2.3+-+Interaction.ppt

Threemaincomponentsoflaser,-Activemedium,-Pumpingsource,-Opticalresonator,Canbekeptinastateofpopulationinversion.Havingmetastablestate(orlong-livedstate),Provideamechanismforactivemediumtoreachastateofpopulationinversion,Thelasersystemprovidespositivefeed-backmechanismtoamplifythelightallthetime,ActiveMedium,mirror,partialmirror,laser,pumpingsource,opticalresonator,Controlthepropertiesoflaseroutput,Opticalresonator,开放式光学谐振腔(简称光腔):开放式指没有完全封闭二镜（平面、球面）之间空间。构成:由两块反射镜构成,一为全反射镜,一为部分反射镜，反射镜的反射率为R。全反射镜:R1(用于全反射)部分反射镜:R1(用于反射及输出激光),受激光在谐振腔中的放大,Opticalresonator,去掉长方体空腔的侧壁，只保留相对的两个端面壁，并使其有较高的反射系数，则非轴向传输的光在腔内多次往返后会逃逸腔外。而轴向传输的光则可保持在腔内传输；若该轴向传输的光在每次通过工作物质时不是被受激吸收，而是由于受激辐射而得到放大，则该光模的将不断增强，获得极高的光子简并度，形成强的相干光激光！,要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的构造：,全反射镜,半反射镜,实物图,激光工作物质,受激光在谐振腔中的放大,光腔的选模作用:,光波模:可能存在于光学谐振腔内的光驻波模式,封闭腔内的电磁波模:,封闭腔内可存在的电磁驻波模式可多达百亿个以上。,数值例:按典型的光学谐振腔尺寸取值的封闭腔长度L=100cm,横截面积S=1mm2,如果电磁波频率在v=1015附近dv=1000MHz的频率范围内,模式数目个.,开放式光学谐振腔中的光波模数目:只有一至几个或几十个。,激光工作物质,全反射镜,半反射镜,工作原理：,out,光放大原理,上述电磁波模中绝大多数几何光学损耗极大(很快偏折出腔外),实际上只有极少数模式损耗很低而能存留于腔内,这些模式的大为提高(因原分配在个模式中的能量现在集中在一至几个模式上)-这就是光腔选模作用,3.光腔的正反馈作用:,对一个振荡电路,要维持振荡就必须给振荡器提供大于损耗的正反馈;同理,对光学谐振腔,要获得光自激振荡,须令光在腔内来回一次所获增益,至少可补偿传播中的损耗,产生激光的基本条件:,2要使受激发射光强超过受激吸收,必须实现粒子数反转。,方法:利用外界激励能源,把大量粒子激励到高能级。破坏热平衡,实现粒子数反转。,3.要使即要使受激发射光强超过自发发射,必须提高光子简并度（相干性）。,方法:利用光学谐振腔造成强辐射场,以提高腔内光场的相干性。,1.能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态的增益介质,Threemaincomponentsoflaser,-Activemedium,-Pumpingsource,-Opticalresonator,Canbekeptinastateofpopulationinversion.Havingmetastablestate(orlong-livedstate),Provideamechanismforactivemediumtoreachastateofpopulationinversion,Thelasersystemprovidespositivefeed-backmechanismtoamplifythelightallthetime,ActiveMedium,mirror,partialmirror,laser,pumpingsource,opticalresonator,Controlthepropertiesoflaseroutput,Thethresholdoflaser,Forbothmasersandlasers,acertainthresholdmustbereached.SotheratiobetweenoutputandinputphotonfluxisThephotofluxFleavingmirror2afteroneroundtripisLiistheinternallossperpassinthecavityR1andR2isthepowerreflectivitiesofthetwomirrors,F,R1,R1,R2,R2,F,0,l,Thethresholdoflaser,Atthreshold,F=F,ThecriticalinversionisIfonedefineswhereT1andT2aremirrortransmissions.So,where:thesingle-passlossofthecavity:thelogarithmicinternallossofthecavityT1andT2:thelogarithmicinternallossofthetwocavitymirrors,Thethresholdoflaser,包括增益物质的本身损耗和通过两个反射镜的传输损耗，其中包括了有用光的输出Oncethecriticalinversionisreached,photonsspontaneousemittedalongthecavityaxisinfactinitiatetheamplificationprocess.,Line-BroadeningMechanisms,Theoutputradiationisnotjustawavelength,butcoversaspectrumofwavelengthwithacentralpeak.,Reasons:linebroadening.(1)Homogenousbroadening:Naturalbroadening,Collisionbroadening(2)Imhomogenousbroadening:Dopplereffect,crystaldefectsbroadening,a.BroadensthelineofeachindividualatomandofthewholesystemintheSAMEway,b.HasLorentzianshape,a.Broadensthelineofthewholesystemwithoutbroadeningthelinesofeachindividualatom,b.HasGaussianshape,Line-BroadeningMechanisms,Lineshapeandlinewidth(谱线线型和宽度)1.此前总假设能级无限窄,即自发发射功率(光强)全部集中在单一频率v0=(E2E1)h上。,2.实际上,能级总有一定宽度E,而不是一条简单的线.,3.由于能级有一定的宽度，所以当原子在能级之间自发发射时，它的频率也有一个变化范围vn.,4.实际上光强分布总在一个有限宽度的频率范围内,每一条谱线都有一定的宽度,v=v0只是谱线的中心频率.这种现象称为谱线加宽(line-broadening),Line-BroadeningMechanisms,I()是描述自发辐射功率按频率分布的函数。在总功率I中，分布在+d范围内的光功率为I()d，数学表示为引入谱线的线型函数满足归一化条件线型函数g(v-v0)表示某一谱线在单位频率间隔的相对光强分布，它可由实验测得。,量纲为s，0表示线型函数的中心频率，即,Line-BroadeningMechanisms,线型函数一般关于中心频率对称，且在中心频率处有最大值。线型函数在=0时有最大值gm，并在时下降到最大值的一半，即按上式定义的称为谱线宽度(FWHM),它是衡量单色性的一个参数。FullWidthatHalfMaximum(半最大值全宽度,半高宽),Line-BroadeningMechanisms,LineshapefunctionIfoneperformsaspectralanalysisoftheradiationemittedbyspontaneous21transitions,onefindsthattheradiationisnotstrictlymonochromatic(thatis,ofonefrequency)butoccupiesafinitefrequencybandwidth.Thefunctiondescribingthedistributionofemittedintensityversusthefrequencyisreferredtoasthelineshapefunction(ofthetransition21)anditsarbitraryscalefactorisusuallychosensothatthefunctionisnormalizedaccordingto,Line-BroadeningMechanisms,Wecanconsequentlyviewastheprobabilitythatagivenspontaneousemissionfromlevel2tolevel1willresultinaphotonwhosefrequencyisbetweenand+d.Theseparationbetweenthetwofrequenciesatwhichthelineshapefunctionisdowntohalfitspeakvalueisreferredtoasthelinewidth.,Line-BroadeningMechanisms,Anothermethodofdeterminingistoapplyanelectromagneticfieldtothesamplecontainingtheatomsandthenplottheamountofenergyabsorbedby12transitionsasafunctionofthefrequency.Thisfunctionisagain.Thefactthatboththeemissionandtheabsorptionaredescribedbythesamelineshapefunctioncanbeverifiedexperimentally,followsfrombasicquantummechanicalconsiderations.,Line-BroadeningMechanisms-HomogenousBroadening,加宽机制之一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每个原子都以整个线型发射，不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来，即每一发光原子对光谱线内任一频率都有贡献自然加宽、碰撞加宽和晶格振动加宽属于均匀加宽,Line-BroadeningMechanisms-NaturalBroadening,Naturalbroadeningoriginatesfromspontaneousemission.在不受外界影响时，受激原子并非永远处于激发态，会自发地向低能级跃迁，因而受激原子在激发态上具有有限的寿命。这一因素造成原子跃迁谱线的自然加宽。根据经典辐射理论，原子中作简谐运动的电子由于自发辐射而不断消耗能量，因而电子振动的振幅服从阻尼振动规律。,Line-BroadeningMechanisms-NaturalBroadening,极子阻尼振动时释放能量自发发射现象其阻尼振动形式为v0是原子作无阻尼简谐振动的频率，即原子发光的中心频率：驰豫时间，振子的辐射寿命A21为自发发射跃迁几率,A21越大,平均寿命越短,反之,平均寿命越长,Line-BroadeningMechanisms-NaturalBroadening,原子的能量在发射电磁波的过程中不断衰减，严格来讲已非单一频率的谐振过程,其中包含有许多不同频率的谐振波。以原子发射开始记时，我们将以上阻尼振动表示为：,Line-BroadeningMechanisms-NaturalBroadening,由傅里叶积分公式频率在之间的光强为,Line-BroadeningMechanisms-NaturalBroadening,由于电偶极子的原子的衰减振动可展开成频率v在一定范围内连续变化的简谐波,所以光强在谱线范围内频率v有一个分布。由线型函数的定义,Line-BroadeningMechanisms-NaturalBroadening,由线型函数的定义其中:A比例常数由归一化条件,自然增宽的线型函数,Line-BroadeningMechanisms-NaturalBroadening,当v=v0时，有最大值当和Thewidthoftheline(FWHM)isgivenby,Line-BroadeningMechanisms-NaturalBroadening,由这个自然增宽（设想原子处在彼此孤立并且静止不动时的谱线宽度）的线型分布函数也称洛沦兹线型函数自然线宽唯一地由原子在能级E2的自发辐射寿命sp决定。原子谱线的宽度以及辐射持续时间都反映了原子能级的性质。,补充：自然增宽的量子解释,根据量子力学中的不确定关系(能量与时间不能同时精确测定)tE=h/2,可见:寿命越长,能级宽度越窄,即E越小,在基态,E0.,E为能量的测不定量（即能级宽度）；原子的平均寿命（即测量时间t）,由于能级有一定的宽度，所以当原子在能级之间自发发射时，它的频率也有一个变化范围vN，vN称辐射的自然宽度。,对原子的能级来说，时间的不确定值就是原子的平均寿命,vN是由粒子能级的寿命不确定产生的，其大小是由相应能级的平均寿命决定。例如氖原子的波长=1.15谱线,所对应的1=10-7秒,2=10-8秒,所以,氖原子的谱线的自然宽度为,与实验所测相符,结论：自然加宽谱线具有洛伦兹线型谱，线宽度完全由原子在能级的自发辐射寿命决定，进一步说明了自然加宽是由原子具有有限的激发态寿命而引起的。,三种不同情况由于能级宽度引起的辐射跃迁谱线宽度：,三种不同情况下辐射谱线的宽度,HomogeneousBroadeningcollisionbroadening,大量原子（分子）之间的无规“碰撞”是引起谱线加宽的一个重要原因。由于粒子之间的碰撞（相互作用）引起的谱线加宽称为碰撞加宽。Inagasitisduetothecollisionofanatomwithotheratoms,ions,freeelectrons,etc.,orwiththewallofthecontainer.Inasoliditisduetotheinteractionoftheatomwiththelatticephonons（晶格声子）.,Homogene