自发辐射与受激辐射
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。
第21讲 光的吸收、受激辐射与自发辐射
（0.1
~
1nm）内，| k
r|
1，可将k
r略去。所以
E Hˆ
E0ecrosEt,它D对 电 E0子co的s作t，用D量
为 er
电偶极矩
5返
二、将电H) 子 跃Dv迁 Er的0 c微os扰t 论 W描ˆ c述os(1)t，W)
vr D E0
看作对原子系统的微扰，它将导致电子发生能级
跃迁。此时系统的哈密顿为
1、半经典理论
E2
如果对光的吸收、受激辐射 和自发辐射的理论处理采用这样 E1
电磁波
的办法：将光波看作电磁波（而
不是看作光子群）, 用电动力学（而不是量子力 学）来描述，对原子系统采用量子力学来描述，
这样的理论习惯上被称为半经典理论。
半经典 光波用电动力学来描述; 半量子 原子用量子力学来描述。
d cos2
1
2
d
s in
cos2 d
1
4
4 0 0
3
wk k
62
| Dkk
|2
E02 (kk
)
(6)
14
三、吸收的跃迁速率(6) t 时，跃迁速率为
Ek
E E0 cost
wk k
62
| Dkk
|2
Ek
E02 (kk )
(6)
此式就是当入射光为平面单色光，即
E E0 cost时，原子吸收光波能量从低能级
Ek
h
Ek 光的自发辐射
24
六、自发辐射系数(2)
nk nk , 或nk nk
吸收和受激辐射的跃迁速率为
wkk Bkk (kk )和wkk Bkk (kk )
自发辐射与受激辐射
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。
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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。
自发辐射发光 受激辐射发光
自发辐射发光受激辐射发光自发辐射发光和受激辐射发光是物理学中的两个重要概念，它们在光学领域具有广泛的应用。
本文将从基本原理、特点和应用等方面进行阐述。
一、自发辐射发光自发辐射发光是指物质在受到外界激发或能量输入的情况下，在无外界干扰和外力作用下自发地发出光线的现象。
这是一种自然的光发射过程，常见的例子有夜光材料、荧光材料和磷光材料等。
自发辐射发光的过程中，物质吸收外界能量后，电子受激跃迁到高能级，随后从高能级跃迁到低能级时，会释放出光子，从而发出可见光。
自发辐射发光的特点是光的发射是随机的，其发光强度与外界激发能量无关。
此外，自发辐射发光的发射频率与物质本身的结构和能级分布有关。
二、受激辐射发光受激辐射发光是指物质在受到外界刺激或能量输入后，通过吸收外界光子的能量并传递给原本处于低能级的电子，使其跃迁到高能级，然后再从高能级跃迁到低能级时发出与外界光子同样频率和相位的光子。
这种发光现象是受激发射的结果，其过程可以用爱因斯坦的受激辐射理论来解释。
受激辐射发光的特点是光的发射是有序的，其发射光子与外界激发光子具有相同的频率和相位。
与自发辐射发光相比，受激辐射发光需要外界的激发光子来提供能量，因此其发光强度与外界激发能量密切相关。
三、自发辐射发光和受激辐射发光的应用1. 光谱分析：自发辐射发光和受激辐射发光在光谱分析中有广泛的应用。
通过对物质发射光的光谱分析，可以确定物质的成分和结构。
2. 激光技术：激光是受激辐射发光的一种应用。
激光具有高聚束性、单色性和相干性等特点，因此在医学、通信、材料加工等领域有着重要的应用。
3. 荧光材料：荧光材料是一种能够吸收外界能量并发出荧光的材料。
荧光材料广泛应用于荧光显示器、荧光灯和荧光标记等领域。
4. 夜光材料：夜光材料是一种能够吸收外界光能并在黑暗环境中发出磷光的材料。
夜光材料被广泛应用于夜光表、夜光贴纸和夜光钟表等产品中。
总结：自发辐射发光和受激辐射发光是光学领域中重要的概念。
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
1.4光的受激吸收以及爱因斯坦三系数关系3受激吸收受激吸收
A21、B21、B12三个系数的关系
绝对黑体空腔内的原子系统中，单色辐射能量密度同时 满足普朗克公式
8h 3 1 A21 1 h h 3 kT c B B g 21 e 1 12 1 e kT 1 B21 g 2
欲使式中两个等号同时满足必须保证分式前的系数和指数 前的系数都相等，因而得到三个爱因斯坦系数的内在联系:
（1）普通光源自发辐射光功率与受激辐射 光功率之比 温度T=3000K的热辐射光源，发射的波长为 500nm时受激辐射光功率体密度与自发辐射光 功率体密度之比为 讨 论
q激 (t ) q自 (t )
1 eh
kT
1 1 20000
普通光源主要是自发辐射
四、自发辐射光功率与受激辐射光功率
（2）激光光源自发辐射光功率与受激辐射 光功率之比 激光光源打破了热平衡且单色能量密度比普通光 源大1010倍，对于上例,受激辐射光功率体密度与自 发辐射光功率体密度之比为
3. 受激吸收
（1）受激吸收跃迁速率与受激吸收系数
从E1经受激吸收跃迁到E2具有一定的跃迁速率则有
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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。
3、受激辐射过程：
h E2 E1
h
h h
E2
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。
1.2 激光的产生 1、粒子数反转
nk e
E2
Ek kT
N1 N 2
粒子数反转 E1
产生激光的必要条件：实现粒子数反转。
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
E3 (10-8s)
E2
(10-3s)
E3
E2
h
E1
E1
E1
氦氖激光器（四能级系统）
E4
(10-8s) (10-3s)
E4
E3
E2 E1
E3
E2 E1
h
1.3 光学谐振腔
工作物质
全反射镜 谐振腔长度： 部分反射镜
Ln
2
(n 1,2,3, )
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。
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。
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，大大提高稳定的光强分布，
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