第四章電磁場和物質的共振相互作用

引言激光器的物理基礎－光頻電磁場和組成物質的原子(或離子、分子)內的()電子的共振相互作用。一.光和物質相互作用理論簡介二.譜線加寬和線型函數三.典型激光器速率方程四.均勻加寬工作物質的增益系數五.非均勻加寬工作物質的增益系數六.綜合加寬工作物質的增益系數1一.經典理論1.處理方法：將原子系統和電磁場都作經典處理，即用經典電動力學的麥克斯韋方程組描述電磁場，將原子中的運動電子視為服從經典力學的振子!電子(諧振子)原子核簡諧振動電偶極子發出的電磁輻射電磁波產生電極化強度相互作用使物質4.1光和物質相互作用理論簡介2物質的折射率感應電極化系數的虛部電磁波感應電極化系數根據增益的定義：3二.半經典理論——激光器的蘭姆理論1.處理方法：采用經典麥克斯韋方程組描述光頻電磁場，而物質原子則用量子力學描述。2.作用和優勢：能較好地揭示激光器大部分特性，如強度特性(反轉粒子數燒孔效應與振蕩光強的蘭姆凹陷)、增益飽和、多模耦合與競爭、模的相位鎖定、激光振蕩的頻率牽引與頻率推斥效應等。3.缺陷：數學處理也復雜。理論上還掩蓋了光場的量子特性，無法解釋自發輻射的產生、線寬極限、振蕩過程的量子起伏效應(噪聲和相干性)等。5三.嚴格理論——量子理論1.處理方法：將輻射場與原子都作量子化處理，

量子電動力學模型

處理光子

量子力學模型

處理原子將二者作為一個統一的物理體系加以描述。2.優勢：原則上可處理激光方面的所有問題。3.缺陷：太復雜。只有在需要嚴格確定激光的相干性和噪聲以及線寬極限這些特性時才必須用。6四.速率方程理論——量子理論的簡化形式1.處理方法：從光子(即量子化的輻射場)與物質原子的相互作用出發的。但是，忽略了光子的相位特性和光子數的起伏特性。2.作用和優勢：簡明性而誘人。能給出激光的強度特性。對于燒孔效應、蘭姆凹陷、多模競爭等，能給出粗略的近似描述。3.缺陷：不能揭示色散(頻率牽引)效應，不能給出與激光場的量子起伏相關的特性。對燒孔效應、蘭姆凹陷、多模競爭等，則只能給出粗略的近似描述。71.定義：分布在某一頻率附近單位頻率間隔內的自發輻射功率與整個頻率范圍內的自發輻射總功率之比。用于表示譜線的形狀。二.線型函數譜線中心頻率2.性質3.譜線寬度(譜對稱時)9二.加寬機制均勻加寬、非均勻加寬、綜合加寬三.均勻加寬(HomogenousBroadening)定義：引起加寬的物理因素對每個原子都是等同的，每個發光原子都以整個線型發射，即每個發光原子對譜線內任一頻率都有貢獻。種類：自然加寬、碰撞加寬、晶格振動加寬101.自然加寬(NaturalBroadening)原因：在不受外界影響時，受激原子自發地從激發態向低能態躍遷。使得原子在激發態上的壽命有限，造成原子躍遷譜線的自然加寬。②線型函數:阻尼系數①譜線寬度洛倫茲型:自發輻射壽命11b.非彈性碰撞(無輻射躍遷)激發態原子與其他原子或器壁碰掩使內能轉換為其他原子或器壁的動能，而自己回到基態。結果使激發態原子減少，也使激發態壽命。②碰撞結果：使激發態壽命，導致譜線加寬。平均碰撞時間③碰撞加寬線型函數碰撞線寬洛倫茲型133.晶格振動加寬定義：由于晶格原子的熱振動，鑲嵌在晶體里的激活離子處在隨時間變化的晶格場中,導致其能級位置在一定范圍內發生變化，從而引起譜線加寬。晶格振動加寬是固體工作物質主要均勻加寬因素。溫度越高，振動越劇烈，譜線越寬。144.各種工作物質總的均勻加寬①.氣體工作物質：以碰撞加寬為主，在很低的氣壓下，自然加寬才表現出來。②.固體工作物質自然加寬、碰撞加寬、晶格振動加寬。以晶格振動加寬為主。③.總的均勻加寬線型函數—洛侖茲函數總的均勻加寬線寬15②光學多普勒效應a.設一發光原子的中心頻率為，當光源和接收器都靜止時，接收器接收到的光波頻率也為。b.設接收器靜止，光源相對接受器以速度運動。取一級近似接收器發光原子>0表示原子朝接收器運動(沿光傳播方向)<0表示原子離開接收器運動(反光傳播方向)則接受器接收到的光頻率17運動原子接收器單色光波發光原子接收器③受激輻射譜線的多普勒加寬（一維情況）激光的產生是光與物質中原子的相互作用接收器感受到的光頻率接收器的運動速度共振相互作用最大時靜止光源原子原子輻射譜18表示運動原子與光傳播方向相同表示運動原子與光傳播方向反向靜止光源原子靜止光源原子原子表觀中心頻率19高斯函數212.晶格缺陷加寬定義：晶格缺陷(如位錯、空位等晶體不均勻性)將使晶格缺陷部位的晶格場與無缺陷部位的理想晶格場不同，使缺陷部位的激活離子的能級發生位移，這就導致處于晶體不同部位的激活離子的發光中心頻率不同，產生非均勻加寬。對應的加寬線型函數很難從理論上求得，需要實驗測其譜線寬度。22主要的加寬類型是由碰撞引起的均勻