[激光原理与应用-17]：《激光原理与技术》-3- 激光的产生原理：微观粒子能级电子光子受激辐射

Posted 2022-12-13 文火冰糖的硅基工坊

目录

第1章 微观粒子的能级与玻尔兹曼分布

1.1 宏观物理的物理规律：

1.2 微观粒子的物理规律：

1.3 微观粒子能量的离散化：能级与跃迁

1.4 微观粒子位置的不确定性分布：玻尔兹曼分布

 第2章 光的产生

2.1 自发辐射

2.2 受激接收

2.3 受激辐射

---

第1章 微观粒子的能级与玻尔兹曼分布

1.1 宏观物理的物理规律：

科学研究的对象是客观物质世界。在物理学的长期发展中人们将所研究的客观物质世界按其大小分成两个范围，一个是宏观世界，一个是微观世界。两者是相对而言的。

人们把由大量分子、原子和光子组成的物体称做宏观物体，如牛顿力学描述的质点、电磁场（或光）等等。这些宏观物体的总和构成了物理学研究的宏观世界。宏观世界满足的规律称为宏观规律。经典力学、经典电磁理论、经典统计理论都是描述宏观世界的理论。

与此相反，人们把分子、原子、原子核、质子、中子、电子、光子等称为微观客体。微观客体遵循的物理学规律称为微观规律，它们与宏观规律有着极大的差别。符合微观规律的客观物质世界称为微观世界。量子理论就是描述微观世界的一种理论。激光研究的电子与光子的相互作用关系！不同不同原子的不同能量级之间电子的跃迁与不同频率的光子一一对应。

宏观世界亦称“大宇宙”。是宏观物体和宏观现象的总称。肉眼能见的物体都是宏观物体。宏观现象一般指宏观物体和场在宏观的空间范围内的各种现象，如人的活动，电磁波的传播等，有时运动量很大的微观粒子在大范围内的现象也称宏观现象，如加速器中基本粒子的运动等。再看，宇宙天体，广漠辽阔的天体，我们看到的是一片蓝天，其实它是由各种天体组成的：太阳系、银河系、总星系。人类借助现代天文望远镜，已经可以看到10多亿颗星球。宇宙空间并非是空白，而是由亿万颗星球天体组成的“大家庭”。

1.2 微观粒子的物理规律：

光子是微观粒子，有必要了解一下微观世界中微观粒子的物理规律

1.3 微观粒子能量的离散化：能级与跃迁

 

光子能量是能量单载光子。

光子的能量与电磁辐射频率成正比，因此，等价地，与波长成反比。

光子频率越高，能量越高。同样地，光子的波长越长，其能量就越低。

光子即光量子（light quantum），电磁辐射的量子，传递电磁相互作用的规范粒子，记为γ。

其静止质量为零，不带电荷，其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积，E=hv，

 

 

1.4 微观粒子位置的不确定性分布：玻尔兹曼分布

在微观世界中，我们无法预知每个粒子的确切的位置，但我们可以知道众多粒子的分布规律。

玻尔兹曼分布是描述理想气体在受保守外力作用或保守外力场的作用不可忽略时，处于热平衡状态下的气体分子按能量的分布规律。

麦克斯韦-玻尔兹曼分布是一个描述一定温度下微观粒子运动速度的概率分布，在物理学和化学中有应用。最常见的应用是统计力学的领域。任何（宏观）物理系统的温度都是组成该系统的分子和原子的运动的结果。这些粒子有一个不同速度的范围，而任何单个粒子的速度都因与其它粒子的碰撞而不断变化。

然而，对于大量粒子（不是个别粒子）来说，处于一个特定的速度范围的粒子所占的比例却几乎不变，如果系统处于或接近处于动态平衡。

麦克斯韦-玻尔兹曼分布具体说明了这个比例，对于任何速度范围，作为系统的温度的函数。

它以詹姆斯·麦克斯韦和路德维希·玻尔兹曼命名。

 

 第2章 光的产生

2.1 自发辐射

 自发辐射是在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级（激发态）向低能级（基态）跃迁，同时辐射出一个光子的过程。该过程也是我们日常生活中许多光源的辐射机理，像霓虹灯、荧光灯、LED等常见光源辐射本质上都属于自发辐射。

​

自发辐射中，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。

在没有外来作用的情况下，处于激发态的原子自发地向低能态或基态跃迁时辐射光子的现象。

一般光源的发光过程多属发光原子的自发辐射过程

量子力学体系的状态在外界作用下发生跳跃式变化的过程。原子在光的照射下从高（低）能级跳到低（高）能级的现象，就是一种量子跳跃过程。在不受光照的条件下，处于激发状态的原子在电磁场真空的作用下仍可跃迁到较低能级，称为自发跃迁。根据能量守恒定律，量子跃迁前后两状态的能量是不同的，放出或吸收一个光子，将有hv的能量差。量子跃迁是一种随机现象，具有明显的概率统计性。这是量子力学规律的根本特征。

根据能量守恒，辐射出去的能量来源于两个方面：

（1）物体自身的热量，随着辐射的过程，物体的温度要降低。

（2）其他能量的转换，如电能、生物能、其他热能等。

​

2.2 受激接收

​

受激吸收是处于低能级El的原子，受到外来光子的激励下，在满足能量恰好等于低、高两能级之差ΔE时，该原子就吸收这部分能量。

能够被吸收的光子的频率取决于E2和E1能级的能量差。与光子自身的能量的大小无关。只与光子的频率相关。

​

这为后续自发辐射或受激发射创造了条件。

在一个宏观系统中，有多少个粒子处于“受激接收”，实际上是一个动态变化的过程，但总体概率符合概率分布的规律。

2.3 受激辐射

​

​

受激辐射，即处于激发态的发光原子在外来辐射场的作用下，向低能态或基态跃迁时，辐射光子的现象。此时，外来辐射的能量必须恰好是原子两能级的能量差。受激辐射发出的光子和外来光子的频率、位相、传播方向以及偏振状态完全相同。这是与自发辐射从高能态向低能态跳转时发出的光子在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性是完全不同的。

受激辐射是产生激光的必要条件，如下图所示：

​

​

 ​

 ​

备注：

（1）幅度

在受激辐射模式下，对外来的入射光子的强度和功率要求不高，但对频率或波长的精度要求却很高，因此，受激辐射只接收特定波长的光子，并产生大量同频率（波长）的光子。

（2）种子源

种子源是一种低功率、低能量、但频率或波长高稳定性的激光源，可以是连续激光源，也可以是高稳定性的脉冲激光源。如皮秒激光器的1064ns激光源。