现代光学基础jg5章节(666KB).ppt

第 3 章激光工作物质的增益特性 激光产生过程： 光频电磁场与激光工作物质中工作粒子之间的相互作用 共振相互作用： 光场的频率近似等于原子辐射本身某一固有频率 电磁场和物质的共振相互作用 ν= 当： 发生共振相互作用，粒子跃迁辐射。 一、激光器理论 为了揭示相互作用的本质，掌握激光器工作的特性 1.经典理论 以经典电动力学为基础 光场：采用Maxwell方程组描述 原子：电偶极振子 可直观、简单、定性地解释光与物质相互作用的某些现象 2.半经典理论 光场：采用Maxwell方程组描述 原子：采用量子力学描述 可较好地揭示大部分物理现象 3.量子理论（量子电动力学） 光场 原子 量子理论 激光器的严格理论，原则上可解释激光器全部特性 4.速率方程理论 量子理论的简化形式 自发辐射、受激辐射、受激吸收几率和爱因斯坦系数 激光器速率方程 §3.1 谱线加宽和线型函数 谱线加宽：介质自发辐射光谱中每一条谱线都不是理想单色光，而是在其中心频率附近呈现某种频率分布。 原因：能级自然加宽、碰撞、多普勒效应等。 § 3.1 谱线加宽和线型函数 ——自发辐射总功率 ——单色自发辐射功率 发光粒子在 处，单位频率间隔内的自发辐射功率 1. 线型函数 相对功率/辐射跃迁几率按频率的分布函数 2. 线宽 线宽：光谱线的宽度 3.1.2 谱线加宽的机理和类型 1. 自然加宽 这种谱线加宽是不可避免的 （Natural broadening） 量子解释 Heisenberg测不准关系： 经典电子理论： 原子是一个正电中心和 一个负电中心组成的偶极子。处于激发态的发光粒子，在辐射的发光过程中，辐射功率不断衰减，导致光谱线有一定宽度。 ——衰减因子（阻尼系数） 经典理论 谱线加宽的机理和类型——自然加宽 洛仑兹型线型函数 谱线加宽的机理和类型——自然加宽 自然加宽线型函数： 线宽： 激光上下能级平均寿命分别为τ1，τ2 2. 碰撞加宽（Pressure (collisions) broadening ） 碰撞改变了原子的能量状态，相当于缩短了原子处于激发态的平均寿命，导致光谱线在自然加宽基础上被进一步加宽 平均碰撞时间 ： 任一原子与其他原子发生碰撞的平均时间间隔 线型函数： 洛仑兹型线型函数 谱线加宽的机理和类型——碰撞加宽 可直接由实验测得 经验公式： ——比例系数 ——气体总气压 气压比较小时： 3.多普勒加宽（Doppler Broadening） 光源与接收器间有相对运动，则光接收器接收到的光波频率会随两者相对运动速度而改变。 ①光波多普勒频移效应： 光源（ ） 接收器 运动原子——光接收器（中心频率 ） ——光波固有频率 ——原子固有中心频率 激光器中，原子和光波场的相互作用： 频率为 的电磁波 假想光源 原子以 相对于光源运动： 原子接受到的光波频率： ②运动原子的表观中心频率： 原子表现出的中心频率： 发生共振相互作用。 ——表观中心频率 =ν 沿光波传播方向： ; 与光波传播方向相反： 当， 粒子跃迁辐射几率最大。 当 vz = 0： 单位体积内具有z方向速度分量 的原子数： 设单位体积工作物质内原子数为n，它们的热运动速度服从Maxwell统计分布规律 大量激活粒子热运动: ③多普勒加宽 高斯型函数 多普勒加宽线型函数 线宽： 3.1.3 均匀加宽与非均匀加宽 这两种引起加宽的物理因素对激光介质中每个原子是等同的 1. 气体激光器均匀加宽 气体激光器，固体激光器 自然加宽: 由于受激原子在激发态上具有有限 的寿命造成原子跃迁谱线加宽 碰撞加宽: 由于大量原子（分子）间无规则的 热运动而造成原子跃迁谱线加宽 气体 激光器 均匀加宽的特点： 所有发光粒子的中心频率不变，且谱线加宽完全一样; 整个光源的谱线中心频率与单个发光粒子的中心频率一致; 归一化后线型函数与单个粒子的线型函数相同。 ΔνH 1 1/2 气体激光器的均匀加宽线型函数： 一般气体激光器： 非均匀加宽特点： 发光粒子的中心频率发生改变，不同发光粒子表观中心频率不同； 线形函数取决于各发光粒子表观中心频率的分布； 归一化后线型函数与单个粒子的线型函数不相同。 2. 气体激光器非均匀加宽——多普勒加宽 非均匀加宽：不同发光粒子只对光源光谱线内与其表观中心频率相应的部分有贡献，也就是说非均匀加宽谱线上某一频率范围的发光与某些特定原子有对应关系。 气体激光器的非均匀加宽往往只有多普勒加宽一项： 4. 固体激光器的谱线加宽 线宽比气体介质大得多，线型函数难以写出具体解析表达式，通常只能给出定性说明，可由实验测出。