四能级系统当泵浦光足够强时，有可能使,在能级E3于E2间实现粒子数反转。光的光增益E4E13EN21N3NE0NE2N4亚稳态能级NEE4E12EN23N03E*第30页，共42页，星期日，2025年，2月5日第1页，共42页，星期日，2025年，2月5日本节课主要内容能级跃迁自发辐射受激辐射受激吸收粒子数反转三能级和四能级激光器基本结构纵模横模第2页，共42页，星期日，2025年，2月5日按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中，这些定态称为原子的“能级”；原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。E1E3E2第3页，共42页，星期日，2025年，2月5日第4页，共42页，星期日，2025年，2月5日能级:粒子的内部能量值高能级:能量较高的能级低能级:能量较低的能级基能级:能量最低的能级(相应的状态称基态）激发能级:能量高于基能级的其它所有能级(相应状态称激发态)6?51234n激发态基态第5页，共42页，星期日，2025年，2月5日辐射跃迁和非辐射跃迁1.跃迁:粒子由一个能级过渡到另一能级的过程2.辐射跃迁:粒子发射或吸收光子的跃迁(满足跃迁选择定则)①发射跃迁:粒子发射一光子ε=hv=E2－E1而由高能级跃迁至低能级;E2E1②吸收跃迁:粒子吸收一光子ε=hv=E2－E1而由低能级跃迁至高能级.E2E1*第6页，共42页，星期日，2025年，2月5日3.无辐射跃迁:既不发射又不吸收光子的跃迁(通过与其它粒子或气体容器壁的碰撞、或其它能量交换过程)4.激发态的平均寿命τ:粒子在激发态停留时间的平均值τ的典型值:10-7～10-9秒5.亚稳态:若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射跃迁,则该态的平均寿命会很长(≥10-3秒),称亚稳能级,相应的态为亚稳态。一般，能级寿命10-8?10-9S如H原子2p态??0.16?10-8S3p态??0.54?10-8S亚稳态：如He原子的两个亚稳态能级(20.55eV)??10-4S(19.77eV)??10-6S*第7页，共42页，星期日，2025年，2月5日高能级低能级热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布玻尔兹曼分布律:ENE2E1N1N2第8页，共42页，星期日，2025年，2月5日光与物质相互作用的三种过程爱因斯坦为了解释黑体辐射的规律，从量子论观点出发提出辐射与原子相互作用应该包括三种过程：自发辐射受激辐射受激吸收第9页，共42页，星期日，2025年，2月5日设N1、N2—单位体积中处于E1、E2能级的原子数。单位体积中单位时间内，从E2?E1自发辐射的原子数：自发辐射过程(spontaneousradiation)E2E1N2N1h?第10页，共42页，星期日，2025年，2月5日写成等式Ａ21?自发辐射系数，单个原子在单位时间内发生自发辐射过程的概率。各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光。第11页，共42页，星期日，2025年，2月5日受激辐射(stimulatedradiation)E2E1N2N1全同光子h?设?（?、Ｔ）—温度为Ｔ时,频率为?=(E2-E1)/h附近，单位频率间隔的外来光的能量密度。第12页，共42页，星期日，2025年，2月5日则单位体积中单位时间内，从E２?E１受激辐射的原子数：写成等式B21?受激辐射系数第13页，共42页，星期日，2025年，2月5日W21?单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同------有光的放大作用。则令 W21=B21·?（?、T）第14页，共42页，星期日，2025年，2月5日受激辐射过程趋近高能级E2上的粒子时外来光子满足频率条件:感应跃迁至低能级E1发射一个全同光子(频率相同、传播方向相同、偏振方向相同）光放大第15页，共42页，星期日，2025年，2月5日E2E1