[信息与通信]14激光原理和技术1.ppt
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1、1,光子的基本特性,爱因斯坦根据光电效应实验并结合普朗克能量子假说,提出了光量子理论:光是一种以光速运动的光子流,光子和其它基本粒子一样,具有能量、动量和质量。它的粒子属性(能量、动量、质量等)和波动属性(频率、波矢、偏振等)之间的关系满足:,1.4 激光原理,2,(4)光子具有两种可能的独立偏振态,对应 于光波场的两个独立偏振方向;,(5)光子具有自旋,并且自旋量子数为整数,是玻色子。(电子的自旋量子数为 ,是费米子。),3,激光:受激辐射光放大(light amplification by stimulated emission of radiation) 激光具有极好的单色性、相干性、高
2、亮度和良好的方向性; 1.4.1 玻尔假说与粒子数正常分布 1.玻尔假说 (1)定态假设。 (2)跃迁假说。,4,2.粒子数正常分布,每个原子处于一定的能量状态之中,原子只能占据一些分立的能级; 在某一时刻,一个原子只能处于一个能级; 对于整个物质系统,在热平衡下,处于各能级上的原子数目是一定的,原子数目按能级的分布符合玻尔兹曼分布律。,结论:,5,1.4.2 光与物质的共振相互作用,1、三种跃迁,受激吸收概率:,为爱因斯坦吸收系数, 只与粒子本身的性质有关。,为辐射场能量密度,为E1能级上的原子数密度,(1) 受激吸收,处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下,吸收一个光子, 跃迁到高能
3、级态。,6,(2) 自发辐射,光子能量:,自发跃迁概率:,单位时间、单位体积内, 上粒子的减少为:,于是有:,为 自发辐射寿命。,处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态,并同时向外辐射出一个光子(自发辐射只与原子本身性质有关,与辐射场的 无关) 。,7,(3) 受激辐射,受激辐射的概率:,称为爱因斯坦受激发射系数。,处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下,跃迁到低能级态,并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。,受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性。,8,2、爱因斯坦关系,设一个原子系统有特定两个能级 ,其简并度为 (同一量子态占据的光子数目), 在温度T下处于热平衡状态, 能级的原
4、子占有数密度分别为 ,则原子系统从辐射场中吸收能量 后,单位时间内从 跃迁到 能级的原子数为:,单位时间内,,的原子数数为:,由于系统处于热平衡状态,则应有:,即:,9,所以有:,热平衡状态下, 按波尔兹曼分布:,即:,10,热平衡条件下,光辐射的能量密度的普朗克公式为:,比较两式有:,上述两式即著名的爱因斯坦关系式。,若两能级的简并度相同,则有:,11,结论: 三个爱因斯坦系数是相互关联的。 对一定的原子体系而言,自发发射系数 A21 与受激发射系数 B 之比正比于 的三次方,因而 两能级相差越大, 就越高,A,B的比值就越大,也就是 越高自发辐射越容易,受激辐射越困难。一般在热平衡下,主要
5、是自发辐射。,12,单位体积内粒子自发跃迁所辐射的功率为,以上推理都是认为能级是理想的无宽度的、从而粒子辐射是单色的,也就是能量集中在单一频率上。实际上,自发辐射并非单色的,而是分布在中心频率附近的一个有限范围内,这一现象称为光谱线展宽。,3、 光谱线展宽,13,考虑谱线展宽的情况,自发辐射的功率应是频率的函数,则总的自发辐射的功率为:,光谱线的线性函数:,其满足归一化条件:,14,(1)、受激辐射下光谱线展宽的类型 均匀展宽: 均匀展宽的特点是,引起展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。任何一个粒子对谱线展宽的贡献都是一样的,每一个发光粒子都以洛沦兹线型发射。主要有自然展宽、碰撞展宽、热振动
6、展宽。 非均匀展宽: 非均匀展宽的特点是,粒子体系中粒子发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献。这种展宽主要有多普勒展宽与残余应力展宽。,15,(2)均匀展宽的分析 自然展宽 由于粒子存在固有的自发跃迁,从而导致它在受激能级上的寿命有限形成的。,由傅立叶变换得其频谱分布为:,16,自发辐射的功率为:,总功率为:,所以:,当,有:,17,因此有:,得:,于是有:,也可写成:,18,碰撞展宽 由于大气中大量粒子无规则运动碰撞产生的,包括两种情况:激发态的粒子与其他粒子发生非弹性碰撞将自己的能量传递出去而回到基态或者是粒子发射的波列发生无规则的相位突变。,19,线宽为:,自然展宽与碰撞展宽共同
7、作用产生的线型函数合称为均匀展宽的线型函数,表示为:,20,热振动展宽 由于晶格振动引起的,晶格原子的热震动使发光粒子处于随时间周期性变化的晶格场中,引起能级振动。这种展宽与温度有关,但其线型函数解析式很难求,只能由实验测出。,21,(3)非均匀展宽的分析 多普勒展宽 由于气体物质中的粒子作热运动所产生的辐射的多普勒频移引起的。,考虑气体分子热运动的速率统计分布:,对于一维运动,22,于是有:,从而有,上式称为多普勒线型 函数,具有高斯函数 形式,相应的线宽为,23,当,时,(最大值),也可表示为:,多普勒展宽实际上是一种统计结果。,24,残余应力展宽 由固体激光物质内部残余应力引起的,其中一
8、种是晶格缺陷所致,非均匀分布的缺陷引起不同位置的粒子 不同,物质本身原子的无规则排列也会引起。,25,三、激光的产生,1、普通光源的发光受激吸收和自发辐射 常见光源的发光(如电灯、火焰、太阳等地发光)是由于物质在受到外来能量(如光能、电能、热能等)作用时,原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级,即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级(E2)的电子寿命很短(一般为108109秒),在没有外界作用下会自发地向低能级(E1)跃迁,跃迁时将产生光(电磁波)辐射。辐射光子能量为 h=E2-E1 这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程,各发光原子的发光过
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