principles of lasers激光原理第2章
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第2章光和物质的近共振相互作用一、学习要求与重点难点学习要求1.掌握电偶极振子模型,理解模型的近似;2.掌握电偶极振子模型对介质自发辐射、吸收的解释,以及对介质谱线加宽机制和线型函数的解释;3.了解电偶极振子模型对介质色散的解释;4.了解介质谱线加宽机制,理解两种线型函数产生机制的差异;5.了解典型激光器中工作物质的加宽类型;6.掌握爱因斯坦唯象理论,理解谱线加宽对爱因斯坦跃迁系数的影响;7.了解光和物质相互作用的近代理论。
重点1.电偶极振子模型,及其近似;2.介质自发辐射、吸收、谱线加宽机制和线型函数的经典理论;3.典型加宽机制和线型函数;4.爱因斯坦唯象理论,以及谱线加宽对爱因斯坦跃迁系数的影响;难点1.电偶极振子模型的近似假设;2.电偶极振子模型对介质自发辐射、吸收的解释,以及线型函数的引入;3.综合加宽;4.谱线加宽对爱因斯坦跃迁系数的影响;二、知识点总结1. 经典理论⎪⎩⎪⎨⎧偶极振子相互作用相互作用:光电场与电物质:电偶极振子光:电磁波理论的内在逻辑:介质极化 → 电偶极振子模型 → 电偶极振子运动方程 →⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧←→=−−−→−−−−→−⎪⎩⎪⎨⎧均匀加宽线型函数:洛伦兹函数比谱线宽度:与寿命成反虚数部:选择性吸收实数部:反常色散复数物质散射吸收损耗光电场有外光电场解:射无外光电场解:自发辐非铁磁质极化强度εεn 2. 线宽⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧←←高宽同宽时非均匀加宽高斯函数均匀加宽洛伦兹函数线型函数:归一相对宽度一样波数宽度波长宽度频率宽度线宽:描述:3dBor FWHM⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧−−−−→−=⎪⎩⎪⎨⎧−−−→−⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧−−−→−⎰∞+∞-线宽由大的定积分变为佛克脱不同类型:线型函数改,线宽相加同类型:线型函数不变综合加宽:晶格缺陷加宽多普勒效应相近谱线的叠加非均匀加宽:中心频率晶格振动压力加宽碰撞加宽自然、寿命加宽叠加均匀加宽:相同谱线的类型:线宽相差大者产生机制产生机制'''),(),(),()Voigt (00000dv v v g v v g v v g H D ()()()⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛−−−→−=⎪⎭⎫ ⎝⎛=←⎰∞+∞-00000ννρννρνννρνν,,,:),()(g B n dt dn g B n dt dn d g B n dt dn A v v g v A ji j st i ji j st i ji j st i 宽带光场:激光场:受激跃迁:配跃迁几率按线型函数分影响自发辐射跃迁系数:无对跃迁的影响:极端情形 激光器中实际情况:3. 唯象理论⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧级跃迁光子湮灭,原子向上能光与低能级原子作用:,原子向下能级跃迁光子被克隆、数量倍增光与高能级原子作用:能级跃迁:光子产生,原子向下无光与高能级原子作用相互作用:物质:二能级原子光:能量子⎪⎩⎪⎨⎧→⎪⎩⎪⎨⎧−−−−→−⎪⎩⎪⎨⎧−−−−→−=须采用特殊技术非自然现象非热平衡态光放大引起受激辐射小被吸收大热平衡态:光子几率引起受激辐射被吸收光子等几率爱因斯坦系数关系波耳兹曼分布率212121B g B g三、典型问题的分析思路1、 线型函数归一及线宽计算问题。
Fundamentals of Lasers1.1The Nature of LightIn order to understand how a laser works it will be useful to激光原理基础1.1自然光为了明白一束激光是怎样的工作的这有助于我们阐述目前有关自然光是怎样产生的。
在人类所有的理解能力中想象力无疑是最重要的。
想象力和日升日落的关系可能是人类第一次的科学论述。
Greeks最可能是第一个尝试解释想象力的产生以及由它所引起的有关管自然光的推测。
他们有两部分支持的理论:首先眼睛通过触觉感知到物体这就是所谓的“视觉”。
然后物体本身发射某种物质,这种物质被眼睛搜集形成某种知觉。
这些理论被称作接受发射理论。
17世纪随着试验科学的到来,导致了对视觉理论的放弃,而发射学说却通过其支持者各自的努力得到发展。
这两个发射理论分别是Isaac Newton的微粒学说和Robert Hooke和Chirstian Huygens的波动学说。
甚至在那个时期相当大的试验数据被证实是可能的。
先辈已经教会我们反射和折射。
干涉(尽管直到19世纪早期才有Thomas Y oung)在1665年被Hooke 和Robert Boyle独立的观察并不正式的命名为牛顿环。
同年衍射被Grimaldi观测出来。
4年之后Bartholinus在方解石中发现了双折射。
波动理论最初通过Hooke在一原始的结构上建立,然后通过Huygens的到发展和提炼,波动理论通过折射,反射,双折射得到很好的说明,稍后Huygens断言通过某种方式光会在不同的方向发生偏振。
Huygens把他的解释建立在一个普遍的的规律上,在每束光的前点会表现为二次球面光并通过某种媒介传输,这种媒介称为以太。
此时横波必学在正确的的角度才能在振动方向传播,这种形式在水波中非常常见。
当然也类似于声波那样的纵波。
波在这种方式下其振动方向必须于传播方向一致。