电磁场与物质的共振相互作用[1]幻灯片.ppt

光的受激辐射放大,谐振腔选模,激光器,第四章电磁场和物质的相互作用,主要内容,4.1光和物质相互作用的经典理论（自学）,4.2谱线加宽和线型函数,4.3典型激光器的速率方程,4.4均匀加宽工作物质的增益系数,4.5非均匀加宽工作物质的增益系数,4.6综合加宽工作物质的增益系数（简介、自学）,第四章电磁场和物质的相互作用引言激光器的物理基础光频电磁场和组成物质的原子(或离子、分子)内的(束缚)电子的共振相互作用激光器的理论：(1)经典理论经典原子发光模型用经典电磁场(Maxwell方程组)描述光用经典原子模型（偶极谐振子）描述原子可以近似描述吸收、色散、自发辐射及自发辐射谱线宽度等物理现象，不能描述非线性物理过程（饱和，非线性极化等）。,(2)半经典理论兰姆理论（Lamb,1964)用经典电磁场理论描述光；用量子力学模型描述原子可处理与光的波动性相关的物理现象(包括非线性现象),但不能处理与光的粒子性(量子光学)有关的问题，例如光的量子起伏,光子统计等。(3)(全)量子理论量子电动力学理论处理方法辐射场与原子都作量子化处理量子电动力学处理光光子量子力学模型处理原子现代量子光学的基础，可处理与光的粒子性有关的物理问题，但在处理与光的波动性（例如相位）有关的问题时就十分复杂。,(4)*速率方程理论量子理论的简化形式电磁场（光子）t21为E2E1自发辐射(荧光)寿命,光子寿命,Pumptransitions,Pumptransitions,要求熟知速率方程中各项的物理意义学会根据给出能级的有关参数建立相应的速率方程应能利用速率方程，自行推导有关参数的表达式,R1会导致反转粒子数减少往往在气体激光器中存在，在其它激光器中可忽略,2)多模振荡速率方程模序数模频率光子数,方法:对应每个模式分别建立一个速率方程,序数相应变化,简化前提:研究的问题无需考虑模式差别模式间衍射损耗差别可忽略线型函数简化为矩形各个模式损耗,光子寿命相同,根据简化模型,四能级多模速率方程,荧光效率,N-各模式光子数密度总和,泵浦效率,4.4均匀加宽工作物质的增益系数速率方程增益系数表达式（影响因素）增益饱和行为（均匀、非均匀加宽工作物质）一、小信号稳态增益系数（四能级为例）,I(z)=Nhnv,dz=vdt,*1.反转粒子数Dn,稳态,稳态,增益系数,讨论影响增益系数的主要因素,w03,S32,S21,A21,W21,E3,E2,E1,E0,W12,S10,激光工作物质内N(光强I)很小时小信号情况受激辐射对Dn的影响可忽略,稳态时,阈值附近n2很小,2.小信号增益系数与频率的关系曲线增益曲线,增益线宽(自发辐射)荧光线宽F若f1=f2增益曲线与吸收曲线相同,3.小信号增益系数与l02成正比,和谱线宽度成反比,二、增益饱和（GainSaturation）大信号情况,什么是增益饱和？增益系数随光强的增大而减小的现象增益饱和的物理起因：腔内光强增大到一定程度,频率为n1,光强为In1的入射光作用下(考虑受激辐射),1.反转粒子数饱和,稳态,反转粒子数饱和与腔内光强有关同频率不同光强情况下：光强越强，饱和越深反转粒子数饱和与入射光频率有关,式中,（中心频率）饱和光强,相同光强，不同入射光频率情况下中心频率处，受激辐射几率最大，饱和作用最深；偏离中心频率越远，饱和作用越弱。,时,若,（发生饱和的入射光频率范围）,饱和光强Is的重要性：激光工作物质的一个重要参量表征增益介质饱和与否的判据(小信号或大信号),决定腔内光强和激光输出功率的大小He-Ne:632.8nm0.3w/mm2小功率(几十毫瓦)CO2:10.6mm2w/mm2Ar3+:514.5nm7w/mm2,受激辐射造成n2(Dn)的减小可以与其它自发辐射和无辐射跃迁造成的衰减可以相比拟,受激辐射造成n2(Dn)的减小很小，可忽略,受激辐射使n2(Dn)急剧减小，自发辐射作用减弱,2.均匀加宽介质的大信号增益系数（增益系数&光强关系）,频率为n1,光强为In1的准单色光入射到均匀加宽介质时的增益系数,中心频率小信号增益系数,大信号增益系数,(4.5.5),结论:大信号增益系数是小信号增益的一半n1偏离中心频率越远,饱和效应越弱,光频在,介质对光波的增益作用,及饱和效应都很微弱，可忽略不计,思考题：大信号增益曲线宽度与小信号增益曲线宽度是否相等？,小信号增益曲线,大信号增益曲线,讨论此命题的物理背景:激光器中某一模式频率首先起振,成为强光；别的模式刚起振(弱光),强光模式对刚起振的弱光模式的影响,3.在强光In1作用下的弱光n增益系数,频率为n1,光强为In1强光,同时有一频率为n的弱光入射求强光对弱光增益系数的影响，即弱光增益系数会如何变化？,强光不仅使自身增益系数下降,而且使弱光增益系数也以同一比例下降,其结果是整个增益曲线下降,（为什么？增益线宽是否改变）,4.5非均匀加宽工作介质的增益系数及增益饱和非均匀加宽增益曲线,求频率为n1的光在非线性介质中的增益系数,设小信号时反转粒子数密度,1、非均匀加宽介质的增益系数,粒子对频率n1光的增益贡献为dg(3)具有各种表观中心频率的全部粒子对增益贡献的总和,粒子发射中心频率为n0,线宽为DnH的谱线,(4-6-1),(4-6-2),非均匀加宽介质大信号增益系数,非均匀加宽介质小信号增益系数,大信号情况,非均匀加宽情况的增益饱和,非均匀加宽情况下，饱和效应的强弱与频率无关,入射时的大信号增益为小信号增益的,以中心频率处两种加宽机制的饱和效应相比，非均匀加宽的饱和效应弱些,非均匀加宽大信号情况，增益饱和效应强弱与频率无关,烧孔深度,烧孔宽度,烧孔面积,增益曲线烧孔效应,g0(n),g(n,In1),g,dn,3、多普勒加宽气体激光器(驻波腔)的烧孔效应,弱光,激光放大器,气体激光器,vz,强模,弱模,增益系数,与n0,vz运动原子作用,引起v