激光原理复习.pptx
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1、第三节第三节 谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数引言:由于某些各种加宽机制,使每一能级都有一定的宽度,引言:由于某些各种加宽机制,使每一能级都有一定的宽度,造成自发辐射的频率不单一造成自发辐射的频率不单一 分布在一定频率范围内分布在一定频率范围内 该范围内该范围内不同频率处发射功率不相同不同频率处发射功率不相同(如图如图4.3.14.3.1所示所示)辐射功率功率最大辐射功率功率最大 谱线的中心频率谱线的中心频率1、定义:分布在某一频率附近单位频率间隔内的自发辐射功率与、定义:分布在某一频率附近单位频率间隔内的自发辐射功率与整个频率范围内的自发辐射总功率之比。用于表示谱线的形状。整个频率范围内
2、的自发辐射总功率之比。用于表示谱线的形状。一、线型函数一、线型函数-描述激光介质发射谱线功率随频率变化特性描述激光介质发射谱线功率随频率变化特性2、数学表示、数学表示3、性质、性质满足归一化满足归一化频率频率 附近单位频率附近单位频率间隔内的自发辐射功率间隔内的自发辐射功率辐射总功率辐射总功率 频率范围内发射功率频率范围内发射功率谱线宽度谱线宽度 (谱对称时谱对称时)下降为最大值一半时下降为最大值一半时对应两频率间隔对应两频率间隔(用右图说明用右图说明)二、加宽类型二、加宽类型均匀加宽、非均匀加宽、综合加宽均匀加宽、非均匀加宽、综合加宽三、均匀加宽三、均匀加宽(Homogenous Broad
3、ening)定义:引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的,每个发光定义:引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的,每个发光原子都以整个线型发射,不能把线型函数上的某个特定频率与原子都以整个线型发射,不能把线型函数上的某个特定频率与某些特定原子联系起来,或者说,每个发光原子对谱线内任一某些特定原子联系起来,或者说,每个发光原子对谱线内任一频率都有频率都有相同相同贡献。贡献。种类种类自然加宽、碰撞加宽、晶格振动加宽自然加宽、碰撞加宽、晶格振动加宽1、自然加宽、自然加宽(2)加宽线型函数:加宽线型函数:(3)阻尼系数阻尼系数 与与 自发辐射寿命自发辐射寿命 的关系的关系(4)、的关系的关系(5)用用
4、表示的表示的记忆记忆(6)能级能级(有限有限)寿命引起的谱线加宽的量子解释寿命引起的谱线加宽的量子解释DE1DE2原子在能级上的平均寿命可理解为原子原子在能级上的平均寿命可理解为原子处于该状态有某个测不准量处于该状态有某个测不准量 (时间不确(时间不确定值定值)。)。测不准关系:时间与能量不能同时测不准关系:时间与能量不能同时精确测定。精确测定。由于上、下能级有一定宽度,能级间的辐射跃迁不由于上、下能级有一定宽度,能级间的辐射跃迁不再对应一个确定频率再对应一个确定频率 ,而有一定频率范围,而有一定频率范围:原子上、下:原子上、下 能级的寿命。能级的寿命。2、碰撞加宽、碰撞加宽(Collisio
5、n Broadening)(1)定义:气体中,原子或分子之间的无规定义:气体中,原子或分子之间的无规“碰撞碰撞”。在固体中,是指原于。在固体中,是指原于晶格热弛豫过程。晶格热弛豫过程。碰撞加宽线型函数碰撞加宽线型函数碰撞线宽碰撞线宽碰撞时间间隔一个原子与其它原子发生碰撞的平均时间间碰撞时间间隔一个原子与其它原子发生碰撞的平均时间间隔隔-描述碰撞的频繁程度描述碰撞的频繁程度3.晶格振动加宽晶格振动加宽四、非均匀加宽四、非均匀加宽(Inhomogenous Broadening)气体工作物质中气体工作物质中的多普勒加宽的多普勒加宽固体工作物质中固体工作物质中的品格缺陷加宽的品格缺陷加宽1 1、定义
6、:原子体系中每个原子只对谱线内与它的、定义:原子体系中每个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献,可以区分谱线表观中心频率相应的部分有贡献,可以区分谱线上的某一频率范围是由哪部分原子发射的。上的某一频率范围是由哪部分原子发射的。2、多普勒加宽多普勒加宽(Doppler Broadening)原因:热运功的发光原子原因:热运功的发光原子(分子分子)所发出的辐射的多普所发出的辐射的多普勒频移引起的。勒频移引起的。多普勒加宽线型函数多普勒加宽线型函数-高斯线形高斯线形最大最大多普勒加宽宽度多普勒加宽宽度原子量原子量固体中不存在多固体中不存在多普勒加宽宽!普勒加宽宽!说明受激吸收的多普勒展宽
7、说明受激吸收的多普勒展宽三、考虑谱线加宽后对唯象公式的修正三、考虑谱线加宽后对唯象公式的修正1、系数的修正、系数的修正单位体积介质内单位体积介质内 频率频率 附近单位频率仅隔的光功率附近单位频率仅隔的光功率五、激光腔内五、激光腔内 受激辐射、受激吸收几率受激辐射、受激吸收几率 激光腔内第激光腔内第l个纵模振荡个纵模振荡-单位体积光子数单位体积光子数Nl 四、两种实际情况的讨论四、两种实际情况的讨论其中:其中:发射截面发射截面吸收截面吸收截面中心频率处发射截面和吸收截面最大!中心频率处发射截面和吸收截面最大!六、六、单模单模振荡速率方程组振荡速率方程组(三能级三能级,四能级系统四能级系统)-(重
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