二部分II光与物质作

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 5.67 x 10-8 W.m-2.K-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 2.897 x 10-3 m.K 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 2.898 1.449 0.966 0.725 0.580 0.483 0.415 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) CT5 式中 C = 1.301 X 10-15 W.cm-2. m -1.K-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 = 1.381 x 10-23 J/K; h = 6.626 x 10-34 J.s 在短波部分，由于 hkT, 则 e(h/kT) 1, 普朗克公式变为维恩公式； 在长波部分， h n2 W12 W21 (设 f1 f2) 受激辐射 受激吸收 吸收 9 3 3 21 21 102 1 1 8 kThsp s t e eh c A B I I hBNIhANI s t esp 212212 T=1500K,=500nm 第二部分 光与物质的 相互作用 激光的基本原理及特性 自发辐射 受激辐射 自发辐射： 原子在不受外界辐射场控制情况下的自发过程；大量原子的自发辐射场的相位是无规则 分布的，因而是不相干的。此外，自发辐射场的传播方向和偏振方向也是无规则分布的， 即自发辐射平均地分配到腔内所有模式上。 受激辐射： 是在外界辐射场的控制下的发光过程，即各原子的受激辐射的相位不在是无规则分布，而 是具有和外界辐射场相同的相位。受激辐射光子与入射（激励）光子属于同一光子态；即 受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振。即受激辐射 场与入射辐射场属于同一模式。 第二部分 光与物质的 相互作用