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1、光的基础知识第1页，本讲稿共24页1 1 光的基础知识光的基础知识光的基础知识光的基础知识第2页，本讲稿共24页2、光速、频率和波长三者的关系光速、频率和波长三者的关系(1)波长波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。1.1.1 光波光波第3页，本讲稿共24页2 2 光的吸收和发射光的吸收和发射光的吸收和发射光的吸收和发射第4页，本讲稿共24页微观粒子能量的量子化微观粒子能量的量子化能级能级微观粒子只能处于一系列本征状态微观粒子只能处于一系列本征状态每一状态具有分立的能量值每一状态具有分立的能量值能级能级能级简并：能级简并：粒子有多种状
2、态具有同样的能量能级简并度：能级简并度：具有同样的能量粒子状态数目Eground stateexcited state第5页，本讲稿共24页粒子的能量 玻耳兹曼分布为动态分布玻耳兹曼分布为动态分布玻耳兹曼分布为动态分布玻耳兹曼分布为动态分布-玻耳兹曼分布第6页，本讲稿共24页 若若 f2 f 1，则两能级上的原子数目之比，则两能级上的原子数目之比 数量级估计：数量级估计：T 300 K；kT1.3810-20 J 0.026 eV;E 2-E 11eV；1.2mE 2-E 10.1eV；12m第7页，本讲稿共24页光场与物质相互作用光场与物质相互作用光场与物质相互作用光场与物质相互作用第8页，
3、本讲稿共24页自发跃迁和自发辐射自发跃迁和自发辐射发光前发光前发光后发光后 自发跃迁自发跃迁:微观粒子微观粒子自发地自发地自发地自发地从一个状态到另一状态的过程从一个状态到另一状态的过程 跃迁跃迁:微观粒子从一个状态到另一状态的过程微观粒子从一个状态到另一状态的过程 自发辐射自发辐射:微观粒子以发光的形式发生自发跃迁微观粒子以发光的形式发生自发跃迁第9页，本讲稿共24页自发跃迁几率自发跃迁几率自发跃迁几率自发跃迁爱因斯坦系数自发跃迁爱因斯坦系数自发跃迁寿命自发跃迁寿命n1n2 如果某激发态能级的寿命相对其它能如果某激发态能级的寿命相对其它能如果某激发态能级的寿命相对其它能如果某激发态能级的寿命
4、相对其它能 级长得多，则称此能级为级长得多，则称此能级为级长得多，则称此能级为级长得多，则称此能级为亚稳态能级亚稳态能级亚稳态能级亚稳态能级 第10页，本讲稿共24页第11页，本讲稿共24页第12页，本讲稿共24页自发辐射发光：自发辐射发光：自发辐射发光：自发辐射发光：各原子自发辐射发出的光彼此独立各原子自发辐射发出的光彼此独立各原子自发辐射发出的光彼此独立各原子自发辐射发出的光彼此独立 频率、偏振、相位等不一定相同频率、偏振、相位等不一定相同频率、偏振、相位等不一定相同频率、偏振、相位等不一定相同为为为为非相干光非相干光非相干光非相干光。第13页，本讲稿共24页受激跃迁和受激辐射发光前发光前
5、发光后发光后第14页，本讲稿共24页受激辐射发光：产生的光子与外来光子具有相同的特征：频率、相位、振动方向均相同，即属于同一模式或光子态，受激辐射光为相干光相干光1 12 24 48 8强相干光强相干光即即激光激光激励(泵浦或抽运)第15页，本讲稿共24页吸收前吸收前吸收后吸收后受激吸收第16页，本讲稿共24页受激辐射和受激吸收几率受激辐射跃受激辐射跃迁几率迁几率n1n2受激辐射跃迁爱因受激辐射跃迁爱因斯坦系数斯坦系数受激吸收跃受激吸收跃迁几率迁几率受激吸收跃迁爱因受激吸收跃迁爱因斯坦系数斯坦系数第17页，本讲稿共24页 当光与原子相互作用时，总是同时当光与原子相互作用时，总是同时 存在这三种
6、过程存在这三种过程光场能量粒子能量自发辐射受激辐射受激吸收可能达到平衡也可能达不到平衡第18页，本讲稿共24页黑体热辐射黑体热辐射1.绝对黑体又称黑体：绝对黑体又称黑体：某一物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射某一物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射。自自然界中绝对黑体是不存在的然界中绝对黑体是不存在的 2.空腔辐射体是一个比较理想的绝对黑体空腔辐射体是一个比较理想的绝对黑体 3.平衡的黑体热辐射：辐射过程中始终保持温度平衡的黑体热辐射：辐射过程中始终保持温度T不变不变第19页，本讲稿共24页在量子假设的基础上，由处理大量光子的量子统计理论得到真空中 与温度T及频率 的关系，即为普朗克黑体辐射的单
7、色辐射能量密度公式式中k为波尔兹曼常数。4.辐射能量密度公式辐射能量密度公式单色辐射能量密度 ：辐射场中单位体积内，频率在 附近的单位频率间隔中的辐射能量黑体热辐射黑体热辐射总辐射能量密度:第20页，本讲稿共24页A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。称为爱因斯坦系数。爱因斯坦在爱因斯坦在 1年从理论上得出年从理论上得出爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。获得激光奠定了理论基础。没有实验家没有实验家,理论家就会迷失方向。理论家就会迷失方向。没有理论家没有理论家,实验家就会迟疑不决。实验家就会迟疑不决。B21 =B12第21页，本讲稿共24页主要知识点回顾光的电磁描述：本征模式，波矢，频率 模式简并，模式简并度 能量密度，光强光的电磁描述和量子描述的关系光场相干性的光子描述：能量密度，相干光强量子描述：波粒二象性，光子态，光子简并度第22页，本讲稿共24页主要知识点回顾能级，能级简并，能级简并度自发辐射：自发辐射几率，自发辐射爱因斯坦系数 能级寿命 自发辐射光的特点受激发射和受激吸收：受激吸收和受激发射几率，受激吸收和发射爱因斯坦系数 受激辐射光的特点玻耳兹曼分布辐射发光与原子能级的关系能级与发射光谱间的关系第23页，本讲稿共24页第24页，本讲稿共24页