2021-2022學(xué)年高二物理競賽課件：受激輻射躍遷

1、受激輻射躍遷2022/9/6 受激輻射躍遷受激輻射：處于高能級態(tài)E2的原子在頻率21=（E2-E1）/h 的外界光作用下躍遷到E1，同時輻射出能量為（E2-E1）、且與外界光信號同一狀態(tài)的光子，這兩個光子再去誘發(fā)產(chǎn)生更多狀態(tài)相同的光子。這樣，在一個入射光子作用下，就可以產(chǎn)生大量運動狀態(tài)相同的光子，這一過程稱為受激輻射。2022/9/6 受激輻射概率：在頻率21=（ E2 -E1 ）/h 的外界光信號作用下，單位時間內(nèi)從高能級態(tài)E2 躍遷到低能級態(tài)E1的原子數(shù)密度N21與高能級E2 上總的原子數(shù)密度N2 之比的比值。受激輻射躍遷為愛因斯坦受激輻射系數(shù), 只與粒子本身的性質(zhì)有關(guān)。為輻射場能量密度

2、為E2能級上的粒子數(shù)密度,2022/9/6 受激輻射躍遷受激輻射的特點是：這種過程是在外界光子的刺激作用下發(fā)生的，而且受激輻射出的光子，與入射光子具有相同的頻率，相同的初相，相同的傳播方向，相同的偏振態(tài)等。即與外來光子具有完全相同的狀態(tài)。在受激輻射過程中，輸入一個光子，可以得到兩個狀態(tài)完全相同的光子輸出。并且這兩個光子可再作用于其他原子上，產(chǎn)生受激輻射，而獲得大量特征完全相同的光子。這便是受激輻射的光放大原理。激光器發(fā)光，正是利用受激輻射的上述特點，所以激光具有單色性好、方向性好、亮度高以及相干性好的特點。2022/9/6 受激吸收：處于低能級態(tài)E1的原子在頻率為21=（E2E1）/h 的輻射

3、場作用下吸收一個光子，并躍遷高能級態(tài)E2 的過程。2022/9/6 受激吸收概率：由于受激吸收，單位時間從E1能級躍遷到 E2 能級的原子數(shù)密度N12與E1能級總原子數(shù)密度N1的比值。為愛因斯坦受激吸收系數(shù), 只與粒子本身的性質(zhì)有關(guān)。為輻射場能量密度 為E1能級上的原子數(shù)密度, 愛因斯坦關(guān)系 大量粒子構(gòu)成的粒子體系(如原子或分子等)中，三種躍遷同時存在。E2自發(fā)輻射的能量(E2-E1) 的光子，對其它粒子而言可視為外來入射光，使E1上粒子發(fā)生受激吸收，使E2上粒子發(fā)生受激輻射，三種過程相互聯(lián)系，這種相互聯(lián)系可由表示原子特定能級E1、E2特性的參數(shù)A21、B21、B12來表示。 愛因斯坦關(guān)系 設(shè)

4、一原子系統(tǒng)兩特定能級E1、E2簡并度分別為g1、g2，在溫度T下處于熱平衡狀態(tài)， E1、E2能級原子數(shù)密度分別為N1、N2 。 原子系統(tǒng)從吸收能量（E2-E1）后，單位時間內(nèi)通過受激吸收從E1 躍遷到E2 能級的原子數(shù)為： 處于E2上的原子，單位時間通過自發(fā)輻射與受激輻射躍遷至E1上的原子數(shù)為： 由于系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，則應(yīng)有以下關(guān)系式成立：即 因而有： 又由于在熱平衡狀態(tài)下， N1 、 N2 按照玻爾茲曼分布： 式中，k為玻爾茲曼常數(shù)。于是有：式中c為真空中光速，于是比較兩式，可知：此兩式即為著名的愛因斯坦關(guān)系式。若 E1 、E2 兩能級簡并度相等，即 g1=g2 ，則愛因斯坦關(guān)系式可簡化為： 在熱平衡條件下，光輻射的能量密度 (21) 又可由普朗克公式給出：討論：1）受激吸收與受激輻射比較因n1n2，故：結(jié)論：熱平衡下，大量粒子受激吸收至高能級，而通過受激輻射返回低能級的粒子數(shù)很少。 愛因斯坦關(guān)系式2.1.4 激光產(chǎn)生的必要條件設(shè)g1=g2=1, 則：2）自發(fā)輻射與受激輻射比較 愛因斯坦關(guān)系式室溫下，普通輻射源的光子簡并度躍遷粒子數(shù)之比： 結(jié)論：熱平衡下, 受激輻射概率(或粒子數(shù))遠小于自發(fā)輻射概率(或粒子數(shù))。自發(fā)輻射壽命的物理意義：經(jīng)過s后，E2上