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1、激光的根本原理及特性激光的根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根底任何物质的发光，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根底也是光与物质的相互作用，即指光和构成激光任务物质中原子、分子或离子作用。也是光与物质的相互作用，即指光和构成激光任务物质中原子、分子或离子作用。一、黑体辐射一、黑体辐射1、空腔热辐射、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频率的辐射完全吸收即(,T) 1的物体。
2、的物体。2、黑体辐射的实验规律、黑体辐射的实验规律 将一个空腔的腔壁加热，使其坚持一恒定的温度将一个空腔的腔壁加热，使其坚持一恒定的温度T，那么小孔出射的辐射相当于从面积等于小孔面积，温度那么小孔出射的辐射相当于从面积等于小孔面积，温度为为 T 的绝对黑体外表所出射。如下图，图上每一条的绝对黑体外表所出射。如下图，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。由热力学实际得出以下实验定律。的情况。由热力学实际得出以下实验定律。 黑体辐射的功率谱12000K；21800K；31600K41400K；51200K；61000K激光的根
3、本原理及特性激光的根本原理及特性1、斯忒潘波耳兹曼定律、斯忒潘波耳兹曼定律 黑体辐射出射度黑体辐射出射度 Me,B(T) 与绝对温度的与绝对温度的4次方成正比，即：次方成正比，即： Me,B(T) T4 式中式中 为斯忒潘常数，其值为为斯忒潘常数，其值为 5.67 x 10-8 W.m-2.K-42、维恩位移定律、维恩位移定律 每一曲线上有一个每一曲线上有一个Me,B(,T) 的最大值的最大值, 相应的波长为相应的波长为m，T与与m的的关系为关系为 T m b 式中式中 b 称为维恩常数，其值为称为维恩常数，其值为 b 2.897 x 10-3 m.K 当温度升高时，当温度升高时， m 变小，
4、阐明辐射能量向高频方向挪动。变小，阐明辐射能量向高频方向挪动。 绝对黑体温度与辐射出射度峰值波长对应值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m1000 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根本原理及特性激光的根本原理及特性3、绝对黑体黑体辐射出射度分布曲射出射度分布曲线的峰的峰值定律定律 实验阐明，明，绝对黑体黑体辐射出射度的峰射出射度的峰值Me,B( m ,T)与与绝对温度的温度的5次方成正比，即次方成正比，即 Me,B( m ,
5、T) CT5 式中式中 C = 1.301 X 10-15 W-2. m -1.K-5 以上三个定律分以上三个定律分别表示了表示了绝对黑体黑体总辐射出射度射出射度 ( 分布曲分布曲线下的面下的面积 )、峰、峰值波波 长、峰、峰值波波长对应的的辐射出射度峰射出射度峰值与与绝对温度的关系。温度的关系。3、维恩公式和瑞利金斯公式恩公式和瑞利金斯公式1、维恩公式恩公式 Me,B( ,T) ( c2/ 5 ) e-(c/T) 据此公式据此公式绘出的曲出的曲线与与实验曲曲线在高在高频端符合端符合较好，低好，低频端端产生偏离。生偏离。2、瑞利金斯公式、瑞利金斯公式 Me,B( ,T) ( 2c/ 4 ) k
6、T 据此公式据此公式绘出的曲出的曲线与与实验曲曲线在在长波段符合波段符合较好，但在短波段好，但在短波段误差很大。差很大。第二部分光与物质的相互作用激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性4、普朗克公式、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延续的，而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延续的，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。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：普朗克黑体辐射的能量密度公式：(,T) ( 8h3/c3 ) 1/(e(h/kT) -
7、1)及黑体辐射的单色辐射出射度公式：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)式中式中 k 是波耳兹曼常数，是波耳兹曼常数， h 是普朗克常数。是普朗克常数。它们的数值为它们的数值为:k = 1.381 x 10-23 J/K; h = 6.626 x 10-34 J.s在短波部分，由于在短波部分，由于hkT, 那么那么e(h/kT) 1,普朗克公式变为维恩公式；普朗克公式变为维恩公式；在长波部分，在长波部分，h n2 W12W21 (设f1f2) 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激光的根本原理及特性激光的根本原理及特性自发辐射受激辐射自发辐射：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那么分布的，因此是不相关的。此外，自发辐射场的传播方向和偏振方向也是无规那么分布的，即自发辐射平均地分配到腔内一切方式上。受激辐射：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那么分布，而是具有和外界辐射场一样的相位。受激辐射光子与入射鼓励光子属于同一光子态；即受激辐射场与入射辐射场具有一样的频率、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方式。第二部分光与物质的相互作用
