北交大激光原理 第1章 Suggests for solving problems
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北交大激光原理 第1章 Suggests for solving problems
考研 期末考试 激光原理
第1章 绪论
一、 学习要求与重点难点 学习要求
1. 掌握电偶极振子模型,理解模型的近似;
2. 掌握电偶极振子模型对介质自发辐射、吸收的解释,以及对介质谱线加宽机制和
线型函数的解释;
3. 了解电偶极振子模型对介质色散的解释;
4. 了解介质谱线加宽机制,理解两种线型函数产生机制的差异; 5. 了解典型激光器中工作物质的加宽类型;
6. 掌握爱因斯坦唯象理论,理解谱线加宽对爱因斯坦跃迁系数的影响; 7. 了解光和物质相互作用的近代理论。
重点
1.
2. 3. 4.
电偶极振子模型,及其近似;
介质自发辐射、吸收、谱线加宽机制和线型函数的经典理论; 典型加宽机制和线型函数;
爱因斯坦唯象理论,以及谱线加宽对爱因斯坦跃迁系数的影响;
难点
1. 电偶极振子模型的近似假设;
2. 电偶极振子模型对介质自发辐射、吸收的解释,以及线型函数的引入; 3. 综合加宽;
4. 谱线加宽对爱因斯坦跃迁系数的影响;
考研 期末考试 激光原理
二、知识点总结
光:电磁波
1. 经典理论 物质:电偶极振子
偶极振子相互作用 相互作用:光电场与电
理论的内在逻辑:介质极化 电偶极振子模型 电偶极振子运动方程
射 无外光电场解:自发辐
吸收损耗 光电场 散射 有外光电场解: 实数部:反常色散 比 谱线宽度:与寿命成反极化强度非铁磁质 物质 复数 n 虚数部:选择性吸收 线型函数:洛伦兹函数 均匀加宽
2. 线宽
线宽:FWHM or 3dB频率宽度波长宽度波数宽度 洛伦兹函数 均匀加宽 描述: 线型函数:归一
高 高斯函数 非均匀加宽
相对宽度一样
考研 期末考试 激光原理
自然、寿命加宽 碰撞加宽产生机制 均匀加宽:相同谱线的叠加
压力加宽
晶格振动 多普勒效应 类型:相近谱线的叠加 产生机制 非均匀加宽:中心频率 晶格缺陷加宽 ,线宽相加 同类型:线型函数不变
综合加宽: ''' 不同类型:线型函数改变为佛克脱(Voigt)积分g(v,v0) gD(v0,v0)gH(v,v0)dv0 线宽相差大者 线宽由大的定
自发辐射跃迁系数:无影响 A(v) g(v,v0)A:跃迁几率按线型函数分配
dni njBjig , 0 对跃迁的影响: dni dt st njBji g , 0 d 极端情形 dni dt st njBjig , 0 0
dt st
激光器中实际情况:
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光:能量子
物质:二能级原子 :光子产生,原子向下能级跃迁 无光与高能级原子作用3. 唯象理论
相互作用:光子被克隆、数量倍增,原子向下能级跃迁 光与高能级原子作用:
光子湮灭,原子向上能级跃迁 光与低能级原子作用:
非热平衡态 被吸收 被吸收大
g1B12 g2B21
爱因斯坦系数关系 光子等几率 波耳兹曼分布率 热平衡态:光子几率 光放大 非自然现象
引起受激辐射 引起受激辐射小 须采用特殊技术
考研 期末考试 激光原理
三、典型问题的分析思路
1、 线型函数归一及线宽计算问题。
线型函数g( , 0)的功能是描述光谱线的轮廓或形状,按照其定义:
g( , 0)
I( )
I0
以及自发辐射总功率I0与光谱线的功率频率分布有关系:
I0 I( )d
线型函数应满足如下归一化条件:
I( )
g( , )d 0 I0d
I( )d I0
1
所以,针对给出光谱线功率频率分布情形,线型函数的归一常常是解决下一步问题的
基础。另外,并不是所有光谱线都是高斯或洛仑兹函数轮廓,尤其是一些非均匀加宽的介质,其光谱线可能有各种形状。不管它们的具体形状如何奇怪,在得出线型函数后,线宽的计算只须严格按照定义:
解方程
1
g( 0, 0) g( , 0) 2
即可。
2、 线宽的多种表示之间的换算关系。
由于
h h
c
以频率、波长或波数(1/ ,单位cm-1)差标记线宽之间的换算关系也就确定了:
c
11
()
c
注意:这里的 为真空波长。另外,实际计算时还要注意线宽的不同表示所取的表示单位
的换算关系。
至于换算是否成功,可以利用线宽在不同表示下的相对半宽度总是相同来做演算:
2
3、 由S,A计算能级寿命问题。
(1/ )
(1/ )
若跃迁只涉及到1、2两个能级,原子激发能级E2的平均寿命 21应与自发辐射几率
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