光场与物质间的相互作用浅析.ppt

2004年12月1日 福建师范大学物光学院 陈建新 激光原理 福建师范大学物光学院 陈建新 发光原子（光源）的中心频率 　，原子以相对速度 运动时，接收器测得的光波频率为： 当 与光波传播方向相同时， 当 与光波传播方向相反时， 光学多普勒效应示意图 c c z z / 1 / 1 0 / 0 u u n n - + = 多普勒（Doppler）加宽 当波的发出者相对于接收者相对运动时，接收者接受到波的振动频率将与静止时不同，这种现象就是多普勒效应 多普勒加宽是由于作热运动的发光原子（分子）所发出的辐射的多普勒频移引起的 多普勒加宽是非均匀加宽： 原子体系中每个原子只对谱线内与它的表观中心频率相对应的部分有贡献。也就是说，体系中每个原子发出的光的线型函数不尽相同，每个原子有着各自的表观频率中心和发射特性。体系的总的辐射线型函数是这些所有原子线型函数的综合 麦克斯韦—玻尔兹曼统计分布规律，处于激光能级E2上的原子数密度为n2, 则处在该能级上原子数密度按热运动速度分量vz 的几率分布函数： 由于原子自E2能级跃迁自发辐射某一表观频率v 的光功率正比于E2能级上对该频率有贡献的原子数。由线型函数的定义可得多普勒加宽的线型函数: 　多普勒线宽： 用线宽度表示的线型函数为 ： 高斯线型 多普勒加宽的线型函数就是气体原子按表观中心频率的分布函数，具有高斯函数的形式 M为气体工作原子的原子量。 具有相同线宽的高斯线型函数与洛伦兹线型函数的比较 晶格场热振动所引起的频率调制加宽.(晶格的高频热运动) 晶格随机缺陷所引起的加宽 发光离子之间的库仑场相互作用所造成的偶极子加宽 离子与晶格间热驰豫过程所产生的无辐射跃迁造成的寿命加宽 固体离子掺杂型激光介质中的谱线加宽 热声子加宽与晶体中离子的掺杂浓度无直接关系，强烈地依赖晶格温度 晶格随机缺陷指晶体的生长和制作过程中存在位错或空位。可以近似用高斯线型来表示 离子高浓度掺杂使晶格缺陷较严重，在低温情况下，声子加宽变得较小时。 在玻璃为基质的离子掺杂型激光介质中，发光离子杂乱无章地分布于玻璃网络体内，不同的离子受到周围配位场的影响不同。其线型函数近似呈高斯线型。 晶格场热振动所引起的频率调制加宽称热声子加宽。可以近似用洛仑兹线型函数描述。 发光物质溶解于液体中，发光分子之间的碰撞几率加大，导致碰撞加宽增大， 使自发辐射的带状分子光谱变成准连续光谱，其线宽可达到数百埃。 谱线加宽特点使有机燃料激光器的输出波长在数百埃连续调谐的物理基础 液体激光介质中的谱线加宽机制 从谱线加宽角度看：对均匀加宽，每个粒子的自发辐射具有完全相同的线型函数、线宽、中心频率。对非均匀加宽，介质中的发光粒子可以分类，可探测到不同的中心频率。 对均匀加宽，整个介质的线型和线宽与单个粒子相同，对非均匀加宽，某个离子的线型和线宽不等于整个介质的谱线加宽和线宽。 对均匀加宽，不能把介质线型函数上的某一特定频率与介质中某类离子建立联系和对应关系。对非均匀加宽，某类发光粒子仅对光谱线范围内某一特定频率有贡献，对其他频率无贡献。 当某一频率的准单色光与介质相互作用，对均匀加宽，入射光场与所有的粒子发生完全相同的共振相互作用，所有粒子具有相同的受激跃迁几率和极化强度。对非均匀加宽，只有表观中心频率与入射光场频率相应的某类粒子凡是相互作用，不同粒子的极化情况也不同。 均匀加宽和非均匀加宽的本质差别 气体介质中的均匀加宽机制主要是：自然加宽、寿命加宽、碰撞加宽 气体介质中的非均匀加宽机制主要是多普勒加宽 当同时存在两种均匀加宽时，总的线宽和线型函数可表示： 洛伦兹线型 对于气体工作物质，若粒子系统同时存在均匀加宽 和非均匀加宽 因素，其加宽线型为综合加宽线型。 实际激光介质的谱线加宽—气体介质的综合加宽 综合加宽线型函数为均匀加宽的线型函数和非均匀加宽的线型函数的卷积： 1 当 时： 对于于高温、低气压、轻元素介质的短波长自发辐射跃迁 例：氦氖激光器 激光辐射中心频率：4.74*1014 [Hz]. 总均匀加宽：200[MHz] 多谱勒线宽： 1,500 [MHz] 佛克脱线型近似为高斯线型 强非均匀加宽 佛克脱（Voigt）积分 2 当 时： 对于于高气压、重元素介质的长波长自发辐射跃迁 例：二氧化碳氦氖激光器 激光辐射中心频率：2.82*1014 [Hz]. 总均匀加宽：5GHz 多谱勒线宽： 60 [MHz] 谱线加宽的线型函数和加宽类型随气压的变换 线型函数从高斯线型－－佛克脱线型－－洛仑兹线型 加宽类型从强非均匀加宽－－综合加宽－－强均