谱线加宽与线型函数课件

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1、谱线加宽与线型函数教学目标教学目标了解激光器的几种理论理解谱线加宽与线型函数的概念掌握谱线加宽的几种加宽机制重点掌握均匀加宽与非均匀加宽的特点，并比较两者的相同的和不同点知识引入激光器的几种理论：经典理论，半经典理论，量子理论，速率方程理论。经典理论：将原子系统与光频电磁场都做经典处理，即用经典电动力学的麦克斯韦方程组描述电磁场，将原子中的运动电子视为服从经典力学的振子。该理论成功地解释了物质对光的吸收与色散现象，说明了原子的自发辐射及谱线宽度。知识引入3.3谱线加宽与线型函数基本概念均匀加宽自然加宽碰撞加宽晶格振动加宽非均匀加宽多普勒加宽晶格缺陷加宽由于各种因素的

2、影响，自发辐射并不是单色的，即光谱不是单一频率的光波，而包含有一个频率范围，称为谱线加宽。P()是描述自发辐射功率按频率分布的函数。它定义为发光粒子在频率处、单位频率间隔内的自发辐射功率，它是频率的函数。在总功率P中，分布在~+d范围内的光功率为P()d，数学表示为谱线加宽与线型函数基本概念加宽机制之一——均匀加宽定义：在光源的发光粒子系统中，如果引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，则这种加宽称作均匀加宽。特点：每个原子都以整个线型发射，不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来，即每一发光原子对光谱线内任一频率都有贡献。中心频率不变，

3、线宽加大。线型函数为洛伦兹型。自然加宽、碰撞加宽和晶格振动加宽属于均匀加宽1自然加宽在不受外界影响时，受激原子并非永远处于激发态，会自发地向低能级跃迁，因而受激原子在激发态上具有有限的寿命。这一因素造成原子跃迁谱线的自然加宽。特点洛仑兹线型。当=o时，g取最大值。由于是均匀加宽，每个发光原子对线性函数曲线的每一部分都有贡献。原子谱线的宽度以及辐射持续时间都反映了原子能级的性质。2碰撞加宽大量原子（分子）之间的无规“碰撞”是引起谱线加宽的另一重要原因。由于粒子之间的碰撞（相互作用）引起的谱线加宽称为碰撞加宽。在气体工作物质中：大量原子（分子）处于无规则热运动状态，

4、当两个原子相遇而处于足够接近的位置时（或原子与器壁相碰时），原子间的相互作用足以改变原子原来的运动状态。认为两原子发生了碰撞。弹性碰撞非弹性碰撞碰撞过程使波列发生无规则相位突变3晶格振动加宽对于固体激光物质，均匀加宽主要是由晶格热振动引起的，自发辐射和无辐射跃迁造成的谱线加宽是很小的。固体工作物质中，激活离子镶嵌在晶体中，周围的晶格场将影响其能级的位置。由于晶格振动使激活离子处于随时间变化的晶格场中，激活离子的能级所对应的能量在某一范围内变化，因而引起谱线加宽。温度越高，振动越剧烈，谱线越宽。由于晶格振动对于所有激活离子的影响基本相同，所以这种加宽属于均匀加宽。加宽

5、机制之二——非均匀加宽概念：光源光谱线的线型函数取决于各发光粒子中心平率的分布，它不再与单个发光粒子的光谱线线型函数相同，称这种加宽为非均匀加宽。特点：中心频率发生变化。原子体系中每个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献，因而可以区分谱线上的某一频率范围是由哪一部分原子发射的。线型函数为高斯型。分类：多普勒加宽、晶格缺陷加宽。1、多普勒加宽多普勒加宽是由于作热运动的发光原子（分子）所发出的多普勒频移引起的。光学多普勒效应：当光源与光接收器作相对运动时，光接收器接收到的光波频率将随光源与接收器相对运动速度的不同而改变。多普勒加宽线型函数2、晶格缺陷加宽固体

6、工作物质中，不存在多普勒加宽，但有一系列引起非均匀加宽的其他物理因素。在晶格缺陷部位的晶格场和无缺陷部位的理想晶格场不同，处于缺陷部位的激活离子的能级将发生位移，导致处于晶体不同部位的激活离子的发光中心频率不同，即产生非均匀加宽。在玻璃基质中，由于玻璃结构的无序性，各个激活离子处于不等价的配位场中，导致了与晶格缺陷类似的非均匀加宽。1.气体工作物质的综合加宽线型函数激光器中引起均匀加宽和非均匀加宽的物理因素往往是同时存在的。称由均匀加宽和非均匀加宽同时引起的光谱线加宽成为综合加宽。对于气体工作物质,主要的加宽类型就是由碰撞引起的均匀加宽和多普勒非均匀加宽。由于它们的

7、线型函数具有前节所述的解析形式,因而我们有可能同时考虑这两种加宽因素来求得综合加宽线型函数。综合加宽在一般情况下，固体激光工作物质的谱线加宽主要是晶格热振动引起的均匀加宽和晶格缺陷引起的非均匀加宽,它们的机构都较复杂,很难从理论上求得线型函数的具体形式，一般都是通过实验求得它的谱线宽度。下图给出实验测得的红宝石694.30nm和Nd：YAG的1.06um谱线宽度与温度的关系。从图(a)看出，红宝石在低温时主要是品格缺陷引起的非均匀加宽,它与温度无关;而在常温时则是晶格热振动引起的均匀加宽为主,它随温度的升高而加大。对Nd:YAG晶体,由于晶体质量比红宝石好,因而