激光原理课件1-2-&-1-3.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二讲 课程内容,回顾上节课的内容,1.2,常见的光源,1.3,光辐射的基本规律,受激辐射,单色性越好，相干性就越好,二、光源的相干性,由杨氏双缝干涉实验讨论光波的相干体积：,两光波场具有明显相干性的条件：,光源的相干面积,光源的相干体积：,结论,3,：,相格的空间体积 相干体积。,光子的观点分析杨氏干涉现象：,相格空间体积,结论：,处于同一相格中的光子数，,三、光子简并度,决定了相干光强，反映光源的单色亮度。,一个光波模式所占空间体积,同一光子态所占空间体积,相干体积,处于同一模式中的光子数，,处于相干体积内的光子数，,处于同一光子态的光子数。,第二讲 课程内容,回顾上节课的内容,1.2,常见的光源,1.,热辐射光源,2.,气体放电光源,3.,发光二极管,1.3,光辐射的基本规律,受激辐射,一、,热辐射光源,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,温度有关。,1.2,常见的光源,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,黑体辐射光谱,普朗克公式,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度量的标准光源。,2.,白炽灯,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。,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,（,a,）称为,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,，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,，所有热辐射光源的光谱都是连续光谱，图（,d,）是,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。,发光二极管（,light emitting 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,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,P,N,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,第二讲 课程内容,回顾上节课的内容,1.2,常见的光源,1.3,光辐射的基本规律,受激辐射,1.3,光辐射的基本规律,一、光的受激辐射概念的产生,普朗克,1900,年，辐射量子化假设；,玻尔,1913,年，原子中电子运动状态的量子化假设；,爱因斯坦,1917,年，提出受激辐射概念。,1.,黑体辐射的,Planck,公式：,任何物质在一定温度下都要辐射和,吸收电磁辐射。,黑体：,能够完全吸收任何波长,的电磁辐射的物体。,空腔辐射体,热平衡状态：,黑体吸收的辐射能量 黑体发出的辐射能量,Planck,辐射能量量子化假说：,黑体辐射,Planck,公式：,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,腔内单位体积中频率处于 附近单位频率间隔内的光波模式数,2.,跃迁：,跃迁：,原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级,吸收跃迁：,低,吸收能量,高,辐射跃迁：,高,辐射能量,低,（自发辐射）,3.,受激辐射：,爱因斯坦,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，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。,二、自发辐射、受激吸收和受激辐射,1.,自发辐射,发光前,发光后,自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：,原子在能级 的平均寿命,只与原子本身性质有关，与辐射场无关,2.,受激吸收,吸收前,吸收后,受激吸收跃迁几率：,：受激吸收跃迁爱因斯坦系数,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,发光前,发光后,3.,受激辐射,：受激辐射跃迁爱因斯坦系数,只与原子本身性质有关,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,当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程,三、爱因斯坦三系数 的相互关系,热平衡状态：,辐射率 吸收率,（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）,玻尔兹曼统计分布：,能级 和 的简并度，或称统计权重,与,Planck,公式比较,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。,2.,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。,3.,自发辐射的出现随 而增大，故波长越短，,自发辐射几率越大。,作业一：,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。,预习第一章后面的习题,四、受激辐射的相干性,自发辐射：,相互独立、互不相关。,受激辐射：,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,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。,不相干,相干光,