人体生物学之人体结构3.ppt

* * 目的：强相干光源，因为普通热光源的自发辐射光实质上是一种光频“噪声”。满足光全息技术和相干光学计量技术要求在尽可能大的相干体积或相干长度内有尽量强的相干光。 §1.3 光的受激辐射放大 1 1 ?m 20000K 1.8*10-35 0.6 ?m 300K 0.8(相干) 60?m 300K 6249(相干) 30cm 300K ? T 一 光放大概念的产生 如果腔内某一特定模式(或少数几个模式)的ρv大大增加，而其它所有模式的ρv 很小，就能在这一特定(或少数几个)模式内形成很高的光子简并度。也就是说，使相干的受激辐射光子集中在某一特定(或几个)模式内，而不是均匀分配在所有模式内。 上述思想包含两个重要部分： 第一是是光波模式的选择，它由两块平行平面反射镜法布里—泊罗(Fabry—Perot) 干涉仪：光谐振腔。 第二是受激辐射放大，激光的英文缩写名称LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)。 不用在这里 一. 实现光的放大的基本条件 ---- 受激发射占优势 二、光束在介质中的传播规律 频率为ν的准单色光射向介质，在介质中z处取厚度为dz、截面为单位截面的一薄层，在 dt 时间内由于介质吸收而减少的光子数密度 在 dt 时间内由于介质吸收而减少的光子数密度： dt时间内由于受激辐射增加的光子数密度： 其中:ρ(z)为介质中z处传播着的光能密度，它与光强I(z)的关系： dt为光经过dz所需要的时间： 并且有： 则光穿过dz介质后净增加的光子数密度为： 则光穿过dz介质后光能密度的增加值为： 解此微分方程得： 光波穿过介质时光强随路程z的变化规律。 式中I(0) 为 z=0 处的光强 两点结论: ①热平衡态下， —低能级上的粒子数较大，光波穿过介质时光强随路程z衰减，物质对入射光的作用宏观表现为吸收。 ②只有使高能级粒子数超过低能级, 即实现 才能使光波穿过介质时光强随路程z增长,物质对入射光的作用宏观表现为放大 —光放大。 处于粒子数反转分布的物质称为“激活物质”或“增益物质” (inverted laser medium) 三.介质中粒子的分布情况 1.正常分布状态: 热平衡态下,粒子数按能级的分布为玻尔兹曼分布 2.粒子数正常分布状态的数学表达式: 因为E2＞E1 ,hv＞0, T＞0,所以 3.粒子数反转分布 (1).反转条件: 破坏热平衡分布(正常分布)的条件 (2).反转粒子数密度△n: 用来衡量反转程度的物理量 定义: 于是, 反转条件变为: △n ＞0 (3).等效温度Teq: 由 得 定义: 于是, 反转条件变为 即: 粒子数反转时等效温度为负值。 (4).实现反转的手段: 激励或泵浦(pumping)或抽运 由外界能源向粒子系统输入能量,使大量粒子跃迁到高能级。 激励方法(按激励能源分类): 光泵抽运、电激励 (气体放电激励)、化学激励、核能激励等 量子光学近期研究发现无粒子数反转产生激光的现象，这已经超出本课的研究范畴。可参见M.Fleischhauer and Lukin,Phys.Rev.Lett.84:5094(2000) 一般来说当物质处于热平衡状态(即它与外界处于能量平衡状态)时，集居数反转是不可能的，只有当外界向物质供给能量(称为激励或泵浦过程)，从而使物质处于非热平衡状态时，集居数反转才可能实现。激励(或泵浦)过程是光放大的必要条件。 介质处于热平衡状态时上下能级粒子数的分布关系为： 即 四、增益介质与增益系数 1.介质的吸收系数: A——代表介质对光波的吸收能力 若令: 则由： 有: 说明:在一般情况下，介质中吸收过程占主要地位，光波按指数规律衰减。且衰减的相对速率为A，代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对衰减率的大小，也代表介质对光波吸收能力的大小，将A称为吸收系数。 2.讨论: 粒子数分布与介质的吸收系数 的关系 _____________________________________________________________________ 状态 热平衡 非热平衡 非热平衡 ________________________________________________________ ＞0(n2劣势) ＜0(n2优势) =0 粒子数分布状态