2辐射场作用.ppt

3、多普勒线宽经验公式 ?0:激光器中心波长 证 或 M:发光粒子原子量或分子量 五、综合加宽 1、均匀加宽——洛伦兹型 ??H：均匀线宽 2、非均匀加宽——高斯型 ??i：非均匀线宽 六、气体激光器的各类线宽数据 ??N ??D (MHz) ??L(MHz) He-Ne (非均匀) CO2 (均匀) 10MHz 103Hz-104Hz 75-225 (100Pa-300Pa) 50-150 (1000Pa-3000Pa) 1500(400K) 60(400K) * * 第二章 辐射场与物质的相互作用 量子力学 经典力学 对粒子的处理 物质对光的吸收、色散、自发辐射和谱线宽度 麦克斯韦方程组 经典理论 适用范围 对电磁场的处理 理论 只能给出强度效应、不能揭示色散（频率牵引） 量子理论的简化形式 速率方程理论 严格确定相干性、噪声和线宽极限时才必须 对电磁场和物质原子都作量子化处理 量子理论 强度特性、增益饱和效应、多模耦合和竞争效应、模的相位锁定等 麦克斯韦方程组 半经典理论 §1 谱线加宽与线型函数 一、谱线加宽 1、概念 a.此前总假设能级无限窄,即 自发发射功率(光强)全部集 中在单 一频率 v 0=(E2－E1)／h上。 b.实际上,能级总有一定宽度△E,而不是一条简单的线. c.由于能级有一定的宽度，所以当原子在能级之间自发发射时，它的频率也有一个变化范围△vn. d. 实际上光强分布总在一个有限宽度的频率范围内,每一条谱线都有一定的宽度, v = v0只是谱线的中心频率.这种现象称为谱线加宽 自发发射光强按频率分布 谱线加宽： 发光粒子或光源由于各种物理因素造成光谱曲线I(?)(强频函数)的线宽加大。 2、谱线加宽类型 (1)发光粒子的谱线加宽——自然加宽 发光粒子在自发辐射过程中由于辐射电磁波不断衰减而导致的谱线加宽 ? ?0 I ?? (2)光源的谱线加宽 ①均匀加宽 发光粒子的光谱因物理因素加宽后中心频率不变,由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子相同。如气体激光器的碰撞加宽 ②非均匀加宽 发光粒子的光谱因物理因素使得中心频率发生变化,由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子不同。如气体激光器的多普勒加宽 ? ?0 I 二、线型函数 1、定义 2、单位 s 3、性质 4、本质 三、自然加宽线型函数——洛仑兹型 ??N:自然线宽 ?2:激光上能级寿命 反映发光粒子或光源谱线形状 证 (1)自发辐射光场模型(场时函数) 阻尼系数： 由阻尼振荡 由自发辐射几率 (2)光谱(强频)函数 及 与本征模式线宽对比：?c??2 (3)光谱函数的积分 (4)线型函数 自然增宽的量子解释 量子力学中的不确定关系：△ t△E=h/2π 可见:寿命越长,能级宽度越窄,即△E越小,在基态 τ→∞,△E →0. △E——为能量的测不定量，即能级宽度。 由于能级有一定的宽度，所以当原子在能级之间自发发射时，它的频率也有一个变化范围△vN， △vN为辐射的自然宽度。 △t——时间的不确定值，即原子的平均寿命τ。 结论：自然加宽具有洛伦兹线型谱，谱线线宽度完全由原子所在能级的自发辐射寿命决定。自然加宽是由原子具有有限的激发态寿命而引起的。 He-Ne激光器和CO2激光器上能级寿命分别为10-8s和10-4s，求(1)两激光器发光粒子所发光的自然线宽(2)两激光器在中心频率处的线型函数值 例1 解 He-Ne CO2 分别求频率为　　　　 和　　　　　 处的自然加宽线型函数值(用峰值gm表示) 例2 解 某洛仑兹线形函数为 (s),求该线形函数的线宽Δ?及常数k 例3 解 一、碰撞加宽 §2 均匀加宽 1、机理 由于气体分子间的碰撞，使发光粒子提前中断发光而引起的谱线加宽 气体分子或原子间的碰撞使发光粒子 突然中断发光，导致寿命缩短而造成。 2、线型函数——洛伦兹型 ??L:碰撞线宽 ?L:平均碰撞时间 碰撞加宽的光场模型： 与自发辐射光场模型相比：?L??2 3、碰撞线宽经验公式 CO2:?=0.049 MHz/Pa He-Ne:?=0.75 MHz/Pa p:气体压强 ?：碰撞系数 二.均匀加宽 ??H：均匀线宽 一、光学多普勒效应 1、定义 当光源与接收器间存在相对速度时,接收器测得光频将发生变化 2、频移计算公式 §3 非均匀加宽 (1)光源静止、接收器运动 vB:接