三章光和物質(zhì)的相互作用ppt課件

1、第三章第三章 光和物質(zhì)的相互作用光和物質(zhì)的相互作用Interaction of Radiation and Atomic Systems激光的基本理論激光的基本理論電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化光和物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論簡介光和物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論簡介譜線加寬和線型函數(shù)譜線加寬和線型函數(shù)典型激光器速率方程典型激光器速率方程均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù) 激光器的物理基礎(chǔ)是光頻電磁場與物質(zhì)的相激光器的物理基礎(chǔ)是光頻電磁場與物質(zhì)的相互作用特別是共振相互作用）互作用特別是共振相互作用） 對大多數(shù)激光器，指光與組成物質(zhì)的原子對大

2、多數(shù)激光器，指光與組成物質(zhì)的原子或離子、分子內(nèi)的電子之間的共振相互或離子、分子內(nèi)的電子之間的共振相互作用作用 對自由電子激光器，考慮光與自由電子的相對自由電子激光器，考慮光與自由電子的相互作用互作用激光的基本理論激光的基本理論 經(jīng)典理論：用經(jīng)典電動力學(xué)的經(jīng)典理論：用經(jīng)典電動力學(xué)的Maxwell方程方程組描述電磁場，將原子中的運動視為服從組描述電磁場，將原子中的運動視為服從經(jīng)典力學(xué)的振子，也稱為經(jīng)典原子發(fā)光模經(jīng)典力學(xué)的振子，也稱為經(jīng)典原子發(fā)光模型。雖然是粗糙的，曾成功解釋物質(zhì)對光型。雖然是粗糙的，曾成功解釋物質(zhì)對光的吸收的色散現(xiàn)象，定性說明原子的自發(fā)的吸收的色散現(xiàn)象，定性說明原子的自發(fā)輻射及其譜

3、線寬度等輻射及其譜線寬度等 半經(jīng)典理論：采用經(jīng)典半經(jīng)典理論：采用經(jīng)典Maxwell方程組描述方程組描述光頻電磁波，而物質(zhì)原子用量子力學(xué)描述光頻電磁波，而物質(zhì)原子用量子力學(xué)描述蘭姆理論）。能較好地揭示激光器中大蘭姆理論）。能較好地揭示激光器中大部分物理現(xiàn)象，也掩蓋了與場的量子化特部分物理現(xiàn)象，也掩蓋了與場的量子化特性有關(guān)的物理現(xiàn)象；數(shù)學(xué)處理比較繁雜性有關(guān)的物理現(xiàn)象；數(shù)學(xué)處理比較繁雜 量子理論：對光頻電磁波和物質(zhì)原子都作量子理論：對光頻電磁波和物質(zhì)原子都作量子化處理，并將二者作為一個統(tǒng)一的物量子化處理，并將二者作為一個統(tǒng)一的物理體系加以描述量子電動力學(xué)）。只是理體系加以描述量子電動力學(xué)）。只是在需

4、要嚴(yán)格地確定激光的相干性和噪聲以在需要嚴(yán)格地確定激光的相干性和噪聲以及線寬極限等特性時才是必要的及線寬極限等特性時才是必要的 速率方程理論：量子理論的簡化形式，從速率方程理論：量子理論的簡化形式，從光子量子化的電磁場與物質(zhì)原子的相光子量子化的電磁場與物質(zhì)原子的相互作用出發(fā)，忽略了光子的相位特性和光互作用出發(fā)，忽略了光子的相位特性和光子數(shù)的起伏特性，只能給出激光的強(qiáng)度特子數(shù)的起伏特性，只能給出激光的強(qiáng)度特性性 激光器的嚴(yán)格理論是建立在量子電動力學(xué)激光器的嚴(yán)格理論是建立在量子電動力學(xué)基礎(chǔ)上的量子理論，它在原則上可以描述基礎(chǔ)上的量子理論，它在原則上可以描述激光器的全部特性。激光器的全部特性。 用不同

5、近似程度的理論去描述激光器的不用不同近似程度的理論去描述激光器的不同層次的特性，每種近似理論都揭示出激同層次的特性，每種近似理論都揭示出激光器的某些規(guī)律，但也掩蓋著某些更深層光器的某些規(guī)律，但也掩蓋著某些更深層次的物理現(xiàn)象。次的物理現(xiàn)象。一、譜線加寬和線型函數(shù)一、譜線加寬和線型函數(shù)1、線型函數(shù)定義、線型函數(shù)定義 自發(fā)輻射光功率的歸一化分布函數(shù)稱作該自發(fā)輻射光功率的歸一化分布函數(shù)稱作該自發(fā)輻射譜線的線型函數(shù)，定義為自發(fā)輻射譜線的線型函數(shù)，定義為線型函數(shù)的特點：線型函數(shù)的特點：1滿足歸一化條件：滿足歸一化條件：2在在=0時有最大值時有最大值3如果滿足，則式中的如果滿足，則式中的稱為譜線寬度。稱為譜

6、線寬度。自發(fā)輻射的譜線寬度也稱作熒光線寬。自發(fā)輻射的譜線寬度也稱作熒光線寬。 本章小結(jié)本章小結(jié)/內(nèi)容提要內(nèi)容提要0( )( ,)PgP 0000(,)(,)22gg 0( ,)1gd 2、均勻加寬 如果引起加寬的物理因素對每個原子都是等同的，即每一發(fā)光原子對光譜線內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)，則這種加寬稱作均勻加寬。1氣體工作物質(zhì)的均勻加寬氣體工作物質(zhì)的均勻加寬具有洛倫茲線型，可表示為式中， H為均勻加寬線寬， N為自然線寬，L為碰撞線寬 N？ L ？ 02201( ,)2()()2HHHg HNL 2固體工作物質(zhì)的均勻加寬固體工作物質(zhì)中由于離子晶格熱馳豫過程形成的無輻射躍遷該躍遷產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為晶格振

7、動的能量導(dǎo)致離子在激發(fā)態(tài)年級上的壽命縮短，從而造成譜線的均勻加寬。21111()22Hsnr 21111()2H 在固體工作物質(zhì)中占主導(dǎo)地位的均勻加寬是晶在固體工作物質(zhì)中占主導(dǎo)地位的均勻加寬是晶格振動引起的加寬，它隨溫度的升高而增加。格振動引起的加寬，它隨溫度的升高而增加。（下能級不為基態(tài)）（下能級為基態(tài)）3、非均勻加寬特點：原子分子、離子體系中每個原子只對譜線內(nèi)與它的表觀中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，因而可以區(qū)分譜線上的某一頻率范圍是由哪一部分原子發(fā)射的1氣體工作物質(zhì)的多普勒加寬 由于氣體原子的熱運動，原子在光傳輸方向上具有熱運動速度z ，原子在自發(fā)輻射和受激輻射躍遷時表現(xiàn)出來的中心頻率不再是0

8、，而是0=0(1+z/c)。 0稱作表觀中心頻率。 由于氣體原子的熱運動速度服從麥克斯韋分布，導(dǎo)致了譜線的非均勻多普勒加寬。其線型函數(shù)具有高斯線型20024(ln2)()2ln2( ,)expDDDg 21072120)(1016. 7)2ln2(2MTmcKTD2固體工作物質(zhì)中的非均勻加寬 固體工作物質(zhì)中晶格缺陷位錯、空位、雜質(zhì)等不均勻性或玻璃結(jié)構(gòu)的無序性引起非均勻加寬。晶格質(zhì)量越差，譜線加寬越大。自然加寬壓強(qiáng)加寬多普勒加寬孤立原子在靜止?fàn)顟B(tài)下所發(fā)射的譜線所具有的寬度原子不是孤立的，原子之間存在相互作用，由這些干擾引起的加寬效應(yīng)統(tǒng)稱為壓強(qiáng)加寬。碰撞加寬是其中一種發(fā)光原子是不斷運動（熱運動）著

9、的，發(fā)出的光波將產(chǎn)生多普勒頻移。不同原子具有不同的熱運動速度，因此發(fā)出的光波的頻移大小也不同小結(jié)二、受激躍遷幾率二、受激躍遷幾率原子和準(zhǔn)單色光相互作用時的受激躍遷幾率：原子和準(zhǔn)單色光相互作用時的受激躍遷幾率：),(,),(0121202121gBWgBWllNWNW),(),(0121202121),(8),(),(8),(02022112012020221021gAffgA中心頻率處的發(fā)射截面和吸收截面最大。三、典型激光器單模振蕩速率方程三、典型激光器單模振蕩速率方程三能級系統(tǒng)三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)根據(jù)躍遷過程寫出速率方程組根據(jù)躍遷過程寫出速率方程組 愛因斯坦采用唯象法得到光和物質(zhì)相

10、互作用的關(guān)系式 考慮線型函數(shù)后必要的修正：幾率按頻率的分布函數(shù) 原子和準(zhǔn)單色光相互作用 單模振蕩速率方程組三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)） 多模振蕩速率方程組思路小結(jié)思路小結(jié): 均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù) 反轉(zhuǎn)集居數(shù)反轉(zhuǎn)集居數(shù) 小信號增益系數(shù)小信號增益系數(shù) 大信號本身的增益系數(shù)大信號本身的增益系數(shù) 強(qiáng)光入射時弱光的增益系數(shù)強(qiáng)光入射時弱光的增益系數(shù) 非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù) 大信號本身的增益系數(shù)大信號本身的增益系數(shù) 強(qiáng)光入射時弱光的增益系數(shù)燒孔效應(yīng)強(qiáng)光入射時弱光的增益系數(shù)燒孔效應(yīng) 駐波腔激光器工作物質(zhì)中弱光的增益系駐波腔激光器工作物質(zhì)中弱光的增益

11、系數(shù)數(shù))(1101sIInn1101121101( )( ,)( ,)1( )HHsggInII 1102101( )( ,)( ,)1()HHsggInII 反轉(zhuǎn)集居數(shù)飽和：反轉(zhuǎn)集居數(shù)飽和：強(qiáng)光強(qiáng)光1入射時的增益系數(shù)：入射時的增益系數(shù)：強(qiáng)光強(qiáng)光1入射時弱光入射時弱光的增益系數(shù)：的增益系數(shù)：小結(jié)均勻加寬）：書中圖4.4.3小結(jié)非均勻加寬）：11011( )( ,)1iisggIII1、頻率為1、光強(qiáng)為 的準(zhǔn)單色光的增益系數(shù)1I非均勻加寬工作物質(zhì)的增益飽和效應(yīng)的強(qiáng)弱非均勻加寬工作物質(zhì)的增益飽和效應(yīng)的強(qiáng)弱與頻率無關(guān)與頻率無關(guān)2、燒孔效應(yīng)反轉(zhuǎn)集居數(shù)燒孔效應(yīng)書中圖4.5.1）、強(qiáng)光入射時弱光的增益系數(shù)圖4.5.2）3、多普勒非均勻加寬駐波腔激光器中，強(qiáng)光在弱光的增益曲線上對稱地?zé)?個孔圖4.5.3） 本章引出了激光器的速率方程，在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出了激光工作物質(zhì)的增益系數(shù)和反轉(zhuǎn)集居數(shù)的關(guān)系，以及光強(qiáng)增加時增益的飽和行為 增益飽和是使激光器中形成穩(wěn)定狀態(tài)的