第二章辐射场与物质的相互作用.ppt

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1、第二章辐射场与物质的相互作用§1谱线加宽与线型函数一、谱线加宽1、概念发光粒子或光源由于各种物理因素造成光谱曲线I()(强频函数)的线宽加大。2、分类(1)发光粒子的谱线加宽——自然加宽发光粒子在自发辐射过程中由于辐射电磁波不断衰减而导致的谱线加宽0I(2)光源的谱线加宽①均匀加宽发光粒子的光谱因物理因素加宽后中心频率不变,由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子相同。如气体激光器的碰撞加宽②非均匀加宽发光粒子的光谱因物理因素使得中心频率发生变化,由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子不同。如气体激光器的多普勒加宽0I0I二、线型函数1、定义2、单位s3、性质4、本质

2、三、自然加宽线型函数——洛仑兹型N:自然线宽2:激光上能级寿命反映发光粒子或光源光谱线形状证(1)自发辐射光场模型(场时函数)阻尼系数：由阻尼振荡由自发辐射几率(2)光谱(强频)函数及与本征纵模线宽对比：c2(3)光谱函数的积分(4)线型函数He-Ne激光器和CO2激光器上能级寿命分别为10-8s和10-4s，求(1)两激光器发光粒子所发光的自然线宽(2)两激光器在中心频率处的线型函数值例1解He-NeCO2分别求频率为　　　　和处的自然加宽线型函数值(用峰值gm表示)例2解某洛仑兹线形函数为(s),求该线形函数的线宽Δ及常数k例3解一、碰撞加宽(均匀加宽)§2气体

3、激光器的谱线加宽1、机理由于气体分子间的碰撞，使发光粒子提前中断发光而引起的谱线加宽2、线型函数——洛伦兹型L:碰撞线宽L:平均碰撞时间碰撞加宽的光场模型：与自发辐射光场模型相比：L2二、光学多普勒效应1、定义当光源与接收器间存在相对速度时,接收器测得光频将发生变化2、频移计算公式3、碰撞线宽经验公式CO2:=0.049MHz/PaHe-Ne:=0.75MHz/Pap:气体压强：碰撞系数(1)光源静止、接收器运动vB:接收器速度,向光源方向运动时取+:光频：接收器测量频率S.BvBvBc.SB(2)接收器静止、光源运动vS:光源速度,向接收器方向运动时取+

4、cTvsT......SBvs(2)计算vz:发光粒子沿腔轴z的运动速度,向输出镜运动取+0、0:发光粒子固有中心频率及波长三、多普勒效应在激光器中的应用1、表观中心频率(表观中心波长)(1)定义激光器输出镜一侧的接收器所测量到的发光粒子的频率光源(发光粒子)运动,接收器静止证讨论①发光粒子向输出方向运动时0>0,0<0②发光粒子反输出方向运动时0<0,0>0发光粒子(0)接收器vz(0)2、共振速度(1)定义光波沿腔轴线传播时,可引起受激辐射跃迁的发光粒子的速度(2)计算Vz>0:发光粒子运动方向与光波传播方向相反(接收器向光源运动)0:

5、发光粒子固有中心频率，s:光波频率Vz<0:发光粒子运动方向与光波传播方向相同(接收器离光源运动)接收器(发光粒子)运动,光源静止证讨论①s>0,发生共振的粒子沿光波传播方向运动②s<0,发生共振的粒子反光波传播方向运动发光粒子0(接收器)vz光源s例1某发光粒子静止波长为0.6m,它以0.4c的速度远离接收器方向运动,求接收器测得该粒子所发光的波长解例2某发光粒子静止频率为5108MHz,它以0.2c的速度向接收器方向运动,求接收器测得该粒子所发光的频率解例3发光粒子以0.2c的速度运动时,恰好可和同方向传播的光束发生共振作用,已知此粒子的固有波长为0.4m

6、,求该光束的波长解例4发光粒子以0.3c的速度运动时,恰好可和反方向传播的光束发生共振作用,已知该光束的频率为51014Hz，求此粒子的固有频率．解例5发光粒子以0.2c的速度沿波长为0.6m光束传播同方向运动时发生受激辐射,求粒子的本征波长解例6气体激光放大器的发光粒子静止频率为４108MHz，入射激光频率为5108MHz，求哪些粒子可以在激光束诱发下产生受激辐射解以0.2c沿入射激光传播同方向运动的粒子四、多普勒加宽(非均匀加宽)1、机理由于气体分子无规热运动造成发光粒子多普勒频移而引起的谱线加宽2、线型函数——高斯型D:多普勒线宽k:玻尔兹曼常数,m:发光粒子质

7、量,T:温度证(1)粒子数按速度分量vz的分布函数dN:速度分量在vz-vz+dvz范围内的粒子数N:总粒子数①定义②解析表达式vzf(vz)0③分布曲线(2)粒子数按表观中心频率0的分布函数dN:表观中心频率在0-0+d0范围内的粒子数①定义②解析表达式证(3)光谱函数(4)线型函数①光谱函数的积分②线型函数3、多普勒线宽经验公式0:激光器中心波长证或M:发光粒子原子量或分子量五、均匀加宽与非均匀加宽的线型函数1、均匀加宽——洛伦兹型H：均匀线宽2、非均匀