第九章-光的量子性和激光分解

第九章光的量子性和激光

§1熱輻射1．熱輻射和光的非熱放射1）輻射的定義：不靠對流、（碰撞）傳導，依靠放射電磁波傳遞能量。2）輻射（光的放射）的分類：按能量的補給方式不同，輻射分為熱輻射和非熱放射。3）熱輻射（1）熱輻射：不斷加熱，維持物體溫度，保持持續(xù)發(fā)光。（2）平衡熱輻射（溫度輻射）：吸取的熱量恰好等于放射削減的能量，可以用恒定的溫度來描述。如太陽、白熾燈的輻射。4）非熱放射（1）電致放射：電能轉(zhuǎn)化為光能的發(fā)光。如日光燈、水銀燈的發(fā)光過程。（2）光致發(fā)光：

用光激發(fā)發(fā)光體的發(fā)光。如熒光粉發(fā)出的熒光，磷光物質(zhì)發(fā)出的磷光。（3）化學發(fā)光：由化學反應釋放能量引起的發(fā)光。如磷緩慢氧化發(fā)出的光。（4）生物化學發(fā)光：生物體內(nèi)的發(fā)光，如螢火蟲體內(nèi)熒光素氧化反應的發(fā)光。5）熱輻射和非熱放射的區(qū)分（1）能量補給方式不同：熱輻射依靠加熱補給能量，非熱放射依靠電能、光能、化學能補給能量。（2）能量轉(zhuǎn)化的方式不同：熱輻射：輻射能來自原子或分子的無規(guī)熱運動能量，不發(fā)生內(nèi)部狀態(tài)的變更。非熱放射：輻射能來自原子或分子內(nèi)部狀態(tài)的變更、即能級間的躍遷輻射。（1）只要物體的溫度，就有熱輻射。6）熱輻射的特點（2）熱輻射譜是連續(xù)譜。（3）在固、液和氣體中均可發(fā)生。（4）黑體輻射譜線的形態(tài)僅由溫度確定。（5）是平衡狀態(tài)下的輻射，也稱溫度輻射。2．描述輻射場的物理量1）輻射場的能量密度及其譜密度：單位體積內(nèi)全部頻率的總輻射能，單位：焦耳/立方米（）。：單位體積內(nèi)在頻率旁邊單位頻率間隔中的輻射能，單位：焦耳/立方米赫茲（）2）輻射通量及其譜密度：：單位時間內(nèi)通過輻射場中某一截面的輻射能，即通過該截面的輻射功率，單位：瓦（W）。：單位波段內(nèi)的輻射通量，單位：瓦/赫茲（）。其中：是從面元發(fā)出的輻射通量的譜密度。：單位波段內(nèi)的輻射本事，單位：瓦/平方米赫茲（）。3）輻射本事及其譜密度：：輻射源單位表面積（向半球空間）發(fā)出的輻射通量，單位：瓦/平方米（）。4）輻射照度及其譜密度：：照射到物體單位表面積上的輻射通量，單位：瓦/平方米（）。：單位波段內(nèi)的輻射照度，單位：瓦/平方米赫茲（）。其中：是投射到面元上的輻射通量的譜密度。5）與的關系式可以證明，在各向同性條件下：6）吸取本事：吸取的與照射的輻射通量的譜密度之比。是無量綱量。3．基爾霍夫熱輻射定律1）基爾霍夫熱輻射定律平衡熱輻射中任何物體的與之比等于普適函數(shù)，與物體的性質(zhì)無關。2）對基爾霍夫熱輻射定律的說明（1）絕熱腔中放置多個不同材料的物體（2）容器內(nèi)部抽成真空，物體間只能通過熱輻射交換能量。（3）容器壁為志向反射體，整個體系

成為孤立系。（4）系統(tǒng)熱平衡后，到處勻整,不隨時間變更。（5）且：，

平衡態(tài)下，腔內(nèi)輻射場應是勻整、穩(wěn)定且各向同性，因此系統(tǒng)中的各個物體得到的輻射照度的譜密度應當相等。即：標準能譜：與物質(zhì)無關的普適函數(shù)因此有：3）基爾霍夫熱輻射定律對熱輻射現(xiàn)象的說明說明如下的熱輻射現(xiàn)象：白底黑三角磁盤加熱到時，白底處變暗了，黑三角處變亮了。加熱前加熱后黑三角處輻射本事更大，顯得更亮。白底處特點：?。ㄒ簿托。?，但反射率高。黑三角處特點：大（也大），反射率低。常溫下：很低，看到的主要是反射光，白底處反射率高，白底顯得較亮。高溫下：明顯增大，輻射占主導地位，（2）但，4．確定黑體和黑體輻射1）確定黑體的含義：的物體，簡稱黑體。2）確定黑體的基爾霍夫定律和性質(zhì)：留意：（1）確定黑體不反射能量輻射本事最大，能夠輻射能量。3）確定黑體的制造確定黑體是理性化的物體，自然界的任何物體都不是真正的確定黑體。把側(cè)面帶孔的空腔內(nèi)部涂黑，器壁上安裝很多黑色帶孔的橫壁，就制成了特別志向的“確定黑體”。留意：小孔才是“確定黑體”

4）黑體輻射譜的測量及其試驗規(guī)律（1）試驗裝置和光路（2）黑體輻射的試驗曲線（3）試驗曲線的特點（a）呈中間凸起的曲線形，及（）處趨于零。（b）溫度上升時曲線整體上升（c）隨溫度上升曲線極大值對應的波長向短波方向移動5．斯特藩－玻耳茲曼定律和維恩位移定律1）斯特藩－玻耳茲曼定律：斯特藩－玻耳茲曼常數(shù)2）維恩位移定律；T增高，曲線峰值左移。維恩常數(shù)：3）由維恩位移定律得到的一些結(jié)論（1）溫度不太高時，熱輻射的絕大部分是紅外線（2）時，（3）（太陽表面的溫度）時，，這是青色光的波長。此時全部可見光都較強，人眼的感覺是白色光，因此，這個溫度的光譜稱為白光光譜，所以太陽光是白光。6．黑體輻射的經(jīng)典理論及其與試驗的沖突1）維恩公式維恩假設：黑體輻射由很多可視為諧振子的分子的輻射形成，頻率為的輻射只與速率為的輻射物質(zhì)的分子有關，頻率正比于分子的動能：，由此推導出按頻率的輻射分布公式：維恩公式在短波區(qū)與試驗曲線符合得較好，在長波區(qū)則偏離試驗曲線較大。2）瑞利－金斯公式從能量按自由度均分定律動身，得到黑體輻射本事為：瑞利認為諧振子的能量連續(xù)分布，依據(jù)玻耳茲曼分布率，在熱平衡態(tài)下，振子具有能量的概率正比于是玻耳茲曼常數(shù)。則：得到如下的輻射分布公式：瑞利－金斯公式在長波區(qū)與試驗曲線符合得很好但時，歷史上有人稱為“紫外災難”。說明經(jīng)典物理學無法說明黑體輻射，預示著物理學面臨一場革命性的變革！假設處于輻射場中的系統(tǒng)由大量包含各種固有頻率的諧振子組成，頻率為的諧振子能量的取值只能是基本單元的整數(shù)倍。7．能量子假說與普朗克公式1）能量子假說1900年普朗克大膽提出了普朗克能量子假設：稱為普朗克常數(shù)諧振子只能以離散形式，一份一份的放射或吸取能量。2）普朗克公式依據(jù)普朗克能量子假設可以得到：令：利用：可求得：即：帶入前面的黑體輻射公式：就得到：稱為黑體輻射的普朗克公式。3）探討（3）經(jīng)過長波近似（）（1）普朗克公式與黑體輻射試驗曲線完全吻合，

（2）經(jīng)過短波近似（）普朗克公式化為維恩公式

普朗克公式化為瑞利－金斯公式（4）求黑體輻射曲線下總面積可以得到

斯特藩－玻耳茲曼定律（5）求黑體輻射曲線峰值波長可以得到

維恩位移定律（6）從經(jīng)典的眼光看來這個假說是如此不行思議，就連普朗克本人也感到難以信任（7）但試驗事實迫使我們承認，不但諧振子的能量是量子化的，輻射場也是量子化的?。?）普朗克因此獲得了1918年諾貝爾物理學獎第九章光的量子性和激光§2光的粒子性和波粒二象性普朗克假設的能量基本單元不僅是數(shù)學模型，具有實在的物質(zhì)載體－光子，由此產(chǎn)生了現(xiàn)代的光的粒子說，可以用光的粒子說成功說明光電效應和康普頓效應。1．光電效應1）光電效應定義：金屬及其化合物在光照下放射電子的現(xiàn)象2）試驗裝置高度真空的石英管（透紫外光），金屬陰極和陽極，電池和轉(zhuǎn)向開關。3）試驗規(guī)律（1）飽和電流與入射光強度成正比。，N：單位時間由陰極發(fā)出的光電子數(shù)目。（2）遏止電壓與入射光強無關。（3）遏止電壓隨入射光頻率增高而線性增大。只要，無論光強多弱，一起先照射就產(chǎn)生光電子，頻率是光電陰極金屬的屬性。（4）存在頻率紅限（5）弛豫時間極短弛豫時間極短，幾乎無法探測。4）經(jīng)典電磁理論與光電效應試驗規(guī)律的沖突依照經(jīng)典電磁理論有：由：得：上述理論與試驗規(guī)律的沖突：（1）只要有光照總能打出電子的結(jié)論無法說明存在頻率紅限（2）遏止電壓與光強成正比的結(jié)論同與光強無關的試驗規(guī)律沖突。（3）電子吸取能量是連續(xù)積累的過程的結(jié)論與弛豫時間極短、無法探測的事實沖突。5）愛因斯坦的光量子假說和對光電效應的說明（1）愛因斯坦的光量子假說：頻率為的光束由光量子（光子）粒子組成，每個光子的能量為（2）愛因斯坦光電效應公式（3）光量子假說對光電效應的說明（a）飽和電流與光強成正比：（b）遏止電壓與頻率成正比、與光強無關：（c）存在頻率紅限：（d）弛豫時間極短：光子與電子的作用是瞬時完成的，電子一次吸取一個光子6）密立根試驗驗證了關系測定了銫、鈹、鈦、鎳等金屬的曲線，測出的和脫出功值與用其它方法的測量相同。2．康普頓效應1）康普頓效應定義：X射線被物質(zhì)散射后，散射光中既有原入射波長的光，還出現(xiàn)更長波長的光。經(jīng)光闌形成直線光束，輻射射線（，）2）試驗裝置：5萬伏高壓的X射線管，鉬靶陰極，布喇格晶體衍射，散射光強用檢測器測量。（1）除方向外3）試驗結(jié)果：（2），稱為康普頓波長。隨增大變大，與散射物質(zhì)無關。（3）對同一散射物質(zhì)(石磨)，強度隨增大減小，強度隨增大變大。對同一散射角，強度隨原子序數(shù)增大增大，強度隨N增大減小。散射光都出現(xiàn)了的譜線。

4）康普頓散射公式康普頓散射是光子與電子的彈性碰撞過程，總能量及總動量均守恒。光子:依據(jù)相對論:電子:

，忽視（1）（）的緣由是：5）康普頓散射的量子說明碰撞光子把部分能量交給自由電子，自身能量削減，頻率變小。越大，碰撞越厲害，自身能量削減越多，越大。（2）與物質(zhì)無關的緣由是：碰撞過程是光子與電子的相互作用，任何物質(zhì)的電子都相同。在方向：（3）同一散射物質(zhì)，強度隨增大減小、強度隨增大變大的緣由是：方向的光子均是未與電子碰撞的光子波長的光子是與原子實碰撞后的光子，因此，隨增大越來越少，波長的光子是與自由電子碰撞后的光子，因此，隨增大越來越多。（4）同一散射角，強度隨原子序數(shù)增大而增大、強度隨N增大減小的緣由是:隨N增大，被原子核束縛形成原子實的電子越來越多，光子與自由電子碰撞的機會越來越少，與原子實碰撞的機會越來越多。因此，散射光中原波長的成分就越來越強、新波長的成分越來越弱。3．波粒二象性1）波粒二象性：既具有波動性又具有粒子性2）實物粒子的波動性全部物質(zhì)都具有波動性，波長為：，稱為德布羅意波。電子在晶體上散射時的電子束強度分布圖與X光在晶體上的衍射強度分布圖特別相像。3）電子的楊氏雙縫試驗顯示的波動性（1）裝置和強度分布

(2）實驗結(jié)論少量電子通過儀器落在屏幕上時，顯示了電子的“粒子性”，分布毫無規(guī)律。隨電子流密度的增加，屏幕上形成了清晰的干涉條紋，顯示了電子的“波動性”。（3）試驗分析及結(jié)論（a）不是大量粒子統(tǒng)計分布（非相干疊加）的結(jié)果（b）也不是兩縫間電子相互作用（碰撞）的結(jié)果單電子通過雙縫后也可以得到清晰的干涉條紋（c）是電子自身干涉的結(jié)果波動是電子本身的固有屬性，每個電子通過一個單縫的幾率各占50%，干涉正是發(fā)生在這兩部分的“幾率波”之間，實物粒子波是幾率波。4）光子與實物粒子的不同之處（1）實物粒子具有靜止質(zhì)量，光子沒有靜止質(zhì)量。（2）實物粒子的速度取小于光速的隨意值，光子的速度只能為。（3）實物粒子的運動可以用確定的軌道來描述，光子沒有確定的軌道。5）光的波粒二象性：這就是我們所說的光的波粒二象性。干涉、衍射和偏振顯示了光的波動性，光電效應和康普頓效應顯示了光的粒子性。光波也是幾率波，光波的干涉是幾率波之間的干涉。光的波動性是指具有可疊加性，光的粒子性是指具有可分割性，6）光波粒子性的可視察性與光波頻率的關系X射線在康普頓散射中顯示的粒子性相當明顯。波長較長時，個別光子不易顯示出可觀的效應，此時，光波顯示的是大量光子的統(tǒng)計行為，即光的波動性。波長越短波，個別光子的粒子性就越明顯?！?玻爾原子模型與愛因斯坦輻射理論1．原子結(jié)構(gòu)經(jīng)典理論的困難原子是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成，依據(jù)牛頓三定律，必定得到如下結(jié)論：它們之間存在著聽從平方反比律的靜電吸引力。（1）電子繞核沿圓或橢圓軌道不斷旋轉(zhuǎn)1）原子結(jié)構(gòu)的經(jīng)典理論2）由經(jīng)典理論必定得到結(jié)論（1）電子旋轉(zhuǎn)是加速運動，必定不斷放射電磁波。（2）動能不斷消耗，受輻射阻力減速，軌道不斷縮小，最終被吸引到核上。（3），軌道越小，周期越短。（2）動能越大，軌道半徑或半長軸越大，沒有動能，會被靜電力吸引到原子核上。3）經(jīng)典理論結(jié)論與試驗事實的沖突試驗事實：（1）電子可以在核的四周處于穩(wěn)定的無輻射狀態(tài)，與被吸引到核上和不斷放射電磁波沖突。（2）原子光譜是線狀分立譜，與應是連續(xù)譜沖突。（3），隨電子軌道不斷縮小，周期不斷減小，放射電磁波的頻率會不斷增大，電磁波譜應是連續(xù)的。2．氫原子光譜中的譜線系1）可見光波段的巴耳末譜線系列（1）閱歷公式：，其中：（氫的里德伯常數(shù)）（2）譜圖（3）計算值和試驗觀測值的比較符合得很好其中：：正整數(shù)，。2）另外一些譜線序列（1）普遍的譜線公式：（2）譜線公式的改寫形式光譜項：譜線波長的倒數(shù)等于一對光譜項之差。依據(jù)經(jīng)典理論，譜線系的這種規(guī)律性根本無法理解。3．玻爾假說1）玻爾假說的內(nèi)容（1）原子存在某些定態(tài)，定態(tài)能量只能取分立值，…，。（2）原子從一個定態(tài)躍遷到另確定態(tài)時，才發(fā)出或吸取電磁輻射。發(fā)出或吸取的是滿足玻爾頻率條件的單色電磁輻射：或:

，這些定態(tài)能量的值叫做能級。原子能級中能量最低的叫做基態(tài)，兩個過程都滿足波耳頻率條件。自下而上依次為第一激發(fā)態(tài)、其次激發(fā)態(tài)等。從高能級向低能級躍遷是光的放射過程。從低能級向高能級躍遷是光的吸取過程。2）玻爾頻率條件對光譜線系公式的說明將代入玻爾頻率條件公式可得：，或:

。與式比較得：探討：（1）和分別與能級、成正比。（2）負號表示原子中的能級是負的。稱為（主）量子數(shù)。（3）

4．粒子數(shù)按能級的統(tǒng)計分布1）玻耳茲曼正則分布律能級上原子數(shù)目的多少聽從統(tǒng)計分布規(guī)律，達到熱平衡態(tài)后：其中：：玻耳茲曼常數(shù)2）各能級上粒子數(shù)的比較（1）熱平衡態(tài)中兩能級上原子數(shù)之比的公式（2）高能級上的原子數(shù)總小于低能級上的原子數(shù)（3）兩者之比由體系的溫度確定（4）常溫熱平衡狀態(tài)下，基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)粒子數(shù)的比較若:則：氣體中幾乎全部原子處在基態(tài)。第九章光的量子性和激光§3玻耳原子模型與愛因斯坦輻射理論5．自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸取1916年愛因斯坦首先提出光的吸取和放射的三種基本過程。1）受激吸?。狠^低能級的粒子吸取一個光子，躍遷到較高能級過程前過程后2）自發(fā)輻射：較高能級的粒子，自發(fā)地放射一個光子，躍遷到較低能級。過程前過程后3）受激輻射：較高能級的粒子在光子激勵下躍遷到較低能級，并放射一個同頻率光子（1）上述三種過程均滿足如下關系式或

探討：

（2）自發(fā)輻射是隨機過程，帶有偶然性，放射的光子（或光波）的相位、偏振態(tài)、傳播方向等特性均具有隨機性質(zhì)，輻射的光波是非相干的。（3）受激輻射放射的光子的頻率、傳播方向、相位、偏振態(tài)等特性保持與入射光子全同，輻射的光波是相干的。：頻率滿足的外界光場的光子數(shù)密度4）受激吸取的愛因斯坦關系：受激吸取的躍遷幾率：受激吸取的愛因斯坦系數(shù)5)自發(fā)輻射的愛因斯坦關系：自發(fā)輻射的愛因斯坦系數(shù)和自發(fā)輻射的躍遷幾率。6）受激輻射的愛因斯坦關系：受激輻射的愛因斯坦系數(shù)：受激輻射的躍遷幾率單位時間內(nèi)由躍遷到的粒子總數(shù)：7）愛因斯坦系數(shù)之間的關系單位時間內(nèi)由躍遷到的粒子總數(shù)：達到細致平衡（每對能級之間粒子的交換都達到平衡）時即：

達到熱平衡狀態(tài)時有：且：

將上兩式代入公式：對應系數(shù)分別相等得：

探討：（1）受激輻射和受激吸取的躍遷幾率相等（2）越難激發(fā)上去的能級，自發(fā)躍遷下來的幾率越小。（3）愛因斯坦系數(shù)是原子本身的屬性，與原子按能級的分布狀況無關。因此，雖然兩個公式是在細致衡條件下得到的，但適用于普遍情況。（4）上述的愛因斯坦輻射理論為激光的獨創(chuàng)奠定了理論基礎6．粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)若受激吸取與受激輻射同時發(fā)生（1）若，表現(xiàn)為光的吸取或光損耗。由上式可知：（2）若，，表現(xiàn)為光的放大或光增益，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。此時，新增加的光子狀態(tài)與入射光子狀態(tài)全同，可以實現(xiàn)受激輻射放大或稱光的相干大。2）抽運過程（5）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)體系是非熱平衡體系，抽運過程是非平衡過程。（1）定義：將粒子的低能級狀態(tài)轉(zhuǎn)化成高能級狀態(tài)的過程（2）所需激勵能量：由外界能源供應（如光輻射、放電、化學反應等）。（3）抽運過程是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的不行缺少的過程（4）實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的首要條件7．能級壽命1）定義：

粒子在某能級上停留的平均時間，稱為在該能級上的平均壽命或壽命。2）自發(fā)輻射的衰減公式設：

（3）是上粒子數(shù)削減到（36％）經(jīng)驗的時間。（2）

具有時間倒數(shù)的量綱（4）

反映了粒子平均在上停留時間的長短，稱為平均壽命或壽命。（1）愈大，削減愈快，留在上的粒子數(shù)愈少。探討（3）亞穩(wěn)態(tài)：長壽命的激發(fā)態(tài)，，甚至。（2）實際壽命：粒子間碰撞或其它外界干擾形成的壽命,比自然壽命（）小幾個數(shù)量級。（1）（自然）壽命：上只與自發(fā)輻射過程對應的壽命，3）雙能級粒子體系的能級壽命設、、…分別代表從自發(fā)輻射到、、…能級的躍遷幾率4）多能級粒子體系的能級壽命則多能級粒子體系中能級上的壽命應為：§4激光的產(chǎn)生“Laser”是“LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”的縮寫。1．激光器的結(jié)構(gòu)1）一般激光器的結(jié)構(gòu)：激光工作物質(zhì)、激勵系統(tǒng)以及光學諧振腔2）激勵能源供應激光工作物質(zhì)能量，抽運粒子到較高激發(fā)態(tài)上，為實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)建條件。3）激光工作物質(zhì)（激活介質(zhì)或增益介質(zhì)）（1）定義：用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的粒子體系，是激光器的核心。（2）種類：固體（如晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導體和液體等介質(zhì)。4）兩類激光器（1）激光振蕩器：具有光學諧振腔，激光在腔內(nèi)多次來回形成持續(xù)振蕩。（2）激光放大器：不具有光學諧振腔，入射激光通過增益介質(zhì)獲得單次或有限次數(shù)行波式放大。（3）特性：具有合適的能級結(jié)構(gòu)和好的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)特性（1）定義：有基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的能級系統(tǒng)（2）

時，，絕大多數(shù)粒子處于基態(tài)。2．激活介質(zhì)中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的實現(xiàn)1）二能級系統(tǒng)不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（3）抽運過程（b）當接近時，由于，同時存在的自發(fā)輻射過程，會始終多于，無法實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（）。（a）剛起先時：，由和可知，隨著光子數(shù)的快速增加，向上躍遷的粒子數(shù)遠大于向下躍遷的粒子數(shù)，很快削減，快速增加。2）三能級系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但效率不高。（c）為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長，新增加的粒子能夠保持在上。（b）態(tài)壽命極短，抽運到上的粒子很快通過碰撞無輻射躍遷到上。削減的能量變成熱運動能量。（a）隨著快速增加，上的粒子被快速抽運到上，快速削減。（1）三能級中，為基態(tài)，和為激發(fā)態(tài)，又是亞穩(wěn)態(tài)。（2）抽運過程（f）當有的外來光激發(fā)時，便會發(fā)生受激輻射（外激式）。（e）不斷增多，加之原有的粒子，是亞穩(wěn)態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)。（d）不斷削減，新不斷無輻射躍遷到上，始終少于，不斷被抽運。（g）工作物質(zhì)最初的幾個自發(fā)輻射光子也能引起受激輻射（自激式）。抽運前粒子幾乎全部處于基態(tài)，只有激勵能源很強、抽運很快。才能實現(xiàn)。（3）梅曼（T.H.Maiman）于1960年制成的第一臺紅寶石激光器，就是一個三能級系統(tǒng)激光器。（4）該系統(tǒng)效率不高的緣由：3）四能級系統(tǒng)簡潔實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（4）向上無輻射躍遷愈快，向上過渡愈快，工作效率愈高。（3）上粒子數(shù)原來很少，只要上粒子稍有增加，就會達到。（1）四能級系統(tǒng)中，為基態(tài)，、和為激發(fā)態(tài)，又是亞穩(wěn)態(tài)。（2）在亞穩(wěn)態(tài)和激發(fā)態(tài)之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。（5）He－Ne激光器是四能級系統(tǒng)。比如：He－Ne激光器：，氬離子激光器：輻射的波長數(shù)更多，最強的是：和。4）二、三或四能級圖僅是簡化模型激光工作物質(zhì)的實際能級系統(tǒng)比較困難，可以放射多種波長的激光。5）實現(xiàn)粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)的條件：工作物質(zhì)存在亞穩(wěn)態(tài)，有激勵源供應能量。隨按指數(shù)增長其中是增益系數(shù)。3．工作物質(zhì)的增益系數(shù)1）增益公式（1）試驗曲線顯示增益隨輸出光強增加下降2）增益系數(shù)隨輸出光強增加下降增益曲線(b)光強越強，意味著越多，下降得越快。(a)越大，增益越強。（2）說明(c)

導致變小，增益也就隨之下降。一般由一對相距為的反射鏡（平面或球面）組成。平面諧振腔中：一個全反射鏡的，另一個的。4．光學諧振腔的作用1）光學諧振腔的結(jié)構(gòu)相當于法布里－珀羅標準具。2）諧振腔實現(xiàn)光的定向連鎖放大作用（1）初始階段：自發(fā)輻射的光子是向各方向放射的，引起的受激輻射的方向也是隨機的。（2）只有沿軸向傳播的光才能在反射鏡之間多次反射，形成雪崩式的連續(xù)光放大，（3）一部分激光穿透部分反射鏡輸出，形成穩(wěn)定的激光。（4）諧振腔的作用保證了激光輸出的穩(wěn)定性和極好的方向性。3）諧振腔的閾值條件（1）增益使光強變大（2）損耗（它包括光在端面上的吸取、透射以及衍射等）使光強變?。?）增益大于損耗才能獲得激光輸出（4）閾值條件和閾值增益諧振腔內(nèi)光的增益與損耗

M1M2I1I2I4I3I5相應的增益稱為諧振腔的閾值增益，記作：要求：，至少應當：，稱為諧振腔的閾值條件

（2）實際增益隨光強的增大下降（1）實際增益大于時，光強才能不斷增加。探討：（3）當下降到時，諧振腔內(nèi)光強就維持穩(wěn)定了。（4）激光器產(chǎn)生激光的必要條件：工作物質(zhì)的粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)，諧振腔滿足閾值條件。輻射線寬定義：以中心