第二部分-(II)-光与物质作用.ppt
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1、,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
2、下实验定律。,黑体辐射的功率谱 12000K;21800K;31600K 41400K;51200K;61000K,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
3、,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
4、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(
5、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,hkT, 则e(h/kT) 1 + (h/kT), 普朗克公式则过渡到瑞利金斯公式。 普朗克公式正确地反映了黑体辐射规律。 三个公式的关系如图所示。,有关黑体的辐射出射度的三个公式的比较,第二部分 光与物质的 相互作用,激光的基本原
6、理及特性,(二)、自发辐射、受激吸收和受激辐射 跃迁:组成物质的微观粒子(原子、分子和离子)从一种能量状态变到另一能量状态。 无辐射跃迁:跃迁过程没有吸收和辐射光子。 辐射跃迁:原子能级的变化是通过吸收和发射光而实现的。 这种跃迁可分为三种过程:自发辐射、受激吸收和受激发射。 1、自发辐射 自发辐射跃迁几率A21: 在单位时间内,E2能级上n2个 粒子数中发生自发跃迁的粒子数 与n2的比值。考虑二能级情况: E1和E2,则在dt时间内,由高能级 E2自发辐射跃迁到低能级E1的粒子 数计为dn2,则A21可表示为 A21 (dn21/dt)自发(1/ n2) 自发跃迁是一个只与原子特性有关 而与
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- 第二 部分 II 物质 作用
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