激光工作物质及基本原理课件.ppt
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1、关于激光工作物质及基本原理第1页,此课件共79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2页,此课件共79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、原子受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。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。物体
2、在某个频率范围内发射物体既会辐射能量,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。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3页,此课件共79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全部吸收任何波长的辐射的物体。绝对黑体是一种理想物体。绝对黑体是一种理想的模型,开有小孔的不透光的模型,开有小孔的不透光空腔可视成黑体。空腔可视成黑体。o绝对黑体既是完全的吸收体,绝对黑体
3、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4页,此课件共79页哦5黑体热辐射能谱实黑体热辐射能谱实验曲线验曲线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,黑体随着温度的升高,黑体的单色辐出度迅速增大,的单色辐出度迅速增大,并且曲线的极大值逐渐向并且曲线的极大值逐渐向短波方向移动。短波方向移动。第5页,此课件共79页哦6o维恩(维恩(Wien)位移定律在短波部位移定律在短波部分与实验结果吻合与实验结果吻分与实验结果吻合与实验结果吻合得很好,但长波却不行。合得很好,但长波却不行。o瑞利瑞利金斯(金斯(Rayleigh-J
4、eans)定律)定律在长波部分与实验结果比较吻合。但在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穷大紫外区竟算得单色辐出度为无穷大所谓的所谓的“紫外灾难紫外灾难”。o利用经典理论无法解释黑体辐射现利用经典理论无法解释黑体辐射现象。正如象。正如1900年开耳文指出的晴朗年开耳文指出的晴朗的物理学理论大厦上空,飞来的物理学理论大厦上空,飞来“两朵两朵乌云乌云”之一,它动摇了经典物理的之一,它动摇了经典物理的基础。基础。T=1646K实验曲线实验曲线Wien理论理论Rayleigh-Jeans第6页,此课件共79页哦7 1900年,德国物理学家年,德国物理学家普朗克普朗克(Plan
5、k)提出量子假说)提出量子假说1918年获年获Nobel奖)奖):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T=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空腔辐射体的单色辐出度与波长的能谱曲线的能谱曲线第7页,此课件共79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,即谐振子,只能取一些分立的能量,即,Plank常数h6.62610-34JS其中,其中,单位体
6、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:第8页,此课件共79页哦92.2 光和物质的三种相互作用及爱因斯坦关光和物质的三种相互作用及爱因斯坦关系式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9页,此课件共79页哦10一.自发辐射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
7、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10页,此课件共79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(dn21/dt)sp与与n2的比值,也称为的比值,也称为自发辐射爱因斯坦系数自发辐射爱因斯坦系数。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,即即第11页,此课件共79页哦12二.受激吸收外来光子通过处于低能级的外来光子通
8、过处于低能级的原子系统原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。第12页,此课件共79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W12另一表示公式:B12为受激吸收爱因斯坦系数,为辐射光场的能量密度第13页,此课件共79页哦14三.受激辐射外来光子经过处于高能级的外来光子经过处于高能级的激发态原子系统激发态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辐射出光子
9、射出光子h,产生,产生光放大光放大第14页,此课件共79页哦15 o受激辐射跃迁几率W12 定义:单位时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W21另一表示公式:B21为受激辐射爱因斯坦系数,为辐射光场的能量密度第15页,此课件共79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g1和g2为原子处于能级E1和E2的几率第16页,此课件共79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17页,此课件共79页哦18o自发辐射功率是频率的函数自发辐射
10、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 范围内范围内的自发辐射的自发辐射功率为功率为P()d ,于是自发辐射总,于是自发辐射总功率功率P为为线型函数图图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:第18页,此课件共79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)线宽第19页,此课件共79页哦20一.均匀加宽1.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的相的相对谐振运动时候,电偶级子就会发射频率为对谐振
11、运动时候,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,本身的能量随时间磁波的同时,本身的能量随时间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20页,此课件共79页哦21电偶级子发出的光强与其振幅平方成正比。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 之间自发辐射功率为之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
12、数的定义,可得自然加宽的线型函数第21页,此课件共79页哦由归一化条件可得积分A=-1 第22页,此课件共79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之间的关系,并得到线宽之间的关系,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,假将减少,假设设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积分得到,积分得到,每跃迁一个原子即可发射一个光子,因此自发辐射
13、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23页,此课件共79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: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:第24页,此课件共79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,这种加宽即为碰撞加宽。o碰撞加宽的线型函数与线宽在气压不太高时,碰撞加宽线宽与
14、气压成正比第25页,此课件共79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。(2.32)第26页,此课件共79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范围的 光只与某些特定的原子有关。光只与某些特定的原子有关。o气体介质中非均匀加宽主要是多普勒加宽。气体介质中非均匀加宽主要是多普勒加宽
15、。o固体介质中的非均匀加宽主要是晶格缺陷加宽。固体介质中的非均匀加宽主要是晶格缺陷加宽。第27页,此课件共79页哦28式中规定:当原子朝着接收器运动(或沿光传播方向运动)时,式中规定:当原子朝着接收器运动(或沿光传播方向运动)时,z0;反之,当原子离开接收器运动(或沿光传播方向运动)时,反之,当原子离开接收器运动(或沿光传播方向运动)时,z01.多普勒(Doppler)加宽假定接收器固定在实验室坐标系中,设一发光原子(光源)静止时的中心频率假定接收器固定在实验室坐标系中,设一发光原子(光源)静止时的中心频率为为 0,当发光原子相对于接收器以,当发光原子相对于接收器以 z速冻运动时,由于多普勒效
16、应,接收器接速冻运动时,由于多普勒效应,接收器接收到的光波的频率为收到的光波的频率为图图2.6 光学多普勒效应光学多普勒效应第28页,此课件共79页哦29多普勒线型函数的导出根据分子运动论,气体原子或分子作无规则热运动,在热平衡条件下,原子根据分子运动论,气体原子或分子作无规则热运动,在热平衡条件下,原子数按照速率分布遵从麦克斯韦分布规律,假设只考虑沿数按照速率分布遵从麦克斯韦分布规律,假设只考虑沿z方向的速度分量,则单方向的速度分量,则单位体积内速度分量在位体积内速度分量在vz(vz+dvz)之间的原子数为之间的原子数为式中,式中,n为单位体积工作物质内的总原子数,为单位体积工作物质内的总原
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