文档介绍：激光的基本原理及特性
第二部分
光与物质的
相互作用
二、光与物质的相互作用
任何物质的发光,溯其根源都是光与物质相互作用的结果。同样激光产生的物理基础
也是光与物质的相互作用,即指光和构成激光工作物质中原子、分子或离子作用。
(一)、黑体辐射
1、空腔热辐射
绝对黑体:在任何温度下都能把照到其上的任何
频率的辐射完全吸收(即(,T) = 1)的物体。
2、黑体辐射的实验规律
将一个空腔的腔壁加热,使其保持一恒定的温度T,
则小孔出射的辐射相当于从面积等于小孔面积,温度
为 T 的绝对黑体表面所出射。如图所示,图上每一条
曲线反映了在一定的温度下,单色辐出度按波长分布
的情况。由热力学理论得出以下实验定律。
黑体辐射的功率谱
1-2000K;2-1800K;3-1600K
4-1400K;5-1200K;6-1000K
激光的基本原理及特性
(1)、斯忒潘-波耳兹曼定律
黑体辐射出射度 Me,B(T) 与绝对温度的4次方成正比,即:
Me,B(T) = T4
式中为斯忒潘常数,其值为= x 10-8 --4
(2)、维恩位移定律
每一曲线上有一个Me,B(,T) 的最大值, 相应的波长为m,T与m的关系为
T m = b
式中 b 称为维恩常数,其值为 b = x 10-3
当温度升高时, m 变小,说明辐射能量向高频方向移动。
绝对黑体温度与辐射出射度峰值波长对应值
黑体绝对
温度(K)
辐射峰值
波长(m)
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
第二部分
光与物质的
相互作用
激光的基本原理及特性
(3)、绝对黑体辐射出射度分布曲线的峰值定律
实验表明,绝对黑体辐射出射度的峰值Me,B(m ,T)与绝对温度的5次方成正比,即
Me,B(m ,T) = C’T5
式中 C’= X 10-15 -2. m --5
以上三个定律分别表示了绝对黑体总辐射出射度( 分布曲线下的面积)、峰值波
长、峰值波长对应的辐射出射度峰值与绝对温度的关系。
3、维恩公式和瑞利-金斯公式
(1)、维恩公式
Me,B(,T) = ( c2/5 ) e-(c/T)
据此公式绘出的曲线与实验曲线在高频端符合较好,低频端产生偏离。
(2)、瑞利-金斯公式
Me,B(,T) = ( 2c/4 ) kT
据此公式绘出的曲线与实验曲线在长波段符合较好,但在短波段误差很大。
第二部分
光与物质的
相互作用
激光的基本原理及特性
4、普朗克公式
1900年普朗克作了一次大胆的尝试。他假设,黑体出射度的能量不是连续的,而
是一份一份的。他第一个提出了能量子假设,开创了近代物理的新纪元。
普朗克黑体辐射的能量密度公式:
(,T) = ( 8h3/c3 )[ 1/(e(h/kT) - 1)]
及黑体辐射的单色辐射出射度公式:
Me,B(,T) = 2hc2-5 [1/ (e(hc/kT ) - 1)]
式中 k 是波耳兹曼常数, h 是普朗克常数。
它们的数值为:
k = x 10-23 J/K; h = x 10-34
在短波部分,由于h>>kT, 则e(h/kT) >>1,
普朗克公式变为维恩公式;
在长波部分,h<<kT, 则e(h/kT) 1 + (h/kT),
普朗克公式则过渡到瑞利-金斯公式。
普朗克公式正确地反映了黑体辐射规律。
三个公式的关系如图所示。
有关黑体的辐射出射度的三个公式的比较
第二部分
光与物质的
相互作用
激光的基本原理及特性
(二)、自发辐射、受激吸收和受激辐射
跃迁:组成物质的微观粒子(原子、分子和离子)从一种能量状态变到另一能量状态。
无辐射跃迁:跃迁过程没有吸收和辐射光子。
辐射跃迁:原子能级的变化是通过吸收和发射光而实现的。
这种跃迁可分为三种过程:自发辐射、受激吸收和受激发射。
1、自发辐射
自发辐射跃迁几率A21:
在单位时间内,E2能级上n2个
粒子数中发生自发跃迁的粒子数
与n2的比值。考虑二能级情况:
E1和E2,则在dt时间内,由高能级
E2自发辐射跃迁到低能级E1的粒子
数计为dn2,则A21可表示为
A21 = (dn21/dt)自发(1/ n2)
自发跃迁是一个只与原子特性有关
而与外界激励无关的过程,即A21
只由原子本身性质决定。
1、原子自发辐射
2、原子受激吸收
3、原子受激辐射
E2
E2