电磁场与物质的共振作用

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1、激光原理与技术2010.3~2010.7樊叔维shwfan@mail.xjtu.edu.cn西安交通大学电子信息与工程学院电子科学与技术系激光原理与技术绪论第一章激光基本原理第二章光学谐振腔与高斯光束第三章电磁场与物质的相互作用第四章激光振荡特性第五章激光器特性的控制与改善2021/10/51第三章电磁场与物质的相互作用激光器的理论简介谱线加宽与线型函数激光器速率方程介质对光的增益2021/10/52激光器的理论简介2.半经典理论：用麦克斯韦方程组描述光频电磁场，应用量子力学理论描述物质原子。１９６４年，兰姆应用该理论建

2、立了激光器理论，很好地揭示激光器中大部分的物理现象，如：强度特性、增益饱和效应、多模耦合与竞争效应激光振荡的频率牵引与推斥效应等。其缺点是数学处理过于复杂。经典理论：将原子系统和电磁场均做经典处理。该理论成功地解释了物质对光的吸收和色散作用，定性地说明了物质的自发辐射及其谱线宽，对解释光和物质相互作用中的某些物理现象有一定帮助，并对解释光和物质的非共振相互作用也起一定作用。激光器的物理基础是光频电磁场与物质的相互作用2021/10/53３.量子理论：应用量子电动力学的处理方法，对物质原子系统和光频电磁场都作量子化处理，将

3、两者作为统一的物理体系加以研究。需严格地确定激光的相干性和噪声以及线宽极限时应用。４.速率方程理论：量子理论的简化形式。出发点是研究光子（量子化的辐射场）与物质原子的相互作用。该理论形式简单，可以给出激光的强度特性，并粗略地解释模式竞争、线宽极限等物理现象，但无法揭示光的色散以及由此引起的频率牵引等现象。－我们通过激光器的速率方程，推导出激光工作物质的增益系数与反转粒子数的关系，并且讨论增益的饱和特性。激光器的理论简介2021/10/54谱线加宽和线型函数谱线加宽、线型函数均匀谱线加宽非均匀谱线加宽自然加宽、碰撞加宽多普

4、勒加宽2021/10/55没有考虑原子能级的宽度时，单位体积物质内原子的自发辐射功率为：谱线加宽和线型函数2021/10/56则自发辐射功率　　为频率的函数。设总的辐射功率为P,有：谱线加宽：自发辐射分布在中心频率　　附近一个很小范围内，这种现象称为谱线加宽。谱线加宽和线型函数2021/10/57可以证明线型函数满足归一化条件：线型函数：谱线宽度：谱线加宽和线型函数2021/10/58线形函数曲线谱线加宽和线型函数2021/10/59自然加宽、碰撞加宽、晶格振动加宽多普勒加宽、晶格缺陷加宽综合加宽均匀加宽：引起加宽的物理

5、因素对每个发光粒子都是等同的。非均匀加宽：由于某种物理因素的影响，使得发光粒子的中心频率产生不同的变化。光源光谱线的线型函数取决于各个发光粒子的中心频率的分布，使总的辐射谱线加宽。谱线加宽2021/10/510原子作为谐振子发出的电磁波可表示为：它的频谱为：自然加宽由线性函数的定义：均匀谱线加宽--自然加宽2021/10/511当　　　　时：当　　时：因此谱线宽度：由自发辐射功率与粒子数密度的关系，可得：同时，由自发辐射功率与电磁场的关系：可以写出：均匀谱线加宽--自然加宽2021/10/512原子在上能级的自发辐射寿命

6、因此：自然线宽：自然加宽线型函数可以表示为：洛伦兹线型及用自然线宽表示的自然加宽线型函数：均匀谱线加宽--自然加宽2021/10/513洛仑兹线型函数00红宝石激光器，铬离子，寿命约为:氦氖激光器，氖原子，寿命约为：二氧化碳激光器，CO2分子，寿命约为：均匀谱线加宽--自然加宽2021/10/5141.测不准关系：对原子的能级来说，时间的不确定值就是原子的平均寿命，则能级宽度:频率宽度的大小由能级宽度来决定:2.宽度为的上能级原子，跃迁到宽度为的下能级时，围绕中心频率的谱线宽度为：三种不同情况下辐射谱线的宽度均匀谱线加宽

7、--自然加宽量子解释2021/10/515碰撞线宽与自然加宽类似,碰撞加宽线型函数可表示为：自然增宽是假设原子彼此孤立并且静止不动所造成的谱线增宽。而碰撞增宽是考虑了发光原子间的相互作用造成的，碰撞使原子发光中断或光波位相发生突变，即使发光波列缩短.碰撞增宽的形成机理均匀谱线加宽--碰撞加宽2021/10/516在气压不太高时，碰撞线宽与压强成正比：当同时存在自然加宽和碰撞加宽时，总的线型函数表示为：洛伦兹线型固体工作物质------晶格振动加宽均匀谱线加宽--碰撞加宽2021/10/517发光原子（光源）的中心频率　，

8、原子以相对速度运动时，接收器测得的光波频率为：光学多普勒效应示意图非均匀谱线加宽2021/10/518考虑中心频率为　的运动原子和沿z轴传播的频率为v的单色光的相互作用，原子感受的光波频率变为：运动原子与光波相互作用时的多普勒频移非均匀谱线加宽--多普勒（Doppler）加宽2021/10/519当时，具有最大的相互