自发辐射受激辐射和受激吸收一自发辐射spontaneousradiation
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：。
受激辐射 受激吸收与自发辐射
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
自发辐射与受激辐射
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。
激光技术复习题
“激光技术及应用”思考题什么是自发辐射、受激辐射、受激吸收？自发辐射：高能级的原子自发地从高能级E 2向低能级E 1跃迁，同时放出能量为的光子受激辐射：当受到外来的能量 的光照射时，高能级E 2上的原子受到外来光的激励作用向低能级E 1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。
受激吸收：处于低能级E 1的原子受到外来光子（能量 ）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E 2的过程自发辐射发光和受激辐射发光各有什么特点？自发辐射的特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。
➢ 受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同， 即：频率、位相、偏振和传播方向完全一样，因此受激辐射与外来辐射是相干的，换句话说外来辐射被 “放大” 了产生激光的三个必备条件是什么？为什么需要这些条件？激光工作物质：能够实现粒子数反转，产生受激光放大激励能源：能将低能级的粒子不断抽运到高能级，补充受激辐射减少的高能级上粒子数光学谐振腔：提高光能密度，保证受激辐射大于受激吸收；光学谐振腔的基本作用是什么？光学谐振腔的作用：1）延长增益介质作用长度；2）控制激光输出特性：如光束方向性、输出模式数、输出功率等光学谐振腔的三个作用：倍增工作介质作用长度，提高单色光能密度;控制激光振荡模式数目，以获得单色性好、方向性好的相干光；控制激光束的横向分布特性、光斑大小、发散角、输出功率。
12E E h -==νε12E E h -==νε12E E h -==νε光学谐振腔有几种分类？如何判断谐振腔的稳定性？对称共焦腔、共心腔是对称凹面镜腔类型的谐振腔？平行平面腔----是一种临界稳定腔平凹腔：是由一块平面镜和一块曲率半径为R 的凹面镜组成的光学谐振腔，➢ 对称凹面镜腔：两块曲率半径相同的凹面镜组成的谐振腔➢ 距离大于两倍焦距的不稳定平凹腔➢ 对称凸面镜腔---都是不稳定的➢即稳定腔条件为：激光器的损耗分哪几类？这些损耗是怎么产生的？激光器的损耗的分类：增益介质内部损耗和镜面损耗增益介质内部损耗：由于成分不均匀、粒子数密度不均匀或有缺陷（如固体激光器）而使光产生折射、散射，使部分光波偏离原来的传播方向，以及其它对光能的吸收，造成光能量损耗。
光学课程教学电子教案8.1自发辐射与受激辐射
8 激光基础
8.1 自发辐射与受激辐射
8.1.5 能级寿命
能级寿命t ：粒子能够在某个能级上停留的平均时间。
由于自发辐射，能级E2上的粒子数N2将随时间减少，在dt内的改变量：
(8.1-18)
(8.1-19)
意 义 ： E2 上 粒 子 数 N2 的 减 少 量 与 自 发 辐 射 几 率 系 数 A21 的 大 小 有 关 ， 经 过
处于低能级上的原子，受到频率为n 的入射光照射时，有可能吸收一个
光子的能量而跃迁到相应的高能级上，称为光的受激吸收，且有
(8.1-6)
E2 hn
E1
图8.1-2 原子的受激吸收
8 激光基础 8.1 自发辐射与受激辐射
8.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收
(3) 受激辐射
处 于 E2 能 级 上 的 原 子 ， 在 受 到 频 率 n 正好满足hn=E2-E1的入射光子的作用时，
(8.1-13)
8 激光基础 8.1 自发辐射与受激辐射
由普朗克量子辐射公式可以证明：
比较两式可得爱因斯坦公式：
8.1.3 爱因斯坦公式
(8.1-14) (8.1-15) (8.1-16)
说明：爱因斯坦公式为激光的发明奠定了理论基础
8 激光基础
8.1 自发辐射与受激辐射
8.1.4 粒子数布居反转与光放大
(8.1-2)
T：热平衡温度； Nn：能级En上的粒子数布居； k：玻耳兹曼常数。
两个能级E1与E2上的粒子数布居之比：
(8.1-3)
当E2>E1时，N2<N1。表明在热平衡状态下高能级上的粒子数布居总是 小于低能级，且两者的比例取决于体系的温度。
一般地，在热平衡状态下，几乎所有的原子都处于最低能态——基态。
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。
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二、光泵（激励源）（optical pumping）
在受激辐射放大过程中，显然将减少处于高 能态的原子数，直至新的平衡态又重新建立， 从而破坏了粒子数反转状态，为了保持原子系 统的粒子数反转状态，需不断地将原子从低能 态抽运至高能态，需将能量注入原子系统，以 维持激光运转所必需之能量。
——光泵（optical pumping）
光泵可以是电学的，化学的，热学的，光学的方法
三.光学谐振腔(optical harmonic oscillator)
激光器有两个反射镜， 它们构成一个光学谐振腔。
全反射镜
激励能源
激光
部分反射镜
小结：产生激光的必要条件
ｌ. 激励能源（使原子激发） ２. 粒子数反转（有合适的亚稳态能
级） ３.光学谐振腔（方向性，光放大，
二．受激辐射 (stimulated radiation)
E2 N2
h
E1 N1
全同光子
受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、 相位及传播方向均相同 ------有光的放大作用。
三 . 受激吸收(absorption) E2 N2
h
E1 N1 上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。
爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验汤斯
20世纪50年代，美国科学家汤斯等人，以及原苏联的科 学家普罗克霍洛夫等人独立发明了一种极低噪音微波放大器
——辐射受激发射微波放大器（maser）
1958年美国汤斯和肖洛提出，在一定条件下，可将上述 微波激射器的原理，推广至光波段。
——受激发射光波放大器（laser）
单色性）
§3 激光的主要特性 ★方向性极好的强光束
--------准直、测距、切削、武器等。 ★相干性极好的光束
--------精密测厚、测角，全息摄影等。
在1960年7月，梅曼宣布第一台红宝石激光器（ruby laser) 诞生了。
这是光学史上的重大里程碑，也是科学史上的重要里程碑
§2 自发辐射 受激辐射和受激吸收
一. 自发辐射(spontaneous radiation) E2 N2
h
E1 N1 各原子自发辐射的光是独立的、无关的 非相干光 。
§3 激光产生的必要条件
一.粒子数反转(population inversion)
由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布：
En
Nn e kT
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
N2
E2 E1
e kT
1
N1
但要产生激光必须使原子激发;且 N2 > N1, 称粒子数反转(population inversion)
普通光源-----自发辐射 激光光源-----受激辐射
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)
激光的发明
爱因斯坦的预见
受激辐射是一种在外界作用下发生的辐射， 在这个过程中，辐射场光子是对谐振子及分子 做功，使其做受迫振动，从而改变了分子的能 量。由于辐射场与分子之间的位相不同，这种 能量可正可负，如果辐射场光子对谐振子作正 功，分子将从低能级跃迁到高能态，分子吸收 能量；相反，若是对谐振子做负功，分子将从 高能态跃迁到低能态，分子释放出一定能量的 光子。这就是受激辐射过程。