受激吸收和受激辐射
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
光纤通信-重要知识点总结
光纤通信重要知识点总结第一章1.任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。
通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。
2.光纤：由绝缘的石英（2）材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。
3.光纤通信系统的基本组成:以光纤为传输媒介、光波为载波的通信系统，主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
光纤通信系统既可传输数字信号也可传输模拟信号。
输入到光发射机的带有信息的电信号，通过调制转换为光信号。
光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。
系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。
光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制，可以省去调制器。
光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。
它一般由光电检测器和解调器组成。
光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介，将光信号由一处送到另一处。
中继器分为电中继器和光中继器（光放大器）两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。
为提高传输质量，通常把模拟基带信号转换为频率调制、脉冲频率调制或脉冲宽度调制信号，最后把这种已调信号输入光发射机。
还可以采用频分复用技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号（或数字基带信号）分别调制指定的不同频率的射频电波，然后把多个这种带有信息的信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。
在这个过程中，受调制的电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，称为副载波复用技术。
目前大都采用强度调制与直接检波方式。
又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。
数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。
发送端的电端机把信息进行模数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件，则就会发出携带信息的光波，即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”。
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
自发辐射受激辐射与受激吸收
玻尔
跃迁： 当原子从某一能级吸收了能量或释放了能量，变成另
一能级时，我们就称它产生了跃迁。 吸收跃迁：凡是吸收能量后从低能级到高能级的跃迁； 辐射跃迁：释放能量后从高能级到低能级的跃迁。 特点：跃迁时所吸收或释放的能量必须等于发生跃迁的两 个能级之间的能级差。
如果吸收或辐射的能量都是光能的话，此关系式表示为：
用自发跃迁几率A21来描述： 定义：发光材料在单位时间内，从高能级上产生自发辐射
的发光粒子数密度与高能级粒子数密度的比值。公式为：
A21
dn21 dt
sp
1 n2
（1-3-7）
dn21——dt时间内自发辐射粒子数密度；
n2——E2能级总粒子数密度。
下标sp表示自发辐射跃迁。
自发辐射跃迁的过程是一种只与原子本身的性质有关，
E2 E1 hv （1-3-6） E2与E1分别是两个能级的能量。hν是吸收或释放的光 子的能量。
爱因斯坦从辐射与原子相互作用的量子论出发提出， 跃迁的形式包括：
➢自发辐射跃迁 ➢受激辐射跃迁 ➢受激吸收跃迁
在激光器的发光过程中，始终伴随着这三个跃迁过程。
（一）自发辐射 定义：处于高能级E2的原子自发祥低能级E1跃迁，并发射 一个频率等于ν=（E2-E1）/h的光子的过程称为自发辐射 跃迁。
用的时间。
2
1 A21
（1-3-10）
E2能级的平均寿命τ2
2
1 A21
（1-3-10）
A21有可称为自发辐射跃迁爱因斯坦系数。
（二）受激辐射 定义：处于高能级E2上的原子在频率为ν=（E2-E1）/h的 辐射场激励作用下，或在频率为ν=（E2-E1）/h的光子诱 发下，向低能级E1跃迁并辐射一个与激励辐射场或诱发光 子的状态（包括频率、运动方向、偏振方向、位相等）完 全相同的光子的过程。
受激吸收和受激辐射的关系
受激吸收和受激辐射的关系
嘿，你问受激吸收和受激辐射的关系啊？这可有点复杂呢。
受激吸收和受激辐射就像一对欢喜冤家。
先说受激吸收吧，就好比一个贪吃鬼。
它是指原子在外界光的作用下，吸收了光子的能量，从低能级跳到高能级。
就像你饿了的时候，看到好吃的就赶紧吃下去，让自己变得更有能量。
而受激辐射呢，就像一个大方的分享者。
当原子处于高能级的时候，如果有一个合适的光子过来刺激它，它就会放出一个和刺激光子一模一样的光子，然后自己回到低能级。
这就像你有很多好吃的，看到别人没有，就分给他一份，自己也感觉很开心。
这两者之间有啥关系呢？一方面，受激吸收会消耗光子，让光的强度减弱。
而受激辐射会产生光子，让光的强度增强。
就像两个人在拔河，一个人在拉绳子，一个人在推绳子。
另一方面呢，在一定的条件下，受激辐射可以超过受激吸收，实现光的放大。
这就像在一场比赛中，一方的力量越来越大，最后取得了胜利。
我记得有一次，我去参观一个激光实验室。
那里的科学家给我讲解了受激吸收和受激辐射的关系。
他们说激光就是利用受激辐射的原理产生的。
通过特殊的装置，让受激辐射远远大于受激吸收，就能产生很强的激光。
从那以后，我就对受激吸收和受激辐射的关系有了更深刻的理解。
反正啊，受激吸收和受激辐射既相互对立又相互联系。
它们共同决定了光在物质中的行为。
你要是对光学或者激光感兴趣，就可以好好研究一下这两者的关系哦。
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 -。
(激光原理与应用)1.3光的受激辐射
上式可改写为：
A21
dn2 n2dt
A21的物理意义为：单位时间内，发生自发辐射的粒子数密
度占处于E2能级总粒子数密度的百分比。即每一个处于E2
能级的粒子在单位时间内发生的自发跃迁几率。
上方程的解为： n2(t)n20eA2t1 , 式中n20为t=0时处
于能级E2的原子数密度
自发辐射的平均寿命：原子数密度由 起始值降至它的1/e的时间
式中k为波尔兹曼常数。➢总辐射能量密度 : 0 νdν
光与物质的相互作用有三种不同的基本 过程：自发辐射、受激辐射、受激跃迁
1. 自发辐射
➢自发辐射: 高能级的原子自发地从高能级E2向
低能级E1跃迁，同时放出能量为 hE2E1
的光子。
➢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。
对于大量原子统计平均来说，从E2经自发辐射跃迁到E1具 有一定的跃迁速率
d2nA2n 12dt
式中“－”表示E2能级的粒子数密度减少；n2 为某时刻高能级E2上的原子数密度（即单位体 积中的原子数）； dn2表示在dt时间间隔内由E2自发跃迁到E1的原 子数。 A21称为爱因斯坦自发辐射系数，简称自发辐射 系数。
在此假设外来光的光场单色能量密度为 ，且低能级E1
的粒子数密度为n1，则有：
d2nB12n1dt
式中B12称为爱因斯坦受激吸收系数
（3）令 W12B12，
则有： W12B12nd1dn2t
则W12(即受激吸收几率)的物理意义为：单位时间内，在 外来单色能量密度 的光照下，由E1能级跃迁到E2能级 的粒子数密度占E1能级上总粒子数密度的百分比。
1.3 光的受激辐射
辐射能量密度公式
➢单色辐射能量密度 ν ：辐射场中单位体积内，频率在 ν
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激光的特性
• 单色性：用频谱分布的宽度，即谱线宽度来表示，频 带越窄，光源单色性越好。 • 相干性：不同时刻空间不同点上两个光波场的相关程 度。激光的高度空间相干性使得激光束在空间发散角 极小。 • 方向性：空间发散角小。不同类型的激光器方向性的 差别很大，它与工作物质良好的均匀性，光腔类型， 腔长、激励方式等有关。 方向性由好到差依次为： 气体激光器，固体激光器，半导体激光器 • 高强度：高的输出功率。
原子的能量由周围轨道上运动的电子 的动能和势能之和表示。特定原子的能量 只能取特定的某些分离值，称为能级。 • 基态：能量最低的能级状态。 • 激发态：能量高于基带的其他能级状态。 • 简并度：同一能级所对应的不同电子运动 状态的数目。
发光机理
原子的分布
• 热平衡状态下，绝大多数原子都处于较低的能 级，只有少量原子处于高能级。 • 服从波尔兹曼分布：
几种主要的光源
光源分为两大类： • 相干光源：基于原子受激辐射发光，例如： 激光器 • 非相干光源：基于原子自发辐射发光，例 如：白炽灯，半导体发光二极管
白炽灯------非相干光源
• 热光源的一种，它是靠电能加热金属丝，使得它在真空或者惰 性气体中达到白炽状态而发光。 • 光谱范围：400~3000nm，光谱最大值的位置取决于炽热体温 度。 • 灯丝：钨 • 优点：熔点高，电阻大，蒸发率小，强度大，加工容易。 • 缺陷：提高灯丝的温度，可以提高发光效率，但是钨在高温下， 挥发快，灯丝变细，玻璃壳发黑，影响亮度，影响寿命。 • 改进：卤钨灯 • 优点：灯丝蒸发出来的钨分子，在管壁附近与卤族元素化合产 生挥发性的卤化钨分子，卤化钨分子扩散到高温的灯丝附近， 再次分解为卤族元素和钨分子，实现了钨分子的再生循环。光 通量稳定、寿命长。 • 缺点：价格昂贵，管壁温度高。
固体、气体激光器
• 固体激光器：激光物质为固体，可以产生 很高的脉冲功率；适用于传感和信号处理 系统中高功率相干光源。 • 气体激光器：激光物质为气体，可以产生 很高的连续功率。适用于要求高度相干光 源的传感器。
固 体 激 光 器 示 意 图
类 型
• 固体激光器： Nd:YAG激光器（钕钇铝石榴石晶体激光器） 波长---1.06um • 气体激光器： He-Ne激光器 Ar离子激光器 CO2激光器 KrF激光器
三. 光 源
外界参量
光 源
光纤
信号 调制
光纤
光探 测器
信号 处理
本讲提要
• 传感器用的主要光源、发光机理及其特性。
光纤通信所以成功的两个主要原因
• 低损耗光纤的问世 • 激光源的问世
光纤传感器中，光源具有同样重要的地位。
光纤传感器所用光源必须与 光纤传感器的特点相容
• 体积小，便于和光纤耦合。 • 光源发出的光波长的选择，应尽量减小在 光纤中传输的能量损耗。 • 光源有足够大的功率，以保证质量合适的 光到达探测器，确保足够大的信噪比。 • 具有良好的稳定性，可在室温下连续长期 的工作。 • 使用寿命长。 • 价格低。
光的受激辐射
• 处在高能级E2的原子,受到外来能量ε=hγ= E2-E1 的光照射时，由于外来光的激励而跃迁到低能级 E1，同时释放出一个与外来光子完全相同的光子。 特点： • 外来光子能量满足ε=hγ= E2-E1时，才能引起受激 辐射。 • 受激辐射所发出的光子与外来光子的特性完全相 同。外来光得到了放大。 • 受激辐射的光为相干光。 • 受激辐射概率和感应光场的强度成正比。
吸收媒质
• N2 ＜ N1，在这种媒质中，受激吸收过程占主要地 位，光波经过媒质时强度按指数规律衰减，光波被 吸收。当原子系统处于热平衡时，有
N2 N1 e ( E2 E1 ) / TK 1
式中:k是玻尔兹曼常数;K是绝对温度。 • 在热平衡系统中，N2总是小于N1，光波总是被吸收。
放大媒质
• N2 ＞N1，在这种媒质中， 受激辐射占主导 地位， 光波经过媒质时强度按指数规律增 加，光波被放大。N2 ＞ N1的媒质是一种处 于非热平衡状态下的反常情况，称之为粒 子数反转或集居数反转，这种媒质对应于 激光型放大的情况。
光的放大
• 外界向物质提供能量，使得物质处于非热 平衡状态时，实现集居数的反转，从而为 光放大提供了条件。用强光来进行激励时， 则称为光泵浦。 • 在外界激励下，受激辐射所发出的光子与 外来光子的特性完全相同。外来光得到放 大。
Ni gi e
Ei KT
k=1.38*10-23波尔兹曼常数；T为热平衡时的绝 对温度；Ni为处在Ei能级的原子数；gi为Ei能 级的简并度。
发光机理
光与物质相互作用的三种基本过程
• 光的自然辐射 • 光的受激辐射 • 光的受激吸收
发光机理
光的自然辐射
• 处在高能级E2的原子，在没有外界的影响下，自 发的从高能级E2向低能级E1跃迁，同时释放出能 量为hγ的光子，且： hγ= E2-E1 特点： • 自发发射只存在从高能级到低能级的过程,从E1到 E2自发跃迁率为零。 • 不受外界的影响，不能人为控制。 • 自发跃迁概率和光场强度无关
激光器—相干光源
产生激光震荡的三个要素： 激光物质，光谐振器，激发装置
• 激发装置：将能量输入激光物质，使其实现原子 数反转。用强光进行激励时，则称为光泵浦。 • 光谐振器：提供光学正反馈,控制震荡光束的特性 • 激光物质：激光器的核心，处于集居数的反转状 态，通过一连串的连锁反应（自发辐射 受激辐射 受激辐射）具有波粒二象性，研究光与物质的相互作用时， 其粒子属性较为明显。 • 光子的能量ε与光频率γ的关系：ε=hγ; h为普朗克常数。 • 光子静止质量：m=0 • 光子运动质量：m=ε/c2 • 光子动量p=mc • 光子具有两种可能的偏振态 • 光子具有自旋
发光机理
原子能级和简并度
光的受激吸收
• 处在低能级E1的原子吸收外来能量ε=hγ= E2-E1， 由于外来光的激励而跃迁到高能级E2。 特点： • 外来光子能量满足ε=hγ= E2-E1时，才能引起受激 吸收。 • 与光的受激辐射过程相反，且发生的概率相同。 • 受激吸收概率和感应光场的强度成正比。
原子的自发辐射、受激吸收和受激辐射