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激光与物质之间的作用

发布日期:2017-05-23 作者: 点击:

每一种物质都是具有固定的能阶,当光与物质发生交互作用时,原子内部的点在就从某一能阶状态跃迁到另一能阶状态,而跃迁过程会伴随着光的吸收和辐射。

当光与物质相遇时,会发生三种基本现象,也就是光与物质之间会进行三种基本的交互作用:吸收、自发放射和激发放射。

当光照射在物质表面时,物质内部分电子吸收光的能量,从基态跃迁到激发态,亦即光被原子吸收过程。原子要从光获得能量,必须是光的能量恰为两能阶的能量差,吸收过程才会产生。如光子能量大于物质能隙,则光子会被材料吸收,并将电子激发到导电带而在价电带留下电洞。

我们可以以牛顿力学的小实验来说明这个现象,用一条绳子系住一个铁球甲,绳子自由下垂,再用具有一定速度同质量的铁球乙撞击铁球甲,这时,乙球不动,而甲球由位能的低点升到位能的高点(上升高度则视乙球撞击的动量而定),这与光子的吸收方式类似。

能量较高的物质放出电磁波,而降低其能量的过程称为自发放射。物质吸收光子能量后,电子跃迁到激发态,当入射光消失时,电子经过一小段时间后,会自然回到稳定的基态。这时能量将以光子方式释放,且朝各方向放射的几率相同,一般的光源放射就是这种方式。

同样的,可以以牛顿力学的小实验来模拟,用一绳子系住一个铁球甲,从位能的高处自由落到位能的低处,这时,撞击到另一同质量的铁球乙,则甲球不动而乙球将获得动能往前弹出,就像物质因自发放射发出电磁破(光子、电磁辐射)而降低能量一样。

物质与光的第三种交互作用是激发放射,就是在激发状态的粒子受到入射光的作用而跃回基态,受激发放射的频率与入射光相同,而且放射光方向与入射光运动方向一致,也就是产生的波长一样(因此能量相同)且相位一致的放射光,这是激光发生的重要过程。通俗地说,激发放射是高能量的物质因为受到适当的入射光子所激励,而发出相同的光波。

这就像是在卡拉OK机器前的人,跟着熟悉或引起共鸣的曲调唱起来。激发放射产生的光波波长、发出光波的时间、光波的发射方向决定于入射的电磁波(光子),在外观上,会看见一个光子到达这个物质,却有两个一模一样的光子从物质发出。既然光子数目增加,光强度也就放大了。光学棱镜


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