《场和物质的相互作用优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《场和物质的相互作用优秀PPT.ppt（95页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、场和物质的相互作用第1页，本讲稿共95页1(2)(2)半经典理论半经典理论兰姆理论（兰姆理论（Lamb,1964,1964)用用经典电磁场理论经典电磁场理论描述光描述光；用用量子力学量子力学模型描述原子模型描述原子 可可处处理理与与光光的的波波动动性性相相关关的的物物理理现现象象(包包括括非非线线性性现现象象),),但但不不能能处处理理与光的粒子性与光的粒子性(量子光学量子光学)有关的问题，例如光的量子起伏有关的问题，例如光的量子起伏,光子统计等。光子统计等。(3)(3)(全全)量子理论量子电动力学理论处理方法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辐射场与原子都作量子化处
2、理 量子电动力学量子电动力学处理光处理光光子光子 量子力学量子力学模型处理原子模型处理原子 现现代代量量子子光光学学的的基基础础，可可处处理理与与光光的的粒粒子子性性有有关关的的物物理理问问题题，但但在在处处理理与与光光的的波波动动性性（例例如如相相位位）有有关关的的问问题题时时就就十十分分复复杂杂。在在量量子电动力学中，光子数（即光的振幅）与相位是一对测不准量。子电动力学中，光子数（即光的振幅）与相位是一对测不准量。第2页，本讲稿共95页2(4)(4)*速率方程理论速率方程理论量子理论的简化形式量子理论的简化形式 电磁场电磁场（光子）（光子）&介质原子的相互作用介质原子的相互作用 不考虑光子
3、数的量子起伏和光的相位，只讨论光子数（光强）。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的基本关系式第3页，本讲稿共95页3内容安排内容安排第一节第一节第一节第一节 谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数第二节第二节第二节第二节 激光器的速率方程激光器的速率方程激光器的速率方程激光器的速率方程第三节第三节第三节第三节 均匀加宽工作物质的增益系数均匀加宽工作物质的增益系数均匀加宽工作物质的增益系数均匀加宽工作物质的增益系数第四节第四节第四节第四节 非均匀加宽工作物质的增益系数非均匀加宽工作物质的增益系数非均匀
4、加宽工作物质的增益系数非均匀加宽工作物质的增益系数第五节第五节第五节第五节 综合加宽工作物质的增益系数综合加宽工作物质的增益系数综合加宽工作物质的增益系数综合加宽工作物质的增益系数第4页，本讲稿共95页4第一节第一节 谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数一、谱线的线形函数一、谱线的线形函数1、谱线加宽的概念、谱线加宽的概念当不考虑原子能级当不考虑原子能级E1、E2的宽度时，自发辐射是单色的，辐射的宽度时，自发辐射是单色的，辐射的全部功率都集中在单一频率上的全部功率都集中在单一频率上单位体积内原子自发辐射功率为单位体积内原子自发辐射功率为发光粒子或光源由于各种物理因素造成光谱发光粒子或光源由于各
5、种物理因素造成光谱曲线曲线I()(强频函数强频函数)的线宽的线宽加大。加大。第5页，本讲稿共95页5根据根据Heisenberg测不准关系测不准关系若某能级具有无限窄的宽度若某能级具有无限窄的宽度该能级具有无限长寿命该能级具有无限长寿命能级有有限自发辐射寿命能级有有限自发辐射寿命 应有有限宽度应有有限宽度 E上、下能级上、下能级宽度分别为宽度分别为 第6页，本讲稿共95页6自发辐射的中心频率为自发辐射的中心频率为上边频为上边频为下边频为下边频为谱线宽度为谱线宽度为由于能级有一定的宽度，所以自发辐射并不是单色由于能级有一定的宽度，所以自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率附近一个很小的频率范围
6、的，而是分布在中心频率附近一个很小的频率范围内，称为谱线加宽内，称为谱线加宽第7页，本讲稿共95页72、线形函数、线形函数 由于谱线加宽，自发辐射的功率由于谱线加宽，自发辐射的功率随频率有一定的分布，用随频率有一定的分布，用P()来表示。来表示。分布在分布在 +d 范范围内的内的辐射功率射功率为P()d，则自自发辐射的射的总功率功率为：单位：单位：S第8页，本讲稿共95页8本质：反映发光粒子或光源光谱本质：反映发光粒子或光源光谱线形状线形状第9页，本讲稿共95页93、谱线宽度、谱线宽度第10页，本讲稿共95页10举例举例线宽的其他表示形式线宽的其他表示形式两种加宽机制：均匀加宽、非均匀加宽两种
7、加宽机制：均匀加宽、非均匀加宽第11页，本讲稿共95页11二、均匀加宽二、均匀加宽(Homogenous Broadening)定义：定义：若引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，则这种若引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，则这种加宽称为均匀加宽加宽称为均匀加宽自然加宽、碰撞加宽、晶格振动加宽自然加宽、碰撞加宽、晶格振动加宽第12页，本讲稿共95页12对对E(t)作付立叶变换，得到它的频谱：作付立叶变换，得到它的频谱：第13页，本讲稿共95页13自发辐射功率正比于电场强度振幅的平方：自发辐射功率正比于电场强度振幅的平方：第14页，本讲稿共95页14谱线自然加宽线型函数谱线自然加宽线型函数
8、3）谱线宽度）谱线宽度D D N洛仑兹线型洛仑兹线型 2 2:激光上能级寿命激光上能级寿命第15页，本讲稿共95页15自然加宽谱线宽度自然加宽谱线宽度 He-Ne激光器和激光器和CO2激光器上能级寿命分别为激光器上能级寿命分别为10-8s和和10-4s，求：，求：(1)两激光器发光粒子所发光的自然线宽；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两激光器在中心频率处的线型函数值。线型函数值。例例例例1 1 1 1解解解解He-NeCO2第16页，本讲稿共95页16例例例例2 2 2 2 分别求频率为分别求频率为 和和 处的自然加宽线型函数值处的自然加宽线型函数值(用峰值用峰值
9、gm表示表示)解解解解第17页，本讲稿共95页17 某洛仑兹线形函数为某洛仑兹线形函数为 ,求该线形函数的求该线形函数的线宽线宽 及及常数常数K。例例例例3 3 3 3解解第18页，本讲稿共95页182.2.碰撞加宽碰撞加宽(Collision Broadening)1 1）成因：）成因：原子之间的无规原子之间的无规“碰撞碰撞”造成的造成的 非弹性碰撞非弹性碰撞:内能转移内能转移,等效激发态寿命等效激发态寿命 基态原子激发态原子；激发态原子其它原子或容器管壁基态原子激发态原子；激发态原子其它原子或容器管壁 弹性碰撞弹性碰撞:自发辐射波列相位发生突变自发辐射波列相位发生突变,波列长度波列长度 碰
10、撞碰撞碰撞碰撞.由于各次碰撞具有随机性，发生的相位变化足够大，被打断的由于各次碰撞具有随机性，发生的相位变化足够大，被打断的波列无关联。波列平均长度由碰撞平均时间确定波列无关联。波列平均长度由碰撞平均时间确定第19页，本讲稿共95页192)线型函数和线宽线型函数和线宽洛仑兹线型洛仑兹线型第20页，本讲稿共95页20由于碰撞，使处于高能态的粒子在发生自发辐射之前跃迁由于碰撞，使处于高能态的粒子在发生自发辐射之前跃迁到较低能态。这相当于衰减速率的增加，或衰减时间缩短，因而到较低能态。这相当于衰减速率的增加，或衰减时间缩短，因而使发射线宽变宽。由这类碰撞决定的衰减时间用使发射线宽变宽。由这类碰撞决定
11、的衰减时间用 1表示，相应的加表示，相应的加宽称为宽称为 1加宽。对不同能级加宽。对不同能级 1有不同的值。有不同的值。b.1加宽加宽第21页，本讲稿共95页21第22页，本讲稿共95页22均匀加宽来源于自然加宽和碰撞加宽均匀加宽来源于自然加宽和碰撞加宽均匀加宽谱线宽度为：均匀加宽谱线宽度为：第23页，本讲稿共95页233 3、晶格振动加宽、晶格振动加宽 由于晶格原子的热振动，镶嵌在晶体里的激活离子处在随时间变化由于晶格原子的热振动，镶嵌在晶体里的激活离子处在随时间变化的晶格场中的晶格场中,导致其能级位置在一定范围内发生变化从而引起谱线加宽。导致其能级位置在一定范围内发生变化从而引起谱线加宽。
12、晶格热振动对所有发光离子的影响是相同的晶格热振动对所有发光离子的影响是相同的,属均匀加宽。属均匀加宽。晶格晶格振动加宽振动加宽是是固体固体工作物质主要工作物质主要均匀加宽均匀加宽因素。因素。第24页，本讲稿共95页24均均匀匀加加宽宽的的特特点点1.每个发光原子都以整个线型发射，不能将线性函数上的某一每个发光原子都以整个线型发射，不能将线性函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来。或者说，每一个发光原特定频率和某些特定原子联系起来。或者说，每一个发光原子对光谱线内任意频率都有贡献。子对光谱线内任意频率都有贡献。2.所有发光原子的给定自发辐射都具有完全相同的中心频所有发光原子的给定自发辐射都具
13、有完全相同的中心频率、线性函数和线宽，从光谱线加宽角度来看，原子间率、线性函数和线宽，从光谱线加宽角度来看，原子间彼此是不可区分的。彼此是不可区分的。均匀加宽均匀加宽引起加宽的物理因素对每个原子都等同引起加宽的物理因素对每个原子都等同,每个发光每个发光原子都按整个线型发光。原子都按整个线型发光。第25页，本讲稿共95页25三、非均匀加宽三、非均匀加宽定义：若引起加宽的物理因素不是对每个原子都等同，则这种加宽称为定义：若引起加宽的物理因素不是对每个原子都等同，则这种加宽称为非均匀加宽非均匀加宽a)光学多普勒效应光学多普勒效应第26页，本讲稿共95页26光学多普勒效应光学多普勒效应符号规则：当原子
14、朝着接收器运动时符号规则：当原子朝着接收器运动时 vz0 当原子离开接收器运动时当原子离开接收器运动时 vz1333Pa 均匀加宽为主均匀加宽为主 红宝石红宝石:低温低温非均匀加宽非均匀加宽；常温；常温均匀加宽均匀加宽 2.7105MHzNd:YAG晶体：晶体：晶格热振动引起的晶格热振动引起的均匀加宽均匀加宽 1.95105MHz钕玻璃钕玻璃：非均匀加宽非均匀加宽为主为主 7106MHz 第43页，本讲稿共95页43第二节第二节 激光器的速率方程激光器的速率方程对辐射场和物质的近似处理对辐射场和物质的近似处理介质介质：由一群相对静止、彼此不相关的粒子组成：由一群相对静止、彼此不相关的粒子组成辐
15、射场辐射场：由大量完全等同的光子组成，对于不同的模场认为只与该：由大量完全等同的光子组成，对于不同的模场认为只与该模场的平均光子数有关模场的平均光子数有关速率方程速率方程：一组表征激光工作物质各能级上的原子数以及腔内光子：一组表征激光工作物质各能级上的原子数以及腔内光子数随时间变化的微分方程组。用于描述辐射场与粒子数随时间变化的微分方程组。用于描述辐射场与粒子之间的相互作用。之间的相互作用。第44页，本讲稿共95页44原子自发辐射、受激辐射和受激吸收几率原子自发辐射、受激辐射和受激吸收几率第45页，本讲稿共95页45一、自发辐射、受激辐射和受激吸收几率的修正一、自发辐射、受激辐射和受激吸收几率
16、的修正第46页，本讲稿共95页46第47页，本讲稿共95页47第48页，本讲稿共95页48第49页，本讲稿共95页49物理意义：物理意义：由于谱线加宽，和原子相互作用的单色光辐射场的由于谱线加宽，和原子相互作用的单色光辐射场的频率频率 在原子发光的中心频率在原子发光的中心频率 0附加一个频率范围时，即附加一个频率范围时，即可引起原子的受激跃迁。可引起原子的受激跃迁。受激跃迁几率存在着由工作物质谱受激跃迁几率存在着由工作物质谱线加宽函数所决定的频率响应特性。线加宽函数所决定的频率响应特性。第50页，本讲稿共95页50第51页，本讲稿共95页51第52页，本讲稿共95页52第53页，本讲稿共95页
17、53第54页，本讲稿共95页542.发射截面发射截面第55页，本讲稿共95页55各能级粒子数及腔内光子数密度随时间变化的方程建立速率方各能级粒子数及腔内光子数密度随时间变化的方程建立速率方程的物理基础程的物理基础:爱因斯坦关系式。爱因斯坦关系式。红宝石红宝石,掺铒光纤掺铒光纤w13A31S31S32A21S21w21w12E1E2E3He-Ne,Nd:YAG较大较大w03A30S30S32S21A21W21E3E2E1E0W12S10三、单模振荡速率方程组三、单模振荡速率方程组三、单模振荡速率方程组三、单模振荡速率方程组第56页，本讲稿共95页56He+e He*21S0，23S1He*+Ne
18、 Ne*+He+D DE100ns10ns与管壁碰撞与管壁碰撞铒离子能级图0.98m mm第57页，本讲稿共95页571.1.三能级系统速率方程组三能级系统速率方程组三能级系统速率方程组三能级系统速率方程组(以红宝石激光器为例以红宝石激光器为例以红宝石激光器为例以红宝石激光器为例)1331AS3132SA2121S1221WWW21EE3E对红宝石晶体对红宝石晶体第58页，本讲稿共95页58第59页，本讲稿共95页592.2.四能级系统速率方程组四能级系统速率方程组四能级系统速率方程组四能级系统速率方程组(Nd:YAG,He-Ne(Nd:YAG,He-Ne激光器激光器激光器激光器)四能级系统的
19、激光工作物质的能级简图四能级系统的激光工作物质的能级简图E110S0330AS3032SA2121S1221WWW20EE3E第60页，本讲稿共95页60第61页，本讲稿共95页61光谱线的线型函数及等效线型函数光谱线的线型函数及等效线型函数第62页，本讲稿共95页62第63页，本讲稿共95页63第64页，本讲稿共95页64第三节第三节 均匀加宽工作物质的增益系数均匀加宽工作物质的增益系数一、增益系数一、增益系数第65页，本讲稿共95页65第66页，本讲稿共95页66二、速率方程的稳态解及反转粒子数饱和二、速率方程的稳态解及反转粒子数饱和第67页，本讲稿共95页67饱和光强饱和光强第68页，本
20、讲稿共95页68第69页，本讲稿共95页69第70页，本讲稿共95页70第71页，本讲稿共95页71三、增益饱和三、增益饱和第72页，本讲稿共95页72中心频率处的中心频率处的中心频率处的中心频率处的小信号增益小信号增益小信号增益小信号增益第73页，本讲稿共95页73讨论：讨论：讨论：讨论：第74页，本讲稿共95页74饱和加宽（功率加宽）饱和加宽（功率加宽）由于增益饱和效应，使得工作物质的大信号增益曲线的线宽比小信由于增益饱和效应，使得工作物质的大信号增益曲线的线宽比小信号增益曲线线宽大，这种由饱和效应所引起的大信号增益线宽的加宽称号增益曲线线宽大，这种由饱和效应所引起的大信号增益线宽的加宽称
21、为饱和加宽。为饱和加宽。工作物质大信号增益曲线的饱和加宽线宽工作物质大信号增益曲线的饱和加宽线宽第75页，本讲稿共95页75考察：考察：考察：考察：第76页，本讲稿共95页76强强光光入入射射使使弱弱光光的的增增益益曲曲线均匀饱和：线均匀饱和：第77页，本讲稿共95页77 在均匀加宽激光器中，当一个模式振荡后，就会使其它模的在均匀加宽激光器中，当一个模式振荡后，就会使其它模的增益降低，因而阻止了其它模的振荡，这就是增益降低，因而阻止了其它模的振荡，这就是均匀加宽激光器中的均匀加宽激光器中的模式竞争模式竞争。第78页，本讲稿共95页78第四节第四节 非均匀加宽工作物质的增益系数非均匀加宽工作物质
22、的增益系数一、增益饱和一、增益饱和第79页，本讲稿共95页79第80页，本讲稿共95页80第81页，本讲稿共95页81第82页，本讲稿共95页82第83页，本讲稿共95页83均匀加宽和非均匀加宽大信号增益系数的比较均匀加宽和非均匀加宽大信号增益系数的比较（1）非均匀加宽工作物质的饱和效应强弱与频率无关，仅取决于光强；）非均匀加宽工作物质的饱和效应强弱与频率无关，仅取决于光强；（2）非均匀加宽工作物质的饱和作用弱）非均匀加宽工作物质的饱和作用弱（3）非均匀加宽工作物质的增益曲线是局部饱和）非均匀加宽工作物质的增益曲线是局部饱和第84页，本讲稿共95页84二、二、烧孔效应烧孔效应第85页，本讲稿共
23、95页85第86页，本讲稿共95页86第87页，本讲稿共95页87第88页，本讲稿共95页88第89页，本讲稿共95页89第90页，本讲稿共95页90第91页，本讲稿共95页91第92页，本讲稿共95页92均均 匀匀 加加 宽宽非非 均均 匀匀 加加 宽宽大信号增益系数大信号增益系数强光作用下弱光增益系数强光作用下弱光增益系数G0(n)G(n,In1)Gdn烧孔深度烧孔深度 烧孔宽度烧孔宽度 dn增益曲线均匀下降增益曲线均匀下降第93页，本讲稿共95页93第五节第五节 综合加宽工作物质的增益系数综合加宽工作物质的增益系数 (自学为主自学为主)思路思路:(:(与非均匀加宽类似与非均匀加宽类似)粒子分类粒子分类 dg 数学处理不同数学处理不同:因因D DnH 与与D DnD 可比拟可比拟,不能作为常数不能作为常数第94页，本讲稿共95页94误差函数误差函数第95页，本讲稿共95页95