第二章 场和物质的相互作用激光器理论种类激光器理论种类1.经典理论出发点：用经典麦克斯韦方程组描述电磁场 用经典振子描述原子系统中的运动电子应用范围：解释物质对光的吸收和色散 说明原子的自发辐射及谱线宽度 描述自由电子激光器2.半经典理论（兰姆理论）半经典理论（兰姆理论）出发点：用经典麦克斯韦方程组描述电磁场 用量子力学描述物质原子优点：较好地解释了激光器中大部分物理现象缺陷：掩盖了与场的量子化特性有关物理现象数学处理繁杂3.量子理论（量子电动力学处理方法）量子理论（量子电动力学处理方法）出发点：对光场和物质原子都作量子化处理应用范围：需要严格确定激光的相干性和噪声以及线宽极限这些特性时激光器理论种类激光器理论种类4.速率方程理论（量子理论的简化形式）出发点：光子与物质原子的相互作用特点：忽略了光子的相位特性和光子数的起伏特性，形式简单理论基础：自发辐射、受激辐射、受激吸收几率 以及爱因斯坦三个系数之间的关系应用范围：只能给出激光的强度特性 不能揭示出色散效应 不能给出与激光场的量子起伏有关的 特性激光器理论种类激光器理论种类内容安排内容安排第一节第一节 谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数第二节第二节 激光器的速率方程激光器的速率方程第三节第三节 均匀加宽工作物质的增益系数均匀加宽工作物质的增益系数第四节第四节 非均匀加宽工作物质的增益系数非均匀加宽工作物质的增益系数谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数根据Heisenberg测不准关系若某能级具有无限窄的宽度该能级具有无限长寿命能级有有限自发辐射寿命应有有限宽度E谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数上、下能级宽度分别为 自发辐射的中心频率为上边频为下边频为谱线宽度为谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数线宽的其他表示形式线宽的其他表示形式谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数举例谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数均匀加宽均匀加宽定义：若引起加宽的物理因素对每个原子都是等同定义：若引起加宽的物理因素对每个原子都是等同 的，则这种加宽称为均匀加宽的，则这种加宽称为均匀加宽均匀均匀加宽加宽均匀加宽均匀加宽均匀加宽均匀加宽谱线自然加宽线型函数谱线自然加宽线型函数洛仑兹线型谱线自然加宽线型函数谱线自然加宽线型函数自发辐射功率变化谱线自然加宽线型函数谱线自然加宽线型函数自然加宽谱线宽度自然加宽谱线宽度谱线自然加宽线型函数谱线自然加宽线型函数碰撞加宽碰撞加宽碰撞加宽的线型函数和线宽碰撞加宽的线型函数和线宽洛仑兹线型碰撞加宽的线型函数和线宽碰撞加宽的线型函数和线宽由于碰撞，使处于高能态的粒子在发生自发辐射之前跃迁到较低能态。这相当于衰减速率的增加，或衰减时间缩短，因而使发射线宽变宽。由这类碰撞决定的衰减时间用1表示，相应的加宽称为1加宽。对上下能级1有不同的值。碰撞加宽的线型函数和线宽碰撞加宽的线型函数和线宽碰撞加宽的线型函数和线宽碰撞加宽的线型函数和线宽碰撞加宽的线型函数和线宽碰撞加宽的线型函数和线宽碰撞加宽的线型函数和线宽碰撞加宽的线型函数和线宽均匀加宽来源于自然加宽和碰撞加宽均匀加宽来源于自然加宽和碰撞加宽均匀加宽谱线宽度为均匀加宽谱线宽度为均匀加宽均匀加宽均匀加宽的特点均匀加宽的特点1.每个发光原子都以整个线型发射，不能将线性函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来。或者说，每一个发光原子对光谱线内任意频率都有贡献。2.所有发光原子的给定自发辐射都具有完全相同的中心频率、线性函数和线宽，从光谱线加宽角度来看，原子间彼此是不可区分的。非均匀加宽非均匀加宽定义：若引起加宽的物理因素不是对每个原子都等定义：若引起加宽的物理因素不是对每个原子都等 同，则这种加宽称为非均匀加宽同，则这种加宽称为非均匀加宽a)光学多普勒效应多普勒加宽多普勒加宽符号规则：当原子朝着接收器运动时 vz0 当原子离开接收器运动时 vz0光学多普勒效应多普勒加宽多普勒加宽b)运动原子的表观中心频率多普勒加宽多普勒加宽多普勒加宽多普勒加宽多普勒加宽多普勒加宽c)气体工作物质中原子数按中心频率的分布多普勒加宽多普勒加宽多普勒加宽多普勒加宽2)多普勒加宽线型函数多普勒加宽线型函数多普勒加宽多普勒加宽多普勒加宽多普勒加宽高斯线型多普勒加宽多普勒加宽多普勒加宽多普勒加宽多普勒加宽线宽多普勒加宽线宽晶格缺陷加宽晶格缺陷加宽均匀加宽与非均匀加宽的区别均匀加宽与非均匀加宽的区别1.从谱线加宽角度看从谱线加宽角度看均匀加宽：原子之间不可区分，每个原子的自发辐射具有完全相同的线型、线宽和中心频率非均匀加宽：原子之间可区分，每个原子的表观中心频率不同2.从单个原子谱线加宽与原子体系谱线加宽之间的从单个原子谱线加宽与原子体系谱线加宽之间的关系看关系看均匀加宽：原子体系的线型和线宽与单个原子的完全相同，每个原子以整个线型发射非均匀加宽：原子体系的线型和线宽与单个原子的不同均匀加宽与非均匀加宽的区别均匀加宽与非均匀加宽的区别3.从原子对谱线的贡献看从原子对谱线的贡献看均匀加宽：每个原子对谱线内的任一频率都有贡献，且对于某一频率的贡献是相同的非均匀加宽：某类原子仅对谱线内某一特定频率有贡献，例如仅对与其表观中心频率相同的频率有贡献均匀加宽与非均匀加宽的区别均匀加宽与非均匀加宽的区别4.从光和物质相互作用的角度看从光和物质相互作用的角度看均匀加宽：入射的某一频率的准单色光场与介质中所有原子发生完全相同的共振相互作用，原子的受激跃迁几率相同非均匀加宽：入射场仅与介质中表观中心频率与其频率相应的某类原子发生共振相互作用，并引起这类原子的受激跃迁均匀加宽与非均匀加宽的区别均匀加宽与非均匀加宽的区别综合加宽综合加宽1.气体工作物质的综合加宽线型函数综合加宽综合加宽佛格特线型综合加宽综合加宽讨论讨论即：综合加宽近似于均匀加宽，n2个原子近似具有同一中心频率，每个原子都以均匀加宽谱线发射综合加宽综合加宽2.固体激光工作物质的谱线加宽主要包括：晶格振动引起的均匀加宽晶格缺陷引起的非均匀加宽结论结论