光和物质的相互作用.ppt

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1、第三章光和物质的相互作用(InteractionofRadiationandAtomicSystems)基本理论经典理论：用经典电动力学的Maxwell方程组描述电磁场，将原子中的运动视为服从经典力学的振子半经典理论：采用经典Maxwell方程组描述光频电磁波，而物质原子用量子力学描述（兰姆理论）量子理论：对光频电磁波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（量子电动力学）速率方程理论：量子理论的简化形式，从光子（量子化的电磁场）与物质原子的相互作用出发，忽略了光子的相位特性和光子数的起伏特性用不同近似程度的理论去描述激光器的不同层次的特性，每种近似理论都揭示出

2、激光器的某些规律，但也掩盖着某些更深层次的物理现象。4.1电介质的极化电介质是由原子所组成，原子所带的电荷只局限在空间小区域内，原子内正负电荷在场的作用下，其分布会发生变化，使得原来不具有偶极性的原子可能表现出偶极性，这就是原子在外场作用下的感应电偶极化。原子极化的经典模型：电偶极子在产生场方面和受其它场的作用方面，均可用电偶极矩来描述。e为电子电荷的绝对值，l的大小l为正负电荷间的距离，其方向由负电荷指向正电荷。在电偶极近似下，场对物质的作用就表现在原子发生了电偶极化。极化了的物质会对场施以反作用，使得原来作用于它的场发生变化。原子电偶极矩的量子力学描述：在量子力学中，原子的状态

3、是用波函数来描述的，外场对原子的作用便表现为外场使原子的波函数发生了变化。这一变化有可能使得原子体系的电偶极矩的量子力学平均值不再为零。一般采用宏观电极化强度(thepolarization)来描述物质的极化，定义为单位体积内电偶极矩的矢量和，在偶极相互作用下，有当与原子相互作用的场比较弱，即E<

4、物质的共振相互作用和非共振相互作用，极化强度可写作本书中速率方程理论只考虑介质的共振线性极化，此时4.2原子自发辐射的经典模型物理模型：按简谐振动或阻尼振动规律运动的电偶极子，称为简谐振子。简谐振子模型认为，原子中的电子被与位移成正比的弹性恢复力束缚在某一平衡位置x=0（原子中的正电中心）附近振动（假设一维运动情况），当电子偏离平衡位置而具有位移时，就受到一个恢复力f=-Kx的作用。x(t)isthedeviationoftheelectronfromitsequilibriumposition如果没有其它力作用在电子上，则电子运动方程为当运动电子具有加速度时，它将以如下的速率发射电磁

5、波能量上式所表示的电子能量在单位时间内的损失也可认为是辐射对电子的反作用力（或辐射阻力）在单位时间内所作的负功，即可表示为将上式在一个周期的时间间隔t2~t1内对时间积分，由于选取t2~t1是一个周期时间间隔，故等式右方为零。粗略地取考虑到作用在电子上的辐射反作用力，电子运动方程应改写为即称为经典辐射阻尼系数辐射作用力比恢复力小得多，因为很小，上式方程的解为考虑了辐射阻尼，振子作简谐阻尼振荡作简谐振动的电子和带正电的原子核组成一个作简谐振动的电偶极子，其偶极矩为上述简谐偶极振子发出的电磁辐射可表示为定义为简谐振子的辐射衰减时间受力分析受弹性恢复力受辐射阻力运动方程解特性简谐无阻尼振

6、荡简谐阻尼振荡4.3谱线加宽和线型函数基本概念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。P()是描述自发辐射功率按频率分布的函数。在总功率P中，分布在~+d范围内的光功率为P()d，数学表示为引入谱线的线型函数线型函数满足归一化条件的量纲为[s]，0表示线型函数的中心频率，即线型函数在=0时有最大值，并在时下降到最大值的一半，即按上式定义的称为谱线宽度。LineshapefunctionIfoneperformsaspectralanalysisoftheradiationemittedbysponta

7、neous21transitions,onefindsthattheradiationisnotstrictlymonochromatic(thatis,ofonefrequency)butoccupiesafinitefrequencybandwidth.Thefunctiondescribingthedistributionofemittedintensityversusthefrequencyisreferredtoastheline