激 光 (Laser)
(Light Amplication by Stimulated
Emission of Radiation) “辐射的受激发射光放大”
★普通光源一自发辐射 激光光源一受激辐射 ★特点：单色性极好(??～10 - 8埃) 方向性极好(发散角～10 -4弧度) 强度极高(脉冲功率～10 14瓦) ★ 按工作方式分:
连续式(功率可达104 W) 脉冲式(瞬时功率可达1014 W ) ★物理过程：·粒子数反转 ·光放大作用 ·谐振腔的作用
§1 粒子数按能级的分布、原子的激发
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一、粒子数按能级的统计分布
1.玻耳兹曼统计分布
由大量原子组成的系统，在温度不太低 的平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布：
Nn
En-( kT )? e
N(原子数) T = 常量 Nn
2.两能级上的原子数目之比 ·若E2 > E 1，则有
o En
E
N2= eN1
E2 - E1- ( kT )
<1
·数量级估计： 若 T～103 K；
则 kT～1.38×10-20 J ～0.086 eV 而E 2- E 1～1eV
N2 -( E 2 - E 1 ) -(1/0.086)
N = ekT = e<< 1 1
2
故
·但要产生激光必须N2 > N1，称
粒子数反转分布
二、原子的激发
几种基本方式： 1.气体放电激发 2.原子间碰撞激发 3.光激发
§2 辐射跃迁
有三种：自发辐射、 受激辐射、吸收。
一、自发辐射(spontaneous radiation)
1.自发辐射的跃迁几率
E2
N2 h? N1
E1
· t 时刻 能级 E2上 有 N2 个原子
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t+dt E2 N2+dN2
· dt时间内，E2上原子数的变化
dN2 = ?A21N2dt ， (dN2<0)
|dN|2
A21 =Ndt 2
A21---爱因斯坦自发辐射系数 单位时间内从E2?E1的原子数 与E2上原子数N2之比。 一个原子单位时间内发生自发辐射的概率。 各原子自发辐射的光是独立的、无关的 非相干光 。 2.能级寿命与亚稳态能级 (1)能级寿命
·E2上 的原子有的停留时间长，有的短 在E2上原子寿命范围：从0 ? ?
1? = A21 ·可证：原子能级的平均寿命和自发辐射系数成反比
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·即能级的自发辐射的概率越大则寿命越短
· 原子在某能级的寿命也称作能级寿命。
(2)亚稳态能级
· 亚稳态：自发辐射几率很小、寿命很长的
能级。
一般，能级寿命 10-8 ? 10-9 S
如H原子 2p态 ? ? 0.16?10-8 S 3p态 ? ? 0.54?10-8S 亚稳态：如He原子的两个亚稳态能级
(20.55eV) ? ? 10-4 S
(19.77eV) ? ? 10-6 S 二、受激辐射(stimulated radiation)
N2 E2
h?
E1 N1 全同光子 h? ·设 ?(?,Ｔ)—温度为Ｔ时，频率为 ? = (E2 - E1) / h附近，单位频率间隔的 外来光的能量密度。
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