場(chǎng)和物質(zhì)的共振相互作用-Read課件

第二章場(chǎng)和物質(zhì)的相互作用第二章場(chǎng)和物質(zhì)的相互作用1激光器理論種類經(jīng)典理論出發(fā)點(diǎn)：用經(jīng)典麥克斯韋方程組描述電磁場(chǎng)用經(jīng)典振子描述原子系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)電子應(yīng)用范圍：解釋物質(zhì)對(duì)光的吸收和色散說明原子的自發(fā)輻射及譜線寬度描述自由電子激光器激光器理論種類經(jīng)典理論2半經(jīng)典理論（蘭姆理論）出發(fā)點(diǎn)：用經(jīng)典麥克斯韋方程組描述電磁場(chǎng)用量子力學(xué)描述物質(zhì)原子優(yōu)點(diǎn)：較好地解釋了激光器中大部分物理現(xiàn)象缺陷：掩蓋了與場(chǎng)的量子化特性有關(guān)物理現(xiàn)象數(shù)學(xué)處理繁雜量子理論（量子電動(dòng)力學(xué)處理方法）出發(fā)點(diǎn)：對(duì)光場(chǎng)和物質(zhì)原子都作量子化處理應(yīng)用范圍：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(shí)激光器理論種類半經(jīng)典理論（蘭姆理論）激光器理論種類3速率方程理論（量子理論的簡化形式）出發(fā)點(diǎn)：光子與物質(zhì)原子的相互作用特點(diǎn)：忽略了光子的相位特性和光子數(shù)的起伏特性，形式簡單理論基礎(chǔ)：自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收幾率以及愛因斯坦三個(gè)系數(shù)之間的關(guān)系應(yīng)用范圍：只能給出激光的強(qiáng)度特性不能揭示出色散效應(yīng)不能給出與激光場(chǎng)的量子起伏有關(guān)的特性激光器理論種類速率方程理論（量子理論的簡化形式）激光器理論種類4內(nèi)容安排第一節(jié)譜線加寬和線型函數(shù)第二節(jié)激光器的速率方程第三節(jié)均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)第四節(jié)非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)內(nèi)容安排第一節(jié)譜線加寬和線型函數(shù)第二節(jié)激光器的速5譜線加寬和線型函數(shù)譜線加寬和線型函數(shù)6根據(jù)Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系若某能級(jí)具有無限窄的寬度該能級(jí)具有無限長壽命能級(jí)有有限自發(fā)輻射壽命

應(yīng)有有限寬度

E譜線加寬和線型函數(shù)根據(jù)Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系若某能級(jí)具有無限窄的寬度該7上、下能級(jí)寬度分別為自發(fā)輻射的中心頻率為上邊頻為下邊頻為譜線寬度為譜線加寬和線型函數(shù)上、下能級(jí)寬度分別為自發(fā)輻射的中心頻率為上邊頻為下邊頻為譜8譜線加寬和線型函數(shù)譜線加寬和線型函數(shù)9譜線加寬和線型函數(shù)譜線加寬和線型函數(shù)10譜線加寬和線型函數(shù)譜線加寬和線型函數(shù)11譜線加寬和線型函數(shù)譜線加寬和線型函數(shù)12線寬的其他表示形式譜線加寬和線型函數(shù)線寬的其他表示形式譜線加寬和線型函數(shù)13舉例譜線加寬和線型函數(shù)舉例譜線加寬和線型函數(shù)14均勻加寬定義：若引起加寬的物理因素對(duì)每個(gè)原子都是等同的，則這種加寬稱為均勻加寬均勻加寬定義：若引起加寬的物理因素對(duì)每個(gè)原子都是等同15均勻加寬均勻加寬16均勻加寬均勻加寬17均勻加寬均勻加寬18譜線自然加寬線型函數(shù)譜線自然加寬線型函數(shù)19——洛侖茲線型譜線自然加寬線型函數(shù)——洛侖茲線型譜線自然加寬線型函數(shù)20自發(fā)輻射功率變化譜線自然加寬線型函數(shù)自發(fā)輻射功率變化譜線自然加寬線型函數(shù)21自然加寬譜線寬度譜線自然加寬線型函數(shù)自然加寬譜線寬度譜線自然加寬線型函數(shù)22碰撞加寬碰撞加寬23碰撞加寬的線型函數(shù)和線寬碰撞加寬的線型函數(shù)和線寬24——洛侖茲線型碰撞加寬的線型函數(shù)和線寬——洛侖茲線型碰撞加寬的線型函數(shù)和線寬25由于碰撞，使處于高能態(tài)的粒子在發(fā)生自發(fā)輻射之前躍遷到較低能態(tài)。這相當(dāng)于衰減速率的增加，或衰減時(shí)間縮短，因而使發(fā)射線寬變寬。由這類碰撞決定的衰減時(shí)間用

1表示，相應(yīng)的加寬稱為

1加寬。對(duì)上下能級(jí)

1有不同的值。碰撞加寬的線型函數(shù)和線寬由于碰撞，使處于高能態(tài)的粒子在發(fā)生自發(fā)輻射之前躍遷到較低能態(tài)26碰撞加寬的線型函數(shù)和線寬碰撞加寬的線型函數(shù)和線寬27碰撞加寬的線型函數(shù)和線寬碰撞加寬的線型函數(shù)和線寬28碰撞加寬的線型函數(shù)和線寬碰撞加寬的線型函數(shù)和線寬29均勻加寬來源于自然加寬和碰撞加寬均勻加寬譜線寬度為均勻加寬均勻加寬來源于自然加寬和碰撞加寬均勻加寬譜線寬度為均勻加寬30均勻加寬的特點(diǎn)每個(gè)發(fā)光原子都以整個(gè)線型發(fā)射，不能將線性函數(shù)上的某一特定頻率和某些特定原子聯(lián)系起來?；蛘哒f，每一個(gè)發(fā)光原子對(duì)光譜線內(nèi)任意頻率都有貢獻(xiàn)。所有發(fā)光原子的給定自發(fā)輻射都具有完全相同的中心頻率、線性函數(shù)和線寬，從光譜線加寬角度來看，原子間彼此是不可區(qū)分的。均勻加寬的特點(diǎn)每個(gè)發(fā)光原子都以整個(gè)線型發(fā)射，不能將線性函數(shù)上31非均勻加寬定義：若引起加寬的物理因素不是對(duì)每個(gè)原子都等同，則這種加寬稱為非均勻加寬非均勻加寬定義：若引起加寬的物理因素不是對(duì)每個(gè)原子都等32光學(xué)多普勒效應(yīng)多普勒加寬光學(xué)多普勒效應(yīng)多普勒加寬33符號(hào)規(guī)則：當(dāng)原子朝著接收器運(yùn)動(dòng)時(shí)vz>0當(dāng)原子離開接收器運(yùn)動(dòng)時(shí)vz<0——光學(xué)多普勒效應(yīng)多普勒加寬符號(hào)規(guī)則：當(dāng)原子朝著接收器運(yùn)動(dòng)時(shí)vz>0——光學(xué)多普勒34運(yùn)動(dòng)原子的表觀中心頻率多普勒加寬運(yùn)動(dòng)原子的表觀中心頻率多普勒加寬35多普勒加寬多普勒加寬36多普勒加寬多普勒加寬37氣體工作物質(zhì)中原子數(shù)按中心頻率的分布多普勒加寬氣體工作物質(zhì)中原子數(shù)按中心頻率的分布多普勒加寬38多普勒加寬多普勒加寬39多普勒加寬線型函數(shù)多普勒加寬多普勒加寬線型函數(shù)多普勒加寬40多普勒加寬多普勒加寬41——高斯線型多普勒加寬——高斯線型多普勒加寬42多普勒加寬多普勒加寬43多普勒加寬線寬多普勒加寬線寬44晶格缺陷加寬晶格缺陷加寬45均勻加寬與非均勻加寬的區(qū)別1.從譜線加寬角度看均勻加寬：原子之間不可區(qū)分，每個(gè)原子的自發(fā)輻射具有完全相同的線型、線寬和中心頻率非均勻加寬：原子之間可區(qū)分，每個(gè)原子的表觀中心頻率不同均勻加寬與非均勻加寬的區(qū)別1.從譜線加寬角度看均勻加寬：原子462.從單個(gè)原子譜線加寬與原子體系譜線加寬之間的關(guān)系看均勻加寬：原子體系的線型和線寬與單個(gè)原子的完全相同，每個(gè)原子以整個(gè)線型發(fā)射非均勻加寬：原子體系的線型和線寬與單個(gè)原子的不同均勻加寬與非均勻加寬的區(qū)別2.從單個(gè)原子譜線加寬與原子體系譜線加寬之間的關(guān)系看均勻加寬473.從原子對(duì)譜線的貢獻(xiàn)看均勻加寬：每個(gè)原子對(duì)譜線內(nèi)的任一頻率都有貢獻(xiàn)，且對(duì)于某一頻率的貢獻(xiàn)是相同的非均勻加寬：某類原子僅對(duì)譜線內(nèi)某一特定頻率有貢獻(xiàn)，例如僅對(duì)與其表觀中心頻率相同的頻率有貢獻(xiàn)均勻加寬與非均勻加寬的區(qū)別3.從原子對(duì)譜線的貢獻(xiàn)看均勻加寬：每個(gè)原子對(duì)譜線內(nèi)的任一頻率484.從光和物質(zhì)相互作用的角度看均勻加寬：入射的某一頻率的準(zhǔn)單色光場(chǎng)與介質(zhì)中所有原子發(fā)生完全相同的共振相互作用，原子的受激躍遷幾率相同非均勻加寬：入射場(chǎng)僅與介質(zhì)中表觀中心頻率與其頻率相應(yīng)的某類原子發(fā)生共振相互作用，并引起這類原子的受激躍遷均勻加寬與非均勻加寬的區(qū)別4.從光和物質(zhì)相互作用的角度看均勻加寬：入射的某一頻率的準(zhǔn)單49綜合加寬1.氣體工作物質(zhì)的綜合加寬線型函數(shù)綜合加寬1.氣體工作物質(zhì)的綜合加寬線型函數(shù)50綜合加寬綜合加寬51——佛格特線型綜合加寬——佛格特線型綜合加寬52討論討論5