激光原理第9講b42課件

第四章電磁場和物質(zhì)的共振相互作用

引言激光器的物理基礎(chǔ)－光頻電磁場和組成物質(zhì)的原子(或離子、分子)內(nèi)的()電子的共振相互作用。一.光和物質(zhì)相互作用理論簡介二.譜線加寬和線型函數(shù)三.典型激光器速率方程四.均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)五.非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)六.綜合加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)1一.經(jīng)典理論1.處理方法：將原子系統(tǒng)和電磁場都作經(jīng)典處理，即用經(jīng)典電動力學(xué)的麥克斯韋方程組描述電磁場，將原子中的運動電子視為服從經(jīng)典力學(xué)的振子!電子(諧振子)原子核簡諧振動電偶極子發(fā)出的電磁輻射電磁波產(chǎn)生電極化強度相互作用使物質(zhì)4.1光和物質(zhì)相互作用理論簡介2物質(zhì)的折射率感應(yīng)電極化系數(shù)的虛部電磁波感應(yīng)電極化系數(shù)根據(jù)增益的定義：3二.半經(jīng)典理論——激光器的蘭姆理論1.處理方法：采用經(jīng)典麥克斯韋方程組描述光頻電磁場，而物質(zhì)原子則用量子力學(xué)描述。2.作用和優(yōu)勢：能較好地揭示激光器大部分特性，如強度特性(反轉(zhuǎn)粒子數(shù)燒孔效應(yīng)與振蕩光強的蘭姆凹陷)、增益飽和、多模耦合與競爭、模的相位鎖定、激光振蕩的頻率牽引與頻率推斥效應(yīng)等。3.缺陷：數(shù)學(xué)處理也復(fù)雜。理論上還掩蓋了光場的量子特性，無法解釋自發(fā)輻射的產(chǎn)生、線寬極限、振蕩過程的量子起伏效應(yīng)(噪聲和相干性)等。5三.嚴(yán)格理論——量子理論1.處理方法：將輻射場與原子都作量子化處理，

量子電動力學(xué)模型

處理光子

量子力學(xué)模型

處理原子將二者作為一個統(tǒng)一的物理體系加以描述。2.優(yōu)勢：原則上可處理激光方面的所有問題。3.缺陷：太復(fù)雜。只有在需要嚴(yán)格確定激光的相干性和噪聲以及線寬極限這些特性時才必須用。6四.速率方程理論——量子理論的簡化形式1.處理方法：從光子(即量子化的輻射場)與物質(zhì)原子的相互作用出發(fā)的。但是，忽略了光子的相位特性和光子數(shù)的起伏特性。2.作用和優(yōu)勢：簡明性而誘人。能給出激光的強度特性。對于燒孔效應(yīng)、蘭姆凹陷、多模競爭等，能給出粗略的近似描述。3.缺陷：不能揭示色散(頻率牽引)效應(yīng)，不能給出與激光場的量子起伏相關(guān)的特性。對燒孔效應(yīng)、蘭姆凹陷、多模競爭等，則只能給出粗略的近似描述。71.定義：分布在某一頻率附近單位頻率間隔內(nèi)的自發(fā)輻射功率與整個頻率范圍內(nèi)的自發(fā)輻射總功率之比。用于表示譜線的形狀。二.線型函數(shù)譜線中心頻率2.性質(zhì)3.譜線寬度(譜對稱時)9二.加寬機制均勻加寬、非均勻加寬、綜合加寬三.均勻加寬(HomogenousBroadening)定義：引起加寬的物理因素對每個原子都是等同的，每個發(fā)光原子都以整個線型發(fā)射，即每個發(fā)光原子對譜線內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)。種類：自然加寬、碰撞加寬、晶格振動加寬101.自然加寬(NaturalBroadening)原因：在不受外界影響時，受激原子自發(fā)地從激發(fā)態(tài)向低能態(tài)躍遷。使得原子在激發(fā)態(tài)上的壽命有限，造成原子躍遷譜線的自然加寬。②線型函數(shù):阻尼系數(shù)①譜線寬度洛倫茲型:自發(fā)輻射壽命11b.非彈性碰撞(無輻射躍遷)激發(fā)態(tài)原子與其他原子或器壁碰掩使內(nèi)能轉(zhuǎn)換為其他原子或器壁的動能，而自己回到基態(tài)。結(jié)果使激發(fā)態(tài)原子減少，也使激發(fā)態(tài)壽命。②碰撞結(jié)果：使激發(fā)態(tài)壽命，導(dǎo)致譜線加寬。平均碰撞時間③碰撞加寬線型函數(shù)碰撞線寬洛倫茲型133.晶格振動加寬定義：由于晶格原子的熱振動，鑲嵌在晶體里的激活離子處在隨時間變化的晶格場中,導(dǎo)致其能級位置在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，從而引起譜線加寬。晶格振動加寬是固體工作物質(zhì)主要均勻加寬因素。溫度越高，振動越劇烈，譜線越寬。144.各種工作物質(zhì)總的均勻加寬①.氣體工作物質(zhì)：以碰撞加寬為主，在很低的氣壓下，自然加寬才表現(xiàn)出來。②.固體工作物質(zhì)自然加寬、碰撞加寬、晶格振動加寬。以晶格振動加寬為主。③.總的均勻加寬線型函數(shù)—洛侖茲函數(shù)總的均勻加寬線寬15②光學(xué)多普勒效應(yīng)a.設(shè)一發(fā)光原子的中心頻率為，當(dāng)光源和接收器都靜止時，接收器接收到的光波頻率也為。b.設(shè)接收器靜止，光源相對接受器以速度運動。取一級近似接收器發(fā)光原子>0表示原子朝接收器運動(沿光傳播方向)<0表示原子離開接收器運動(反光傳播方向)則接受器接收到的光頻率17運動原子接收器單色光波發(fā)光原子接收器③受激輻射譜線的多普勒加寬（一維情況）激光的產(chǎn)生是光與物質(zhì)中原子的相互作用接收器感受到的光頻率接收器的運動速度共振相互作用最大時靜止光源原子原子輻射譜18表示運動原子與光傳播方向相同表示運動原子與光傳播方向反向靜止光源原子靜止光源原子原子表觀中心頻率19高斯函數(shù)212.晶格缺陷加寬定義：晶格缺陷(如位錯、空位等晶體不均勻性)將使晶格缺陷部位的晶格場與無缺陷部位的理想晶格場不同，使缺陷部位的激活離子的能級發(fā)生位移，這就導(dǎo)致處于晶體不同部位的激活離子的發(fā)光中心頻率不同，產(chǎn)生非均勻加寬。對應(yīng)的加寬線型函數(shù)很難從理論上求得，需要實驗測其譜線寬度。22主要的加寬類型是由碰撞引起的均勻