受激辐射 受激吸收与自发辐射
激光原理 知识点
激光原理知识点
激光原理的知识点包括:
1.黑体和黑体辐射:黑体是一种理想化的辐射体，黑体辐射是描述黑体发出的辐射规律的理论。
2.自发辐射、受激辐射和受激吸收:这是激光产生的基本过程。
即自发辐射产生光子，受激辐射放大光子，受激吸收则吸收光子。
3.光腔理论:涉及到光腔的稳定性条件、共轴球面腔的稳定性条件、开腔模式的物理概念和行射理论分析方法、高斯光東的基本性质及特征参数等。
4.电磁场和物质的共振相互作用:描述了光和物质相互作用的经典理论。
以及谱线加宽和线型函数等概念。
5.激光振落特性:涉及到激光的特性，如相干性好、方向性好、单色性好、亮度高，这些特性可以归结为激光具有很高的光子简并度。
6.光子简并度:是描述激光光子相干性的物理量。
7.光的多普勒效应:描述了光波在运动中由于光源和观察者的相对运动而产性频率变化的现象。
8.均匀增宽与非均匀增宽:描述了光谱线增宽的两种类型，均匀增宽通常是由于原子或分子的自然热运动引起的，而非均匀增宽则通常是由于原子或分子之间的碰撞弓|起的。
9.自然增宽和多普勒堵宽:自然增宽是由于原子或分子自旋的统计分布引起的，多普勒增宽是由于原子或分子的热运动引起的。
以上只是简单的列举，实际上激光原理所涵盖的知识点还有很多，需
要系统学习和实践。
制表：审核：批准：。
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。
光子的能级跃迁
光子的能级跃迁涉及到原子物理学的知识，主要有三种过程，分别是自发辐射、受激吸收和受激辐射。
自发辐射过程：处于高能级E的一个原子自发的向低能级E跃迁，并发射一个能量为hv的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光被称为自发辐射。
自发辐射的光子是自发产生的，其辐射是独立的。
受激吸收过程：处于低能态E的一个原子，在频率为v的辐射场作用下，吸收一个能量为hv的光子并向高能态E跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁。
这个过程是非自发的，需要外来光照射，而且能够增强光的强度。
与原光子性质、状态完全相同。
受激辐射过程：处于上能级E的原子在频率为v的辐射场作用下，跃迁至低能态E ，并辐射一个能量为hv的光子。
这个过程只有在外来光子的能量恰好等于能级差时才会发生，受激辐射所发出的光子与外来光子的特性完全相同，即频率相同、相位相同、偏振方向相同、传播方向相同。
以上信息仅供参考，建议查阅物理书籍或咨询物理专业人士以获取更深入的了解。
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,受激辐射和受激吸收
自发辐射,受激辐射和受激吸收
自发辐射、受激辐射和受激吸收都是物理学中的概念，与原子和分子的能级结构有关。
在能级结构中，原子或分子会存在多个能级，不同能级的能量是不同的。
当原子或分子从一个能级跃迁到另一个能级时，会释放或吸收能量，这种能量以电磁波的形式传播，即辐射。
而这种辐射分为三种情况：
1. 自发辐射：当原子或分子从一个高能级跃迁到一个低能级时，会自发地释放能量，这种辐射称为自发辐射。
这种辐射是随机的，不需要外界的干预。
2. 受激辐射：当原子或分子在一个高能级上受到外界电磁波的刺激时，会跃迁到低能级并释放出辐射，这种辐射称为受激辐射。
这种辐射是受外界刺激而发生的，需要外界电磁波的存在。
3. 受激吸收：当原子或分子在低能级时受到外界电磁波的刺激，它们会吸收能量并跃迁到高能级，这种现象称为受激吸收。
这种辐射也是受外界刺激而发生的，需要外界电磁波的存在。
以上三种辐射在物理学中起到了重要的作用，如在激光技术、核物理、天文学等领域得到广泛应用。
- 1 -。
第6讲 自发辐射、受激辐射和受激吸收
吸收跃迁到
Eu 能级的原子数
dnlu
st
应正比于
,
nl
,
dt
，
dnlu ab Blu nl dt
Blu称为受激吸收跃迁爱因斯坦系数。
6.2.3 受激吸收跃迁
定义：
Wlu
dnlu dt
ab
1 nl
Blu
Wlu称为受激吸收跃迁几率。
6.3 爱因斯坦辐射系数间的关系
u
u 1 Aul 称为能级 Eu 的寿命。
l
6.2.1 自发辐射跃迁
自发辐射的特点
自发跃迁几率只与原子本身性质有关，与辐射场无关； 大量原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、
相位不一定相同——为非相干光。 普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程
为自发辐射。
Wul Aul
Psp
dnul dt
sp
h
Aul nuh
Pst
dnul dt
st
h
Wul nuh
Pst Psp
6.2.2 受激辐射跃迁
什么是受激辐射跃迁
处于能级 Eu 的原子在频率为 的辐射场作用下，向 El 能
级跃迁并发射与外来光子能量相同的光子的过程称为受激
辐射跃迁。这里，频率 需满足条件： = Eu El
h
6.2.2 受激辐射跃迁
受激辐射跃迁示意图
Eu
h
El 发光前
h h
发光后
发光前：原子处于上能级； 发光后：原子跃迁到下能级，同时发出一个与作用光
6.2.2 受激辐射跃迁
光信息专业实验说明：半导体泵浦激光原理实验 (2)
【预习报告】光信息专业实验说明：半导体泵浦激光原理实验【实验目的】：1. 了解及掌握半导体泵浦激光实验原理及调节光路的方法。
2. 掌握腔内倍频技术，并了解倍频技术的意义。
3. 掌握测量阈值及相位匹配等基本参数的方法。
【实验原理】：1. 光与物质的相互作用光与物质粒子相互作用有三个基本物理过程，分别为：1）受激吸收；2）受激发射；3）自发辐射。
1） 受激吸收处于较低能级1ϕ（具有能量1E ）的粒子与能量为21ννh h =的光子相互作用，粒子吸收了光子，从1ϕ态跃迁到较高的能级2ϕ（具有能量2E ）。
这个过程称为受激吸收。
2） 自发辐射自发辐射与受激吸收可以看作是两个相反的过程。
处于较高能级2ϕ的粒子不稳定，即使没有外界辐射场的作用，也会自发地从较高的能级2ϕ跃迁到较低的能级1ϕ，并且放出光子，光子的能量为1221E E h -=ν。
这个过程称为自发辐射。
粒子的自发辐射是一个随机的过程。
各个发光粒子的发光过程是各自独立，即所辐射的光在发射方向上是无规则的，发散向各个方向的，而且位相、偏振态等也各不相同。
因此，自发辐射的光是非相干的。
3） 受激辐射处于较高能级2ϕ的粒子与能量为21ννh h =的光子相互作用，从2ϕ态跃迁至较低的能级1ϕ，并且同时发射出一个新的光子，能量为νh 。
新的光子的频率、方向、相位、偏振均与入射光子相同，即入射光子与新发射的光子是相干的。
并且这两个相干的光子又与其它处于2ϕ能级的粒子相互作用，产生更多的相干光子，从而实现光放大。
光与物质的相互作用的三个过程可以用下面的简图表示图1 光子与物质的相互作用的三个过程2. 光学倍频激光倍频是将频率为ω的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为ω2的光。
当外界光场的电场强度足够大时(如激光)，物质对光场的响应与场强具有非线性关系：+++=32E E E P γβα式中α，β，γ，……均为与物质有关的系数，而且逐次减小，他们的数量级之比为原子E 1=== βγαβ 其中原子E 为原子中的电场，其量级为cm V /108，当时上式中的非线性项2E 、3E 等均为小量，可忽略，如果E 很大，非线性项就不能忽略。
光的自发辐射 受激辐射、光放大
非相干光。
二、受激辐射和受激吸收
1）受激吸收 （共振吸收, 光的吸收）
处在低能级E1的原子受到
E2 能量等于h=E2-E1的光子
h
的照射时，吸收这一光子
E1 跃迁到高能级E2的过程。
n1 —— t时刻处于能级E1上的原子密度为
dn12 dt
——单位时间内由于吸收光子从低能级E1 吸 跃迁到高能级E2的原子数密度
大功率激光器 I 109 1017Wcm2sr 1
可使一切金属熔化
可使一切非金属化为一缕青烟
二、激光的应用
粒子数反转分布
激光是受激幅射的光，但还存在自发幅射和吸收， 要使受激辐射超过吸收和自发辐射才能实现光放大
根据玻尔兹曼 能量分布律
N e 2
( E2 E1 ) kT
N1
热动平衡下， N2N1，即处于高能级的原子数
大大少于低能级的原子数——粒子数的正常分布
受激辐射占支配地位粒子数反转
高能级上的粒 子数超过低能 级上的粒子数
激光
14-5 光的自发辐射 受激辐射、光放大
光与原子体系相互作用，同时存在吸收、自发辐射 和受激辐射三种过程。
一、原子的自发辐射
在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从
高能级E2向低能级E1跃迁，同时辐射出一光子。
满足条件：h=E2-E1
E2
•
E2
h
E1
E1 •
随机过程，用概率描述。
n2—— t时刻处于能级E2上的原子数密度
我国第一台红宝石激光发射器
激光发射器---氦氖红光
氩离子激光器
14-7 激光的特性与应用
一、激光的特性
一）高度单色性
激光所包含的波长或频率范围极小
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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
(E1,E2,……)相应地一系列状态中。这些状态称为定态。 ⑵ 原子在两个定态（分别属于 En 和 Em，设 En>Em）跃迁
时， 发射或吸收的电磁辐射的频率υ由下式给出：
h En Em （频率条件）
简言之，Bohr 量子论的核心思想有两条： 原子的具有分立能量的定态概念， 两个定态之间的量子跃迁概念和频率条件。
3. 受激吸收
E2
h
E1
吸收前
吸收后
dn12 dt
st
W12n1
受激吸收跃迁几率 W12 B12
与原子本身性质和辐射场能量密度有关
B12 ：受激吸收跃迁爱因斯坦系数
只与原子本身性质有关
当光与原子相互 作用时，总是同 时存在这三种过 程!
§1.2.2 爱因斯坦三系数的相互关系
2. 受激辐射
E2
h
E1 发光前
h h
发光后
当外来光子的频率满足h E2 时 E，1 使原子中处于高能级 的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。
受激辐射跃迁几率 W21 B21
与原子本身性质和辐射场能量密度有关
B21 ：受激辐射跃迁爱因斯坦系数 只与原子本身性质有关
相干光源---激光
§1.2 受激辐射、受激吸收与自发辐射
光的受激辐射概念的产生
普朗克——1900年，辐射量子化假设； 爱因斯坦——1905年，光电效应；
波尔——1913年，Borr 提出量子化原子模型； 爱因斯坦——1917年，提出受激辐射概念。
波尔原子模型
1913 年，N. Bohr 提出了他的原子量子论中极为重要的两个 假定： ⑴ 原子能够，而且只能够稳定地存在与分立的能量
波尔原子模型
原子中的电子具有确定的分立轨道. “确定”:经典； ”分立”:量子。
定态的轨道如何确定？
h nm En Em
波尔原子模型
为了确定电子的轨道，即分立能量相应的定态，玻尔根据对
应原理，提出了量子化条件，即电子运动的角动量是量子化的
J n
n 1,2.......
(7)
其中 h / 2 1.0545 *10 34 J S 。
A21n2
自发辐射几率
自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）： A21
1
A21 S
原子在能级 E2 的平均寿命 只与原子本身性质有关，与辐射场无关
普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程 为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、 振动方向、相位不一定相同——为非相干光。
后来，索末菲将玻尔的量子化条件推广到多自由度体系的周
期运动中去，提出了推广的量子化条件：
pdq nh
(8)
q 是广义坐标，p 是广义动量。回路积分是沿运动轨道积分一
圈，n 是正整数，称为量子数。
波尔原子模型
跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。
吸收跃迁： 低 吸收能量 高 辐射跃迁： 高 辐射能量 低
v
A21 B21
(B21 f2
/
B12
1
f1) exp(h
/ kBT ) 1
与Planck公式比较
8 h 3
c3
1
h
e KT 1
A21 B21
8 h
c3
3
n h
B12 f1 B21 f2
f1 f2
B12 B21 W12 W21