激光原理与技术第四章1_精品文档PPT资料.ppt

1、（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，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

2、P：,当EEat（原子内部的电子所经受的库仑场（109 V/cm）,处在电磁场中的物质,会受到场的作用。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

3、经典理论,从原子的经典理论出发，导出物质对光的吸收和色散现象，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,r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r。,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和得到。单位体积内的原子数为n，则

4、,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）,n0,g0,增益状态 n0,g0,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

5、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（Homogenous Broadening）,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（Natural Broadening）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）,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

6、辐射寿命（ts）,p0,洛仑兹函数（Lorentzian lineshape）,能级（有限）寿命引起的谱线加宽的量子解释,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）测不准关系：时间与能量不能同时精确测定该状态对应的能量也有某个测不准量,原子发光不同量子状态之间的能级跃迁,由于上、下能级有一定宽度，能级间的辐射跃迁不再对应一个确定频率，而有一定频率范围,氖原子 632.8nm 上下能级寿命 10-8 s 自然加宽宽度107HzCO2分子 10.6mm 自然加宽宽度 103-104 Hz,完全忽略了下能级的宽度，这是由于经典辐射模型的局限性造成的,2.碰撞加宽（Co

7、llision Broadening）原子之间的无规“碰撞”造成的 非弹性碰撞:内能转移,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 弹性碰撞:自发辐射波列相位发生突变,波列长度,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,碰撞线宽,（平均）碰撞时间（发生碰撞的平均时间间隔）,无辐射跃迁,a-比例系数；P-充气压强,碰撞加宽压力加宽 充气压原子（分子）间碰撞次数碰撞加宽宽度,3.自然加宽&碰撞加宽同时存在,两个洛伦兹线型相加仍为洛仑兹函数,均匀加宽线型函数gH（v,v0）,4.晶格振动加宽 由于晶格原子的热振动，镶嵌在

8、晶体里的激活离子处在随时间变化的晶格场中,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 晶格热振动对所有发光离子的影响是相同的,属均匀加宽。晶格振动加宽是固体工作物质主要均匀加宽因素,均匀加宽引起加宽的物理因素对每个原子都等同,每个发光原子都按整个线型发光,洛仑兹函数,二、非均匀加宽（Inhomogenous Broadening）不同的原子向不同的谱线发射光特点：原子体系内每个原子只对谱线内与它表观中心频率相应分布有贡献，可以区分谱线上的某一频率范围是由哪一部分原子发射的,气体中的多普勒加宽和固体物质中的晶格缺陷加宽1.多普勒加宽（Doppler Broadening）热运动的发光粒子

9、发出的光存在多普勒频移造成加宽,光学多普勒效应：当光源与光接收器作相对运动时，光接收器接收到的光波频率随光源与接收器相对运动速度的不同而改变。,光学多普勒效应,Vz0 原子朝接收器运动；Vz0 原子离开接收器运动（沿光传播方向）（反光传播方向）,取一级近似,多普勒频移,感受光波的运动原子,vz,假想光源,n,若Vz=0 原子感受频率 n n=n0 时,共振相互作用最大沿z向运动 n=n（1-vz/c）n=n0时,共振相互作用最大,n=n0,Vz0 运动原子与光传播方向相同；Vz0 运动原子与光传播方向反向,速度为Vz的运动原子与z向传播的光波相互作用时，原子表现出来的中心频率（表观中心频率）为

10、,受激辐射谱线的多普勒加宽（一维情况）,单色光波 假想光源运动原子0 感受光波的接收器,最大的受激跃迁几率,1.原子数按Vz的分布Maxwell分布,2.原子数按表观中心频率的分布,计算多普勒加宽的线型函数,E2能级,E1能级,原子质量,Doppler加宽线型函数,高斯函数,原子数按表观中心频率的分布函数,多普勒加宽宽度,P,原子量,高斯线型,洛仑兹线型,自发辐射多普勒效应,感受电磁波的运动原子,vz,假想光源,n,受激辐射多普勒效应,受激辐射谱线多普勒加宽的线型函数也是高斯线型,气体工作物质中的多普勒加宽属于非均匀加宽,不同速率原子的表观中心频率不同,每个原子只对谱线内与它表观中心频率相同的

11、部分有贡献，,三.综合加宽（均匀加宽&非均匀加宽并存）气体工作物质综合加宽的线型函数,E2能级粒子发射的SP功率,（1）,所有粒子 发射的SP功率,（2）,E2能级,SP几率,综合加宽线型函数,综合加宽线型是 的卷积,物理意义：具有中心频率0的那部分原子只对谱线中频率为的部分有贡献。,n2个原子近似具有同一中心频率v0，每个原子都以均匀加宽谱线发射。,He-Ne:632.8nm,CO2:10.6 mm,固体工作物质的谱线加宽,氦氖激光器中，Doppler 非均匀加宽占主要优势,P 1333Pa 综合加宽 P 1333Pa 均匀加宽为主,红宝石:低温非均匀加宽；常温均匀加宽 2.7105MHzN

12、d:YAG晶体：晶格热振动引起的均匀加宽 1.95105MHz钕玻璃：非均匀加宽为主 7106MHz,小结,4.4 典型激光器速率方程,激光器的速率方程组表征激光器腔内光子数和工作物质各有关能级上的原子数随时间变化的微分方程组。激光器速率方程的出发点是原子的自发辐射、受激辐射和受激吸收几率的基本关系式。,自发辐射并不是单色的，需要对上进行修正。,一、考虑谱线加宽后对SP、STE、STA几率的修正,线型函数 跃迁几率按频率的分布函数,谱线加宽对自发辐射表达式无影响,修正为,或,原子与连续谱光辐射场的相互作用,原子与准单色光辐射场相互作用,（黑体辐射场）,r准单色光辐射场总能量密度,分两种情况讨论

13、：,（激光器）,原子,准单色场,原子,辐射场带宽,物理意义:由于谱线加宽,外来光的频率n并不一定要精确等于原子发光的中心频率n0才能产生受激跃迁,而是主要在n=n0附近的一个频率范围内都能产生受激辐射,受激辐射,受激吸收几率的其它表达形式,模密度,第l模内的光子数密度,发射截面,吸收截面,中心频率处发射截面最大,均匀加宽工作物质中心频率发射截面,非均匀加宽工作物质中心频率发射截面,分配在一个模式的自发辐射几率,第 l 模的总光子数,进一步导出其他有用概念,一个模式内一个光子引起的ST跃迁几率,固体物质,假设每个模式SP几率相同,用于估算固体工作物质的线型函数（了解）,概念:一个模式内的一个光子

14、引起的受激跃迁几率等于分配到同一模式上的自发跃迁几率。,二、速率方程举例（三能级,四能级系统）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:爱因斯坦关系式,红宝石,掺铒光纤,w13,A31,S31,S32,A21,S21,w21,w12,E1,E2,E3,He-Ne,Nd:YAG,较大,粒子在这些能级间的跃迁过程简述如下Pump,抽运几率W13，E1E3抽运速率S32无辐射跃迁几率，A31自发辐射几率，通常S32S31,A31E2能级反转之前,A21占主导,一般S21（n1f2/f1）。E2和E1之间受激发射W21和受激吸收W12占主导。,参与激光产生过程的有三个能级：激光下能级E1为基态能级，E2为亚稳态能级，E3为抽运高能级。,1、三能级系统速率方程,可写出各能级集居数随时间变化的方程速率方程：,讨论腔内光子数密度随时间的变化，考虑第l模式的光子寿命为Rl，则光子数密度速率方程：,（4.4.22）,忽略了进入l模内的少量自发辐射非相干光子,