谱线加宽与线型函数

谱线加宽与线型函数第1页教学目标教学目标了解激光器几个理论了解谱线加宽与线型函数概念掌握谱线加宽几个加宽机制重点掌握均匀加宽与非均匀加宽特点，并比较二者相同和不一样点第2页知识引入激光器几个理论：经典理论，半经典理论，量子理论，速率方程理论。经典理论：将原子系统与光频电磁场都做经典处理，即用经典电动力学麦克斯韦方程组描述电磁场，将原子中运动电子视为服从经典力学振子。该理论成功地解释了物质对光吸收与色散现象，说明了原子自发辐射及谱线宽度。知识引入第3页3.3谱线加宽与线型函数基本概念均匀加宽

自然加宽碰撞加宽晶格振动加宽非均匀加宽

多普勒加宽晶格缺点加宽第4页因为各种原因影响，自发辐射并不是单色，即光谱不是单一频率光波，而包含有一个频率范围，称为谱线加宽。P(

)是描述自发辐射功率按频率分布函数。它定义为发光粒子在频率处、单位频率间隔内自发辐射功率，它是频率函数。在总功率P中，分布在~+d范围内光功率为P(

)d

，数学表示为谱线加宽与线型函数基本概念第5页加宽机制之一——均匀加宽

定义：在光源发光粒子系统中，假如引发加宽物理原因对每个原子都是等同，则这种加宽称作均匀加宽。特点：每个原子都以整个线型发射，不能把线型函数上某一特定频率和一些特定原子联络起来，即每一发光原子对光谱线内任一频率都有贡献。中心频率不变，线宽加大。线型函数为洛伦兹型。自然加宽、碰撞加宽和晶格振动加宽属于均匀加宽第6页1自然加宽在不受外界影响时，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含有有限寿命。这一原因造成原子跃迁谱线自然加宽。特点洛仑兹线型。当=o时，g取最大值。因为是均匀加宽，每个发光原子对线性函数曲线每一部分都有贡献。原子谱线宽度以及辐射连续时间都反应了原子能级性质。第7页2 碰撞加宽大量原子（分子）之间无规“碰撞”是引发谱线加宽另一主要原因。因为粒子之间碰撞（相互作用）引发谱线加宽称为碰撞加宽。在气体工作物质中：大量原子（分子）处于无规则热运动状态，当两个原子相遇而处于足够靠近位置时（或原子与器壁相碰时），原子间相互作用足以改变原子原来运动状态。认为两原子发生了碰撞。弹性碰撞非弹性碰撞碰撞过程使波列发生无规则相位突变第8页3晶格振动加宽对于固体激光物质，均匀加宽主要是由晶格热振动引发，自发辐射和无辐射跃迁造成谱线加宽是很小。固体工作物质中，激活离子镶嵌在晶体中，周围晶格场将影响其能级位置。因为晶格振动使激活离子处于随时间改变晶格场中，激活离子能级所对应能量在某一范围内改变，因而引发谱线加宽。温度越高，振动越猛烈，谱线越宽。因为晶格振动对于全部激活离子影响基本相同，所以这种加宽属于均匀加宽。第9页加宽机制之二——非均匀加宽概念：光源光谱线线型函数取决于各发光粒子中心平率分布，它不再与单个发光粒子光谱线线型函数相同，称这种加宽为非均匀加宽。特点：中心频率发生改变。

原子体系中每个原子只对谱线内与它表观中心频率对应部分有贡献，因而能够区分谱线上某一频率范围是由哪一部分原子发射。线型函数为高斯型。分类：多普勒加宽、晶格缺点加宽。第10页1、多普勒加宽多普勒加宽是因为作热运动发光原子（分子）所发出多普勒频移引发。光学多普勒效应：当光源与光接收器作相对运动时，光接收器接收到光波频率将随光源与接收器相对运动速度不一样而改变。多普勒加宽线型函数第11页2、晶格缺点加宽固体工作物质中，不存在多普勒加宽，但有一系列引发非均匀加宽其它物理原因。在晶格缺点部位晶格场和无缺点部位理想晶格场不一样，处于缺点部位激活离子能级将发生位移，造成处于晶体不一样部位激活离子发光中心频率不一样，即产生非均匀加宽。在玻璃基质中，因为玻璃结构无序性，各个激活离子处于不等价配位场中，造成了与晶格缺点类似非均匀加宽。第12页1.气体工作物质综合加宽线型函数

激光器中引发均匀加宽和非均匀加宽物理原因往往是同时存在。称由均匀加宽和非均匀加宽同时引发光谱线加宽成为综合加宽。对于气体工作物质,主要加宽类型就是由碰撞引发均匀加宽和多普勒非均匀加宽。因为它们线型函数含有前节所述解析形式,因而我们有可能同时考虑这两种加宽原因来求得综合加宽线型函数。综合加宽第13页在一般情况下，固体激光工作物质谱线加宽主要是晶格热振动引发均匀加宽和晶格缺点引发非均匀加宽,它们机构都较复杂,极难从理论上求得线型函数详细形式，普通都是经过试验求得它谱线宽度。下图给出试验测得红宝石694.30nm和Nd：YAG1.06um谱线宽度与温度关系。从图(a)看出，红宝石在低温时主要是品格缺点引发非均匀加宽,它与温度无关;而在常温时则是晶格热振动引发均匀加宽为主,它随温度升高而加大。对Nd:YAG晶体,因为晶体