1、P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）主講教師：陳主講教師：陳 建建 新新 、朱莉莉、陳榮、朱莉莉、陳榮 福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院Lasers Principles and TechnologiesP物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）v光頻電磁場(chǎng)與激光工作物質(zhì)光頻電磁場(chǎng)與激光工作物質(zhì)的相互作用是形成激光的物的相互作用是形成激光的物理基礎(chǔ)理基礎(chǔ). .v本章的中心是討論場(chǎng)與物質(zhì)原子間的本章的中心是討論場(chǎng)與物質(zhì)原子間的共振相互作用共振相互作用。v由于光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)與介質(zhì)自發(fā)輻射譜線(xiàn)加由于光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)與介質(zhì)自發(fā)輻射譜線(xiàn)加寬及其性質(zhì)密切有關(guān)，討論寬及

2、其性質(zhì)密切有關(guān)，討論光譜線(xiàn)的加寬問(wèn)題光譜線(xiàn)的加寬問(wèn)題。v經(jīng)典理論、速率方程理論、半經(jīng)典理論和全量子理論經(jīng)典理論、速率方程理論、半經(jīng)典理論和全量子理論第四章第四章 光場(chǎng)與物質(zhì)間的相互作用光場(chǎng)與物質(zhì)間的相互作用P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）經(jīng)典理論：經(jīng)典理論：將構(gòu)成物質(zhì)的原子系統(tǒng)和電磁場(chǎng)均做經(jīng)將構(gòu)成物質(zhì)的原子系統(tǒng)和電磁場(chǎng)均做經(jīng)典處理。典處理。光場(chǎng)服從麥克斯韋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，原子服從經(jīng)光場(chǎng)服從麥克斯韋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，原子服從經(jīng)典力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的電偶極振子典力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的電偶極振子，該理論成功地解釋該理論成功地解釋了物質(zhì)對(duì)光的吸收和色散作用，定性地說(shuō)明了物質(zhì)了物質(zhì)對(duì)光的吸收和色散作用，定性地說(shuō)明了

3、物質(zhì)的自發(fā)輻射及其譜線(xiàn)寬，對(duì)解釋光和物質(zhì)相互作用的自發(fā)輻射及其譜線(xiàn)寬，對(duì)解釋光和物質(zhì)相互作用中的某些物理現(xiàn)象有一定幫助，并對(duì)解釋光和物質(zhì)中的某些物理現(xiàn)象有一定幫助，并對(duì)解釋光和物質(zhì)的非共振相互作用也起一定作用。的非共振相互作用也起一定作用。光場(chǎng)與物質(zhì)間的相互作用光場(chǎng)與物質(zhì)間的相互作用P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）2. 2. 半經(jīng)典理論半經(jīng)典理論：用麥克斯韋方程組描述光頻電磁場(chǎng)，應(yīng)用麥克斯韋方程組描述光頻電磁場(chǎng)，應(yīng)用量子力學(xué)理論描述物質(zhì)原子。用量子力學(xué)理論描述物質(zhì)原子。年，蘭姆應(yīng)用該年，蘭姆應(yīng)用該理論建立了激光器理論，理論建立了激光器理論，很好地揭示激光器中大部分的物很好地揭示

4、激光器中大部分的物理現(xiàn)象理現(xiàn)象，如：強(qiáng)度特性、增益飽和效應(yīng)、多模耦合與競(jìng)爭(zhēng)，如：強(qiáng)度特性、增益飽和效應(yīng)、多模耦合與競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，激光振蕩的頻率牽引與推斥效應(yīng)等。其缺點(diǎn)是數(shù)學(xué)效應(yīng)，激光振蕩的頻率牽引與推斥效應(yīng)等。其缺點(diǎn)是數(shù)學(xué)處理過(guò)于復(fù)雜。處理過(guò)于復(fù)雜。.量子理論量子理論：應(yīng)用量子電動(dòng)力學(xué)的處理方法，應(yīng)用量子電動(dòng)力學(xué)的處理方法，對(duì)物質(zhì)原子對(duì)物質(zhì)原子系統(tǒng)和光頻電磁場(chǎng)都作量子化處理系統(tǒng)和光頻電磁場(chǎng)都作量子化處理，將兩者作為統(tǒng)一的物，將兩者作為統(tǒng)一的物理體系加以研究。需嚴(yán)格地確定激光的相干性和噪聲以及理體系加以研究。需嚴(yán)格地確定激光的相干性和噪聲以及線(xiàn)寬極限。線(xiàn)寬極限。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)

5、（第四章）. . 速率方程理論：速率方程理論：量子理論的簡(jiǎn)化形式量子理論的簡(jiǎn)化形式。出發(fā)點(diǎn)是研究。出發(fā)點(diǎn)是研究光子（量子化的輻射場(chǎng)）與物質(zhì)原子的相互作用。它不涉光子（量子化的輻射場(chǎng)）與物質(zhì)原子的相互作用。它不涉及光與物質(zhì)相互作用的力學(xué)過(guò)程，而是及光與物質(zhì)相互作用的力學(xué)過(guò)程，而是基于愛(ài)因斯坦的維基于愛(ài)因斯坦的維象理論，建立起原子在各能級(jí)上的集居數(shù)密度在與光場(chǎng)相象理論，建立起原子在各能級(jí)上的集居數(shù)密度在與光場(chǎng)相互作用過(guò)程中的變換速率方程，以及光場(chǎng)的光子數(shù)變化速互作用過(guò)程中的變換速率方程，以及光場(chǎng)的光子數(shù)變化速率方程率方程，用速率方程討論激光器的特性。理論形式簡(jiǎn)單，用速率方程討論激光器的特性。理論形

6、式簡(jiǎn)單，可以給出激光的強(qiáng)度特性，并粗略地解釋模式競(jìng)爭(zhēng)、線(xiàn)寬可以給出激光的強(qiáng)度特性，并粗略地解釋模式競(jìng)爭(zhēng)、線(xiàn)寬極限等物理現(xiàn)象，但無(wú)法揭示光的色散以及由此引起的頻極限等物理現(xiàn)象，但無(wú)法揭示光的色散以及由此引起的頻率牽引等現(xiàn)象。率牽引等現(xiàn)象。我們將重點(diǎn)介紹經(jīng)典理論和速率方程理論我們將重點(diǎn)介紹經(jīng)典理論和速率方程理論P(yáng)物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）p光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論經(jīng)典理論：經(jīng)典理論： 將構(gòu)成物質(zhì)的原子系統(tǒng)和電磁場(chǎng)均做經(jīng)典處理。將構(gòu)成物質(zhì)的原子系統(tǒng)和電磁場(chǎng)均做經(jīng)典處理。光光場(chǎng)服從麥克斯韋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，原子服從經(jīng)典力學(xué)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)服從麥克斯韋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，原子服從

7、經(jīng)典力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的電偶極振子規(guī)律的電偶極振子，該理論成功地解釋了物質(zhì)對(duì)光該理論成功地解釋了物質(zhì)對(duì)光的吸收和色散作用，定性地說(shuō)明了物質(zhì)的自發(fā)輻射的吸收和色散作用，定性地說(shuō)明了物質(zhì)的自發(fā)輻射及其譜線(xiàn)寬，對(duì)解釋光和物質(zhì)相互作用中的某些物及其譜線(xiàn)寬，對(duì)解釋光和物質(zhì)相互作用中的某些物理現(xiàn)象有一定幫助，并對(duì)解釋光和物質(zhì)的非共振相理現(xiàn)象有一定幫助，并對(duì)解釋光和物質(zhì)的非共振相互作用也起一定作用。互作用也起一定作用。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）p光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論經(jīng)典模型：經(jīng)典模型：P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）1. 1. 單電子被與位

8、移成正比的彈性恢復(fù)力束縛在平衡位置單電子被與位移成正比的彈性恢復(fù)力束縛在平衡位置附近作一維振動(dòng)附近作一維振動(dòng)2. 2. 原子中的電子與原子核構(gòu)成了一電偶極子。在外場(chǎng)作原子中的電子與原子核構(gòu)成了一電偶極子。在外場(chǎng)作用下，正負(fù)電荷中心不再重合而產(chǎn)生感應(yīng)電偶極距，發(fā)用下，正負(fù)電荷中心不再重合而產(chǎn)生感應(yīng)電偶極距，發(fā)生生共振線(xiàn)性極化共振線(xiàn)性極化3. 3. 忽略磁場(chǎng)對(duì)電子振子的影響。假定光電場(chǎng)的振動(dòng)方向忽略磁場(chǎng)對(duì)電子振子的影響。假定光電場(chǎng)的振動(dòng)方向與振子振動(dòng)方向相同的單色平面線(xiàn)偏振光。與振子振動(dòng)方向相同的單色平面線(xiàn)偏振光。4. 4. 被極化了的物質(zhì)對(duì)入射光場(chǎng)產(chǎn)生反作用，它可以使被極化了的物質(zhì)對(duì)入射光場(chǎng)產(chǎn)生

9、反作用，它可以使光場(chǎng)的振幅、頻率和相位等發(fā)生變化，僅對(duì)線(xiàn)性共振極光場(chǎng)的振幅、頻率和相位等發(fā)生變化，僅對(duì)線(xiàn)性共振極化介質(zhì)對(duì)光場(chǎng)所呈現(xiàn)的吸收（或增益）及色散做出簡(jiǎn)單化介質(zhì)對(duì)光場(chǎng)所呈現(xiàn)的吸收（或增益）及色散做出簡(jiǎn)單討論。討論。經(jīng)典理論中的假設(shè)：經(jīng)典理論中的假設(shè)：P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）一維電子振子在外場(chǎng)一維電子振子在外場(chǎng)E(z,t)E(z,t)作用下作受迫振動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)作用下作受迫振動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程：方程：為經(jīng)典輻射阻尼系數(shù)32026mvwe),(2022tzEmexwdtdxdtxd固有頻率為電子振子簡(jiǎn)諧振動(dòng)的mkw/20對(duì)原子的自發(fā)電偶極輻射、光場(chǎng)作用下的受激吸收和介對(duì)原子的

10、自發(fā)電偶極輻射、光場(chǎng)作用下的受激吸收和介質(zhì)的色散現(xiàn)象作經(jīng)典分析。質(zhì)的色散現(xiàn)象作經(jīng)典分析。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）tiwteextx/020)(02022xwdtdxdtxd在外場(chǎng)在外場(chǎng)E(z,t)E(z,t)0 0時(shí)，電子振子的運(yùn)動(dòng)方程：時(shí)，電子振子的運(yùn)動(dòng)方程：振子在其平衡位置作阻尼簡(jiǎn)諧振動(dòng)，方程的解：振子在其平衡位置作阻尼簡(jiǎn)諧振動(dòng)，方程的解：在光頻范圍內(nèi)，自由阻尼振動(dòng)的解可以表示成：在光頻范圍內(nèi)，自由阻尼振動(dòng)的解可以表示成：tiwteextx020)(原子的自發(fā)電偶極輻射原子的自發(fā)電偶極輻射P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）tiwteeptextp020

11、)()(作簡(jiǎn)諧振動(dòng)的電子和帶正電的原子核組成一個(gè)作簡(jiǎn)諧振作簡(jiǎn)諧振動(dòng)的電子和帶正電的原子核組成一個(gè)作簡(jiǎn)諧振動(dòng)的經(jīng)典簡(jiǎn)諧振子模型，其偶極矩為動(dòng)的經(jīng)典簡(jiǎn)諧振子模型，其偶極矩為簡(jiǎn)諧偶極振子發(fā)出的電磁輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度：簡(jiǎn)諧偶極振子發(fā)出的電磁輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度：tiwteeEtE020)(在無(wú)外場(chǎng)作用于介質(zhì)原子時(shí)，原子將自發(fā)輻射振幅隨時(shí)間在無(wú)外場(chǎng)作用于介質(zhì)原子時(shí)，原子將自發(fā)輻射振幅隨時(shí)間指數(shù)衰減的、頻率近似等于其固有振動(dòng)頻率的電磁場(chǎng)。指數(shù)衰減的、頻率近似等于其固有振動(dòng)頻率的電磁場(chǎng)。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）iwtiwtewiwwwzEmeewiwwzEmetx000220)(2)()()(

12、)(),(2022tzEmexwdtdxdtxdiwtezEtzE)(),(在物質(zhì)中沿在物質(zhì)中沿z方向傳播的單色平面波，其方向傳播的單色平面波，其x方向的電場(chǎng)強(qiáng)度為方向的電場(chǎng)強(qiáng)度為將上式代入方程中：將上式代入方程中：方程的形式特解：方程的形式特解：忽略自由阻尼振蕩項(xiàng)，忽略自由阻尼振蕩項(xiàng)，代入方程中可得到在共振相互作用下的特解：代入方程中可得到在共振相互作用下的特解：iwtextx0)(光的受激吸收和介質(zhì)的色散光的受激吸收和介質(zhì)的色散P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）iwtewiwwwzEmetzp0002)(2)(),(一個(gè)原子的感應(yīng)電偶極矩：一個(gè)原子的感應(yīng)電偶極矩：iwtewi

13、wwwzEmnetznptzP0002)(2)(),(),(忽略原子間的相互作用，整個(gè)介質(zhì)的宏觀感應(yīng)電極化強(qiáng)度為忽略原子間的相互作用，整個(gè)介質(zhì)的宏觀感應(yīng)電極化強(qiáng)度為n n為單位體積工作物質(zhì)中的原子數(shù)，即原子密度。為單位體積工作物質(zhì)中的原子數(shù)，即原子密度。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）),(),(0tzEtzP220100002/)(41)(2wwwwwmwne在線(xiàn)性極化下，介質(zhì)的感應(yīng)電極化強(qiáng)度也可表示成：在線(xiàn)性極化下，介質(zhì)的感應(yīng)電極化強(qiáng)度也可表示成：220002/)(411wwmwne00002)(21wiwwwmne介質(zhì)的線(xiàn)性電極化系數(shù)，通過(guò)比較為：介質(zhì)的線(xiàn)性電極化系數(shù)，通

14、過(guò)比較為：令令 ，得到電極化系數(shù)實(shí)部和虛部為：，得到電極化系數(shù)實(shí)部和虛部為：/iP物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）2/0/2/0/)(11)(1yyy令令 ，引入?yún)?shù)，引入?yún)?shù) 表示入射光頻率表示入射光頻率與原子固有頻率與原子固有頻率 的相對(duì)偏差，得到：的相對(duì)偏差，得到：aw0ww20awwwy其中：其中：awmwne002/0表示當(dāng)表示當(dāng) 時(shí)經(jīng)典振子線(xiàn)性電極化系數(shù)的大小。時(shí)經(jīng)典振子線(xiàn)性電極化系數(shù)的大小。0wwP物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）將上式代入頻率為將上式代入頻率為 的單色平面波在介質(zhì)中沿的單色平面波在介質(zhì)中沿Z Z方向的傳方向的傳播方程中播方程中wii2

15、21211/當(dāng)當(dāng) 時(shí)，得到：時(shí)，得到：11/物質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)物質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù) 與電極化系數(shù)與電極化系數(shù) 之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：/決定著光場(chǎng)振幅在介質(zhì)中傳播過(guò)程中的增大或衰減，決定著光場(chǎng)振幅在介質(zhì)中傳播過(guò)程中的增大或衰減，為通常定義的介質(zhì)折射率。為通常定義的介質(zhì)折射率。)/(0)(0),(zcwwtizcwztiweeEeEtzE/cP物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）zcweEtzEzI2202),()(由光場(chǎng)的光強(qiáng)正比于振幅的平方由光場(chǎng)的光強(qiáng)正比于振幅的平方在共振線(xiàn)性極化近似下，經(jīng)典理論關(guān)于受激吸收在共振線(xiàn)性極化近似下，經(jīng)典理論關(guān)于受激吸收(或增或增益益)和介質(zhì)色散和介質(zhì)色

16、散(或折射率或折射率)的關(guān)系的關(guān)系介質(zhì)增益系數(shù)與折射率之間的關(guān)系：介質(zhì)增益系數(shù)與折射率之間的關(guān)系：根據(jù)介質(zhì)增益系數(shù)的定義：根據(jù)介質(zhì)增益系數(shù)的定義：dzzdIzIG)()(1得到：得到：/2cwcwG2002202)(111)(11ywmwneywmcneGaaGwyc21P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）在光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的共振線(xiàn)性極化經(jīng)典模型下，得到在光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的共振線(xiàn)性極化經(jīng)典模型下，得到0w2. 2. 介質(zhì)的折射率在原子輻射的固有頻率介質(zhì)的折射率在原子輻射的固有頻率 附近隨入射附近隨入射光波的頻率發(fā)生反常的急劇變化，稱(chēng)為反常色散現(xiàn)象。光波的頻率發(fā)生反常的急劇變化，

17、稱(chēng)為反常色散現(xiàn)象。3. 3. 對(duì)于實(shí)際的介質(zhì)，光場(chǎng)與介質(zhì)原子的相互作用以及極對(duì)于實(shí)際的介質(zhì)，光場(chǎng)與介質(zhì)原子的相互作用以及極化作用的情況化作用的情況 要復(fù)雜得多，需要對(duì)極化強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)方程要復(fù)雜得多，需要對(duì)極化強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行修正。進(jìn)行修正。4. 4. 基質(zhì)材料的非共振線(xiàn)性極化強(qiáng)度需要考慮在電感應(yīng)基質(zhì)材料的非共振線(xiàn)性極化強(qiáng)度需要考慮在電感應(yīng)強(qiáng)度的公式中強(qiáng)度的公式中1. 1. 物質(zhì)的吸收譜線(xiàn)為洛侖茲線(xiàn)型，物質(zhì)的吸收譜線(xiàn)為洛侖茲線(xiàn)型， 為原子自發(fā)輻射為原子自發(fā)輻射的譜線(xiàn)寬度。的譜線(xiàn)寬度。awP物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）頻率突變頻率突變P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章

18、）電偶極躍遷共振極化系數(shù)的量子力學(xué)修正電偶極躍遷共振極化系數(shù)的量子力學(xué)修正1.將經(jīng)典振子的固有振動(dòng)頻率和波長(zhǎng)修正為原子的量子能將經(jīng)典振子的固有振動(dòng)頻率和波長(zhǎng)修正為原子的量子能級(jí)間的躍遷頻率和波長(zhǎng)，即級(jí)間的躍遷頻率和波長(zhǎng)，即 ；2.將經(jīng)典振子的輻射能量衰減速率與特定的原子量子能級(jí)將經(jīng)典振子的輻射能量衰減速率與特定的原子量子能級(jí)間的自發(fā)輻射躍遷幾率間的自發(fā)輻射躍遷幾率Amn對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)， ；3.將經(jīng)典振子數(shù)密度修正為兩相應(yīng)能級(jí)間的原子集居數(shù)密將經(jīng)典振子數(shù)密度修正為兩相應(yīng)能級(jí)間的原子集居數(shù)密度差，即度差，即 ；4.光譜線(xiàn)線(xiàn)寬光譜線(xiàn)線(xiàn)寬 與特定躍遷所對(duì)應(yīng)的與特定躍遷所對(duì)應(yīng)的 及其他可能存在及其他可能存在

19、的光譜線(xiàn)加寬機(jī)制有關(guān)；的光譜線(xiàn)加寬機(jī)制有關(guān)；5.考慮到實(shí)際介質(zhì)所存在的各向異性，介質(zhì)的電極化數(shù)應(yīng)考慮到實(shí)際介質(zhì)所存在的各向異性，介質(zhì)的電極化數(shù)應(yīng)用一張量表示。若入射光場(chǎng)相對(duì)于原子沒(méi)有適當(dāng)?shù)钠窈陀靡粡埩勘硎?。若入射光?chǎng)相對(duì)于原子沒(méi)有適當(dāng)?shù)钠窈椭赶?，則會(huì)使原子躍遷的響應(yīng)（即電極化系數(shù)）減少；指向，則會(huì)使原子躍遷的響應(yīng)（即電極化系數(shù)）減少；hEEnmmn/2)(0mnAmnnmnnggn)/(aradP物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）電偶極躍遷共振極化系數(shù)的量子力學(xué)修正：電偶極躍遷共振極化系數(shù)的量子力學(xué)修正：amnaradmnawwini/ )(21143)(32*速率方程近似速率

20、方程近似相應(yīng)地，量子力學(xué)的相干極化強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)方程為：相應(yīng)地，量子力學(xué)的相干極化強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)方程為：),(4)(323*222tzEtnPdtdPdtPdxradmnmnxmnxaxP物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）p光譜線(xiàn)加寬光譜線(xiàn)加寬光譜線(xiàn)加寬光譜線(xiàn)加寬hEE/12自發(fā)輻射分布在中心頻自發(fā)輻射分布在中心頻率率 附近一附近一個(gè)很小范圍內(nèi)，這種現(xiàn)個(gè)很小范圍內(nèi)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為象稱(chēng)為譜線(xiàn)加寬譜線(xiàn)加寬 P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）dvII)(0 自發(fā)輻射功率為頻率的函數(shù)自發(fā)輻射功率為頻率的函數(shù)。設(shè)總的輻射功率為。設(shè)總的輻射功率為I I0 0, ,有：有： I 00,IIg線(xiàn)型

21、函數(shù)線(xiàn)型函數(shù) ( (給定了光譜線(xiàn)的輪廓或形狀給定了光譜線(xiàn)的輪廓或形狀) ) ：0,g 1,00IdIdg可以證明線(xiàn)型函數(shù)滿(mǎn)足歸一化條件：可以證明線(xiàn)型函數(shù)滿(mǎn)足歸一化條件：描述光譜線(xiàn)加寬特性的物理量：線(xiàn)型函數(shù)和線(xiàn)寬描述光譜線(xiàn)加寬特性的物理量：線(xiàn)型函數(shù)和線(xiàn)寬P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）2,20000gg線(xiàn)型函數(shù)一般關(guān)于中心頻率對(duì)稱(chēng)，且在中心頻率處有最線(xiàn)型函數(shù)一般關(guān)于中心頻率對(duì)稱(chēng)，且在中心頻率處有最大值。一般定義線(xiàn)型函數(shù)的半極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率全寬大值。一般定義線(xiàn)型函數(shù)的半極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率全寬度為光譜線(xiàn)寬度度為光譜線(xiàn)寬度(FWHM)(FWHM)記作：記作：cc12用波數(shù)差或波長(zhǎng)差也

22、可用波數(shù)差或波長(zhǎng)差也可標(biāo)記譜線(xiàn)寬度標(biāo)記譜線(xiàn)寬度: :描述光譜線(xiàn)加寬特性的物理量：線(xiàn)型函數(shù)和線(xiàn)寬描述光譜線(xiàn)加寬特性的物理量：線(xiàn)型函數(shù)和線(xiàn)寬P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）光譜線(xiàn)的加寬機(jī)制和類(lèi)型光譜線(xiàn)的加寬機(jī)制和類(lèi)型1.1.均勻加寬：均勻加寬：引起加寬的物理因素對(duì)每個(gè)發(fā)光粒子都是等引起加寬的物理因素對(duì)每個(gè)發(fā)光粒子都是等同的。由于均勻加寬對(duì)每個(gè)原子的輻射的影響是相同的，同的。由于均勻加寬對(duì)每個(gè)原子的輻射的影響是相同的，因此在均勻加寬的影響下，每個(gè)原子都具有相同的輻射特因此在均勻加寬的影響下，每個(gè)原子都具有相同的輻射特性，即每個(gè)原子都以整個(gè)線(xiàn)型函數(shù)的形式輻射光子性，即每個(gè)原子都以整個(gè)線(xiàn)

23、型函數(shù)的形式輻射光子如：自然加寬、如：自然加寬、 壽命加寬、壓力加寬、熱聲子加寬壽命加寬、壓力加寬、熱聲子加寬2.2.非均勻加寬：非均勻加寬：由于某種物理因素的影響，使得發(fā)光原子由于某種物理因素的影響，使得發(fā)光原子有不同的表觀中心頻率，使總的輻射譜線(xiàn)加寬。有不同的表觀中心頻率，使總的輻射譜線(xiàn)加寬。3.3.綜合加寬：綜合加寬：均勻加寬與非均勻加寬同時(shí)存在均勻加寬與非均勻加寬同時(shí)存在如：多普勒加寬、晶格隨機(jī)缺陷加寬如：多普勒加寬、晶格隨機(jī)缺陷加寬P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）2122)()(Atndttdn自然加寬是由處于激發(fā)態(tài)的原子具有有限的壽命而引起的自然加寬是由處于激發(fā)態(tài)的

24、原子具有有限的壽命而引起的21/21)0()0()(ttAeIeItI由自發(fā)輻射功率與粒子數(shù)密度的關(guān)系，可得：由自發(fā)輻射功率與粒子數(shù)密度的關(guān)系，可得：?jiǎn)挝惑w積的介質(zhì)中，單位體積的介質(zhì)中，E2E2能級(jí)上的原子數(shù)密度衰減速率為能級(jí)上的原子數(shù)密度衰減速率為自發(fā)輻射光場(chǎng)的自發(fā)輻射光場(chǎng)的振幅隨時(shí)間振幅隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減按指數(shù)規(guī)律衰減titeeEtE0212210)(u自然加寬自然加寬(固有加寬或純輻射壽命加寬固有加寬或純輻射壽命加寬)從愛(ài)因斯坦的唯象理論出發(fā)：從愛(ài)因斯坦的唯象理論出發(fā)：P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）對(duì)上式進(jìn)行傅立葉變換的自發(fā)輻射的頻譜對(duì)上式進(jìn)行傅立葉變換的自發(fā)輻射的頻

25、譜)(I根據(jù)線(xiàn)型函數(shù)的定義和滿(mǎn)足的歸一化條件得到自然線(xiàn)寬的根據(jù)線(xiàn)型函數(shù)的定義和滿(mǎn)足的歸一化條件得到自然線(xiàn)寬的線(xiàn)型函數(shù)線(xiàn)型函數(shù)2022212104211,Ng2121N自然線(xiàn)寬自然線(xiàn)寬 ：洛倫茲線(xiàn)型洛倫茲線(xiàn)型2200)(112,NvNNvvg用自然線(xiàn)寬表示的自然加寬線(xiàn)型函數(shù)：用自然線(xiàn)寬表示的自然加寬線(xiàn)型函數(shù)：P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）由經(jīng)典電子振子模型知原子作為諧振子發(fā)出的電磁波可由經(jīng)典電子振子模型知原子作為諧振子發(fā)出的電磁波可表示為表示為 ：結(jié)論：結(jié)論：自然加寬譜線(xiàn)具有洛倫茲線(xiàn)型譜，線(xiàn)寬度完全自然加寬譜線(xiàn)具有洛倫茲線(xiàn)型譜，線(xiàn)寬度完全由原子在能級(jí)的自發(fā)輻射壽命決定，進(jìn)一步說(shuō)

26、明了自然由原子在能級(jí)的自發(fā)輻射壽命決定，進(jìn)一步說(shuō)明了自然加寬是由原子具有有限的激發(fā)態(tài)壽命而引起的。加寬是由原子具有有限的激發(fā)態(tài)壽命而引起的。將經(jīng)典阻尼系數(shù)將經(jīng)典阻尼系數(shù) 就可以得到關(guān)于譜線(xiàn)自然就可以得到關(guān)于譜線(xiàn)自然加寬和線(xiàn)型函數(shù)的完全相同的結(jié)果加寬和線(xiàn)型函數(shù)的完全相同的結(jié)果21/1tviteeEtE0220)(從原子自發(fā)輻射的經(jīng)典電子振子模型出發(fā)：從原子自發(fā)輻射的經(jīng)典電子振子模型出發(fā)：P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）由能級(jí)的總平均壽命決定的光譜線(xiàn)加寬稱(chēng)為由能級(jí)的總平均壽命決定的光譜線(xiàn)加寬稱(chēng)為壽命加寬。壽命加寬。自然加寬和壽命加寬為均勻加寬自然加寬和壽命加寬為均勻加寬221L處于

27、激發(fā)態(tài)的原子的平均壽命不僅決定于純輻射壽命，處于激發(fā)態(tài)的原子的平均壽命不僅決定于純輻射壽命，還與無(wú)輻射躍遷和其他能量衰減過(guò)程有關(guān)，自發(fā)輻射譜還與無(wú)輻射躍遷和其他能量衰減過(guò)程有關(guān)，自發(fā)輻射譜線(xiàn)加寬的線(xiàn)寬為：線(xiàn)加寬的線(xiàn)寬為：其中其中02111nrrad0輻射躍遷的純輻射壽命輻射躍遷的純輻射壽命無(wú)輻射躍遷所決定的能級(jí)平均壽命無(wú)輻射躍遷所決定的能級(jí)平均壽命能級(jí)的其他能量衰減速率能級(jí)的其他能量衰減速率nrradu壽命加寬壽命加寬P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）氣體介質(zhì)中引起自發(fā)輻射譜線(xiàn)在自然加寬的基礎(chǔ)上進(jìn)一氣體介質(zhì)中引起自發(fā)輻射譜線(xiàn)在自然加寬的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加寬的主要物理因素是步加寬的主要

28、物理因素是碰撞碰撞和和多譜勒效應(yīng)多譜勒效應(yīng)。 碰撞加寬：由碰撞加寬：由碰撞碰撞引起的光譜線(xiàn)加寬引起的光譜線(xiàn)加寬碰撞加寬線(xiàn)型函數(shù)和線(xiàn)寬碰撞加寬線(xiàn)型函數(shù)和線(xiàn)寬可表示為：可表示為：如果發(fā)光原子與其他原子發(fā)生碰撞的平均時(shí)間間隔如果發(fā)光原子與其他原子發(fā)生碰撞的平均時(shí)間間隔為為 ，由碰撞所決定的原子平均碰撞速率或能量衰減，由碰撞所決定的原子平均碰撞速率或能量衰減速率為速率為 。c/1cn氣體介質(zhì)中的光譜線(xiàn)加寬機(jī)制氣體介質(zhì)中的光譜線(xiàn)加寬機(jī)制cc21cccg2/112,200P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）pc在氣壓不太高時(shí)，在氣壓不太高時(shí)， 碰撞線(xiàn)寬與壓強(qiáng)成正比：碰撞線(xiàn)寬與壓強(qiáng)成正比：碰撞線(xiàn)

29、寬與氣體的碰撞線(xiàn)寬與氣體的壓強(qiáng)壓強(qiáng)、溫度溫度、原子間的、原子間的碰撞截面碰撞截面有關(guān)有關(guān)。碰撞加寬又稱(chēng)為壓力加寬，比例系數(shù)稱(chēng)為壓力加寬系數(shù)碰撞加寬又稱(chēng)為壓力加寬，比例系數(shù)稱(chēng)為壓力加寬系數(shù)如果氣體激光工作物質(zhì)由工作氣體與輔助氣體構(gòu)成，壓如果氣體激光工作物質(zhì)由工作氣體與輔助氣體構(gòu)成，壓力加寬線(xiàn)寬為力加寬線(xiàn)寬為cacbabaaacpppa)(碰撞加寬和壓力加寬為均勻加寬碰撞加寬和壓力加寬為均勻加寬P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）發(fā)光原子（光源）的中心頻率發(fā)光原子（光源）的中心頻率 ，原子以相對(duì)速度，原子以相對(duì)速度 運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器測(cè)得的光波頻率為：運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器測(cè)得的光波頻率為：0z當(dāng)

30、當(dāng) 與光波傳播方向相同時(shí)，與光波傳播方向相同時(shí)， 當(dāng)當(dāng) 與光波傳播方向相反時(shí)，與光波傳播方向相反時(shí)， 0zzz0z光學(xué)多普勒效應(yīng)示意圖光學(xué)多普勒效應(yīng)示意圖1/czcz10/0cczz/1/10/0u多普勒（多普勒（Doppler）加寬）加寬P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）當(dāng)波的發(fā)出者相對(duì)于接收者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收者接受到波當(dāng)波的發(fā)出者相對(duì)于接收者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收者接受到波的振動(dòng)頻率將與靜止時(shí)不同，這種現(xiàn)象就是的振動(dòng)頻率將與靜止時(shí)不同，這種現(xiàn)象就是多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)多普勒加寬多普勒加寬是由于作熱運(yùn)動(dòng)的發(fā)光原子（分子）所發(fā)出是由于作熱運(yùn)動(dòng)的發(fā)光原子（分子）所發(fā)出的輻射的多普勒頻移引

31、起的的輻射的多普勒頻移引起的 多普勒加寬是多普勒加寬是非均勻加寬：非均勻加寬：原子體系中每個(gè)原子只對(duì)譜線(xiàn)內(nèi)與它的原子體系中每個(gè)原子只對(duì)譜線(xiàn)內(nèi)與它的表觀中心頻率表觀中心頻率相相對(duì)應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)。也就是說(shuō)，體系中每個(gè)原子發(fā)出的對(duì)應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)。也就是說(shuō)，體系中每個(gè)原子發(fā)出的光的光的線(xiàn)型函數(shù)不盡相同線(xiàn)型函數(shù)不盡相同，每個(gè)原子有著，每個(gè)原子有著各自的表觀頻率各自的表觀頻率中心和發(fā)射特性中心和發(fā)射特性。體系的總的輻射線(xiàn)型函數(shù)是這些所有。體系的總的輻射線(xiàn)型函數(shù)是這些所有原子線(xiàn)型函數(shù)的綜合原子線(xiàn)型函數(shù)的綜合 P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）麥克斯韋麥克斯韋玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，處于激光能級(jí)玻

32、爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，處于激光能級(jí)E2E2上的上的原子數(shù)密度為原子數(shù)密度為n2n2, , 則處在該則處在該能級(jí)上原子數(shù)密度按熱運(yùn)動(dòng)能級(jí)上原子數(shù)密度按熱運(yùn)動(dòng)速速度分量度分量v vz z 的幾率分布函數(shù)：的幾率分布函數(shù)：由于原子自由于原子自E2E2能級(jí)躍遷自發(fā)輻射某一表觀頻率能級(jí)躍遷自發(fā)輻射某一表觀頻率v v 的光功率的光功率正比于正比于E2E2能級(jí)上對(duì)該頻率有貢獻(xiàn)的原子數(shù)。由線(xiàn)型函數(shù)的能級(jí)上對(duì)該頻率有貢獻(xiàn)的原子數(shù)。由線(xiàn)型函數(shù)的定義可得多普勒加寬的線(xiàn)型函數(shù)定義可得多普勒加寬的線(xiàn)型函數(shù): :2020221002exp)2(),(kTmckTmcgD 2200)(,ndnIdIdgzzD)2exp()2

33、()(22/122KTmvKTmnvnzzP物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）210721201016. 72ln22MTmcKTD多普勒線(xiàn)寬：多普勒線(xiàn)寬： 20210)2)(2(lnexp2ln2,DDDg用線(xiàn)寬度表示的線(xiàn)型函數(shù)為用線(xiàn)寬度表示的線(xiàn)型函數(shù)為 ：高斯線(xiàn)型高斯線(xiàn)型多普勒加寬的線(xiàn)型函數(shù)就是氣體原子按表觀中心頻率的多普勒加寬的線(xiàn)型函數(shù)就是氣體原子按表觀中心頻率的分布函數(shù)，具有分布函數(shù)，具有高斯函數(shù)的形式高斯函數(shù)的形式 M為氣體工作原子的原子量。為氣體工作原子的原子量。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）具有相同線(xiàn)寬的高斯線(xiàn)型函數(shù)與洛倫茲線(xiàn)型函數(shù)的比較具有相同線(xiàn)寬

34、的高斯線(xiàn)型函數(shù)與洛倫茲線(xiàn)型函數(shù)的比較P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）晶格場(chǎng)熱振動(dòng)所引起的頻率調(diào)制加寬晶格場(chǎng)熱振動(dòng)所引起的頻率調(diào)制加寬.(.(晶格的高頻熱晶格的高頻熱運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)) )晶格隨機(jī)缺陷所引起的加寬晶格隨機(jī)缺陷所引起的加寬發(fā)光離子之間的庫(kù)侖場(chǎng)相互作用所造成的偶極子加寬發(fā)光離子之間的庫(kù)侖場(chǎng)相互作用所造成的偶極子加寬離子與晶格間熱馳豫過(guò)程所產(chǎn)生的無(wú)輻射躍遷造成的離子與晶格間熱馳豫過(guò)程所產(chǎn)生的無(wú)輻射躍遷造成的壽命加寬壽命加寬u固體離子摻雜型激光介質(zhì)中的譜線(xiàn)加寬固體離子摻雜型激光介質(zhì)中的譜線(xiàn)加寬P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）熱聲子加寬與晶體中離子的摻雜濃度無(wú)直接關(guān)

35、系，熱聲子加寬與晶體中離子的摻雜濃度無(wú)直接關(guān)系，強(qiáng)烈強(qiáng)烈地依賴(lài)晶格溫度地依賴(lài)晶格溫度晶格隨機(jī)缺陷晶格隨機(jī)缺陷指晶體的生長(zhǎng)和制作過(guò)程中存在位錯(cuò)或空指晶體的生長(zhǎng)和制作過(guò)程中存在位錯(cuò)或空位。可以近似用高斯線(xiàn)型來(lái)表示位。可以近似用高斯線(xiàn)型來(lái)表示離子高濃度摻雜使晶格缺陷較嚴(yán)重，在低溫情況下，聲離子高濃度摻雜使晶格缺陷較嚴(yán)重，在低溫情況下，聲子加寬變得較小時(shí)。子加寬變得較小時(shí)。在玻璃為基質(zhì)的離子摻雜型激光介質(zhì)中，發(fā)光離子雜亂無(wú)在玻璃為基質(zhì)的離子摻雜型激光介質(zhì)中，發(fā)光離子雜亂無(wú)章地分布于玻璃網(wǎng)絡(luò)體內(nèi)，不同的離子受到周?chē)湮粓?chǎng)的章地分布于玻璃網(wǎng)絡(luò)體內(nèi)，不同的離子受到周?chē)湮粓?chǎng)的影響不同。其線(xiàn)型函數(shù)近似呈高斯線(xiàn)

36、型。影響不同。其線(xiàn)型函數(shù)近似呈高斯線(xiàn)型。晶格場(chǎng)熱振動(dòng)所引起的頻率調(diào)制加寬稱(chēng)晶格場(chǎng)熱振動(dòng)所引起的頻率調(diào)制加寬稱(chēng)熱聲子加寬熱聲子加寬?？??？梢越朴寐鍋銎澗€(xiàn)型函數(shù)描述。以近似用洛侖茲線(xiàn)型函數(shù)描述。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）發(fā)光物質(zhì)溶解于液體中，發(fā)光分子之間的碰撞幾率加大，發(fā)光物質(zhì)溶解于液體中，發(fā)光分子之間的碰撞幾率加大，導(dǎo)致碰撞加寬增大，導(dǎo)致碰撞加寬增大， 使自發(fā)輻射的帶狀分子光譜變成使自發(fā)輻射的帶狀分子光譜變成準(zhǔn)準(zhǔn)連續(xù)光譜連續(xù)光譜，其線(xiàn)寬可達(dá)到數(shù)百埃。，其線(xiàn)寬可達(dá)到數(shù)百埃。譜線(xiàn)加寬特點(diǎn)使有機(jī)燃料激光器的輸出波長(zhǎng)在數(shù)百埃連譜線(xiàn)加寬特點(diǎn)使有機(jī)燃料激光器的輸出波長(zhǎng)在數(shù)百埃連續(xù)調(diào)諧

37、的物理基礎(chǔ)續(xù)調(diào)諧的物理基礎(chǔ)u液體激光介質(zhì)中的譜線(xiàn)加寬機(jī)制液體激光介質(zhì)中的譜線(xiàn)加寬機(jī)制P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）從譜線(xiàn)加寬角度看：對(duì)均勻加寬，每個(gè)粒子的自發(fā)輻射具有完全相從譜線(xiàn)加寬角度看：對(duì)均勻加寬，每個(gè)粒子的自發(fā)輻射具有完全相同的線(xiàn)型函數(shù)、線(xiàn)寬、中心頻率。對(duì)非均勻加寬，介質(zhì)中的發(fā)光粒同的線(xiàn)型函數(shù)、線(xiàn)寬、中心頻率。對(duì)非均勻加寬，介質(zhì)中的發(fā)光粒子可以分類(lèi)，可探測(cè)到不同的中心頻率。子可以分類(lèi)，可探測(cè)到不同的中心頻率。對(duì)均勻加寬，整個(gè)介質(zhì)的線(xiàn)型和線(xiàn)寬與單個(gè)粒子相同，對(duì)非均勻加對(duì)均勻加寬，整個(gè)介質(zhì)的線(xiàn)型和線(xiàn)寬與單個(gè)粒子相同，對(duì)非均勻加寬，某個(gè)離子的線(xiàn)型和線(xiàn)寬不等于整個(gè)介質(zhì)的譜線(xiàn)加寬

38、和線(xiàn)寬。寬，某個(gè)離子的線(xiàn)型和線(xiàn)寬不等于整個(gè)介質(zhì)的譜線(xiàn)加寬和線(xiàn)寬。對(duì)均勻加寬，不能把介質(zhì)線(xiàn)型函數(shù)上的某一特定頻率與介質(zhì)中某類(lèi)對(duì)均勻加寬，不能把介質(zhì)線(xiàn)型函數(shù)上的某一特定頻率與介質(zhì)中某類(lèi)離子建立聯(lián)系和對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)非均勻加寬，某類(lèi)發(fā)光粒子僅對(duì)光譜離子建立聯(lián)系和對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)非均勻加寬，某類(lèi)發(fā)光粒子僅對(duì)光譜線(xiàn)范圍內(nèi)某一特定頻率有貢獻(xiàn)，對(duì)其他頻率無(wú)貢獻(xiàn)。線(xiàn)范圍內(nèi)某一特定頻率有貢獻(xiàn)，對(duì)其他頻率無(wú)貢獻(xiàn)。當(dāng)某一頻率的準(zhǔn)單色光與介質(zhì)相互作用，對(duì)均勻加寬，入射光場(chǎng)與當(dāng)某一頻率的準(zhǔn)單色光與介質(zhì)相互作用，對(duì)均勻加寬，入射光場(chǎng)與所有的粒子發(fā)生完全相同的共振相互作用，所有粒子具有相同的受所有的粒子發(fā)生完全相同的共振相互作用，

39、所有粒子具有相同的受激躍遷幾率和極化強(qiáng)度。對(duì)非均勻加寬，只有表觀中心頻率與入射激躍遷幾率和極化強(qiáng)度。對(duì)非均勻加寬，只有表觀中心頻率與入射光場(chǎng)頻率相應(yīng)的某類(lèi)粒子凡是相互作用，不同粒子的極化情況也不光場(chǎng)頻率相應(yīng)的某類(lèi)粒子凡是相互作用，不同粒子的極化情況也不同。同。u均勻加寬和非均勻加寬的本質(zhì)差別均勻加寬和非均勻加寬的本質(zhì)差別P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）氣體介質(zhì)中的均勻加寬機(jī)制主要是：氣體介質(zhì)中的均勻加寬機(jī)制主要是：自然加寬、壽命加寬、自然加寬、壽命加寬、碰撞加寬碰撞加寬氣體介質(zhì)中的非均勻加寬機(jī)制主要是氣體介質(zhì)中的非均勻加寬機(jī)制主要是多普勒加寬多普勒加寬2002/112,HHHL

40、cHg當(dāng)同時(shí)存在兩種均勻加寬時(shí)，總的線(xiàn)寬和線(xiàn)型函數(shù)可表示：當(dāng)同時(shí)存在兩種均勻加寬時(shí)，總的線(xiàn)寬和線(xiàn)型函數(shù)可表示：洛倫茲線(xiàn)型洛倫茲線(xiàn)型對(duì)于氣體工作物質(zhì)，若粒子系統(tǒng)同時(shí)存在均勻加寬對(duì)于氣體工作物質(zhì)，若粒子系統(tǒng)同時(shí)存在均勻加寬 和非均勻加寬和非均勻加寬 因素，其加寬線(xiàn)型為綜合加寬線(xiàn)型。因素，其加寬線(xiàn)型為綜合加寬線(xiàn)型。00,Dg0,Hg實(shí)際激光介質(zhì)的譜線(xiàn)加寬實(shí)際激光介質(zhì)的譜線(xiàn)加寬氣體介質(zhì)的綜合加寬氣體介質(zhì)的綜合加寬jjijPa21P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）),(),(),(000DHggg綜合加寬線(xiàn)型函數(shù)綜合加寬線(xiàn)型函數(shù)為均勻加寬的線(xiàn)型函數(shù)和非均勻加為均勻加寬的線(xiàn)型函數(shù)和非均勻加寬

41、的線(xiàn)型函數(shù)的卷積：寬的線(xiàn)型函數(shù)的卷積：當(dāng)當(dāng) 時(shí)：時(shí)：DH00,Dgg對(duì)于于高溫、低氣壓、輕元素介質(zhì)的短波長(zhǎng)自發(fā)輻射躍遷對(duì)于于高溫、低氣壓、輕元素介質(zhì)的短波長(zhǎng)自發(fā)輻射躍遷 例：氦氖激光器例：氦氖激光器 激光輻射中心頻率：激光輻射中心頻率：4.744.74* *10101414 Hz. Hz. 總均勻加寬：總均勻加寬：200MHz 200MHz 多譜勒線(xiàn)寬：多譜勒線(xiàn)寬： 1,500 MHz1,500 MHz佛克脫線(xiàn)型近似佛克脫線(xiàn)型近似為高斯線(xiàn)型為高斯線(xiàn)型強(qiáng)非均勻加寬強(qiáng)非均勻加寬佛克脫（佛克脫（VoigtVoigt）積分）積分P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）2 當(dāng)當(dāng) 時(shí)：時(shí)：00,H

42、ggHDn對(duì)于于高氣壓、重元素介質(zhì)的長(zhǎng)波長(zhǎng)自發(fā)輻射躍遷對(duì)于于高氣壓、重元素介質(zhì)的長(zhǎng)波長(zhǎng)自發(fā)輻射躍遷n例：二氧化碳氦氖激光器例：二氧化碳氦氖激光器n激光輻射中心頻率：激光輻射中心頻率：2.822.82* *10101414 Hz. Hz. n總均勻加寬：總均勻加寬：5GHzn多譜勒線(xiàn)寬：多譜勒線(xiàn)寬： 60 MHz60 MHz譜線(xiàn)加寬的線(xiàn)型函數(shù)和加寬類(lèi)型隨氣壓的變換譜線(xiàn)加寬的線(xiàn)型函數(shù)和加寬類(lèi)型隨氣壓的變換線(xiàn)型函數(shù)從高斯線(xiàn)型佛克脫線(xiàn)型洛侖茲線(xiàn)型線(xiàn)型函數(shù)從高斯線(xiàn)型佛克脫線(xiàn)型洛侖茲線(xiàn)型加寬類(lèi)型從強(qiáng)非均勻加寬綜合加寬強(qiáng)均勻加寬加寬類(lèi)型從強(qiáng)非均勻加寬綜合加寬強(qiáng)均勻加寬佛克脫佛克脫（Voigt）線(xiàn)）線(xiàn)型近似為

43、洛侖型近似為洛侖茲線(xiàn)型茲線(xiàn)型強(qiáng)均勻加寬強(qiáng)均勻加寬P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）高溫下，低離子濃度摻雜的晶體激光介質(zhì)主要呈現(xiàn)由高溫下，低離子濃度摻雜的晶體激光介質(zhì)主要呈現(xiàn)由熱聲子加寬所決定的強(qiáng)均勻加寬特性，其線(xiàn)型函數(shù)近熱聲子加寬所決定的強(qiáng)均勻加寬特性，其線(xiàn)型函數(shù)近似由洛侖茲函數(shù)表示似由洛侖茲函數(shù)表示。 低溫下，高濃度摻雜的晶體激光介質(zhì)主要呈現(xiàn)由晶體低溫下，高濃度摻雜的晶體激光介質(zhì)主要呈現(xiàn)由晶體隨機(jī)無(wú)規(guī)則局部缺陷所決定的非均勻加寬特性，其線(xiàn)隨機(jī)無(wú)規(guī)則局部缺陷所決定的非均勻加寬特性，其線(xiàn)型函數(shù)可由高斯函數(shù)表示，其線(xiàn)寬一般較窄。型函數(shù)可由高斯函數(shù)表示，其線(xiàn)寬一般較窄。 離子摻雜玻璃基

44、質(zhì)的光譜加寬出現(xiàn)出強(qiáng)非均勻加寬特離子摻雜玻璃基質(zhì)的光譜加寬出現(xiàn)出強(qiáng)非均勻加寬特性，其線(xiàn)寬通常較寬性，其線(xiàn)寬通常較寬 液體介質(zhì)的譜線(xiàn)加寬通常呈現(xiàn)強(qiáng)均勻加寬特性液體介質(zhì)的譜線(xiàn)加寬通常呈現(xiàn)強(qiáng)均勻加寬特性u(píng)固體和液體激光介質(zhì)的譜線(xiàn)加寬固體和液體激光介質(zhì)的譜線(xiàn)加寬P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）2/1143),(0302*0HHradHwwini在均勻加寬介質(zhì)情況：用給定躍遷譜線(xiàn)的均勻線(xiàn)寬代替原在均勻加寬介質(zhì)情況：用給定躍遷譜線(xiàn)的均勻線(xiàn)寬代替原子線(xiàn)寬子線(xiàn)寬在非均勻加寬介質(zhì)情況：將介質(zhì)中的原子按其表觀中心頻率在非均勻加寬介質(zhì)情況：將介質(zhì)中的原

45、子按其表觀中心頻率分類(lèi)，再對(duì)所有不同表觀中心頻率的各類(lèi)原子的極化求和：分類(lèi)，再對(duì)所有不同表觀中心頻率的各類(lèi)原子的極化求和：/00/0/032*0)(2ln4(exp/ )(212ln443),(diniDHDHrad介質(zhì)共振極化系數(shù)的修正（介質(zhì)共振極化系數(shù)的修正（考慮到譜線(xiàn)加寬）考慮到譜線(xiàn)加寬）P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）自發(fā)輻射的線(xiàn)型函數(shù)自發(fā)輻射的線(xiàn)型函數(shù)可以被理解成自發(fā)輻射躍遷幾率按頻率的分布函數(shù)可以被理解成自發(fā)輻射躍遷幾率按頻率的分布函數(shù) 21A總的自發(fā)輻射躍遷總的自發(fā)輻射躍遷 中中,分配在頻率分配在頻率 處單位頻率處單位頻率 間隔內(nèi)的自發(fā)間隔內(nèi)的自發(fā)躍遷幾率躍遷幾率

46、 ：21A),()(02121gAA單色自發(fā)輻射愛(ài)因斯坦系數(shù)單色自發(fā)輻射愛(ài)因斯坦系數(shù): :3321218chBA 021213321,8gBAhcB),()(02121gBB單色受激輻射愛(ài)因斯坦系數(shù)單色受激輻射愛(ài)因斯坦系數(shù): :單色受激吸收愛(ài)因斯坦系數(shù)單色受激吸收愛(ài)因斯坦系數(shù):),()(01212gBB受激躍遷幾率的修正（考慮到譜線(xiàn)加寬）受激躍遷幾率的修正（考慮到譜線(xiàn)加寬）P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）總的受激輻射躍遷幾率總的受激輻射躍遷幾率 dBdWW212121總的受激吸收躍遷幾率總的受激吸收躍遷幾率 dBdWW121212 0212121,gBBW 0121212,gB

47、BWu受激輻射和受激吸收幾率受激輻射和受激吸收幾率分配在頻率分配在頻率v 處單位頻率間隔內(nèi)的受激輻射躍遷幾率處單位頻率間隔內(nèi)的受激輻射躍遷幾率分配在頻率分配在頻率v 處單位頻率間隔內(nèi)的受激吸收躍遷幾率處單位頻率間隔內(nèi)的受激吸收躍遷幾率P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）輻射場(chǎng)可以寫(xiě)為中心頻率的輻射場(chǎng)可以寫(xiě)為中心頻率的 函數(shù)的形式：函數(shù)的形式：01212,gBW 02121,gBWddv原子和準(zhǔn)單色光輻射場(chǎng)相互作用原子和準(zhǔn)單色光輻射場(chǎng)相互作用總受激躍遷幾率和吸收幾率：總受激躍遷幾率和吸收幾率：P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）受激躍遷幾率受激躍遷幾率存在著由介質(zhì)譜線(xiàn)加存

48、在著由介質(zhì)譜線(xiàn)加寬線(xiàn)型函數(shù)所決定的頻率響應(yīng)特性。寬線(xiàn)型函數(shù)所決定的頻率響應(yīng)特性。當(dāng)不存在譜線(xiàn)加寬時(shí)，只有輻射頻當(dāng)不存在譜線(xiàn)加寬時(shí)，只有輻射頻率率v v嚴(yán)格等于原子發(fā)光的中心頻率時(shí)嚴(yán)格等于原子發(fā)光的中心頻率時(shí)才能產(chǎn)生受激輻射和受激吸收。由才能產(chǎn)生受激輻射和受激吸收。由于譜線(xiàn)加寬的存在，在原子發(fā)光的于譜線(xiàn)加寬的存在，在原子發(fā)光的中心頻率附近的一個(gè)頻率范圍內(nèi)的中心頻率附近的一個(gè)頻率范圍內(nèi)的都能夠產(chǎn)生受激吸收和受激輻射，都能夠產(chǎn)生受激吸收和受激輻射，而且這種吸收和輻射原子發(fā)光的中而且這種吸收和輻射原子發(fā)光的中心頻率在處最大，當(dāng)偏離原子發(fā)光心頻率在處最大，當(dāng)偏離原子發(fā)光的中心頻率時(shí)，躍遷幾率急劇下降。的

49、中心頻率時(shí)，躍遷幾率急劇下降。 即，入射單色光的頻率并不一定要精確等于中心頻率即，入射單色光的頻率并不一定要精確等于中心頻率v v0 0，只要在，只要在v v0 0附近附近一個(gè)頻率范圍內(nèi)都會(huì)發(fā)生受激躍遷。一個(gè)頻率范圍內(nèi)都會(huì)發(fā)生受激躍遷。P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）討論三能級(jí)和四能級(jí)介質(zhì)模型與單模光場(chǎng)相互作用的速率方程討論三能級(jí)和四能級(jí)介質(zhì)模型與單模光場(chǎng)相互作用的速率方程速率方程理論：速率方程理論：量子理論的簡(jiǎn)化形式。出發(fā)點(diǎn)是研究光量子理論的簡(jiǎn)化形式。出發(fā)點(diǎn)是研究光子（量子化的輻射場(chǎng)）與物質(zhì)原子的相互作用。它不涉子（量子化的輻射場(chǎng)）與物質(zhì)原子的相互作用。它不涉及光與物質(zhì)相互作

50、用的力學(xué)過(guò)程，而是基于愛(ài)因斯坦的及光與物質(zhì)相互作用的力學(xué)過(guò)程，而是基于愛(ài)因斯坦的維象理論，維象理論，建立起原子在各能級(jí)上的集居數(shù)密度在與光建立起原子在各能級(jí)上的集居數(shù)密度在與光場(chǎng)相互作用過(guò)程中的變換速率方程，以及光場(chǎng)的光子數(shù)場(chǎng)相互作用過(guò)程中的變換速率方程，以及光場(chǎng)的光子數(shù)變化速率方程，變化速率方程，用速率方程討論激光器的特性。理論形用速率方程討論激光器的特性。理論形式簡(jiǎn)單，可以給出激光的強(qiáng)度特性，并粗略地解釋模式式簡(jiǎn)單，可以給出激光的強(qiáng)度特性，并粗略地解釋模式競(jìng)爭(zhēng)、線(xiàn)寬極限等物理現(xiàn)象，但無(wú)法揭示光的色散以及競(jìng)爭(zhēng)、線(xiàn)寬極限等物理現(xiàn)象，但無(wú)法揭示光的色散以及由此引起的頻率牽引等現(xiàn)象。由此引起的頻率

51、牽引等現(xiàn)象。p光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的速率方程描述光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的速率方程描述P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）四能級(jí)系統(tǒng)能級(jí)示意圖四能級(jí)系統(tǒng)能級(jí)示意圖P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）四能級(jí)系統(tǒng)激光工作物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷具有以下四能級(jí)系統(tǒng)激光工作物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷具有以下特點(diǎn)：特點(diǎn)：434141,SAS3232AS21S 、 間的能量間隔值較熱運(yùn)動(dòng)能量大得多，因而間的能量間隔值較熱運(yùn)動(dòng)能量大得多，因而幾乎不會(huì)有粒子從因熱運(yùn)動(dòng)躍遷到。同時(shí)，較大，幾乎不會(huì)有粒子從因熱運(yùn)動(dòng)躍遷到。同時(shí)，較大，保證了上的粒子迅速轉(zhuǎn)移到基態(tài)，從而形成很大的粒保證了上的粒子迅速轉(zhuǎn)移到基態(tài)

52、，從而形成很大的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。子數(shù)反轉(zhuǎn)。2E1EKT2E2E1E3232AS四能級(jí)系統(tǒng)能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷特點(diǎn)四能級(jí)系統(tǒng)能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷特點(diǎn)P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）PWnASnSndtdn1414142121)()(323233322234343ASnnWnWSndtdn4344141414)(SnASnWndtdnPnnnnn4321各個(gè)能級(jí)粒子數(shù)隨時(shí)間變化的方程為各個(gè)能級(jí)粒子數(shù)隨時(shí)間變化的方程為 ：n: 總的粒子密度總的粒子密度四能級(jí)系統(tǒng)速率方程四能級(jí)系統(tǒng)速率方程P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）如果介質(zhì)內(nèi)單模光場(chǎng)的總光子數(shù)為如果介質(zhì)內(nèi)單模光場(chǎng)的總光子數(shù)為 ，光

53、場(chǎng)與介質(zhì)相互，光場(chǎng)與介質(zhì)相互作用的有效模體積為作用的有效模體積為 ，介質(zhì)躍遷譜線(xiàn)的均勻加寬線(xiàn)型，介質(zhì)躍遷譜線(xiàn)的均勻加寬線(xiàn)型函數(shù)函數(shù) 則則 能級(jí)間的受激躍遷幾率可表示成：能級(jí)間的受激躍遷幾率可表示成： ),(0Hg23EE aVaHaaHaBggghVggBWBghVBW23023322303232),(),(根據(jù)自發(fā)輻射系數(shù)和受激輻射系數(shù)之間的關(guān)系根據(jù)自發(fā)輻射系數(shù)和受激輻射系數(shù)之間的關(guān)系hnBA3232aaHaHBVghBVngA),(),(032032P物理與光電信息科技學(xué)院激光原理與技術(shù)（第四章）)/(414143431SASSE4E4能級(jí)向激光上能級(jí)能級(jí)向激光上能級(jí)E3E3躍遷的量子效率躍遷的量子效率)/(3232322SAA激光上下能級(jí)躍遷的熒光幾率激光上下能級(jí)躍遷的熒光幾率考慮自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收對(duì)一個(gè)模的光子數(shù)考慮自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收對(duì)一個(gè)模的光子數(shù)的貢獻(xiàn)，得到介質(zhì)內(nèi)總光子數(shù)的貢獻(xiàn)，得到介質(zhì)內(nèi)總光子數(shù) 的變化率方程：的變化率方程：)(2233