第一章光的吸收和发射课件

激光光谱学激光光谱学奚婷婷奚婷婷中国科学院研究生院物理学院中国科学院研究生院物理学院激光光谱学奚婷婷1office hour:周三周三3、4节节，N606课程要求课程要求:30%平时平时+70%笔试笔试联系方式联系方式:office hour:周三3、4节，N606课程要求:2参考书参考书:1.Wolfgang Demtrder,Laser Spectroscopy:Basic Concepts and Instrumentation 3rd Edition Spinger-Verlag Berlin Heidelberg New York2.W.戴姆特瑞德，激光光谱学：基本概念和仪器手 段，科学出版社，北京，19893.A.科尼，原子光谱学和激光光谱学，科学出版社，北京，19844.光的量子论，R.Loudon,1992参考书:1.Wolfgang Demtrder,Las3第一章第一章 光的吸收和发射光的吸收和发射立方腔立方腔1.1 1.1 腔模腔模第一章 光的吸收和发射立方腔1.1 腔模4驻波驻波腔模腔模对于每一个对于每一个有两个独立的方向有两个独立的方向每组每组对于两个腔模对于两个腔模驻波腔模对于每一个有两个独立的方向每组对于两个腔模5模的数目模的数目:在一定频率范围内，单在一定频率范围内，单位体积的模数位体积的模数:模的数目:在一定频率范围内，单位体积的模数:61.2 1.2 热辐射和普朗克定律热辐射和普朗克定律光子光子辐射场吸收和发射的能量只能是辐射场吸收和发射的能量只能是配分函数配分函数每个模的平均能量每个模的平均能量能量密度能量密度一个模含有能量一个模含有能量的几率的几率1.2 热辐射和普朗克定律光子辐射场吸收和发射的能量只能是配7自发辐射受激辐射受激吸收1.3 1.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射受激辐射受激吸收1.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收8A21自发辐射系数自发辐射系数B21受激辐射系数受激辐射系数B12受激吸收系数受激吸收系数A21,B21与与B12统称为爱因斯坦系数统称为爱因斯坦系数A21自发辐射系数B21受激辐射系数B12受激吸收系数A219爱因斯坦系数的关系爱因斯坦系数的关系(A21,B21与与B12)考虑一个达到热平衡的空腔系统考虑一个达到热平衡的空腔系统组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数相等组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数相等空腔中的辐射场将有一个稳定的分布空腔中的辐射场将有一个稳定的分布各能级粒子数符合玻尔兹曼分布各能级粒子数符合玻尔兹曼分布爱因斯坦系数的关系(A21,B21与B12)考虑一个达到10热辐射场中每个模的平均光子数热辐射场中每个模的平均光子数热辐射场中每个模的平均光子数111.4 吸收和色散吸收和色散电偶极矩电偶极矩折射率的经典模型折射率的经典模型极化强度极化强度其中其中1.4 吸收和色散电偶极矩折射率的经典模型极化强度其中12极化强度极化强度折射率折射率得到折射率得到折射率在压强足够低的气体介质中，折射率接近于在压强足够低的气体介质中，折射率接近于1这时，可以近似：这时，可以近似：极化强度折射率得到折射率在压强足够低的气体介质中，折射率接近13克喇末克喇末-克朗尼格色散关系克朗尼格色散关系克喇末-克朗尼格色散关系14克喇末克喇末-克朗尼格色散关系克朗尼格色散关系在分子跃迁频率在分子跃迁频率 附近的范围内附近的范围内色散关系简化为：色散关系简化为：克喇末-克朗尼格色散关系在分子跃迁频率 附近的范围内色15在分子跃迁中心频率附近的色散关系在分子跃迁中心频率附近的色散关系在分子跃迁中心频率附近的色散关系16电磁波电磁波描述光强的衰减描述光强的衰减其中其中 是吸收系数是吸收系数电磁波描述光强的衰减其中 是吸收系数17当吸收系数与光强无关时当吸收系数与光强无关时线性吸收的线性吸收的Beer定律定律当吸收系数与光强无关时线性吸收的Beer定律18振子强度振子强度钠原子能级图钠原子能级图振子强度钠原子能级图191.5 跃迁几率跃迁几率能级能级的平均自发寿命的平均自发寿命自发辐射自发辐射总跃迁几率总跃迁几率个分子发生跃迁个分子发生跃迁 而发射的辐射功率而发射的辐射功率1.5 跃迁几率能级的平均自发寿命自发辐射总跃迁几率个分子发20碰撞感生无辐射跃迁碰撞感生无辐射跃迁受激辐射受激辐射其中其中平均寿命平均寿命碰撞感生无辐射跃迁受激辐射其中平均寿命211.6 线性吸收和非线性吸收线性吸收和非线性吸收其中其中强度为强度为I的波沿的波沿z方向通过吸收样品时，强度衰减：方向通过吸收样品时，强度衰减：不因与辐射场的作用而显著改变时不因与辐射场的作用而显著改变时当粒子数密度当粒子数密度线性吸收线性吸收1.6 线性吸收和非线性吸收其中强度为I的波沿z方向通过吸收22非线性吸收非线性吸收不再正比于不再正比于强度为强度为I的波沿的波沿z方向通过吸收样品时，强度衰减：方向通过吸收样品时，强度衰减：非线性吸收不再正比于强度为I的波沿z方向通过吸收样品时，强度23以二能级系统为例说明非线性吸收以二能级系统为例说明非线性吸收二能级系统的速率方程：二能级系统的速率方程：其中其中稳定条件下：稳定条件下：以二能级系统为例说明非线性吸收二能级系统的速率方程：其中稳定24稳定条件下：稳定条件下：二能级吸收系数：二能级吸收系数：取：取：其中：其中：稳定条件下：二能级吸收系数：取：其中：251.7 相干性相干性时间相干时间相干辐射场中点辐射场中点P的场振幅作为扩展光的场振幅作为扩展光源各不同点出发的分波的叠加源各不同点出发的分波的叠加空间相干空间相干1.7 相干性时间相干辐射场中点P的场振幅作为扩展光源各不同26时间相干性时间相干性迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪时间相干性迈克尔逊干涉仪27空间相干性空间相干性杨氏双缝实验杨氏双缝实验空间相干性杨氏双缝实验28相干体积相干体积相干长度相干长度相干面积相干面积相干体积相干体积相干体积相干长度相干面积相干体积29