第四章 光与原子共振相互作用与激光器工作特性.ppt

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第四章 光与原子共振相互作用与激光器工作特性

第四章 光与原子的共振相互作用 及激光器的工作特性;§4.1 谱线加宽(4学时) 掌握均匀加宽与非均匀加宽、碰撞加宽、多普勒加宽、固体中的加宽机制。 §4.2 速率方程理论(2学时) 掌握吸收截面、发射截面概念,了解速率方程理论。 §4.3 增益系数与增益饱和 (4学时) 掌握均匀与非均匀加宽激活介质的增益饱和特性、饱和光强、非均匀加宽激光器的多模振荡。了解综合加宽增益系数的求解方法。 §4.4 激光器的工作特性(4学时) 掌握连续与脉冲激光器的振荡阈值,了解脉冲激光器的驰豫振荡的物理机制,掌握连续与脉冲激光器输出功率(能量)的特性。;原子能级、三种辐射跃迁;;;;;;实现光放大的条件;§4.1 谱线加宽;1 )线型函数 线型函数定义:单位频率间隔的相对光强分布f(n)。 线型函数的归一化条件: 相对光强之和(积分)为1 ;光谱线宽度 定义为相对光强为最大值的一半处的频率间隔(半极大值全宽FWHM),即: 式中各频率处光强满足: 光谱曲线可用实验方法测量;2)均匀加宽: ①自然加宽;查数学手册可得其傅里叶变换;线形函数是相对光强分布,可写成;洛仑兹线型函数;碰撞增宽的形成机理;§4.1 谱线加宽;碰撞的结果使原子和入射电磁波之间的相干相互作用过程中断。考虑原子自发辐射时受到碰撞,碰撞使原子波函数的相位受到扰动,使辐射电磁波的相位产生一个随机变化,从而使辐射电磁波的相干性变差。碰撞的结果,等效为减小能级寿命,从而使谱线变宽。 可由傅立叶变换求出由碰撞增宽引起的谱线线型函数 ; 气压不太高时,碰撞增宽ΔνL 与气体压强P成正比 当发光原子同时具有碰撞增宽ΔνL 和自然增宽ΔνN 时,频谱线型仍为洛仑兹线型,其谱宽为两者之和;固体工作物质中,激活离子镶嵌在晶体中,由于晶格热振动使激活离子处于随时间周期变化的晶格场中,激活离子的能级所对应的能量在某一范围内变化,引起谱线加宽。 温度越高,振动越剧烈,谱线越宽。由于晶格振动对于所有激活离子的影响基本相同,所以这种加宽属于均匀加宽 对于固体激光工作物质,自发辐射和无辐射跃迁造成的谱线加宽是很小的,晶格振动加宽是主要的均匀加宽因素。;由于光的多普勒效应,光源或接收器之间存在相对运动时,接收器接受到的光波频率不等于光源与接收器相对静止时的频率。;式中ν0 为光源与接收器相对静止时的频率。 光源与接收器相对趋近时,v取正值; 两者背离时,v取负值。 ;§4.1 谱线加宽;§4.1 谱线加宽;§4.1 谱线加宽;气体放电管中一个静止原子的发光频率为ν0 ,原子的运动速度为v,在z方向的分量为vz,一般有vzc,则接收器接收到的光频率为 要得到接受器收到光的线型函数就要知道发光原子的速度分布规律,即不同速度原子的概率分布;§4.1 谱线加宽;§4.1 谱线加宽;大量同类原子的发光,由于原子的运动速度各不相同,不同速度的原子所发出的光被接收时的频率也各不相同。 ;在光源静止时达到线型函数最大值 在半极大值时对应的频率为 多普勒增宽为;对于氦氖激光器中氖原子发出的激光0.6328微米,原子量为M=20,原子质量m=M/Na=1.66e-27M(kg) 取T=400K,则 对于二氧化碳激光器发出的10.6微米波长激光,分子量为44,同样取T=400K,则 ,频宽小很多是因为波长长很多而粒子重量也大很多;在固体工作物质中,不存在多普勒加宽,最主要的加宽机制是晶格缺陷的影响(如位错、空位等晶体不均匀性)。在晶格缺陷部位的晶格场将和无缺陷部位的理想晶格场不同,因而处于缺陷部位的激活离子的能级将发生位移,这就导致处于晶体不同部位的激活离子的发光中心频率不同,即产生非均匀加宽。 这种加宽在均匀性差的晶体中表现得最为突出。在玻璃作为基质的钕玻璃等激光介质中,由于玻璃结构的无序性,各个激活离子处于不等价的配位场中,这也导致了与晶格缺陷类似的非均匀加宽。 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得,只能由实验测出它的谱线宽度。 ;如果发光的每一原子对于谱线增宽的贡献都是相同的,这种加宽为均匀加宽。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,遵循洛仑兹线型公式,都是均匀加宽fH (ν, ν0) .;4)综合加宽:①气体介质;4)综合加宽:①气体介质;; 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]. 碰撞线宽ΔυL : 0.75p [MHz] 自然线宽ΔυN : 10 [MHz] 多谱勒线宽Δ υD : 1500 [MHz] 当P=100~400Pa 时, ΔυH

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