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大学课件-激光原理_第四章.pptx

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大学课件-激光原理_第四章

第四章 电磁场和物质的共振相互作用;根据不同的近似基本上可以分为四类: 一、经典理论(经典原子发光模型) 出发点是:将原子系统和电磁场都作经典处理,即用经典电动力学的麦克斯韦方程组描述电磁场,将原子中的运动电子视为服从经典力学的振子。 成功地解释了物质对光的吸收和色散现象,定性地说明了原子的自发辐射及其谱线宽度,等等。 此外,经典理论在描述光和物质的非共振相互作用时也起一定作用。;二、半经典理论 属于量子力学范围内的理论方法,与量子力学中关于原子跃迁和光的辐射、吸收问题的处理方法相似。 出发点是采用经典麦克斯韦方程组描述光频电磁场,而物质原子则用量子力学描述。 用这种方法建立激光器理论是由兰姆在1964年开始的,故称为激光器的兰姆理论。 半经典理论能较好地揭示激光器中大部分物理现象,如强度特性、增益饱和效应、多模耦合与竞争效应,模的相位锁定效应、激光振荡的频率牵引与频率推斥效应等。 半经典理论的缺点:掩盖了与场的量子化特性有关的物理现象;数学处理比较繁杂。; 三、量子理论 量子电动力学处理方法。 它对光频电磁场和物质原子都作量子化处理,并将二者作为一个统一的物理体系加以描述。 激光器的全量子理论只是在需要严格地确定激光的相干性和噪声以及线宽极限这些特性时才是必要的。; 四、速率方程理论 它是量子理论的一种简化形式,因为它是从光子(即量子化的辐射场)与物质原子的相互作用出发的。 忽略了光子的相位特性和光子数的起伏特性,这种理论形式非常简单。 缺点:只能给出激光的强度特性,而不能揭示出色散(频率牵引)效应,也不能给出与激光场的量子起伏有关的特性。;第四章 电磁场和物质的共振相互作用;第四章 电磁场和物质的共振相互作用;§4-1 光与物质相互作用的经典理论简介;+;考虑阻尼的情况下,电子的运动方程为;简谐偶极振子发出的电磁辐射与x成正比;二、受激吸收和色散现象的经典理论; 根据电磁场理论,在物质中沿z方向传播的单色平面波,其x方向的电场强度可表示为 式中,ε和μ分别为物质的相对介电常数和相对磁导率。在一般介电物质中μ=1,而ε则应根据物质在E(z, t)作用下的极化过程求得。 设物质由单电子原子组成,忽略磁场对电子的微小作用力,则作用在电子上的力为 在上述电场力的作用下,电子运动方程应改为 ;近共振情况,ω=ω0,;;?就是物质的折射率。根据增益系数的定义;物质的增益系数和折射率(ω≈ω0);正常色散;将上述结果推广到普遍的状态,令Δn代替(-n),并令Δ?H=?/2?;第四章 电磁场和物质的共振相互作用;§4-2 谱线加宽和线型函数; 实际上由于各种因素的影响,原子或分子的能级并不是无限窄,而是由一定宽度的,所以自发辐射并不是单色的,而是分布在中心频率附近一个很小的频率范围内。这就是谱线加宽。;上、下能级宽度分别为 ;; 线型函数在?=?0时有最大值 ,并在?1和?2时下降到最大值的一半,即 则定义Δ?=?2 -?1为谱线宽度。;一、均匀加宽;1. 自然加宽 在不受外界影响时,受激原子并非永远处于激发态,它们会自发地向低能态跃迁,因而受激原子在激发态上具有有限的寿命,这一因素造成了原子跃迁谱线的自然加宽。 根据经典模型,原子中做简谐振荡的电子由于自发辐射而不断损耗能量,因而电子振荡的振幅服从阻尼振动规律;根据线型函数定义;频率分布函数;阻尼系数和能级寿命之间的关系;自发辐射类似;;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; 某洛仑兹线形函数为;2. 碰撞加宽 大量原子(分子、离子)之间的无规“碰撞”是引起谱线加宽的另一重要原因。 碰撞过程可能是各种各样的,例如激发态原子和同类基态原子发生碰撞而将自己的内能转移给基态原子并使其跃迁至激发态,而激发态原子本身回到基态。激发态原子还可能和其他原子发生弹性碰撞。通常将以上过程称作横向弛豫过程。; 由于碰撞的发生完全是随机的,我们只能了解它们的统计性质。 设任一原子与其他原子发生碰撞的平均时间间隔为τL,它描述碰撞的频繁程度并称为平均碰撞时间。可以证明,这种平均长度为τL的波列可以完全等效为振幅呈指数变化的波列,其衰减常数为1/τL 。 由此可见,碰撞过程应和自发辐射过程同样地引起谱线加宽,而且完全可以从物理概念出发预见它的线型函数应和自然加宽一样,; 在气体工作物质中,平均碰撞时间与气体的压强、原子间的碰撞截面、温度等有关。 如果气体包括两种原子

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