激光原理 .ppt

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1、激光原理课件 现在学习的是第1页，共28页 一、一、热辐射光源热辐射光源任何物体只要其温度大于绝对零度，任何物体只要其温度大于绝对零度，就会向外界辐射能量，其辐射特性与就会向外界辐射能量，其辐射特性与温度有关。温度有关。1.2 常见的光源常见的光源现在学习的是第2页，共28页大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射。1.太阳太阳现在学习的是第3页，共28页黑体辐射光谱黑体辐射光谱普朗克公式普朗克公式现在学习的是第4页，共28页o白炽灯是照明工程和光电测量中最常用的光源之一。白炽灯发射的是连续光谱。白炽灯使用和量值复现方便，它的发光特性稳定，寿命长，因而也广泛用作各种辐射度量和光

2、度量的标准光源。2.白炽灯白炽灯现在学习的是第5页，共28页o利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。制作时在灯中充入发光用的气体，如氢、氦、氘、氙、氪等，或金属蒸气，如汞、镉、钠、铟、铊、镝等。在电场作用下激励出电子和离子，气体变成导电体。当离子向当离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到能量，当它阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到能量，当它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。由于这一过程中有些内层电子会跃迁到高能级，引起原子由于这一过程中有些内层电子会跃迁到高能级，引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫

3、的激发，受激原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫外、红外辐射。外、红外辐射。这样的发光机制被称为气体放电原理。二、气体放电光源气体放电光源现在学习的是第6页，共28页现在学习的是第7页，共28页（a）称为线状光谱线状光谱，由若干条明显分隔的细线组成，如低压汞灯。图（b）称为带状光谱带状光谱，它由一些分开的谱带组成，每一谱带中又包含许多细谱线。如高压汞灯、高压钠灯就属于这种分布。图（c）为连续光谱连续光谱，所有热辐射光源的光谱都是连续光谱，图（d）是混合光谱混合光谱，它由连续光谱与线、带谱混合而成，一般荧光灯的光谱就属于这种分布。现在学习的是第8页，共28页发光二极管（light emitti

4、ng diode，LED）是一种注入式电致发光器件，它由p型和n型半导体组合而成，是少数载流子在p-n结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源。三、发光二极管发光二极管现在学习的是第9页，共28页实际上发光二极管就是一个由直接带隙半导体（如GaAs）制成的PN接二极管。半导体内电子空穴对的复合就产生光子发射。工作原理工作原理现在学习的是第10页，共28页第二讲 课程内容o回顾上节课的内容o1.2 常见的光源o1.3光辐射的基本规律光辐射的基本规律 受激辐射受激辐射现在学习的是第11页，共28页1.3 光辐射的基本规律光辐射的基本规律 一、光的受激辐射概念的产生一、光的受激辐射概念的产生普朗克

5、普朗克1900年，辐射量子化假设；年，辐射量子化假设；玻尔玻尔1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；年，原子中电子运动状态的量子化假设；爱因斯坦爱因斯坦1917年，提出受激辐射概念。年，提出受激辐射概念。1.黑体辐射的黑体辐射的Planck公式：公式：任何物质在一定温度下都要辐射和任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。吸收电磁辐射。黑体：黑体：能够完全吸收任何波长能够完全吸收任何波长 的电磁辐射的物体。的电磁辐射的物体。空腔辐射体空腔辐射体现在学习的是第12页，共28页热平衡状态：热平衡状态：黑体吸收的辐射能量黑体吸收的辐射能量 黑体发出的辐射黑体发出的辐射能量能量Planck辐射

6、能量量子化假说：辐射能量量子化假说：黑体辐射黑体辐射Planck公式：公式：热平衡状态下，黑体辐射分配热平衡状态下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量到腔内每个模式上的平均能量腔内单位体积中频率处于腔内单位体积中频率处于 附近附近单位频率间隔内的光波模式数单位频率间隔内的光波模式数现在学习的是第13页，共28页2.跃迁：跃迁：跃迁：跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级吸收跃迁：吸收跃迁：低低吸收能量吸收能量高高辐射跃迁：辐射跃迁：高高辐射能量辐射能量低低（自发辐射）（自发辐射）现在学习的是第14页，共28页3.受激辐射：受激辐射：爱因斯

7、坦爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃发现，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，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。要达到热平衡，还必须存在受激辐射。现在学习的是第15页，共28页二、自发辐射、受激吸收和受激辐射二、自发辐射、受激吸收和受激辐射1.自发辐射自发辐射发光前发光前发光后发光后现在学习的是第16页，共28页自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：原子在能级原子在能级 的平均寿的平均寿命命只与原子本身性质有关，与辐射场无关只与原子本身性质有关，与辐射场无关现在学习的是第17页，共28页2.受

8、激吸收受激吸收吸收前吸收前吸收后吸收后现在学习的是第18页，共28页受激吸收跃迁几率：受激吸收跃迁几率：受激吸收跃迁爱因斯坦系数：受激吸收跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关现在学习的是第19页，共28页发光前发光前发光后发光后3.受激辐射受激辐射现在学习的是第20页，共28页：受激辐射跃迁爱因斯坦系数：受激辐射跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关受激辐射跃迁几率：受激辐射跃迁几率：与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关当光与原子相互作用时，总是同时存在这三

9、种过程当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程现在学习的是第21页，共28页三、爱因斯坦三系数三、爱因斯坦三系数 的相互关系的相互关系热平衡状态：热平衡状态：辐射率辐射率 吸收率吸收率（辐射场总光子数保持不变）（辐射场总光子数保持不变）各能级上的原子数密度（布居数密度）各能级上的原子数密度（布居数密度）现在学习的是第22页，共28页玻尔兹曼统计分布：玻尔兹曼统计分布：能级能级 和和 的简并的简并度，或称统计权重度，或称统计权重现在学习的是第23页，共28页与与Planck公式比较公式比较现在学习的是第2

10、4页，共28页结论：结论：1.其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。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。正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。3.自发辐射的出现随自发辐射的出现随 而增大，故波长越短，而增大，故波长越短，自发辐射几率越大。自发辐射几率越大。现在学习的是第25页，共28页作业一：o根据书中(1.2.10)和(1.2.12)详细推导出并谈谈与Planck公式比较得到的(1.2.14)和(1.2.15)两式的意义。o预习第一章后面的习题现在学习的是第26页，共28页四、受激辐射的相干性四、受激辐射的相干性自发辐射：自发辐射：相互独立、互不相关。相互独立、互不相关。受激辐射：受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的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）。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。受激辐射光子与入射光子属同一光子态。不相干不相干相干光相干光现在学习的是第27页，共28页THANK YOU!THANK YOU!现在学习的是第28页，共28页