激光半经典理论
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华中科技大学硕士学位论文三种激光冷却机制的理论分析姓名:***申请学位级别:硕士专业:理论物理指导教师:***20070202摘 要激光冷却广泛运用于科学技术中,比如波色-爱因斯坦凝聚的研究、广义相对论的验证、原子频标和原子干涉仪的研制等。
在光学粘胶中冷却原子,可达到多普勒冷却极限温度。
这时,再通过减弱激光强度和增大失谐量来继续冷却原子,能使其温度低于多普勒冷却极限。
要对原子进行深度冷却,即要突破反冲极限温度,可利用选择速度的方法,挑选出窄速度分布的原子。
虽然牺牲掉一部分原子,却得到单一速度的原子,故原子的温度就比较低。
本文主要讨论了三种冷却机制:多普勒冷却机制、亚多普勒冷却机制和亚反冲冷却机制。
多普勒冷却是基于光子的辐射压力来使原子减速;亚多普勒冷却是基于运动诱导造成的偏振梯度力使原子减速;亚反冲冷却是基于对原子的速度选择来获得单一速度分布原子,其可分为相干布陷冷却和拉曼激光冷却。
本文计算了速度选择的受激拉曼跃迁的三能级方程运动解析解。
得到了利用拉曼激光可以选择出特定速度分布的原子的结论。
首先利用半经典理论,作偶极近似,讨论了三能级原子系统和双光子的拉曼激光相互作用过程,在波函数中加入了速度参量,得到了三能级系统的演化方程。
然后,在弱场和大失谐条件下,把三能级方程退化为二能级方程。
最后用代换法把二能级方程化为常系数方程,得到了方程的解,理论结果和实验基本吻合。
本文还系统总结了一些其它文献中比较模糊的概念,比如相互作用哈氏量中磁场分量的忽略、激光选可见光、旋波近似等。
关键词:多普勒冷却,亚多普勒冷却,亚反冲冷却,相干布陷,拉曼激光,偏振梯度AbstractLaser cooling is widely applied in science and technique, such as Bose-Einstein condensation, verification for general relativity theory, atomic frequency scale and atomic interferometer etc. The temperature of atoms in the optical molasses could be cooled to the Doppler limit, and through weakening the laser intensity and increasing the detuning of the laser from the resonant frequency, the atoms could be further cooled below the Doppler limit. By velocity selection, one could get an atomic source with a narrow distribution in velocity and challenge the recoil limit temperature. Although some parts of the atoms are lost, the temperature of the remaining atoms, which have a uniform velocity, is quite low compared to the former.It discusses three mechanisms of laser cooling in this paper: the Doppler cooling mechanism, the Sub-Doppler cooling mechanism and the Sub-recoil cooling mechanism. The Doppler cooling which makes atoms slowdown is based on the radiation pressure of the laser; The Sub-Doppler cooling slows atoms down on the basis of polarization gradient forces caused by motive inductions; The Sub-recoil cooling including the coherent population trapping cooling and the Raman laser cooling, gets atoms with a slice velocity distribution depended on the velocity selection.It presents the analytical solutions of the three-level equations on the velocity-selective stimulated Raman transitions in this paper, and concludes the principle of selecting atoms with a uniform velocity out of an initial distribution. In the semi-classical theory and dipole approximation, we gets the evolution equations of the interaction of the three-level atoms with the two-photon Raman laser system, and the velocity parameter are also taken into account in the wave function. For weak lasers and large detunings, the three-level equations degenerate into two-level equations. Through transforming two-level equations into constant coefficient equations by substitution it gives the solutions of them. The theoretical analysis corresponds with the experimental results generally. It also generalizes a few concepts obscure in some papers systematically, such as ignoring the magnetic field component in theinteraction Hamiltonian, the choice of visible light for laser and rotating wave approximation etc.Key Words:Doppler Cooling, Sub-Doppler Cooling, Sub-Recoil Cooling,Coherent Population Trapping, Raman Laser, Polarization Gradient.独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
第一章激光器的基本原理1、问:产生激光的条件是什么?(戴大鹏)答: 1.受激辐射是激光产生的必要条件; 2.要形成激光,工作物质必须具有亚稳态能级,这是产生激光的第二个条件; 3.选择适当的物质,使其在亚稳态能级上的电子比低能级上的电子还多,即形成粒子束反转,这是形成激光的第三个条件;4.激光中开始产生的光子是自发辐射产生的,其频率和方向是杂乱无章的。
要使得频率单纯,方向集中,就必须有一个谐振腔,这是形成激光的第四个条件;5. 只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子要多得多,才能有放大作用,这是产生激光的第五个条件。
2、问:什么是粒子数反转?(钟双金)粒子数反转 (population inversion )是激光产生的前提。
两能级间受激辐射几率与两能级粒子数差有关。
在热平衡状态下,粒子数按能态的分布遵循玻耳兹曼分布律,这种情况得不到激光。
为了得到激光,就必须使高能级 E2 上的原子数目大于低能级 E1 上的原子数目,因为 E2 上的原子多,发生受激辐射,使光增强(也叫做光放大) 。
为了达到这个目的,必须设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态 E2,处于高能级 E2 的原子数就可以大大超过处于低能级 E1 的原子数。
这样就在能级 E2 和 E1 之间实现了粒子数的反转。
实现粒子数反转的条件:通常实现粒子数反转要依靠两个以上的能级:低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵浦能级抽运到高能级。
一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发激光材料,称为电激励;也可用脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子,称为光激励;还有热激励、化学激励等。
各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运。
为了使激光持续输出,必须不断地“泵浦”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。
3、什么叫纵模、横模?由谱线宽度和腔长来估算可能振荡的纵模数目答案:光场在腔内的纵向和横向分布分别叫做纵模和横模。
横模数目 n=谱线宽度/c纵模数目 n=谱线宽度/ (c/2*腔长 L)第二章激光器的速率方程理论答案:第三章 密度矩阵1:考虑衰减过程、原子的泵浦或激发过程,写出在初始光场为零时的光学布洛 赫方程并说明各项含义。
光学章动如果以一个前沿上升时间极短的方形强激光脉冲入射到共振吸收介质时,发现经过介质后的透射光脉冲不再是简单的方形脉冲,而是在脉冲的前沿呈现出周期性的减幅振荡。
光学自感应衰减当某种介质受一恒定得共振激光场的作用,经过一段时间达到稳定状态后,突然终止这种作用,由于共振介质内的感应极化波场并不马上消失,而是继续辐射出相干波场,只是光强随时间衰减很快。
光子回波满足相干作用条件下,如果有两个强短光脉冲相继入射到共振吸收介质中,其中第一个脉冲为π/2脉冲,第二个脉冲为π脉冲,两个脉冲的间隔满足,,则在第二个脉冲通过介质后的一定时刻,介质将在空间确定方向上发射出第三个相干定向光脉冲。
频率牵引振荡频率向介质辐射频率ω方向移动旋波近似光频下,ω+ν非常大,忽略高频,仅保留共振项。
绝热近似若原子弛豫时间很短,对光场的技法是瞬时的。
二能级近似把所有能级之间的作用看做二能级之间等效的近似作用。
慢变振幅近似光场频率ν很大,可认为在一个光场周期内的电场为常数。
频率烧孔效应一般气体激光器采用驻波腔,光在腔内来回传播,原子的速度为±v,这样向+z方向传播的光子与速度为v的原子发生共振,使该群原子发生增益饱和;而同样频率的光经反射后沿-z 方向传播,与速度为-v的原子发生共振导致增益饱和。
从而在增益曲线上出现了频率烧孔。
空间烧孔由于受激辐射速率参数R是空间坐标z的周期的周期函数,而此时算的的粒子布居差方程为:,所以在驻波波腹处,光强最强,R最大粒子反转数下降的最多;在驻波波节处,光强为零,粒子数基本上没有变化,于是粒子反转数相对于z的变化曲线将出现周期性的凹陷,称为空间烧孔效应。
拉比振荡布洛赫矢量B绕β轴旋进,在k轴上的ω分量做周期性振荡,即翻转粒子数随时间周期变化。
自感应透明当入射光脉冲面积为π的偶数倍时,光脉冲在共振吸收介质吸收介质中传播其面积值不变,即介质对光脉冲呈现出完全透明的特点。
海森堡绘景、薛定谔绘景以及它们之间的关系海森堡绘景:固定态矢,是基矢运动的描述方式,即算符是运动的,而量子态不相依于时间。
激光半经典理论概述激光是一种高度聚焦的、单色的光束,具有高亮度和相干性。
激光的产生与激光器的构造以及半导体激光器的工作原理密切相关。
本文将介绍激光的半经典理论,包括激光的产生、激光器的构造和半导体激光器的工作原理。
激光的产生激光的产生是基于电磁激发原理的。
当物质受到一定能量的激发时,会发生电子的激发和跃迁。
这种跃迁会产生一些辐射,如果这些辐射与电磁场的频率匹配,就可以被放大形成激光。
激光的产生需要具备三个条件,即:•待激发物质具有上能态和下能态。
•器件具有储存能量的能带结构。
•电磁波与储存能量的电子发生相互作用,使电子在两个能态间跃迁。
激光的产生可以分为四个阶段,即激发、寿命、放大和振荡。
这四个阶段是激光的产生过程中必不可少的环节。
激光器的构造激光器是一种器件,用于放大光波,产生激光束。
激光器的构造包括激光谐振腔、激光介质和激发装置三个部分。
激光谐振腔激光谐振腔由两个和一个或多个镜子构成,其中一个镜子为全反射镜,另一个则为半反射镜。
激光进入谐振腔后,被反射回半反射镜,再通过全反射镜反射回半反射镜,并不断地在两个镜子之间反弹,形成双向调和波。
在波的过程中,光波从激光介质中通过。
激光介质激光介质是激光器的重要组成部分,其功能是在光波的反弹过程中起到放大和锁定的作用。
激光介质是一种具有受激辐射特性的物质,在光波作用下,可释放电子能级之间的能量,进而增强光波的能量。
激发装置激发装置是激光器的能量来源,它为激光介质充能,从而产生一定的电子激发。
激发装置通常包括闪光灯、泵浦光和电容器等部件。
半导体激光器的工作原理半导体激光器是目前应用最广泛的一类激光器。
其工作原理是通过半导体材料在载流子作用下,电子和空穴与激光介质相互作用,产生光辐射放大。
半导体激光器的结构由P型半导体和N型半导体构成,中间是一个P-N结,当通过半导体激光器的时候,载流子被注入到PN结区域,形成少数载流子浓度。
然后少数载流子和激光介质相互作用产生光辐射,并通过谐振腔的反弹过程形成激光束。
激光原理与技术激光原理与技术绪论1960年梅曼根据肖洛的受激辐射光量子放大理论研制出一台红宝石激光器,同年末研制出He-Ne气体激光器,1962年又公布了砷化镓半导体激光器运转的报导。
我国于1961年研制成功红宝石激光器,1966年试制出Nd:YAG激光器。
到70年代末,各种激光器都已发展到相当成熟,并得到应用。
激光与普通光源不同之处在于它具有高的单色亮度,好的单色性和相干性及定向性。
激光的出现推动了一些新学科的发展,比如薄膜光学、非线性光学、全息术等。
40多年来,激光在工业加工、医疗诊断、印刷照排、计量检测等方面获得广泛应用。
军事上,激光测距、激光制导、激光通信在战场上亦付诸使用,激光战术雷达已有成功报导,激光战术武器在不久的将来也将研制成功。
第一章激光的基本理论激光的产生涉及光与物质的相互作用,为了深入了解激光的产生机理,必须首先了解辐射理论。
处理光辐射问题,有三种理论可以解决,即经典理论、半经典理论和量子理论。
光辐射的经典理论,在光学原理教程或物理光学中有详细的讲解,其理论体系是从麦克斯韦方程组引入磁矢势和电标势,从而推导出关于磁矢势和电标势的达朗伯方程。
解方程发现如果运动的点电荷产生加速度便可产生辐射场。
对于束缚电荷来说,可以认为负电子相对于正电荷产生振动,以平衡态为基准的电子振动必然产生加速度,同时可产生光辐射,这就是洛仑兹的辐射理论。
半经典理论是把原子按量子力学来处理,而把光场按麦克斯韦方程来求解。
辐射的量子理论是把电磁场的一个模式看成一个谐振子,原子与光的相互作用看成是原子和一群场振子的相互作用,量子理论要用到量子力学和量子电动力学知识。
上面三种理论都能很好的处理与光辐射有关的受激吸收、受激辐射和自发辐射等问题,由于量子理论和半经典理论是非常复杂而抽象的,所以我们在本讲义中介绍的激光理论,主要是以经典理论为基础的,或者引入半经典理论。
在考虑光的本性时,认为具有波粒二象性,为了讨论方便,有时利用波动概念,引入频率和波长来描述,有时利用粒子概念,引入粒子能量和动量。