譜線加寬與線型函數(shù)ppt課件

1、譜線加寬與線型函數(shù)教學(xué)目的教學(xué)目的 教學(xué)目的教學(xué)目的 了解激光器的幾種實(shí)際了解激光器的幾種實(shí)際 了解譜線加寬與線型函數(shù)的概念了解譜線加寬與線型函數(shù)的概念 掌握譜線加寬的幾種加寬機(jī)制掌握譜線加寬的幾種加寬機(jī)制 重點(diǎn)掌握均勻加寬與非均勻加寬的特重點(diǎn)掌握均勻加寬與非均勻加寬的特點(diǎn)，并比較兩者的一樣的和不同點(diǎn)點(diǎn)，并比較兩者的一樣的和不同點(diǎn)知識(shí)引入知識(shí)引入 激光器的幾種實(shí)際：經(jīng)典實(shí)際，半經(jīng)典實(shí)際，量子實(shí)際，速率方程實(shí)際。 經(jīng)典實(shí)際：將原子系統(tǒng)與光頻電磁場(chǎng)都做經(jīng)典處置，即用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的麥克斯韋方程組描畫電磁場(chǎng)，將原子中的運(yùn)動(dòng)電子視為服從經(jīng)典力學(xué)的振子。該實(shí)際勝利地解釋了物質(zhì)對(duì)光的吸收與色散景象，闡明了原

2、子的自發(fā)輻射及譜線寬度。知識(shí)引入知識(shí)引入3.3 譜線加寬與線型函數(shù)譜線加寬與線型函數(shù) 根本概念 均勻加寬 自然加寬 碰撞加寬 晶格振動(dòng)加寬 非均勻加寬 多普勒加寬 晶格缺陷加寬 由于各種要素的影響，自發(fā)輻射并不是單色的，即光譜不是單一頻率的光波，而包含有一個(gè)頻率范圍，稱為譜線加寬。 P是描畫自發(fā)輻射功率按頻率分布的函數(shù)。它定義為發(fā)光粒子在頻率處、單位頻率間隔內(nèi)的自發(fā)輻射功率，它是頻率的函數(shù)。在總功率P中，分布在+d范圍內(nèi)的光功率為Pd ，數(shù)學(xué)表示為dPP)(譜線加寬與線型函數(shù)根本概念譜線加寬與線型函數(shù)根本概念加寬機(jī)制之一加寬機(jī)制之一均勻加寬均勻加寬 定義：在光源的發(fā)光粒子系統(tǒng)中，假設(shè)引起加寬的

3、物理要素對(duì)每個(gè)原子都是等同的，那么這種加寬稱作均勻加寬。 特點(diǎn)： 每個(gè)原子都以整個(gè)線型發(fā)射，不能把線型函數(shù)上的某一特定頻率和某些特定原子聯(lián)絡(luò)起來(lái)，即每一發(fā)光原子對(duì)光譜線內(nèi)任一頻率都有奉獻(xiàn)。 中心頻率不變，線寬加大。 線型函數(shù)為洛倫茲型。 自然加寬、碰撞加寬和晶格振動(dòng)加寬屬于均勻加寬1 自然加寬自然加寬在不受外界影響時(shí)，受激原子并非永遠(yuǎn)處于激發(fā)態(tài)，會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)躍遷，因此受激原子在激發(fā)態(tài)上具有有限的壽命。這一要素構(gòu)成原子躍遷譜線的自然加寬。特點(diǎn)洛侖茲線型。當(dāng)=o時(shí)，g取最大值。由于是均勻加寬，每個(gè)發(fā)光原子對(duì)線性函數(shù)曲線的每一部分都有奉獻(xiàn)。原子譜線的寬度以及輻射繼續(xù)時(shí)間都反映了原子能級(jí)的性質(zhì)。2

4、碰撞加寬碰撞加寬大量原子分子之間的無(wú)規(guī)“碰撞是引起譜線加寬的另一重要緣由。由于粒子之間的碰撞相互作用引起的譜線加寬稱為碰撞加寬。在氣體任務(wù)物質(zhì)中：大量原子分子處于無(wú)規(guī)那么熱運(yùn)動(dòng)形狀，當(dāng)兩個(gè)原子相遇而處于足夠接近的位置時(shí)或原子與器壁相碰時(shí)，原子間的相互作用足以改動(dòng)原子原來(lái)的運(yùn)動(dòng)形狀。以為兩原子發(fā)生了碰撞。彈性碰撞非彈性碰撞碰撞過(guò)程使波列發(fā)生無(wú)規(guī)那么相位突變3 晶格振動(dòng)加寬晶格振動(dòng)加寬 對(duì)于固體激光物質(zhì)，均勻加寬主要是由晶格熱振動(dòng)引起的，自發(fā)輻射和無(wú)輻射躍遷構(gòu)成的譜線加寬是很小的。 固體任務(wù)物質(zhì)中，激活離子鑲嵌在晶體中，周圍的晶格場(chǎng)將影響其能級(jí)的位置。由于晶格振動(dòng)使激活離子處于隨時(shí)間變化的晶格場(chǎng)中

5、，激活離子的能級(jí)所對(duì)應(yīng)的能量在某一范圍內(nèi)變化，因此引起譜線加寬。溫度越高，振動(dòng)越猛烈，譜線越寬。由于晶格振動(dòng)對(duì)于一切激活離子的影響根本一樣，所以這種加寬屬于均勻加寬。加寬機(jī)制之二加寬機(jī)制之二非均勻加寬非均勻加寬 概念：光源光譜線的線型函數(shù)取決于各發(fā)光粒子中心平率的分布，它不再與單個(gè)發(fā)光粒子的光譜線線型函數(shù)一樣，稱這種加寬為非均勻加寬。 特點(diǎn)： 中心頻率發(fā)生變化。 原子體系中每個(gè)原子只對(duì)譜線內(nèi)與它的表觀中心頻率相應(yīng)的部分有奉獻(xiàn)，因此可以區(qū)分譜線上的某一頻率范圍是由哪一部分原子發(fā)射的。 線型函數(shù)為高斯型。 分類：多普勒加寬、晶格缺陷加寬。1、多普勒加寬、多普勒加寬 多普勒加寬是由于作熱運(yùn)動(dòng)的發(fā)光原

6、子分子所發(fā)出的多普勒頻移引起的。 光學(xué)多普勒效應(yīng)：當(dāng)光源與光接納器作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，光接納器接納到的光波頻率將隨光源與接納器相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的不同而改動(dòng)。多普勒加寬線型函數(shù)2、晶格缺陷加寬、晶格缺陷加寬 固體任務(wù)物質(zhì)中，不存在多普勒加寬，但有一系列引起非均勻加寬的其他物理要素。 在晶格缺陷部位的晶格場(chǎng)和無(wú)缺陷部位的理想晶格場(chǎng)不同，處于缺陷部位的激活離子的能級(jí)將發(fā)生位移，導(dǎo)致處于晶體不同部位的激活離子的發(fā)光中心頻率不同，即產(chǎn)生非均勻加寬。 在玻璃基質(zhì)中，由于玻璃構(gòu)造的無(wú)序性，各個(gè)激活離子處于不等價(jià)的配位場(chǎng)中，導(dǎo)致了與晶格缺陷類似的非均勻加寬。1.氣體任務(wù)物質(zhì)的綜合加寬線型函數(shù)氣體任務(wù)物質(zhì)的綜合加寬線型函

7、數(shù)激光器中引起均勻加寬和非均勻加寬的物理要素往往是同時(shí)存在的。稱由均勻加寬和非均勻加寬同時(shí)引起的光譜線加寬成為綜合加寬。對(duì)于氣體任務(wù)物質(zhì),主要的加寬類型就是由碰撞引起的均勻加寬和多普勒非均勻加寬。由于它們的線型函數(shù)具有前節(jié)所述的解析方式,因此我們有能夠同時(shí)思索這兩種加寬因歷來(lái)求得綜合加寬線型函數(shù)。綜合加寬綜合加寬 在普通情況下，固體激光任務(wù)物質(zhì)的譜線加寬主要是晶格熱振動(dòng)引起的均勻加寬和晶格缺陷引起的非均勻加寬,它們的機(jī)構(gòu)都較復(fù)雜,很難從實(shí)際上求得線型函數(shù)的詳細(xì)方式，普通都是經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)求得它的譜線寬度。以下圖給出實(shí)驗(yàn)測(cè)得的紅寶石694.30nm和Nd：YAG的1.06um譜線寬度與溫度的關(guān)系。從圖a看出，紅寶石在低溫時(shí)主要是品格缺陷引起的非均勻加寬,它與溫度無(wú)關(guān);而在常溫時(shí)那么是晶格熱振動(dòng)引起的均勻加寬為主,它隨溫度的升高而加大。對(duì)Nd:YAG晶體,由于晶體質(zhì)量比紅寶石好,因此非均勻加寬可以忽略,在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都以均勻加寬為主。紅寶石和Nd:YAG的譜線寬度與溫度關(guān)系曲線a紅寶石,694.32nmbNd:YAGA-06um歸納end 均勻加寬均勻加寬 非均勻加寬非均勻加寬自然加寬碰撞加寬晶格熱振動(dòng)多普勒加寬晶格缺