激光原理与技术(第四章1)概述ppt课件.ppt

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1、激光原理第四章电磁场和物质的共振相互作用中南大学物理与电子学院概述光与物质共振相互作用的理论处理方法*谱线加宽及线型函数均匀加宽与非均匀加宽自然加宽、碰撞加宽、晶格热振动加宽多普勒加宽综合加宽两种极限情况考虑谱线加宽后对SP、STE、STA几率的修正受激辐射&受激吸收截面*速率方程的建立四能级系统；单模速率方程第1讲引言激光器的物理基础－光频电磁场和组成物质的原子(或离子、分子)内的(束缚)电子的共振相互作用激光器的理论：(1)经典理论－经典原子发光模型用经典电磁场(Maxwell方程组)描述光用经典原子模型（偶

2、极谐振子）描述原子可以近似描述吸收、色散、自发辐射及自发辐射谱线宽度等物理现象，不能描述非线性物理过程（饱和，非线性极化等）。(2)半经典理论－兰姆理论（Lamb,1964)用经典电磁场理论描述光；用量子力学模型描述原子可处理与光的波动性相关的物理现象(包括非线性现象),但不能处理与光的粒子性(量子光学)有关的问题，例如光的量子起伏,光子统计等。(3)(全)量子理论－量子电动力学理论处理方法辐射场与原子都作量子化处理量子电动力学处理光—光子量子力学模型处理原子现代量子光学的基础，可处理与光的粒子性有关的物理问题，

3、但在处理与光的波动性（例如相位）有关的问题时就十分复杂。在量子电动力学中，光子数（即光的振幅）与相位是一对测不准量。(4)*速率方程理论－量子理论的简化形式电磁场（光子）&介质原子的相互作用不考虑光子数的量子起伏和光的相位，只讨论光子数（光强）速率方程理论的出发点－SP、STE、STA的基本关系式§4.1电介质的极化电偶极矩用宏观电极化强度描述物质的极化在偶极相互作用下，电感应强度（电位移矢量）与E和电极化强度P：当E<

4、对电介质来说,电磁场中电场分量的作用是主要的,因此在讨论它与场的相互作用时,我们忽略磁场分量的贡献.当E（激光强场）~Eat，出现非线性场与物质相互作用有共振和非共振相互作用本章主要考虑场与物质的线性共振相互作用.§4.2光和物质相互作用的经典理论简介一、原子自发辐射的经典模型简谐振子模型只有恢复力f=-kx时进一步考虑电子的阻尼运动，则辐射阻尼系数电偶极矩：简谐偶极振子发出的辐射电磁波为：原子在某一特定谱线（中心频率0）上的自发辐射的经典描述二、受激辐射和色散现象的经典理论从原子的经典理论出发，导出物质对光的

5、吸收和色散现象，并直接导出吸收系数和色散关系的经典表示式。物质原子+EM场产生感应的电极化强度（介质的极化，电极化系数）感应电极化强度改变物质的电介常数物质对场的吸收和色散受激吸收和色散现象是物质原子和电磁场相互作用的结果。电磁场理论,在物质中沿z方向传播的单色平面波,其x方向的电场强度可表示为εr则应根据物质在E(z,t)作用下的极化过程求得。下面就从原子的经典模型出发求出εr。在电场作用下，电子运动方程可以写成：共振相互作用考虑稀薄气体，原子之间相互作用可以忽略，则感应电极化强度可用单位体积中原子电矩求

6、和得到。单位体积内的原子数为n，则0物质相对介电常数复折射率吸收/增益下面主要考虑介质对光的吸收或增益折射率电场：物质的增益（吸收）系数和折射率为无激励设反转粒子数密度n=-n,谱线宽度H=/2将上式推广到普通的状况（有激励或无激励，大信号或小信号）n>0,g>0,增益状态n<0,g<0,吸收状态由于自发辐射的存在，物质的增益（吸收）谱线为洛伦兹线型，H为谱线宽度。物质在=0时，发生强烈色散。物质折射率与增益系数之间的普遍关系式从物质的增益系数求物质的折射率§4.3自发辐射谱线加宽与线

7、型函数谱线加宽p(n)线型函数－表示谱线形状[s]谱线宽度D两种加宽机制：均匀加宽、非均匀加宽由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，即光谱不是单一频率的光波，而包含有一个频率范围，称为谱线加宽一、均匀加宽(HomogenousBroadening)引起的加宽的物理因素对每个原子都是等同的，这种加宽称为均匀加宽。即，每一个发光原子对谱线内任一频率都有贡献。自然加宽、碰撞加宽、晶格振动加宽1.自然加宽(NaturalBroadening)原子在激发态的有限寿命傅里叶变换偶极振子阻尼振动规律归一化条件（自行推导）

8、阻尼系数(g)~自发辐射寿命(ts)（1）从阻尼振动概念出发，求自发辐射功率随时间变化规律（2）从E2能级上粒子数的变化，求自发辐射功率随时间变化规律阻尼系数(g)~自发辐射寿命(ts)p0洛仑兹函数(Lorentzianlineshape)能级(有限)寿命引起的谱线加宽的量子解释DE1DE2原子在能级上的平均寿命可理解为原子处于该状态有某个测不准量（时间不确定值）测不准