物質與光相互作用的規律

2021-03-10

        光與物質的相互作用,實質上是組成物質的微觀粒子吸收或輻射光子,同時改變自身運動狀況的表現。

微觀粒子都具有特定的一套能級(通常這些能級是分立的)。任一時刻粒子只能處在與某一能級相對應的狀態(或者簡單地表述為處在某一個能級上)。與光子相互作用時,粒子從一個能級躍遷到另一個能級,并相應地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級的能量差△E,頻率為ν=△E/h(h為普朗克常量)。

        1. 受激吸收(簡稱吸收)

        處于較低能級的粒子在受到外界的激發(即與其他的粒子發生了有能量交換的相互作用,如與光子發生非彈性碰撞),吸收了能量時,躍遷到與此能量相對應的較高能級。這種躍遷稱為受激吸收。

        2. 自發輻射

        粒子受到激發而進入的激發態,不是粒子的穩定狀態,如存在著可以接納粒子的較低能級,即使沒有外界作用,粒子也有一定的概率,自發地從高能級激發態(E2)向低能級基態(E1)躍遷,同時輻射出能量為(E2-E1)的光子,光子頻率 ν=(E2-E1)/h。這種輻射過程稱為自發輻射。眾多原子以自發輻射發出的光,不具有相位、偏振態、傳播方向上的一致,是物理上所說的非相干光。

        3. 受激輻射、激光

        1917年愛因斯坦從理論上指出:除自發輻射外,處于高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。他指出當頻率為 ν=(E2-E1)/h的光子入射時,也會引發粒子以一定的概率,迅速地從能級E2躍遷到能級E1,同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態以及傳播方向都相同的光子,這個過程稱為受激輻射。

可以設想,如果大量原子處在高能級E2上,當有一個頻率 ν=(E2-E1)/h的光子入射,從而激勵E2上的原子產生受激輻射,得到兩個特征完全相同的光子,這兩個光子再激勵E2能級上原子,又使其產生受激輻射,可得到四個特征相同的光子,這意味著原來的光信號被放大了。這種在受激輻射過程中產生并被放大的光就是激光。


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