1、華中科技大學武昌分校2系光信教研室1.2 光的受激輻射基本概念光的受激輻射基本概念一、光的受激輻射概念的產生一、光的受激輻射概念的產生普朗克普朗克1900年，輻射量子化假設；年，輻射量子化假設；波爾波爾1913年，原子中電子運動狀態的量子化假設；年，原子中電子運動狀態的量子化假設；愛因斯坦愛因斯坦1917年，提出受激輻射概念。年，提出受激輻射概念。1. 黑體輻射的黑體輻射的Planck公式：公式：任何物質在一定溫度下都要輻射和吸收電磁輻射。任何物質在一定溫度下都要輻射和吸收電磁輻射。黑體：黑體：能夠完全吸收任何波長能夠完全吸收任何波長 的電磁輻射的物體。的電磁輻射的物體。空腔輻射體空腔輻射體華

2、中科技大學武昌分校2系光信教研室熱平衡狀態：熱平衡狀態：黑體吸收的輻射能量黑體吸收的輻射能量 黑體發出的輻射能量黑體發出的輻射能量 單色能量密度單色能量密度 ：dEdVd Planck輻射能量量子化假說：輻射能量量子化假說：黑體輻射黑體輻射Planck公式：公式：33811hKThnEce 熱平衡狀態下，黑體輻射分配熱平衡狀態下，黑體輻射分配到腔內每個模式上的平均能量到腔內每個模式上的平均能量1hKThEe 腔內單位體積中頻率處于腔內單位體積中頻率處于 附近附近單位頻率間隔內的光波模式數單位頻率間隔內的光波模式數338PnVdc 華中科技大學武昌分校2系光信教研室2. 躍遷：躍遷：躍遷：躍遷：

3、原子從某一能級吸收或釋放能量，變成另一能級。原子從某一能級吸收或釋放能量，變成另一能級。吸收躍遷：吸收躍遷： 低低吸收能量吸收能量高高12hEE 輻射躍遷：輻射躍遷：高高輻射能量輻射能量低低（自發輻射）（自發輻射）華中科技大學武昌分校2系光信教研室3. 受激輻射：受激輻射：愛因斯坦愛因斯坦發現，若只有自發輻射和吸收躍遷，發現，若只有自發輻射和吸收躍遷，黑體和輻射場之間不可能達到熱平衡，要達黑體和輻射場之間不可能達到熱平衡，要達到熱平衡，還必須存在受激輻射。到熱平衡，還必須存在受激輻射。二、自發輻射、受激吸收和受激輻射二、自發輻射、受激吸收和受激輻射1. 自發輻射自發輻射2E1E發光前發光前h發

4、光后發光后21hEE 華中科技大學武昌分校2系光信教研室普通光源普通光源（白熾燈、日光燈、高壓水銀燈）的發光過程（白熾燈、日光燈、高壓水銀燈）的發光過程為自發輻射。各原子自發輻射發出的光彼此獨立，頻率、為自發輻射。各原子自發輻射發出的光彼此獨立，頻率、振動方向、相位不一定相同振動方向、相位不一定相同為為非相干光非相干光。自發躍遷幾率（自發躍遷愛因斯坦系數）：自發躍遷幾率（自發躍遷愛因斯坦系數）：21A211SA 原子在能級原子在能級 的平均壽命的平均壽命2E只與原子本身性質有關，與輻射場無關只與原子本身性質有關，與輻射場無關華中科技大學武昌分校2系光信教研室2. 受激吸收受激吸收2E1E吸收前

5、吸收前h吸收后吸收后21hEE 受激吸收躍遷幾率：受激吸收躍遷幾率：1212WB 12B：受激吸收躍遷愛因斯坦系數：受激吸收躍遷愛因斯坦系數只與原子本身性質有關只與原子本身性質有關與原子本身性質和輻射場能量密度有關與原子本身性質和輻射場能量密度有關華中科技大學武昌分校2系光信教研室2E1E發光前發光前hh發光后發光后h21hEE 3. 受激輻射受激輻射當外來光子的頻率滿足當外來光子的頻率滿足 時，使原子中處于高時，使原子中處于高能級的電子在外來光子的激發下向低能級躍遷而發光。能級的電子在外來光子的激發下向低能級躍遷而發光。21hEE 21B：受激輻射躍遷愛因斯坦系數：受激輻射躍遷愛因斯坦系數只

6、與原子本身性質有關只與原子本身性質有關受激輻射躍遷幾率：受激輻射躍遷幾率：2121WB 與原子本身性質和輻射場能量密度有關與原子本身性質和輻射場能量密度有關華中科技大學武昌分校2系光信教研室三、愛因斯坦三系數三、愛因斯坦三系數 的相互關系的相互關系212112ABB、熱平衡狀態：熱平衡狀態：輻射率輻射率 吸收率吸收率 （輻射場總光子數保持不變）（輻射場總光子數保持不變）玻爾茲曼統計分布：玻爾茲曼統計分布：221221112n An Bn B各能級上的原子數密度（集居數密度）各能級上的原子數密度（集居數密度）123nnn、 、21()2211EEKTnfenf 12ff、能級能級 和和 的簡并度

7、，的簡并度， 或稱統計權重或稱統計權重1E2E華中科技大學武昌分校2系光信教研室21211121212/( ,)hKTABTB feB f 12ff 122112213212138BBWWhABc 與與Planck公式比較公式比較33811hKThce 3213211212128Ahn hBcB fB f 華中科技大學武昌分校2系光信教研室結論：結論：1. 其他條件相同時，受激輻射和受激吸收具有相同幾率。其他條件相同時，受激輻射和受激吸收具有相同幾率。2. 熱平衡狀態下，高能級上原子數少于低能級上原子數，故熱平衡狀態下，高能級上原子數少于低能級上原子數，故 正常情況下，吸收比發射更頻繁，其差額

8、由自發輻射補償。正常情況下，吸收比發射更頻繁，其差額由自發輻射補償。四、受激輻射的相干性四、受激輻射的相干性自發輻射：自發輻射：相互獨立、互不相關。相互獨立、互不相關。受激輻射：受激輻射：受激輻射產生的光子與引起受激輻射的受激輻射產生的光子與引起受激輻射的 外來光子具有相同的特征（頻率、相外來光子具有相同的特征（頻率、相 位、振動方向及傳播方向均相同）。位、振動方向及傳播方向均相同）。受激輻射光子與入射光子屬同一光子態。受激輻射光子與入射光子屬同一光子態。3. 自發輻射的出現隨自發輻射的出現隨 而增大，故波長越短，而增大，故波長越短， 自發輻射幾率越大。自發輻射幾率越大。3 不相干不相干相干光相干光華中科技大學武昌分校2系光信教研室總結總結自發輻射、受激吸收、受激輻射自發輻射、受激吸收、受激輻射含義、特點、相互區別、相互關系含義、特點、相互區別、相互關系受激輻射的相干性受激輻射的相干性掌握：掌握：愛因斯坦三系數愛因斯坦三系數的相互關系及所得結論的相互關