第三章线型激光物理(研究生)课件.ppt
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1、第3章 场与物质相互作用的速率方程理论,激光器的物理基础是光频电磁场与物质的相互作用(特别是共振相互作用)激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上的量子理论,但是并不意味着,描述激光器的任何特性时都一定要采用这种理论的全部观点和方法。正确的做法是: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激光器的某些规律性,但也掩盖着某些更深层次的物理现象。,激光器理论一览表,3.1 受激辐射 受激吸收 自发辐射,光与物质的共振相互作用,特别是这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基础。3.1.1、黑体辐射的普郎克公式处于任何温度下的任意一个物体,都能吸收或辐射电磁波 热激发
2、如果存在一种物体,它能够完全吸收任何波长的电磁辐射黑体黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率的函数,并用单色能量密度 描述。,单色能量密度 定义为:在单位体积内,频率处于附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量。,黑体辐射的普朗克公式为,(3.1.2),3.1.2、辐射场和两能级原子之间的相互作用,爱因斯坦 光量子概念 原子的自发辐射跃迁受激辐射跃迁受激吸收跃迁,两个能级E2和E1,并有E2 - E1 = h。单位体积内处于两个能级的原子数分别用n2和n1表示 。,1、受激辐射,处于高能级E2的原子在满足 的辐射场作用下,跃迁至低能态E1并辐射出一个能量为 且与入射光子完全相同的光子。受激辐射跃迁发出的光
3、波称为受激辐射。受激辐射跃迁几率为,式中, B21为受激辐射跃迁爱因斯坦系数,它只与原子性质有关。,(3.1.4),2、受激吸收,处于低能态E1的一个原子,在频率为 的辐射场作用下吸收一个能量为 的光子,并跃迁至高能态E2,这种过程称为受激吸收。受激吸收跃迁几率为,W12与原子性质有关,与辐射场的单色能量密度 成正比,将这种关系唯象地表示为:,式中B12为受激吸收跃迁爱因斯坦系数,只与原子性质有关。,3、 自发辐射,处于高能级E2的一个原子自发地向E1跃迁,并发射一个能量为 的光子,这种过程称为自发跃迁,自发跃迁是只与原子本身性质有关而与辐射场 无关的自发过程 。,(3.1.6),则得由此可得
4、 式中 式中是原子在E2能级的平均寿命,A21也称为自发跃迁爱因斯坦系数,它只与原子本身性质有关。,由于自发跃迁的存在,单位时间内能级E2所减少的粒子数为:,(3.1.6),黑体辐射的普朗克公式为 (3.1.2)玻耳兹曼常数 k= 1.3806610-23J/K。在热平衡状态,腔内物质原子数按能级分布应服从玻耳兹曼分布 (3.1.8)在热平衡状态,n2(或n1)应保持不变,于是有 (3.1.7)f1、f2能级E2、E1的简并度,3.1.3、爱因斯坦关系式,于是,联立上面三式可得,(3.1.8)代入,并,上式对所有T0都应成立,故当T时,有,(3.1.10),可得,模式密度,受激辐射的相干性,自
5、发辐射:是不受外界辐射场影响的自发过程,而单个原子的自发辐射的位相是随机的,所以大量原子的自发辐射场是不相干的。受激辐射:是在外界辐射场控制下的发光过程。 受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相位、传播方向和偏振,因此,受激辐射场与入射辐射场属于同一模式。或者说,受激辐射光子与入射光子属于同一光子态,特别是大量粒子在同一辐射场激励下产生的受激辐射处于同一光场模式或同一光子态,因而受激辐射是相干的。,激光基本知识,一、激光产生的基本原理受激辐射与受激吸收 同时存在 光子数增加 光于数减少。热平衡条件下,n1n2,此时当 受激吸收受激辐射,故光强减弱。如果采取诸如用光照、放电等方法使n2n1,我
6、们称这种状态为粒子数反转。 此时当频率为 的光束通过发光物质,光强就会得到放大。这便是激光放大器的基本原理。,即便没有入射光,只要发光物质中有一个频率合适的光子存在,便可像连锁反应一样,迅速产生大量相同光子态的光子,形成激光。这就是激光振荡器或简称激光器的基本原理。因此可见,形成粒子数反转是产生激光或激光放大的必要条件。为了形成粒子数反转,须要对发光物质输入能量,我们称这一过程为激励、抽运或者是泵浦。,3.2 谱线的增宽,光谱的线型和宽度与光的时间相干性直接相关,对激光器的输出特性(增益、模式、功率等)都有影响。,1.4.1 光谱线、线型和光谱线宽度,实际的辐射并不是单色的而是分布在谱线的中心
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