激光原理与技术 （原理、技术、应用全套教案）第一章 辐射理论.doc

激光原理与技术 第一章 辐射理论第一章 辐射理论第一节 辐射理论基本概念一、光的本性波粒二象性 1人类对光本性的认识过程粒子性：光的反射光电效应波动性：光的衍射、折射P8 图1.1.4 杨氏双缝干涉描述粒子特性的物理量 E, P描述波动特性的物理量 ，E=h,P=h/二、能级分布（玻尔兹曼分布） 原子有多个能级，每个能级上存在能量相同的多个态，即简并度。 玻尔兹曼分布： 式中f1，f2分别是E1，E2的统计权重玻尔兹曼分布的意义三、黑体辐射1 绝对黑体（黑体）：能够吸收任何波长的电磁辐射的物体2 热辐射或温度辐射3 黑体辐射或平衡辐射温度T恒定的黑体存在确定的辐射场黑体辐射是黑体温度T和辐射场的函数，用单色能量密度描述。定义为：在单位体积内，频率处于附近单位频率间隔中的电磁辐射能量黑体辐射的普朗克公式为：四、受激辐射和自发辐射 两能级系统1 自发辐射 处于高能级E2的原子自发的向低能级E1跃迁，并发射一个能量为h的光子，这种过程称为自发跃迁。由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。自发跃迁几率A21定义：单位时间内n2个高能态原子中自发跃迁的原子数与n2的比值。可以证明：，是原子在能级E2的平均寿命。A21也称自发跃迁爱因斯坦系数。只与原子本身特性有关，与辐射场无关。2 受激吸收处于低能级E1的原子，在频率为的辐射场作用下，吸收一个能量为h的光子，并向高能级E1跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁。受激吸收跃迁几率（定义）：W12也称受激吸收跃迁爱因斯坦系数。不仅与原子本身特性有关，而且与辐射场有关。B12称受激吸收跃迁爱因斯坦系数。3 受激辐射高能级E2的原子在频率的辐射场作用下，向低能级E1跃迁，并发射能量h的光子。受激辐射跃迁的几率B21称受激辐射跃迁爱因斯坦系数。4A21，B21，B12的关系热平衡的空腔黑体中，满足1）热平衡黑体辐射；2）原子数按能级分布服从热平衡状态下玻耳兹曼分布；3）各能级粒子数恒定。可以得到：当统计权重作业：1名词解释和基本概念自发辐射跃迁和自发辐射；受激辐射；受激吸收2P23页，第2题，第3题，第6题第二节 谱线宽度和光谱线型一、谱线加宽由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率（E2-E1）/h附近一个很小的频率范围内，这就叫谱线加宽。相应地，自发辐射功率不再集中在频率（E2-E1）/h上，应表示为频率的函数P()，分布在-+d范围的功率为P() d总的功率单一频率时：谱线的线型函数：线型函数的归一化条件：时，为线型函数的最大值，在时下降至最大值的一半，即称为谱线宽度半高宽的概念二、均匀加宽如果引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，则这种加宽称作均匀加宽1自然加宽在不受外界影响的情况下，受激原子并非永远处于激发态，它们会自发地向低能态跃迁，因而受激原子在激发态上具有有限的寿命，造成原子谱线的自然加宽。自然加宽谱线具有洛仑兹线型：其中，称为自然加宽的谱线宽度。时，线型函数的数值各为多少？2碰撞加宽气体：原子（或分子）无规则运动，当两个原子相遇（或处于足够接近的位置时），原子间的相互作用改变原来的运动状态。晶体：相邻原子偶极相互作用而改变自己的运动状态。弹性碰撞：不会减少激发态原子数目，但有可能使自发辐射波列发生无规相变，等效于原子寿命缩短。非弹性碰撞：减少激发态原子数目，引起激发态原子寿命缩短。碰撞加宽谱线也具有洛仑兹线型：其中，称为碰撞线宽。位平均碰撞时间时，线型函数的数值各为多少？在激光工作物质是气体的情况下，均匀加宽来源于自然加宽和碰撞加宽，其线型函数称为均匀加宽线型函数3晶格振动加宽晶格场及其对原子能级的影响温度越高，谱线越宽固体激光器中，晶格振动加宽是主要的加宽因素三、非均匀加宽原子体系中，每个原子只对与它表观中心频率相应的部分有贡献，可以区分谱线上某一频率范围是由哪一部分原子发射的。表观中心频率！1光学多普勒效应 原子发光中心频率为原子相对于接收器以运动时，接收器测得的光波频率取一级近似：在光与原子相互作用的过程，原子中心频率为，原子沿着z方向以运动时，原子感受到的光波频率为当与原子中心频率相同时，它们产生最大的相互作用，这时对应的光波频率当沿光波传播方向时，；当与光波传播相反时，；称为原子的表观中心频率。2多普勒加宽 具有高斯函数形式 半高宽度为用描述3晶格缺陷加宽作业：1解释名词：谱线加宽2叙述谱线加宽的主要类型，以及线型函数的形式3第四章课后第1题第三节 激光的主要特性一、 单色性通常激光器工作在多纵模状态纵模选择和频率稳定后可达到高的单色性气体激光器 单色性最高 He-Ne可达到2Hz固体激光器 单色性次之半导体激光器 单色性最差二、 方向性单横模(基模)激光器方向性最好衍射极限 He-Ne激光器作业:月地距离约为38万千米,利用上述激光器从地球上照射到月球上,光斑直径约为多少?如果要求光斑直径小于10米,光腔的的输出孔径应为多少?方向性依次降低 气体激光器 固体激光器 半导体激光器三、 相干性1.