激光原理課件

激光原理課件第1頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

一、熱輻射光源任何物體只要其溫度大于絕對(duì)零度，就會(huì)向外界輻射能量，其輻射特性與溫度有關(guān)。§1.2常見(jiàn)的光源第2頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日大氣層外的太陽(yáng)光譜能量分布相當(dāng)于5900K左右的黑體輻射。1.太陽(yáng)第3頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日黑體輻射光譜——普朗克公式第4頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日白熾燈是照明工程和光電測(cè)量中最常用的光源之一。白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光譜。白熾燈使用和量值復(fù)現(xiàn)方便，它的發(fā)光特性穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，因而也廣泛用作各種輻射度量和光度量的標(biāo)準(zhǔn)光源。2.白熾燈第5頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。制作時(shí)在燈中充入發(fā)光用的氣體，如氫、氦、氘、氙、氪等，或金屬蒸氣，如汞、鎘、鈉、銦、鉈、鏑等。在電場(chǎng)作用下激勵(lì)出電子和離子，氣體變成導(dǎo)電體。當(dāng)離子向陰極、電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)，從電場(chǎng)中得到能量，當(dāng)它們與氣體原子或分子碰撞時(shí)會(huì)激勵(lì)出新的電子和離子。由于這一過(guò)程中有些內(nèi)層電子會(huì)躍遷到高能級(jí)，引起原子的激發(fā)，受激原子回到低能級(jí)時(shí)就會(huì)發(fā)射出可見(jiàn)輻射或紫外、紅外輻射。這樣的發(fā)光機(jī)制被稱為氣體放電原理。

二、氣體放電光源第6頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第7頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（a）稱為線狀光譜，由若干條明顯分隔的細(xì)線組成，如低壓汞燈。圖（b）稱為帶狀光譜，它由一些分開的譜帶組成，每一譜帶中又包含許多細(xì)譜線。如高壓汞燈、高壓鈉燈就屬于這種分布。圖（c）為連續(xù)光譜，所有熱輻射光源的光譜都是連續(xù)光譜，圖（d）是混合光譜，它由連續(xù)光譜與線、帶譜混合而成，一般熒光燈的光譜就屬于這種分布。第8頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日發(fā)光二極管（lightemittingdiode，LED）是一種注入式電致發(fā)光器件，它由p型和n型半導(dǎo)體組合而成，是少數(shù)載流子在p-n結(jié)區(qū)的注入與復(fù)合而產(chǎn)生發(fā)光的一種半導(dǎo)體光源。

三、發(fā)光二極管第9頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日實(shí)際上發(fā)光二極管就是一個(gè)由直接帶隙半導(dǎo)體（如GaAs）制成的P－N接二極管。半導(dǎo)體內(nèi)電子－空穴對(duì)的復(fù)合就產(chǎn)生光子發(fā)射。工作原理第10頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第二講課程內(nèi)容回顧上節(jié)課的內(nèi)容§1.2常見(jiàn)的光源§1.3光輻射的基本規(guī)律

受激輻射第11頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日§1.3光輻射的基本規(guī)律

一、光的受激輻射概念的產(chǎn)生普朗克——1900年，輻射量子化假設(shè)；玻爾——1913年，原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子化假設(shè)；愛(ài)因斯坦——1917年，提出受激輻射概念。1.黑體輻射的Planck公式：任何物質(zhì)在一定溫度下都要輻射和吸收電磁輻射。黑體：能夠完全吸收任何波長(zhǎng)的電磁輻射的物體?？涨惠椛潴w第12頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱平衡狀態(tài)：黑體吸收的輻射能量黑體發(fā)出的輻射能量Planck輻射能量量子化假說(shuō)：黑體輻射Planck公式：熱平衡狀態(tài)下，黑體輻射分配到腔內(nèi)每個(gè)模式上的平均能量腔內(nèi)單位體積中頻率處于附近單位頻率間隔內(nèi)的光波模式數(shù)第13頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.躍遷：躍遷：原子從某一能級(jí)吸收或釋放能量，變成另一能級(jí)吸收躍遷：低吸收能量高輻射躍遷：高輻射能量低（自發(fā)輻射）第14頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.受激輻射：愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，若只有自發(fā)輻射和吸收躍遷，黑體和輻射場(chǎng)之間不可能達(dá)到熱平衡，要達(dá)到熱平衡，還必須存在受激輻射。第15頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日二、自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射1.自發(fā)輻射發(fā)光前發(fā)光后第16頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日自發(fā)躍遷幾率（自發(fā)躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)）：原子在能級(jí)的平均壽命只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)第17頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.受激吸收吸收前吸收后第18頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日受激吸收躍遷幾率：：受激吸收躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)與原子本身性質(zhì)和輻射場(chǎng)能量密度有關(guān)第19頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日發(fā)光前發(fā)光后3.受激輻射第20頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日：受激輻射躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)受激輻射躍遷幾率：與原子本身性質(zhì)和輻射場(chǎng)能量密度有關(guān)當(dāng)光與原子相互作用時(shí)，總是同時(shí)存在這三種過(guò)程第21頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、愛(ài)因斯坦三系數(shù)的相互關(guān)系熱平衡狀態(tài)：輻射率吸收率（輻射場(chǎng)總光子數(shù)保持不變）——各能級(jí)上的原子數(shù)密度（布居數(shù)密度）第22頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布：——能級(jí)和的簡(jiǎn)并度，或稱統(tǒng)計(jì)權(quán)重第23頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日與Planck公式比較第24頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日結(jié)論：1.

其他條件相同時(shí)，受激輻射和受激吸收具有相同幾率。2.

熱平衡狀態(tài)下，高能級(jí)上原子數(shù)少于低能級(jí)上原子數(shù)，故正常情況下，吸收比發(fā)射更頻繁，其差額由自發(fā)輻射補(bǔ)償。3.

自發(fā)輻射的出現(xiàn)隨而增大，故波長(zhǎng)越短，自發(fā)輻射幾率越大。第25頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日作業(yè)一：根據(jù)書中(1.2.10)和(1.2.12)詳細(xì)推導(dǎo)出并談?wù)勁cPlanck公式比較得到的(1.2.14)和(1.2.15)兩式的意義。預(yù)習(xí)第一章后面的習(xí)題第26頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期日四、受激輻射的相干性自發(fā)輻射：相互獨(dú)立、互不相關(guān)。受激輻射：受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻射的外來(lái)光子具有相