激光工作物质及基本原理讲稿.ppt
《激光工作物质及基本原理讲稿.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《激光工作物质及基本原理讲稿.ppt(79页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、关于激光工作物质及基本原理第一页,讲稿共七十九页哦22.1 黑体辐射与普朗克公式黑体辐射与普朗克公式普朗克能量子假说普朗克能量子假说黑体辐射黑体辐射第二页,讲稿共七十九页哦3热辐射现象热辐射现象o 热辐射现象是是物体由于自身温度高于环境温度(分子、原子热辐射现象是是物体由于自身温度高于环境温度(分子、原子受到热激发)而产生的向外辐射电磁波的现象。受到热激发)而产生的向外辐射电磁波的现象。o 物体在任何温度下都会辐射能量。并且其辐射能量的大小及辐物体在任何温度下都会辐射能量。并且其辐射能量的大小及辐射能量按波长的分布都与温度有关。射能量按波长的分布都与温度有关。o 物体既会辐射能量,也会吸收能量
2、。物体在某个频率范围内发物体既会辐射能量,也会吸收能量。物体在某个频率范围内发射电磁波能力越大,则它吸收该频率范围内电磁波能力也越大。射电磁波能力越大,则它吸收该频率范围内电磁波能力也越大。o辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡。此时温度恒定不变。辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡。此时温度恒定不变。第三页,讲稿共七十九页哦4黑体与黑体辐射o 绝对黑体绝对黑体是指在任何温度下,是指在任何温度下,全部吸收任何波长的辐射的物全部吸收任何波长的辐射的物体。绝对黑体是一种理想的模体。绝对黑体是一种理想的模型,开有小孔的不透光空腔可型,开有小孔的不透光空腔可视成黑体。视成黑体。o 绝对黑体既是完全的吸收体
3、,绝对黑体既是完全的吸收体,也是理想的发射体。也是理想的发射体。小孔的不透光空腔小孔的不透光空腔第四页,讲稿共七十九页哦5黑体热辐射能谱实验黑体热辐射能谱实验曲线曲线o 每一条曲线都有一个极每一条曲线都有一个极大值。大值。o 随着温度的升高,黑随着温度的升高,黑体的单色辐出度迅速增大体的单色辐出度迅速增大,并且曲线的极大值逐渐,并且曲线的极大值逐渐向短波方向移动。向短波方向移动。0.02.0 x1034.0 x1036.0 x1038.0 x103 T=5000KT=4000KT=3000K T=6000Knm第五页,讲稿共七十九页哦6o维恩(维恩(Wien)位移定律在短波部分与位移定律在短波
4、部分与实验结果吻合与实验结果吻合得很好,实验结果吻合与实验结果吻合得很好,但长波却不行。但长波却不行。o瑞利瑞利金斯(金斯(Rayleigh-Jeans)定律)定律在长波部分与实验结果比较吻合。在长波部分与实验结果比较吻合。但在紫外区竟算得单色辐出度为无但在紫外区竟算得单色辐出度为无穷大穷大所谓的所谓的“紫外灾难紫外灾难”。o利用经典理论无法解释黑体辐射现象。利用经典理论无法解释黑体辐射现象。正如正如1900年开耳文指出的晴朗的物理年开耳文指出的晴朗的物理学理论大厦上空,飞来学理论大厦上空,飞来“两朵乌云两朵乌云”之之一,它动摇了经典物理的基础。一,它动摇了经典物理的基础。),(TT=1646
5、K实验曲线实验曲线Wien理论理论Rayleigh-Jeans第六页,讲稿共七十九页哦7 1900年,德国物理学家年,德国物理学家普朗克普朗克(Plank)提出量子假说)提出量子假说1918年获年获Nobel奖)奖):118/33kThech式中:式中:k为玻尔兹曼常数,为玻尔兹曼常数,h称为普朗克常数。称为普朗克常数。普朗克能量子假说),(TT=1646K普朗克普朗克理论值理论值实验曲线实验曲线空腔辐射体的单色辐出度与波长的空腔辐射体的单色辐出度与波长的能谱曲线能谱曲线第七页,讲稿共七十九页哦8Plank量子假说对黑体辐射的解释绝对黑体空腔内的光以驻波的形式存在,并且空腔中的驻波是一系列的谐
6、振绝对黑体空腔内的光以驻波的形式存在,并且空腔中的驻波是一系列的谐振子,只能取一些分立的能量,即子,只能取一些分立的能量,即.4,3,2,00000h0,Plank常数h6.62610-34JS其中,其中,dcdn338单位体积内频率在单位体积内频率在到到+d d 之间的驻波数为之间的驻波数为空腔内每一个驻波,即每一个谐振子的平均能量为空腔内每一个驻波,即每一个谐振子的平均能量为1/kThehE因此黑体辐射的单色辐照度即单位体积单位频段内辐射的能量为:因此黑体辐射的单色辐照度即单位体积单位频段内辐射的能量为:(2.2)118/33kThech第八页,讲稿共七十九页哦92.2 光和物质的三种相互
7、作用及爱因斯坦光和物质的三种相互作用及爱因斯坦关系式关系式受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收自发辐射自发辐射第九页,讲稿共七十九页哦10一.自发辐射E1E2能级E1E2能级h处于高能级的激发态原子处于高能级的激发态原子激发态原子激发态原子自发的自发的从高能级跃迁到从高能级跃迁到低能级释放光子低能级释放光子自发辐射具有偶然性,是一种只与原子本身特性有关的随机过程。自发辐射具有偶然性,是一种只与原子本身特性有关的随机过程。第十页,讲稿共七十九页哦11o 自发辐射跃迁几率A21 定义:单位时间内高能态上的原子(设为单位时间内高能态上的原子(设为n2个个)中发)中发生自发辐射的原子数生自发辐射的原子数(
8、dn21/dt)sp与与n2的比值,也称为自的比值,也称为自发辐射爱因斯坦系数发辐射爱因斯坦系数。(2.3)122121ndtdnAsp可以证明,可以证明,A21为原子在为原子在E2能级上平均寿命(自发辐射寿命)能级上平均寿命(自发辐射寿命)s的倒数,的倒数,即即(2.6)121sA第十一页,讲稿共七十九页哦12二.受激吸收E1E2能级h外来光子通过处于低能级的原外来光子通过处于低能级的原子系统子系统原子原子吸收光子吸收光子h从低能级跃迁到从低能级跃迁到高能级高能级受激吸收不仅与原子本身特性有关,同时还受来自辐射光场的影响。受激吸收不仅与原子本身特性有关,同时还受来自辐射光场的影响。E1E2能
9、级原子吸收光子跃迁第十二页,讲稿共七十九页哦13 o 受激吸收跃迁几率W12 定义:单位时间从低能级向高能级跃迁的原子数与低能级原子数n1的比值,即(2.7)111212ndtdnWstW12另一表示公式:(2.8)1212BWB12为受激吸收爱因斯坦系数,为辐射光场的能量密度第十三页,讲稿共七十九页哦14三.受激辐射E1E2能级h外来光子经过处于高能级的激发态外来光子经过处于高能级的激发态原子系统原子系统高能级原子高能级原子受激发跃迁到低能级受激发跃迁到低能级辐射出辐射出光子光子h,产生,产生光放大光放大E1E2能级hh第十四页,讲稿共七十九页哦15 o 受激辐射跃迁几率W12 定义:单位时
10、间从高能级向低能级发生受激辐射跃迁的原子数与高能级原子数的比值,即(2.9)122121ndtdnWstW21另一表示公式:(2.8)2121BWB21为受激辐射爱因斯坦系数,为辐射光场的能量密度第十五页,讲稿共七十九页哦16四.爱因斯坦关系式o 根据粒子数守恒与plank黑体辐射能量密度公式导出爱因斯坦关系式(2.16)8(2.15)332121221112hnchBAgBgBg1和g2为原子处于能级E1和E2的几率第十六页,讲稿共七十九页哦172.3 谱线加宽及谱线宽度谱线加宽及谱线宽度综合加宽综合加宽均匀加宽均匀加宽线型函数线型函数非均匀加宽非均匀加宽第十七页,讲稿共七十九页哦18o自发
11、辐射功率是频率的函数自发辐射功率是频率的函数o自发辐射的中心频率为自发辐射的中心频率为0,在,在+d 范围内的范围内的自发辐射自发辐射功率为功率为P()d ,于是自发辐射总功率,于是自发辐射总功率P为为线型函数P()00(2.19)dPP(2.21),0PPg图图2.3 自发辐射的频率分布自发辐射的频率分布o线型函数的定义:线型函数的定义:(2.20)1,0PdPdg第十八页,讲稿共七十九页哦19谱线半宽即谱线加宽的线宽为:半极大值对应的频率差值(参见右图)000,g00,g2,00g212,20000gg线宽第十九页,讲稿共七十九页哦20一.均匀加宽(2.22)(020titeeEtE2)(
12、2)(00iEE1.自然加宽自然加宽o根据经典电子理论,原子可以视为电偶级子当正负电子中心做频率为根据经典电子理论,原子可以视为电偶级子当正负电子中心做频率为 0的相对谐振运动的相对谐振运动时候,电偶级子就会发射频率为时候,电偶级子就会发射频率为 0的电子波,由于电偶级子发射电磁波的同时,本身的的电子波,由于电偶级子发射电磁波的同时,本身的能量随时间能量随时间t指数衰减,因此电磁波在空间的电矢量为指数衰减,因此电磁波在空间的电矢量为:o做傅立叶变换,得到频域内的振幅做傅立叶变换,得到频域内的振幅第二十页,讲稿共七十九页哦21dEdP2)()(2.23)42,20220Ng电偶级子发出的光强与其
13、振幅平方成正比。因此频率在电偶级子发出的光强与其振幅平方成正比。因此频率在 +d 之之间自发辐射功率为间自发辐射功率为根据式(根据式(2.23)及线宽的定义,可得自然加宽的线宽)及线宽的定义,可得自然加宽的线宽根据线型函数的定义,可得自然加宽的线型函数根据线型函数的定义,可得自然加宽的线型函数2N第二十一页,讲稿共七十九页哦ddEEPPgdEdP202220222202421421)()()(),()()(2.23)42,20220Ng由归一化条件可得积分A=-1 第二十二页,讲稿共七十九页哦23o 从量子理论出发,推导阻尼系数从量子理论出发,推导阻尼系数 与自发辐射寿命与自发辐射寿命 s之之
14、间的关系,并得到线宽间的关系,并得到线宽设设t=0为初始时刻,为初始时刻,E2能级上的原子数密度能级上的原子数密度n2=n20,t0时,时,n2将减少,假设将减少,假设n2的减少仅仅由自发辐射引起,则的减少仅仅由自发辐射引起,则dttnAtdn)()(2212对比对比(2.24)和和(2.25),得,得 因此自然加宽线宽又可写为因此自然加宽线宽又可写为121sA(2.27)212sNtAenAtn2120212)(积分得到,积分得到,(2.24)()(2121202tAeAhnhdttdntP每跃迁一个原子即可发射一个光子,因此自发辐射功率为每跃迁一个原子即可发射一个光子,因此自发辐射功率为(
15、2.25)(0tePtP根据经典谐振子模型,多个谐振子辐射功率功率随时间变化为根据经典谐振子模型,多个谐振子辐射功率功率随时间变化为第二十三页,讲稿共七十九页哦24o 自然加宽线型函数为洛仑兹自然加宽线型函数为洛仑兹线型:线型:000,Ng00,Ng2,00Ng(2.28)22,2200 NNNg图图2.4 自然加宽洛仑兹线型函数自然加宽洛仑兹线型函数当当 0时,线型函数值为:时,线型函数值为:NsNg24,00第二十四页,讲稿共七十九页哦252.碰撞加宽o 大量原子或分子的无规则碰撞使粒子振荡偏离了谐振子振荡,进而导致粒子发射的电磁波中断产生不完全波列,引起光谱线的进一步加宽,这种加宽即为碰
16、撞加宽。o 碰撞加宽的线型函数与线宽pL在气压不太高时,碰撞加宽线宽与气压成正比LLLLLg1 ,22,2200 第二十五页,讲稿共七十九页哦263.均匀加宽线型函数与线宽o 气体介质中均匀加宽包括自然加宽和碰撞加宽,其线型函数为洛仑兹线型。o 晶体介质中均匀加宽除了自然加宽外,还存在晶格热振动加宽。22,2200 HHHg 2121LsH(2.32)第二十六页,讲稿共七十九页哦27二.非均匀加宽o非均匀加宽机制指的是介质中每个发光的原子只是对光谱线内的某非均匀加宽机制指的是介质中每个发光的原子只是对光谱线内的某一特定的频率有贡献,即非均匀加宽谱线上某一频率范围的一特定的频率有贡献,即非均匀加
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 激光 工作 物质 基本原理 讲稿
限制150内