激光发光粒子的能级与跃迁
激光产生的原理
二、激光产生的三要素 从图上可以看出，凡非腔轴方向的自发辐射，尽管它也可以诱 发激发态上的粒子产生光放大，但因介质体积有限，腔侧面又 是敞开的，终将逸出腔外。所以，产生激光的作用不大。唯独 沿腔轴方向的自发辐射才起作用。每当它碰到镜面时，便被反 射沿原路折回，又重新通过介质不断诱发激发态上的粒子产生 受激辐射光放大。由于受激辐射光在腔镜间往返运行，介质被 反复利用，腔轴方向受激辐射光就越来越强。其中一部分从部 分反射镜端射出，这就是激光；
量级，而高功率钕[nǚ]玻璃激光则比太阳亮16个数量级。 2、方向性好
激光的方向性很好，它能传播很远距离而扩散面积很小， 接近于理想的平行光 3、单色性好
激光为单色光，它的发光光谱宽度，比氪灯的光谱宽度窄 几个数量级。
20
二、激光的特点 正是由于激光的上述三个特殊优点，人们把它用于焊接之
中，聚焦后在焦点上的功率密度可高达106～1012W/cm2，比寻 常的焊接 热源高几个数量级，成为一种十分理想的焊接热源。
2
一、激光产生的基本理论
跃迁。发出或吸收的光的频率满足普朗克公式（hv=E2-E1，h为 普朗克常数6.626×10-34J·s，v为光的频率，E2和E1分别为高 能级和低能级的能量）。
2、自发辐射、受激吸收和受激辐射 由于物质有趋于最低能量的本能，处于高能级E2上的
原子总是要自发跃迁到低能级E1上去，如果跃迁中发出光子， 这个过程称为自发辐射。处于低能级E1上的原子，吸收外来 能量后跃迁到E2上，则称之为受激吸收。
21
Байду номын сангаас
思考与练习
1、激光产生的三要素是什么？ 2、受激辐射过程中外来光子的频率应满足什么关系式？ 3、受激辐射和自发辐射有本质的区别？ 4、激光器的激励源——光泵作用是什么？ 5、是不是任何物质都可以作为激光的工作物质？只有具备什么
大学物理激光课件讲义
受激辐射
发光前 发光后
。
受激辐射的光放 大示意图
表明 ，处于低能级的电子数大于高能级的电子数， 这种分布叫做粒子数的正常分布.
1 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布
二 激光原理
已知
叫做粒子数布居反转 , 简称粒子数反转或称布居反转.
1 自发辐射
原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级 自动跃迁到低能级 ，这种跃迁称为自发跃迁. 由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.
一 自发辐射 受激辐射
。
发光后
自发辐射
自发辐射
单击添加文本
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2 光吸收
原子吸收外来光子能量 , 并从低能级 跃迁到高能级 , 且 , 这个过程称为光吸收.
2 单色性好
激光的单色性比普通光高 倍.
能量集中
END
相干性好 普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光 , 激光的发光过程是受激辐射, 它发出的光是相干光.
吸收后
。
吸收前
.
受激吸收
3 受激辐射
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
原子中处于高能级 的电子, 会在外来光子 (其频率恰好满足 ) 的诱发下向低能级 跃迁, 并发出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射.
红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石
。
。
全反射镜
半透射镜
红宝石棒
。
脉冲灯
红宝石激光示意图
。
01
02
03
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
04
激光器发展的主要方面
扩展了激光的波长范围.
激光的功率大大提高.
激光器能实现小型化.
激光的发光原理
激光的发光原理激光（Laser）是一种通过激光介质产生激光辐射的装置。
激光的发光原理可以从两个方面来解释，即从能级理论和谐振腔的角度。
从能级理论的角度来看，激光的发射是通过物质的原子或分子能级跃迁来实现的。
在一个激光介质中，如固体、液体或气体等，能级分布不同，在外加一定能量的入射光作用下，激发了物质中的激发态（高能量态），处于激发态的分子或原子几乎不稳定，会通过非辐射跃迁或自发辐射跃迁返回到低能量态，释放出光子能量。
如果在这个能级转变的过程中，激发态和基态的能级差距非常大（例如，能级差距为电子伏），则会释放出高频率（短波长）的光子，此即称为激光。
而从谐振腔的角度来看，激光的发射则是依靠谐振腔的作用。
谐振腔是由两面高反射镜组成的光学装置，其中一个镜子是部分透射的（半反射镜）。
当激光介质处于谐振腔中时，光子在谐振腔内进行多次反射，从而形成了驻波模式。
其中，半反射镜透射一部分光子，形成了输出光。
在激光介质的内部，光子的反射、吸收和自发辐射三个过程同时进行，而自发辐射是不可避免的。
但是，由于谐振腔的反射作用，自发辐射所产生的光子在谐振腔中多次反射，从而增强了自发辐射的概率。
同时，激光介质的性质要求能量放大，即非辐射跃迁所消耗的能量应小于通过自发辐射释放的能量。
这样，在介质中激发态的粒子逐渐增多，达到饱和，而且这些粒子都处于同一电磁模式中，它们的相位关系保持一致。
当外界向谐振腔注入一定的能量刺激时，光子会通过受激辐射跃迁的过程，顺着谐振腔对激光介质产生进一步的刺激，使得激光进一步放大。
最终，当周期性的光子都在谐振腔中多次反射后增强到一定程度时，就会形成激光输出。
总结起来，激光的发光原理是通过能级的跃迁和谐振腔的作用相结合来实现的。
能级的跃迁使得激发态的粒子逐渐增多，并保持了相位一致性，而谐振腔的作用则使得光子在内部的多次反射增强了自发辐射的概率，并通过受激辐射跃迁进一步将能量注入激光介质，最终形成激光输出。
发光产生的条件
发光产生的条件发光是指物体在特定条件下释放出光线的现象。
在自然界和人造环境中，发光现象广泛存在。
那么，什么是发光产生的条件呢？一、激发能量发光的首要条件是激发能量。
物体要发光，首先需要吸收足够的能量，通过激发能量的方式来实现。
这种能量可以是热能、电能、化学能等。
例如，当电流通过灯丝时，灯丝受到电能的激发，进而发出光线。
而当木柴燃烧时，化学能被激发，产生火焰的光亮。
二、能级跃迁发光的第二个条件是能级跃迁。
物体在吸收能量后，其内部的电子会跃迁到一个较高的能级。
当电子从高能级跃迁到低能级时，会释放出能量，这部分能量就以光的形式发出。
这就是光子的产生过程。
三、激发态的稳定发光的第三个条件是激发态的稳定。
在能级跃迁过程中，只有激发态足够稳定，电子才能停留较长时间，从而释放出较多的能量。
如果激发态不稳定，电子会很快返回基态，能量释放得很少，无法形成明显的发光。
四、适当的温度发光的第四个条件是适当的温度。
物体的温度越高，其内部的粒子运动越剧烈，能级跃迁的几率就越大。
因此，高温条件有利于发光的产生。
例如，太阳的高温使得它发出强烈的光，成为地球上的主要光源。
五、特定的物质发光的第五个条件是特定的物质。
不同的物质对能量的吸收和释放有不同的特点。
有些物质对特定波长的能量很敏感，能够有效吸收和释放光。
例如，荧光粉可以在紫外光的激发下发出明亮的荧光。
而LED的发光则是由半导体材料的特殊性质决定的。
六、适当的环境发光的第六个条件是适当的环境。
有些物质在特定的环境条件下才能发光。
例如，荧光材料只有在暗处才能发出荧光，而在明亮的环境下则看不到光线。
类似地，夜光材料只有在暗处光照不足的情况下才会发光。
七、合适的波长发光的第七个条件是合适的波长。
不同的物质对不同波长的光有不同的响应。
只有当物体所处环境中有对应波长的光照射时，才能激发物体发光。
例如，磷光材料只有在紫外光照射下才会发出磷光。
八、适当的能量发光的第八个条件是适当的能量。
光(激光)基本特性
e KT 1
B12 and B21 为受激吸收和受激辐射跃迁系数，常数
B12和B21的大小只与物质本身性质有关，与外界辐射 场无关 受激辐射几率与辐射场的强度 成正比
能级21 and 12 的受激跃迁几率相等 即 受激跃迁与自发跃迁是本质不同的物理过程
W12 W21
A12 0
A21 1
s
E2能级平均寿命
推导 A21 and s 的关系式
n2 dn21 dt s dt dn2
dn21 A21n2 dt dt sp dn2
1 dn21 A21 dt sp n2
E2 E1
波动： E ( r , t ) E 0 exp( i 2 t i k r )
自由空间中，k 任意的波都存在。
但在有边界条件限制时，如空间体积V内，
只能存在具有特定波矢的平面波，对应每一个波矢 k
还有两个不同的偏振态（也称偏振模式）。
空腔V内的模式数：
V x y z
2. 麦克斯韦建立了光的电磁理论
19世纪初,电的发明和应用,将人类带进了电器时代。 1863年英国物理学家麦克斯韦，以库仑、安培、法拉第在 电学上的发现为基础作了进一步发展，创立了电磁波理论。 其要点是：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场， 二者交替产生由近及远的传播，既电磁波。并建立了著名 的麦克斯韦方程。1887年赫兹用实验的方法产生了电磁波， 证实了麦克斯韦的电磁波理论。1901年俄国物理学家列别 捷夫用实验测定了光压，结果与电磁理论十分相互，从而 进一步巩固了光的电磁理论，麦克斯韦电磁波的传播速度 上有限的 ，其速度在真空中为每秒30万公里，与光速一 样，从而确认了光波也是电磁波。 应用光的电磁波理论,基本上能比较完满地解释光的 发射、折射、干涉、衍射、偏振、双折射等与光的传播性 有关的一系列重要现象。
13.1,13.2激光的原理,特点,应用
一、方向性好
发散角是衡量光束方向性好坏的标志，方向性表明光能量 在空间分布上的集中性。普通光源发出的自然光向四面八方射 出，而激光由于受激辐射的光子行进方向相同以及谐振腔对腔 内离轴光子的淘汰作用，使得只有沿轴方向的光波才能输出， 因而有很好的方向性。激光束的发散角一般在10-4～10-2 rad， 与普通光束比相差10～104倍。这一特性被用作精密长度的测量， 准直、目标照明、通讯和雷达等方面。
二、亮度高、强度大 亮度高、
亮度是衡量光源发光强弱程度的标志，表明光源 亮度 发射的光能量对时间与空间方向的分布特性。激光 器由于其输出端发光面积小、光束发散角小、输出 功率大，而使其亮度高，尤其是超短脉冲激光的亮 度可比普通光源高出1012～1019倍。因此激光器是目 前世界上最亮的光源。 对同一光束，强度 强度与亮度成正比。激光极高的亮度加之 强度 方向性好而能被聚焦成很小的光斑，故激光的强度比普 通光大得惊人。目前激光的强度可达1017w.cm-2，而氧炔 焰的强度不过为103w.cm-2。故可用于制造激光武器以及 工业上的打空、切割、焊接等。临床治疗中的手术刀及 体内碎石。还有望用于实现受控热核聚变。
激光通信和激光冷却正在开发和利用中。
第三节 激光的医学应用
医学是激光的首批应用领域。1961年世界上第一台医 用激光器---红宝石视网膜凝固机在美国问世，至80 年代末已建立较为系统、完整的理论体系。于是， 一门新的交叉学科——激光医学便逐渐形成了。目 前它包括激光医学基础、临床检测诊断与治疗、医 学生物学用激光器械与技术、激光的安全与防护等 四部分内容。
3. 光化作用 生物大分子吸收激光光子的能量受激活
而引起生物组织内一系列的化学反应称之为光化反应。
4. 电磁场作用 激光是电磁波，激光对生物组织的
能级跃迁课件
• 能级跃迁理论概述 • 能级跃迁的分类 • 能级跃迁的实例 • 能级跃迁的影响因素 • 能级跃迁的实现路径 • 能级跃迁的未来展望
目录
Part
01
能级跃迁理论概述
能级跃迁的定义
能级跃迁
原子中的电子在不同的能级上运动，当电子从高能级向低能级跃迁时，会释放出一定频 率的光子。反之，当电子从低能级向高能级跃迁时，需要吸收一定频率的光子。
压力
压力变化会影响气体分子 的密度和碰撞频率，从而 影响能级跃迁的概率。
电磁场
电磁场可以与分子产生相 互作用，影响分子的能级 分布，从而影响能级跃迁 。
内部因素
分子结构
分子内部的结构决定了分 子的振动和转动能级，从 而影响能级跃迁。
量子力学效应
在微观尺度上，量子力学 效应对能级跃迁有重要影 响。
多能级体系
Part
05
能级跃迁的实现路径
提升自我认知
STEP 01
自我认知
STEP 02
职业定位
了解自己的优势、劣势、 价值观、兴趣和目标，以 便更好地规划职业发展。
STEP 03
行业洞察
了解所在行业的发展趋势 和未来方向，以便更好地 把握机会和应对挑战。
明确自己的职业定位，了 解自己在职场中的价值和 位置。
02
智能化水平提升
未来能级跃迁将进一步提高智能化水平，利用人工智能、大数据等技术
手段实现能源系统的智能化管理和调控，提高能源利用效率和安全性。
03
可持续发展
未来能级跃迁将更加注重可持续发展，推动能源行业与生态环境、社会
经济的协调发展，为实现全球可持续发展目标作出贡献。
增强自我能力
专业技能
激光 原理
激光原理激光原理激光是一种具有高度单色性、高亮度和直线传播特性的电磁波。
它的产生是通过激发原子或分子中的电子，使其跃迁到高能级，然后从高能级回到低能级时放出光子。
这些光子具有相同的频率、相同的相位和相同的方向，形成了一束高度集中、方向性强的光束。
1. 激发原理激发原理是指将物质中的电子从低能级激发到高能级，使其处于激发态。
当电子从高能级回到低能级时，会放出一个光子。
这个过程称为自发辐射。
2. 反转粒子数密度反转粒子数密度是指在一个物质中，处于激发态的粒子数比处于基态的粒子数多。
只有在反转粒子数密度大于临界值时才能产生激光。
3. 共振腔共振腔是指由两个反射镜组成的空间，在其中放置了具有反转粒子数密度大于临界值的物质。
当一个光学泵浦器向物质注入能量时，会激发物质中的电子，使其处于激发态。
当这些电子从高能级回到低能级时，会放出光子，这些光子被反射镜反射回共振腔内部。
4. 激光输出当光子在共振腔内来回多次反射时，它们会与处于激发态的粒子相互作用，促使更多的粒子从高能级回到低能级。
这个过程称为受激辐射。
随着时间的推移，越来越多的粒子从高能级回到低能级，放出越来越多的光子。
最终，在一个反射镜上形成了一束高度集中、方向性强的光束。
5. 激光特性激光具有单色性、方向性和相干性等特性。
单色性是指激光只有一种频率；方向性是指激光具有非常好的直线传播特性；相干性是指激光具有非常好的波前相干性和时间相干性。
6. 应用领域激光广泛应用于科学研究、医疗、通信、制造业等领域。
例如，激光可以用于制造高精度的零件、切割材料、焊接金属等。
同时，激光还可以用于医疗领域，例如激光手术、激光治疗癌症等。
此外，激光还被广泛应用于通信领域，例如激光通信和光纤通信等。
总结通过对激发原理、反转粒子数密度、共振腔和激光输出等方面的介绍，可以了解到激光的产生和特性。
同时，我们也能够了解到激光在科学研究、医疗、通信和制造业等领域中的广泛应用。
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激光发光粒子的能级与跃迁
刘韬
北京工业大学 应用数理学院 000611班
指导教师：俞宽新
摘要弹 研究了与激光发光粒子的能级系统，包括三能级系统和四能级系统。
指出四能级容易实现反转粒子数，因此效率高。
同时研究了与激光发光相关的三种跃迁，即自发辐射、受激辐射、受激吸收。
关键词 三能级，四能级，自发辐射、受激辐射、受激吸收
一、引言
激光是怎样产生的？在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处于低能级。
而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也可能被低能级的原子吸收而造成受激吸收。
因此，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。
在受激辐射跃迁的过程中，一个诱发光子可以使处在上能级上的发光粒子产生一个与该光子状态完全相同的光子，这个光子又可以诱发其他光粒子，产生更多状态相同光子。
这样，在一个入射光子的作用下，可以引发大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态相同的光子。
这种现象被称为受激辐射光放大。
（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ）.由于受激辐射产生的光子都属于同一个光子态，因此它们是相干的，通常受激辐射与受激吸收两种跃迁是同时存在的,前者使光子数增加,后者使光子数减少。
当一束光通过发光物质后，究竟是光强增大还是减弱，要看这两种跃迁过程哪个占优势。
在正常条件下，即常温条件以及对发光物质无激发的情况下，发光粒子处于下能级的粒子数密度大于处于上能级的粒子数密度
如果采取诸如用光照，放电等方法从外界不断地向发光物质输入能量，把处在下能级的发光粒子激发到上能级上去，便可使上能级的粒子数密度超过下能级的粒子数密度，我们称这种状态为粒子数反转。
2E 1E 产生激光的必要条件是实现粒子数反转，而为了实现粒子数反转就必须要有适合的能级系统的激活粒子。
二、能级系统
1、三能级系统
图1为三能级系统示意图。
作为激光下能级，泵浦元将激活粒子从能级抽运到能级，能级的寿命很短，激活粒子很快地经非辐射跃迁方式到达能级。
所谓非辐射跃迁,是指不发射光子的跃迁,它是通过释放其它形式的能量如热能而完成的。
能级的寿命比起能级要长的多，称为亚稳态，并作为激光上能级。
只要抽运速率达到一定程
1E 3E 3E 2E 2E 3E E E E E E E s)
度，就可以实现与两个能级之间的粒子数反转，为受激辐射创造了条件
2E 1E 三能级系统的特点：激光下能态为基态，而作为激光上能态的中间能态在开始抽运时基本上无粒子，故至少要将基态粒子总数之半抽运到激光上能态才可以造成粒子数反转，这就需要强激励。
因此，三能级系统实现激射较费力，它的效率较低。
2E 2、四能级系统
图2中的是基态，泵浦源 1E
34将激活粒子从基态抽运到能级，
4E 4E 能级的寿命很短，立即通过非 辐射跃迁的方式到达能级。
3E 3E 能级的寿命较长，是亚稳态，作激 光上能级用。
能级的寿命很短， 2E 热平衡时基本上是空的，作激光下 能级用。
能级上的粒子主要也是
2E 通过非辐射跃迁回到基态。
这种能级系统也很容易实现粒子数反转。
四能级系统的特点：激光下能态不是基态而是一个受激态，如果它离基态充分远，则在初始时刻基本上没有粒子，故只要从基态抽运较少的粒子到激光上能级就可造成较大的反转粒子数，产生较强的激射作用。
故四能级系统效率较高，容易使它连续运转。
三、跃迁
1、自发辐射
处于高能级的原子自发地向低能级
跃迁，并发出一个频率等于2E 1E 21()E E h /υ=−的光子的过程称为自发辐
射跃迁。
原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无
规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。
这样的光相干性差，方向散乱。
由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。
图3 自发辐射
2、受激辐射
而受激辐射则相反。
处于高能级上的原子在频率为2E 21()E E h /υ=−的辐射场激励作用下，或在频率为21()E E h /υ=−的光子诱发下，向低能级跃迁并辐射出一个与激励辐射场光子或诱发光子状态（包括频率运动方向，偏振方向，相位等），完全相同的光子的过程称为受激辐射跃迁。
它是指处于高能级的原子在光子的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。
这好比清晨公鸡打鸣，一个公鸡叫起来，其他的公鸡受到“刺激”也会发出同样的声音。
受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的
1E 图4 受激辐射
光子具有完全相同的状态。
它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。
这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。
这意味着光被加强了，或者说光被放大了。
这正是产
生激光的基本过程。
3、受激吸收
处于低能级上的一个原子在频率等于
1E 21()E E h /υ=−的辐射场作用下，吸收一个光子
后向
高能级跃迁的过程称为受激吸收跃迁。
2E
图5 受激吸收
参考文献
（1）激光原理与技术，俞宽新，北京工业大学出版社，1998年3月 （2）激光原理，周炳琨，国防工业出版社，2004年8月 （3）激光原理，陈钰清，浙江大学出版社，1992年5月
（4）激光原理基础，王喜山，山东科学技术出版社 1979年12月 （5）激光技术，蓝信钜，科学出版社，2000年8月。