第二章 场和物质的相互作用.ppt

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1、第二章 场和物质的相互作用,激光器理论种类,经典理论 出发点：用经典麦克斯韦方程组描述电磁场用经典振子描述原子系统中的运动电子 应用范围：解释物质对光的吸收和色散说明原子的自发辐射及谱线宽度描述自由电子激光器,半经典理论（兰姆理论） 出发点：用经典麦克斯韦方程组描述电磁场用量子力学描述物质原子 优点：较好地解释了激光器中大部分物理现象 缺陷：掩盖了与场的量子化特性有关物理现象数学处理繁杂量子理论（量子电动力学处理方法） 出发点：对光场和物质原子都作量子化处理 应用范围：需要严格确定激光的相干性和噪声以及线宽极限这些特性时,激光器理论种类,速率方程理论（量子理论的简化形式） 出发点：光子与物质原

2、子的相互作用 特点：忽略了光子的相位特性和光子数的起伏特性，形式简单 理论基础：自发辐射、受激辐射、受激吸收几率以及爱因斯坦三个系数之间的关系 应用范围：只能给出激光的强度特性不能揭示出色散效应不能给出与激光场的量子起伏有关的特性,激光器理论种类,内容安排,第一节 谱线加宽和线型函数,第二节 激光器的速率方程,第三节 均匀加宽工作物质的增益系数,第四节 非均匀加宽工作物质的增益系数,谱线加宽和线型函数,根据Heisenberg测不准关系,若某能级具有无限窄的宽度,该能级具有无限长寿命,能级有有限自发辐射寿命,应有有限宽度E,谱线加宽和线型函数,上、下能级宽度分别为,自发辐射的中心频率为,上边频

3、为,下边频为,谱线宽度为,谱线加宽和线型函数,谱线加宽和线型函数,谱线加宽和线型函数,谱线加宽和线型函数,谱线加宽和线型函数,线宽的其他表示形式,谱线加宽和线型函数,举例,谱线加宽和线型函数,均匀加宽,定义：若引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，则这种加宽称为均匀加宽,均匀加宽,均匀加宽,均匀加宽,谱线自然加宽线型函数,洛仑兹线型,谱线自然加宽线型函数,自发辐射功率变化,谱线自然加宽线型函数,自然加宽谱线宽度,谱线自然加宽线型函数,碰撞加宽,碰撞加宽的线型函数和线宽,洛仑兹线型,碰撞加宽的线型函数和线宽,由于碰撞，使处于高能态的粒子在发生自发辐射之前跃迁到较低能态。这相当于衰减速率的增加，

4、或衰减时间缩短，因而使发射线宽变宽。由这类碰撞决定的衰减时间用1表示，相应的加宽称为1加宽。对上下能级1有不同的值。,碰撞加宽的线型函数和线宽,碰撞加宽的线型函数和线宽,碰撞加宽的线型函数和线宽,碰撞加宽的线型函数和线宽,均匀加宽来源于自然加宽和碰撞加宽,均匀加宽谱线宽度为,均匀加宽,均匀加宽的特点,每个发光原子都以整个线型发射，不能将线性函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来。或者说，每一个发光原子对光谱线内任意频率都有贡献。所有发光原子的给定自发辐射都具有完全相同的中心频率、线性函数和线宽，从光谱线加宽角度来看，原子间彼此是不可区分的。,非均匀加宽,定义：若引起加宽的物理因素不是对每个

5、原子都等同，则这种加宽称为非均匀加宽,光学多普勒效应,多普勒加宽,符号规则：当原子朝着接收器运动时 vz0当原子离开接收器运动时 vz0,光学多普勒效应,多普勒加宽,运动原子的表观中心频率,多普勒加宽,多普勒加宽,多普勒加宽,气体工作物质中原子数按中心频率的分布,多普勒加宽,多普勒加宽,多普勒加宽线型函数,多普勒加宽,多普勒加宽,高斯线型,多普勒加宽,多普勒加宽,多普勒加宽线宽,晶格缺陷加宽,均匀加宽与非均匀加宽的区别,1.从谱线加宽角度看,均匀加宽：原子之间不可区分，每个原子的自发辐射具有完全相同的线型、线宽和中心频率,非均匀加宽：原子之间可区分，每个原子的表观中心频率不同,2.从单个原子谱

6、线加宽与原子体系谱线加宽之间的关系看,均匀加宽：原子体系的线型和线宽与单个原子的完全相同，每个原子以整个线型发射,非均匀加宽：原子体系的线型和线宽与单个原子的不同,均匀加宽与非均匀加宽的区别,3.从原子对谱线的贡献看,均匀加宽：每个原子对谱线内的任一频率都有贡献，且对于某一频率的贡献是相同的,非均匀加宽：某类原子仅对谱线内某一特定频率有贡献，例如仅对与其表观中心频率相同的频率有贡献,均匀加宽与非均匀加宽的区别,4.从光和物质相互作用的角度看,均匀加宽：入射的某一频率的准单色光场与介质中所有原子发生完全相同的共振相互作用，原子的受激跃迁几率相同,非均匀加宽：入射场仅与介质中表观中心频率与其频率相应的某类原子发生共振相互作用，并引起这类原子的受激跃迁,均匀加宽与非均匀加宽的区别,综合加宽,1.气体工作物质的综合加宽线型函数,综合加宽,佛格特线型,综合加宽,讨论,即：综合加宽近似于均匀加宽，n2个原子近似具有同一中心频率，每个原子都以均匀加宽谱线发射,综合加宽,2.固体激光工作物质的谱线加宽,主要包括： 晶格振动引起的均匀加宽 晶格缺陷引起的非均匀加宽,结论,