阴极表面逸
电 信 息 技
出。同时，入射光线的频率愈高，也就是说每个光子的能 术
以上的结论严格说来是在绝对零度时才是正确的。
因为随着温度的增加。阴极材料内电子的能量亦将提高， 第
而有可能在原来的红限以下即已逸出表面。但是，实际上 一 由于温度提高时这种具有很大能量的电子数目为数很少， 章
因此，爱因斯坦方程和红限的结论对大多数金属来说仍是 光
正确的。
电 信
最早的时候，认为光电发射效应只发生在阴极材料的 息
第 一 章
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振子强度
Nfik N
k
fik 1
k
钠原子能级图
1.5 跃迁几率
自发辐射
dPikspont dt
Aik
总跃迁几率
Ai Aik
k
能级 Ei 的平均自发寿命
i
1 Ai
Ni个分子发生跃迁 Ei Ek 而发射的辐射功率
dWik / dt Nih ik Aik
Z
配分函数 Z exp(qh / kT)
q
每个模的平均能量
W p(q)qh 1 qh exp(qh / kT )
h
q0
Z q0
exp(h / kT ) 1
能量密度
( )d
8 2
c3
h
eh / kT
d
1
1.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收
碰撞感生无辐射跃迁
dpickoll dt
vNB
coll ik
其中
受激辐射
平均寿命
eff i
v 8kT
dpiiknd dt
( ik )Bik [Ni (gi / gk )Nk ]
1
eff i
k
[ Aik
(ik )Bik [Ni
(gi
/
gk )Nk
]
N coll B ik
8kT ]
1.6 线性吸收和非线性吸收
强度为I的波沿z方向通过吸收样品时，强度衰减：
dI Iik [Ni (gi / gk )Nk ]dz
i)
n n i
克喇末-克朗尼格色散关系
n
1
Nq2
2 0 m
(02
02 2 2)2
2 2
Nq2
20m (02 2 )2 22
克喇末-克朗尼格色散关系
n
1
Nq2
20m
(02
02 2 2)2
2 2
2. W.戴姆特瑞德，《激光光谱学：基本概念和仪器手 段》， 科学出版社，北京，1989
3. A.科尼，《原子光谱学和激光光谱学》，科学出版社， 北京，1984
4. 光的量子论，R. Loudon, 1992
第一章 光的吸收和发射
1.1 腔模
立方腔
2 E(r , t)
1 c2
2 E(r , t) t 2
E0 exp(2 z / 0 ) exp[ik0 (ct nz)]
描述光强的衰减
dI Idz
其中 是吸收系数
dI Idz
当吸收系数与光强无关时 线性吸收的Beer定律 I (z) I0e z
E E0 exp(2 z / 0 ) exp[ik0 (ct nz)]
3
( Lm c
)3
1 3
L3m3 2c3
在一定频率范围内，单 位体积的模数:
n()d
2 2c3
d
n( )d
8
c3
2
d
1.2 热辐射和普朗克定律
光子
h
辐射场吸收和发射的能量只能是 qh
一个模含有能量 qh 的几率
p(q) 1 exp(qh / kT )
极化强度 折射率
P 0 E 0 E0eit n (1 )1/2
得到折射率
n2
1
Nq2
0m(02 2
i)
在压强足够低的气体介质中，折射率接近于1
这时，可以近似： Nq2
n 1 20m(02 2 i)
n
1
2
Nq2
0m(02 2
激光光谱学
奚婷婷 中国科学院研究生院物理学院
课程要求: 30%平时+70%笔试 office hour: 周三3、4节，N606 联系方式: ttxi@
参考书:
1.Wolfgang Demtröder, Laser Spectroscopy: Basic Concepts and Instrumentation 3rd Edition Spinger-Verlag Berlin Heidelberg New York
8 0 m0
(0
)2 (
/
2)2
n
1
Nq2
4 0 m0
(0
0 )2 (
/ 2)2
在分子跃迁中心频率附近的色散关系
电磁波
n n i E E0 exp[i(t kz)]
k k0n
E E0 exp(k0 z) exp[i(t k0nz)]
E(r,t) 0
E Ap exp[i(pt kp r )] c.c.
p
k L (n1, n2, n3)
驻波
腔模
k E0
对于每一个 k E 有两个独立的方向 每组 (n1, n2 , n3 ) 对于两个腔模
m
模的数目:
N (m )
2 1 8
4
1.4 吸收和色散
折射率的经典模型
其中
mx&& bx& Dx qE0eit
x
x0eit
qE0eit
m(02 2 i)
b/m
02 D / m
电偶极矩 极化强度
p
qx
q 2 E0eit
m(02 2
i)
P
Nqx
Nq 2 E0eit
m(02 2 i)
,
Nq2
20m (02 2 )2 22
在分子跃迁频率0附近的范围内 ( 0 0)
色散关系简化为：
n
1
Nq2
4 0 m0
(0
0 )2 (
/ 2)2
Nq2
8 0 m0
(0
)2 (
/ 2)2
Nq2
A21, B21与B12统称为爱因斯坦系数
爱因斯坦系数的关系 (A21, B21与B12)
考虑一个达到热平衡的空腔系统
组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数相等
各能级粒子数符合玻尔兹曼分布
空腔中的辐射场将有一个稳定的分布
A21 8 hv3
B21
c3
B12 g1 B21g2
T
热辐射场中每个模的平均光子数
自发辐射 受激辐射 受激吸收
E2 , N2 E1, N1
h E2 E1
h E2 E1
h E2 E1
dP2s1pont dt
A21
dP21 dt
B21( )
dP12 dt
B12( )
A21自发辐射系数 B21受激辐射系数 B12受激吸收系数
光能密度