ch04 光与物质相互作用(4.4-4.6).pptVIP

(3) 举例计算氦氖激光器和CO2激光器的多普勒加宽。比较三种谱线加宽知道自然加宽远小于碰撞加宽和多普勒加宽。 四、非均匀加宽 多普勒加宽属于非均匀加宽 特点： （1）不同的原子向不同的谱线发射 即不同的原子只对谱线内与它的中心频 率相应的部分才有贡献。 （2）可以辨别谱线上的某一频率范围是由哪一部分原子发出的。 1.在固体工作物质中，不存在多普勒加宽，但是存在一系列引起非均匀加宽的其他物理因素（如位错、空位等晶格缺陷） 2.固体工作物质的非均匀加宽线型函数一般很难从理论上求解出。只能由实验测定其谱线宽度。 注意： 1. 自然加宽和碰撞加宽中每一个原子所发的光对谱线内任一频率都有贡献，这种加宽为均匀加宽。 2. 多普勒加宽中，各种不同速度的原子对中不同频率有贡献。不同原子的作用是不同的，这种加宽叫非均匀加宽。其线型函数为高斯分布函数。 均匀加宽和非均匀加宽小结： 3. 这两种线型函数都是“钟形”曲线，但它们大不相同。 实际的光谱线型是均匀加宽线型和非均匀加宽线型的迭加。 综合加宽 §4.6 激光器的速率方程 表征激光器的腔内光子数和工作物质各有关能级上的原子数（粒子数）随时间变化的微分方程，称为速率方程（或称平衡方程）。 最具有代表性的是三能级系统和四能级系统。 一、三能级系统的速率方程 E1——基态，激光下能级 E2——亚稳态能级，激光上能级 E3——抽运能级 （1）在外界的激励（泵浦）下，E1态的粒子被抽运（泵浦）到E3能级，其中W13为受激吸收的几率。 （2）E3能级的粒子通过无辐射跃迁（热弛豫）迅速转移到E2能级上，S32为此过程的几率。 （3）在建立粒子数反转状态之前，E2能级上的粒子主要以A21的几率返回E1能级，并且A21非常小。也就是说E2能级上的粒子寿命长，有利于形成粒子数反转的状态。一旦建立了粒子数反转状态，则E2和E1之间的W21和W12将占绝对优势，这样，激光振荡就形成了。 可以写出各能级粒子数随时间变化的方程 E3能级 E2能级 n为单位体积工作物质内的总粒子数 腔内光子数密度随时间的变化规律如何？ 设腔内某一模式（如第 模）在 处的能量密度为 为第 模的总光子数密度 腔内光子数变化的速率方程 为单位体积在 处单位频带内的模式数 三能级系统的速率方程为： 二、四能级系统的速率方程 特点：激光下能级不是基态，热平衡时E1上的粒子数非常少，更有利于形成 四能级系统速率方程为： 三、速率方程的有关问题 1.速率方程分为场方程和物质方程 物质方程：表征各激光能级和抽运能级上的粒子数密度随时间的变化。 场方程：表征谐振腔中某振荡模式在增益和损耗的影响下，光子数随时间的变化。 2.外界泵浦原子系统 产生两种效应： （1）引起宏观电极化 （2）引起能级上的粒子数目发生变化 3.不同的工作物质有着不同的速率方程，即使是同一种工作物质，在不同的运行状态下，速率方程也不同。 4.原则上可以写出多能级系统的速率方程，但严格的解应采用量子理论，即密度矩阵方程。 激光原理 第四章 光与物质相互作用 激光原理 §4.4 均匀加宽 一、自然加宽 1.现象：自发辐射的谱线有一定的宽度 2.成因：由于每个原子所固有的自发辐射跃迁引起原子在能级上的有限寿命造成。 2.线型函数求解 辐射光强 对辐射场进行傅里叶变换 根据线型函数的定义 原子自发辐射的激发态寿命 考虑二能级系统E2——E1的跃迁速率 跃迁辐射的功率 根据阻尼谐振子得出的自发辐射强度 两式对比可得 5.自然加宽的线宽 线宽即为线型函数的半宽度 自然加宽的线宽唯一的由原子激发态E2能级寿命决定 自然加宽 图 4－4洛仑兹线型函数 二、碰撞加宽 1、加宽机制：大量原子、分子之间的无规则碰撞 气体：无规则热运动，两原子相遇而处于足够接近的位置，原子间相互作用而改变原来的运动状态。 晶体：相邻原子间的偶极相互作用，使得运动状态发生改变。方式有：原子-晶格热弛豫无辐射跃迁或晶格热振动。 自然加宽是假设原子彼此孤立并且静止不动所造成的谱线加宽。而碰撞加宽是考虑了发光原子间的相互作用造成的，碰撞使原子发光中断或光波位相发生突变，即使发光波列缩短。 碰撞的定义： 激发态的原子间，激发态与基态原子间，原子与器壁相互作用而改变原来的运动状态。 碰撞对加宽的影响 （1）横向弛豫：激发态粒子——基态粒子 由于碰撞的作用，使得激发态有一定的寿命 （2）激发态粒子与器壁的碰撞 （3）激发态粒子与其他原子碰撞，使激发态自发辐射波列的相位发生突变，由于波列的时间缩短，等效于原子寿命缩短 这些过程的结果，是使得激发态粒子的寿命缩短 2.碰撞对加宽的线型函数 原子激发态上的有限寿命 =发生碰撞的平均时间间隔 而由于碰撞的几率对任何原子都是等同的，可以与自然