14光的受激吸收以及爱因斯坦三系数关系3受激吸收受激吸收.pptx

1.4 1.4 光的受激吸收光的受激吸收以及爱因斯坦三系数关系以及爱因斯坦三系数关系3 受激吸收受激吸收受激吸收：处于低能级受激吸收：处于低能级E E1 1的原子受到外来光子（能量的原子受到外来光子（能量 ）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E E2 2的过程。的过程。吸收前吸收前吸收后吸收后3 受激吸收受激吸收（1 1）受激吸收跃迁速率与受激吸收系数）受激吸收跃迁速率与受激吸收系数（2 2）受激吸收几率受激吸收几率讨讨 论论从从E E1 1经受激吸收跃迁到经受激吸收跃迁到E E2 2具有一定的跃迁速率则有具有一定的跃迁速率则有式中的式中的 为外来光的光场单色能量密度，即受激吸收跃迁速率与为外来光的光场单色能量密度，即受激吸收跃迁速率与外来光的光场单色能量密度成正比。外来光的光场单色能量密度成正比。其他参数意义同自发辐射：其他参数意义同自发辐射：n n1 1为某时刻低能级为某时刻低能级E E1 1上的原子数密度（即上的原子数密度（即单位体积中的原子数），单位体积中的原子数），d dn n2 2表示在表示在d dt t时间间隔内由时间间隔内由E E1 1受激吸收跃迁到受激吸收跃迁到E E2 2的原子数，的原子数，“”被去除表示被去除表示E E2 2能级的粒子数密度增加。能级的粒子数密度增加。B12称为称为爱因斯坦受激吸收系数爱因斯坦受激吸收系数，简称，简称受激吸收系数。受激吸收系数。（1 1）受激吸收跃迁速率与受激吸收系数）受激吸收跃迁速率与受激吸收系数3.受激吸收受激吸收讨讨 论论（1.3.101.3.10）受激吸收（跃迁）几率受激吸收（跃迁）几率WW1212定义为定义为 则则有有受激吸收的跃迁几率的受激吸收的跃迁几率的物理意义物理意义为：单位时间内，为：单位时间内，在外来单色能量密度为在外来单色能量密度为 的光照下，的光照下，E E1 1能级上因能级上因为受激吸收跃迁到为受激吸收跃迁到E E2 2能级上的粒子数密度能级上的粒子数密度占处于占处于E E1 1能级能级总粒子数密度的百分比。总粒子数密度的百分比。（2 2）受激吸收几率受激吸收几率3.受激吸收受激吸收讨讨 论论（1.3.111.3.11）三、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系三、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 A21、B21、B12三个系数的关系三个系数的关系 在光和原子相互作用达到热平衡的绝对黑体空在光和原子相互作用达到热平衡的绝对黑体空腔内的原子系统中，如果单色辐射能量密度为腔内的原子系统中，如果单色辐射能量密度为 ，则有如下关系，则有如下关系自发辐射光子数受激辐射光子数受激吸收光子数式子的左边是与高能级上粒子数有关的辐射光子式子的左边是与高能级上粒子数有关的辐射光子数，而右边是与低能级上粒子数有关的吸收光子数，数，而右边是与低能级上粒子数有关的吸收光子数，即发射与吸收光子数相等即发射与吸收光子数相等.三、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系三、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 A21、B21、B12三个系数的关系三个系数的关系根据波尔兹曼分布定律，动平衡的条件下，对于简并度g2的高能级E2和简并度g1的低能级E1有将高能级将高能级E2上的粒子数上的粒子数n2用低能级用低能级E1上的粒子数上的粒子数n1来表来表 示示,并代入动平衡的条件下三个爱因斯坦系数满足的关系式并代入动平衡的条件下三个爱因斯坦系数满足的关系式进一步化简进一步化简,得到热平衡空腔得单色辐射能量密度为得到热平衡空腔得单色辐射能量密度为三、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系三、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 A21、B21、B12三个系数的关系三个系数的关系绝对黑体空腔内的原子系统中，单色辐射能量密度同时满足普朗克公式欲使式中两个等号同时满足必须保证分式前的系数和指数欲使式中两个等号同时满足必须保证分式前的系数和指数前的系数都相等，因而得到前的系数都相等，因而得到三个爱因斯坦系数的内在联系三个爱因斯坦系数的内在联系:三、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系三、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系（1 1）爱因斯坦系数之间的关系）爱因斯坦系数之间的关系（2 2）特例情况下的爱因斯坦系数之间的关系特例情况下的爱因斯坦系数之间的关系讨讨 论论三、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系三、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系（1 1）爱因斯坦系数之间的关系）爱因斯坦系数之间的关系 上两个式子是上两个式子是爱因斯坦系数之间的基本关爱因斯坦系数之间的基本关系系.由于三个系数都是原子的特征参量由于三个系数都是原子的特征参量,所以它们所以它们与具体过程无关与具体过程无关.讨讨 论论三、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系三、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系（2 2）特例情况下的爱因斯坦系数之间的关系特例情况下的爱因斯坦系数之间的关系如果如果 ，则有，则有讨讨 论论 当高低能级的简并度相同时，受激辐射与受激吸收系当高低能级的简并度相同时，受激辐射与受激吸收系数相等。外来光子被吸收和激发受激辐射的机会相同。数相等。外来光子被吸收和激发受激辐射的机会相同。但是一般讲高能级的简并度总比低能级的简并度要高，但是一般讲高能级的简并度总比低能级的简并度要高，因此受激辐射比受激吸收系数要小。因此受激辐射比受激吸收系数要小。在折射率为在折射率为 的介质中，自发辐射系数与受激辐射系数之间的介质中，自发辐射系数与受激辐射系数之间关系为关系为四、自发辐射光功率与受激辐射光功率四、自发辐射光功率与受激辐射光功率对于发光介质中某一单位体积，自发辐射的光功率体密度可表示为受激辐射的光功率体密度可表示为受激辐射的光功率体密度可表示为受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度之比为受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度之比为对于平衡热辐射光源则有对于平衡热辐射光源则有四、自发辐射光功率与受激辐射光功率四、自发辐射光功率与受激辐射光功率（1 1）普通光源自发辐射光功率与受激辐射普通光源自发辐射光功率与受激辐射光功率之比光功率之比讨讨 论论 温度温度T=3000K的热辐射光源，发射的波长为的热辐射光源，发射的波长为500nm时受激辐射光功率体密度与自发辐射光时受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度之比为功率体密度之比为 普通光源主要是自发辐射普通光源主要是自发辐射四、自发辐射光功率与受激辐射光功率四、自发辐射光功率与受激辐射光功率（2 2）激光光源自发辐射光功率与受激辐射激光光源自发辐射光功率与受激辐射光功率之比光功率之比讨讨 论论 激光光源打破了热平衡且单色能量密度比普通光激光光源打破了热平衡且单色能量密度比普通光源大源大1010倍，对于上例倍，对于上例,受激辐射光功率体密度与自受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度之比为发辐射光功率体密度之比为激光光源主要是受激辐射激光光源主要是受激辐射思思 考考 在各种光源中是否存在受激吸收？是什么在各种光源中是否存在受激吸收？是什么作用？作用？