第四章_电磁场与物质的共振相互作用1.ppt

一、反转集居数饱和 4.4　均匀加宽工作物质的增益系数 若入射光的频率为ν1，光强为Iν1，在此光作用下，工作物质的反转集居数密度Δn，可根据速率方程式(4.3.23)~ (4.3.26)求出。 四能级系统中S10W03,S32W03,A30S32 于是由式(4.3.23)可得 在连续稳态工作状态下应有: 由式(4.3.25)可得 因此式(4.3.24)可改写为: 在稳态时有dΔn/dt=0，考虑到四能级系统中n0≈n 于是由上式可求得: 式(4.4.7) 在光强Iν1Is的小信号情况下: Δn0称作小信号反转集居数密度，它正比于受激辐射上能级寿 命及激发几率W03。 当Iv1足够强时,将有 ，Iv1越强,反转集居数减少得越多，这种现象称为反转集居数的饱和。 饱和光强Is(v1)的物理意义是：当入射光强度Iν1可以与Is比拟时，受激辐射造成的上能级集居数衰减率就可以与其他弛豫过程(自发辐射及无辐射跃迁)造成的衰减率相比拟。 因此当Iν1Is时,Δn与光强无关，当Iν1可与Iνs相比拟时，Δn随Iν1的增加而减少。 的数值决定于增益物质的性质，可由实验测出。 4.4　均匀加宽工作物质的增益系数 饱和光强 反比于线型函数。如果均匀加宽工作物质具有洛仑兹线型，则将相关参数代入（4.4.8）可得： 当入射光频率恰位中心频率时： 其中心频率处的饱和光强： 可见其中心频率处的饱和光强 最小，饱和效应最强烈 ，入射光偏离中心频率越远，则饱和效应越弱。 * * 第四章 电磁场和物质的共振相互作用 激光器的理论基础是光频电磁场与物质的相互作用(特别是共振相互作用)。 光与物质的相互作用包括：光与组成物质的原子(或离子、分子)内的电子之间的共振相互作用（大多数激光器）；光与自由电子的相互作用（自由电子激光器）；另一种，光与物质的非线性光学效应。 激光器的特性，宏观有激光强度、频率特性，微观有场的量子起伏（相干性和噪声），激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上，它可以描述激光器的全部特性。下面介绍四种近似理论: 第四章 电磁场和物质的共振相互作用 一、经典理论 它的出发点是,将原子系统和电磁场都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。也称为经典原子发光模型。 它曾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。特别是对于自由电子激光器,可以完全采用运动电子电磁辐射的经典理论来描述。 第四章 电磁场和物质的共振相互作用 二、半经典理论 它是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。它的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(W.E.LambJr)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(反转粒子数烧孔效应与振荡光强的兰姆凹陷)、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。 这种理论的缺点：数学处理比较繁杂。 第四章 电磁场和物质的共振相互作用 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。 4.２ 谱线加宽和线型函数 4.２ 谱线加宽和线型函数 不考虑原子能级E2、E1宽度，可认为自发辐射是单色的，辐射时全部功率P都集中在一个单一的频率上，单位体积物质内原子发出的自发辐射功率为： 　　由于各种因素的影响，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，这就叫谱线加宽。 　　由于谱线加宽，自发辐射功率为频率的函数P(v)，如图4.2.1，分布在 的功率为p(v) dv，则: 4.