ch04光与物质相互作用(4.1-4.3).ppt

激光原理,第四章 光与物质相互作用,激光原理,激光器的物理基础是光频电磁场与物质的相互作用（特别是共振相互作用），激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上的量子理论。但是并不意味着，描述激光器的任何特性时都一定要采用这种理论的全部观点和方法。正确的做法是，用不同近似程度的理论去描述激光器的不同层次的特性，每种近似理论都揭示出激光器的某些规律性，但也掩盖着某些更深层次的物理现象。,4.1 电介质的极化,介质：是一个带电粒子系统，其内部存在着不规则而又迅速变化的微观电磁场。,考虑电介质电场分量起主要作用,1.原子：所包含的电荷可看成该区域中某点各级多极子 的叠加。,原子与电磁场的相互作用表现为电磁场与多极子系统的作用,2.激光与原子系统作用,感应偶极矩,为正负电荷间的距离，由负指向正，显然场强越强， 正负电荷受到的场的作用力越大， 越大。,宏观上，采用电极化强度来描述物质的极化,单位体积内电偶极矩的矢量和,3.弱场时，为线性极化,此时，,4.强场时，为非线性极化,5.场与物质的共振和非共振相互作用,本课程讨论光频电磁场与物质相互作用的经典、半经典理论，均只考虑介质的共振线性极化。,4.2 光与物质相互作用的经典理论,一、原子自发辐射的经典模型,用经典力学描述面子内部电子运动，其物理模型就是按简谐振动或阻尼振动规律运动的电偶极子，称为简谐振子。,简谐振子模型认为：原子中的电子被与位移成正比的弹性恢复力束缚在某一平衡位置，当电子偏离平衡位置而具有位移x时，就受到一个f=-kx 恢复力的作用,电子运动方程为：,1.简谐振子模型,其解就是简单的无阻尼振荡,其中 为谐振频率，并且,2.原子经典简谐振子模型,当运动电子具有加速度时，它将以一定的速率发射电磁波能量，总功率为,将上式在一个周期的时间间隔内对时间积分，求得,将电子运动方程修正为,为经典辐射阻尼系数,原子的经典简谐振子模型,电偶极矩,谐振子电磁辐射自发辐射,衰减时间,辐射能量,二、受激吸收和色散现象的经典理论,原理：受激吸收和色散现象时物质原子和电磁场相互作用的结果，物质原子在电磁场的作用下产生感应电极化强度（即介质极化），感应电极化强度使物质的介电常数（因而电磁波的传播常数）发生变化，从而导致物质对电磁波的吸收和色散。,P改变，则介电常数改变，则相对介电常数改变，则折射率改变，则波数改变,电磁波的吸收系数和折射率推导过程：,根据电磁场理论，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,相对介电常数 相对磁导率,根据原子的经典简谐振子模型电子运动方程改写为,取自由振荡时的特解 代入原式得,由共振相互作用,一个原子的感应偶极矩为,在忽略原子间相互作用的前提下，感应电极化强度为,n为单位体积工作物质中的原子数,推导电极化系数：,令,推导物质的相对介电常数,其中,代入平面波电场表达式,由平面波的意义：, 折射率,由光强与增益系数的关系,G总是小于零，故经典理论只能解释受激吸收而不能解释受激辐射现象。,令,共振时,最大值,最小值,由于自发辐射的存在，物质的吸收谱线具有洛伦兹线型 即为均匀加宽谱线宽度； 与此同时，在 处呈现出强烈的色散。,4.3 谱线的加宽与线型函数,一、光谱线的频率分布,谱线加宽：自发辐射的光并不是单色的，而是分布 在中心频率 附近一个很小的频率范围内。,自发辐射的光功率为频率的函数,自发辐射的总功率为,定义线型函数,线型函数是归一化的,线宽：线型函数的半宽度,二.爱因斯坦三种辐射系数在谱线加宽时的修正,由自发辐射的意义：单位体积物质内原子发出的自发辐射功率为：,其中,自发辐射,受激辐射,受激吸收,根据三种辐射系数之间的关系,则三种跃迁几率,三.原子与有谱线线宽的辐射场相互作用,1、原子和准单色光辐射场相互作用,2、原子和连续谱光辐射场相互作用,1、原子和准单色光辐射场相互作用,原子辐射谱线线型为 ，线宽为,外界辐射场 ，线宽为,考虑到是准单色辐射场,准单色光辐射总功率密度,由于谱线加宽，和原子相互作用