激光發(fā)光粒子的能級與躍遷

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劉韜

北京工業(yè)高校應用數(shù)理學院000611班

指導老師：俞寬新

度，就可以實現(xiàn)與兩個能級之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為受激輻射制造了條件

2E1E三能級系統(tǒng)的特點：激光下能態(tài)為基態(tài)，而作為激光上能態(tài)的中間能態(tài)在開頭抽運時基本上無粒子，故至少要將基態(tài)粒子總數(shù)之半抽運到激光上能態(tài)才可以造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這就需要強激勵。因此，三能級系統(tǒng)實現(xiàn)激射較費勁，它的效率較低。2E2、四能級系統(tǒng)

圖2中的是基態(tài)，泵浦源1E

34將激活粒子從基態(tài)抽運到能級，

4E4E能級的壽命很短，立刻通過非輻射躍遷的方式到達能級。

3E3E能級的壽命較長，是亞穩(wěn)態(tài)，作激光上能級用。能級的壽命很短，2E熱平衡時基本上是空的，作激光下能級用。能級上的粒子主要也是

2E通過非輻射躍遷回到基態(tài)。這種能級系統(tǒng)也很簡單實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

四能級系統(tǒng)的特點：激光下能態(tài)不是基態(tài)而是一個受激態(tài)，假如它離基態(tài)充分遠，則在初始時刻基本上沒有粒子，故只要從基態(tài)抽運較少的粒子到激光上能級就可造成較大的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，產(chǎn)生較強的激射作用。故四能級系統(tǒng)效率較高，簡單使它延續(xù)運轉(zhuǎn)。

三、躍遷

1、自發(fā)輻射

處于高能級的原子自發(fā)地向低能級

躍遷，并發(fā)出一個頻率等于2E1E21()EEh/υ=?的光子的過程稱為自發(fā)輻

射躍遷。原子的自發(fā)輻射過程徹低是一種隨機過程，各發(fā)光原子的發(fā)光過程各自自立，互不關(guān)聯(lián)，即所輻射的光在放射方向上是無

規(guī)章的射向四周八方，另外未位相、偏振狀態(tài)也各不相同。這樣的光相干性差，方向散亂。因為激發(fā)能級有一個寬度，所以放射光的頻率也不是單一的，而有一個范圍。圖3自發(fā)輻射

2、受激輻射

而受激輻射則相反。處于高能級上的原子在頻率為2E21()EEh/υ=?的輻射場激勵作用下，或在頻率為21()EEh/υ=?的光子誘發(fā)下，向低能級躍遷并輻射出一個與激勵輻射場光子或誘發(fā)光子狀態(tài)（包括頻率運動方向，偏振方向，相位等），徹低相同的光子的過程稱為受激輻射躍遷。它是指處于高能級的原子在光子的“刺激”或者“感應”下，躍遷到低能級，并輻射出一個和入射光子同樣頻率的光子。這好比早晨公雞打鳴，一個公雞叫起來，其他的公雞受到“刺激”也會發(fā)出同樣的聲音。受激輻射的最大特點是由受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻射的本來的

1E圖4受激輻射

光子具有徹低相同的狀態(tài)。它們具有相同的頻率，相同的方向，徹低無法區(qū)別出兩者的差異。這樣，通過一次受激輻射，一個光子變?yōu)閮蓚€相同的光子。

這意味著光被加強了，或者說光被放大了。這正是產(chǎn)

生激光的基本過程。3、受激汲取

處于低能級上的一個原子在頻率等于

1E21()EEh/υ=?的輻射場作用下，汲取一個光子

后向

高能級躍遷的過程稱為受激汲取