nullnull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;6-1000Knull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null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) = C’T5
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
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null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h>>kT, 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T=1500K,l=500nm第二部分
光与物质的
相互作用null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