【正文】 于是 ?????? νk 2?? ? ?22 nνkk r? ??? ? ? ? ?2nνkνG r? ???? ??νG? ? ? ? ?????? ?????? ????? zνGznikvtiνEtzEr2)()21(2e x pRe, 2??由此可見， 的實(shí)部表示極化對(duì)入射光場相位的影響，使每單位長度的相位延遲由 k變 為 ； 的虛部代表極化對(duì)入射光場強(qiáng)度的影響，使光場振幅按指數(shù)衰減。 0??02 ???n ? ??設(shè)入射光波具有形式： ? ? ? ? ? ?? ?zkνtieνtz ??? ?2Re, EE式中 ? ?2/1012 ?????? ????? ννkr?????????? 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析 設(shè) ，則 ? ? 10 ??νr???? ??????? ????? νkk r?????? 21 0 ? ? ? ??????? ?????? 22 221 n νin νk rr ?? ? ?2νGikk ????式中： ， ， 。即： ? ???~ ??νχ? ??νχ?0? Δν ??νχ? ??ν????νχ? Δν??νχ? Δν??νχ? ??νχ? ??ν????ν?? ??νχ?? ? ? ?2m a xm a x νν ?? ????? 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析 下面我們研究 的物理意義。 表示物質(zhì)的吸收與頻率的關(guān)系，而 表示 不同頻率下色散的大小，由圖可見： 在曲線半寬度 的頻率范圍內(nèi)受激吸收較 大，而此區(qū)域內(nèi)， 斜率為負(fù)，因而這一區(qū)域?qū)俜闯Ｉ^(qū)；反之， 之外，斜 率 為正，為正常色散區(qū)，且在受激吸收 很小的區(qū)域內(nèi)，色散 仍很可觀。不難看出 也是洛侖茲線型函數(shù)，下圖為 、 與頻率 v 的關(guān)系圖。在平面光波場作用下， 原子在光場作用下產(chǎn)生感應(yīng)極化，形成電偶極振子： ))(Re( tiee ??pxp ?????????imep???? )()(E)(2202極化介質(zhì)或分子的輻射次波與入射光波的相互干涉決定了光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律。 時(shí)光與物質(zhì)相互作用的過程稱為受激吸收與再發(fā)射， 即受激發(fā)射，也就是說， 處，初始態(tài)的電子吸收一個(gè)光子躍遷到高能態(tài)，而受 激電子又可放出一個(gè)同頻率的光子回到初態(tài)，這種吸收與再發(fā)射中，電子的本征能態(tài) 將發(fā)生改變，稱為光和物質(zhì)相互作用的共振過程，激光產(chǎn)生過程就屬于共振過程。散射中，電子本 征能量不變，形式上只是入射光波與散射光波之間能量轉(zhuǎn)換，稱為光和物質(zhì)的非共振 相互作用過程。 電子在原子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)形成固有頻率為 ?0的等幅簡諧振子，向外輻射電磁波， 輻射場又對(duì)電子產(chǎn)生反作用，產(chǎn)生與電子速度成正比的阻尼力； 光波電磁場入射，對(duì)阻尼振子施加一個(gè)電磁力作用，電子運(yùn)動(dòng)方程變?yōu)椋? mk?0?eEdtdxmxmdt xdm ???? ?? 2022不失普遍性，考慮入射光場為簡諧電場情況，則瞬時(shí)電場 E(t)與位置偏移 x(t)為： tiet ?? )()( EE ?tiet ?? )()( xx ?? 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析 E(ω)、 x(ω)表示對(duì)應(yīng)于頻率 ω的振幅值，將 x(t)、 E(t)代入運(yùn)動(dòng)方程，并求解得： ??????ime????? )()()(220Ex?簡諧振子模型下，電子受迫振動(dòng)的頻率與驅(qū)動(dòng)光波頻率相同， ?受迫振動(dòng)與驅(qū)動(dòng)光場之間存在相位差（式中含有 項(xiàng)） 由上述過程可知： ??i(1)當(dāng) 時(shí)，電子先吸收少量光能，引起受迫振動(dòng)，并輻射次波。 還可用宏觀物理量 —— 極化率 和介電常數(shù) ε來描述介質(zhì)對(duì)光波場的響應(yīng)， 則， P與外加電場 E的關(guān)系： ?jiji EP 0???? 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析 組成物質(zhì)的原子或分子體系在入射光波的電場下感生電偶極矩，進(jìn)而產(chǎn)生電磁波輻射。 相干光源、非相干光源與激光 —— 信息光電子技術(shù)對(duì)光源的要求 ? 信息光電子技術(shù)對(duì)光源的要求 ?單色性 ?高速脈沖性 ?方向性 ?可調(diào)諧性 ?高能量密度 ? 激光正是滿足這些條件的最好的光源 ? 光與物質(zhì)相互作用理論 —— 激光產(chǎn)生與傳播基礎(chǔ) 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論分析 經(jīng)典電子模型：研究光與物質(zhì)相互作用 微觀 過程的有效方法 可以闡明激光產(chǎn)生及其在激光介質(zhì)或其他介質(zhì)中傳播規(guī)律的物理本質(zhì)， 光電子一般研究光在晶體中的運(yùn)動(dòng) —— 光輻射場與周期性變化晶體作用。 ? 1970年， Mooradian 等，寬可調(diào)諧范圍高效連續(xù)振蕩自旋反轉(zhuǎn)喇曼激光器。 ? 1962年， Woodburg等，受激喇曼激光器 ? 1969年，美國 Patel等，自旋反轉(zhuǎn)喇曼激光， ? 1965年，美國與蘇聯(lián)成功實(shí)現(xiàn)光參量振蕩，獲得了另一種可調(diào)諧相干光源。 ? 1980年后，等離子體激光器、超晶格量子阱激光器、光纖激光器、分布反饋 (DFB)激光器、分布布拉格發(fā)射 (DBR)激光器、超快激光器 ? 波長：紫外、可見、紅外 ? 峰值功率： 〉 100TW量級(jí) ? 最高平均功率： 〉 MW量級(jí) ? 調(diào)諧范圍：從 200nm延伸到 4?m。 ? 1966年，美國 Dimmock、 Bulter、 Melngailis等 低溫工作窄帶半導(dǎo)體近紅外可調(diào)諧激光器。 ? 1962年，美國 Nathan、 Hall和 Quist 77K GaAs半導(dǎo)體激光器。 相干光源、非相干光源與激光 —— 相干光源 ? 特點(diǎn)： ? 方向：發(fā)散很小 ? 頻譜：單一 ? 連續(xù)性：無限連續(xù) ? 亮度：極高 ? 在時(shí)間、空間上相位同步 ? 傳輸增益，出射光強(qiáng)增強(qiáng) 激光器 非線性光源 (b)激光發(fā)射的相干光 相干光源、非相干光源與激光 —— 激光 ? 激光：受激放大光發(fā)射 ? Laser， (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ?單色亮度高 ?出射光強(qiáng)遠(yuǎn)大于入射光強(qiáng) ?相位整齊 ?方向性好 ?強(qiáng)度高 ? 為信息處理提供了穩(wěn)定的載息媒介。 ? 1938年，美國 紐曼（ Neuman）等 研制成熒光燈 ? 目前 , 呈現(xiàn)固體燈取代熒光燈的趨勢(shì)。 (a)普通光源產(chǎn)生的非相干光 —— 非相干光源 來源：原子或分子體系的自發(fā)輻射 相干光源、非相干光源與激光 —— 非相干光源 ? 1878年 12月，英國 斯萬（ Swan）發(fā)明電燈泡。 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????各種小型光源發(fā)光二極管（信息處理用光源發(fā)光二極管顯示器場致發(fā)光液晶顯示器熒光顯示器等離子體管陰極射線管顯示光源燈）本征場致發(fā)光燈（固體白熾燈氣體放電燈、熒光燈照明光源非相干光源激光的和頻與差頻激光產(chǎn)生高次諧波光參量振蕩非線性光學(xué)器件子體體激光器激光相干光源器件源光L E D ))()(激光器等 離半 導(dǎo)染料激光器固體激光器氣體激光器L E DEL表31 光源器件分類 著重由電轉(zhuǎn)換成光的能量轉(zhuǎn)換效率和顏色 著重顯示圖象的清晰度、對(duì)比度、色彩飽和度等 著重光的單色性和高速脈沖性 ? 相干光源、非相干光源與激光 特點(diǎn)： ?各原子自發(fā)輻射的光波方向、頻率及 相位等都是不確定的、分散的 （ 與人為形成且相位一致的電波相比） 方向：四面八方無規(guī)則輻射 頻譜：如同火花放電，是白噪聲； 連續(xù)性：無數(shù)衰減脈沖光的集合 (圖 (a)) 強(qiáng)度：光波亮度很低 —— 雜亂無章的噪聲光 —— 傳輸衰減，出射光強(qiáng)恒小于入射光強(qiáng)。第 3章 激光原理與技術(shù) 主要內(nèi)容 ? 相干光源、非相干光源與激光 ? 光與物質(zhì)相互作用理論 —— 激光產(chǎn)生與傳播基礎(chǔ) ? 激光產(chǎn)生的條件 ? 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 ? 激光的特點(diǎn) ? 激光器的種類 ? ? 激光選模技術(shù) ? 激光穩(wěn)頻技術(shù) ? 其他激光技術(shù) ? 相干光源、非相干光源與激光 如同電子學(xué)中的電源一樣，光電子學(xué)中第一個(gè)接觸的便是光 源。 光源器件 主要是指電光變換器件，分成 相干光源 和 非相干光 源 ，如表 31。 最早利用電作光源的是炭弧燈。 ? 1879年 10月，美國 愛迪生（ Edison）質(zhì)量更好的電燈泡。 ? 固體燈：利用超高亮度白光二極管或其他場致發(fā)光管制作 ? 優(yōu)點(diǎn)：體積小、轉(zhuǎn)換效率高、耗電省、加壓低 ? 應(yīng)用：已有交通燈、路標(biāo)、宣傳、廣告牌等 家用燈樣品正走向?qū)嵱?。 相干光源、非相干光源與激光 —— 激光 ? 1916年，美國 愛因斯坦，提出概念，指明獲得途徑 (《 關(guān)于輻射的量子理論 》 ) ? 1954年，美國 湯斯（ ），研制成功 MASER(致冷氨分子 )， ? 1958年，美國和前蘇聯(lián)科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)提出了實(shí)現(xiàn)激光振蕩的具體設(shè)想： ? 美國 肖洛（ ） /湯斯（ ）（“紅外和光學(xué)振蕩器”） ? 前蘇聯(lián) (實(shí)現(xiàn)三能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光器的建議 ) ? 1960年，美國 梅曼 () 紅寶石激光器問世（波長 ） ? 從理論到實(shí)現(xiàn)歷時(shí) 44年，原因有二： ? 當(dāng)時(shí)對(duì)激光的社會(huì)需求不迫切，還沒有引起資助部門的注意， ? 學(xué)者受微波振蕩器金屬封閉腔模型束縛，沒有找到技術(shù)關(guān)鍵 相干光源、非相干光源與激光 —— 激光 ? 1960年秋，美國 Javan等 ?m連續(xù)振蕩 HeNe氣體激光器。 ? 1966年， Sorokin 等 激光泵浦若丹明 6G可調(diào)諧液體有機(jī)染料激光器。 ? 1970年，美國 Lin等 雙異質(zhì)結(jié)連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。 相干光源、非相干光源與激光 —— 非線性相干光源 ? 來源：激光與各種非線性光學(xué)材料相互作用 ? 1961年，美國 Mc. Clung和 Hellwarth 發(fā)明激光調(diào) Q法，開辟道路。 ? 1968年，開始利用鎖模技術(shù)制造超短脈沖激光器 ? 1969年獲得亞皮秒（ 1013秒）光脈沖，現(xiàn) 45飛秒 (1015秒 )激光器已商品化，向阿秒 1018秒）進(jìn)軍。 ? 1971年，美國 Dewey，用光差頻法獲得波長可調(diào)的紅外光源； ? 1972年，日本 俊藤等，用和頻產(chǎn)生出黃光； ? 三次諧波產(chǎn)生、光整流效應(yīng)等也相繼得以實(shí)現(xiàn)。 1. 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典模型 介質(zhì)的極化強(qiáng)度：單位體積中的電偶極矩 P xpP NeN ???式中， N為單位體積中粒子數(shù)。 原子中的外層電子受核和鄰近原子的與位移成正比的庫侖力作用，位移不大時(shí)表示為： xxx 2022?mkdtdm ????K：彈性系數(shù)， x： 電子偏移平衡位置距離， m：電子質(zhì)量， ：電子固有頻率。由 x(ω)表達(dá)式 可以看出，若不考慮 ?，則 x(ω)為有限恒值，電子將吸收的能量全部輻射出去，中間 沒有能量損耗，電子維持等幅振蕩；若考慮 ?，則達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后吸收的能量與發(fā)射 的能量必然達(dá)到平衡，系統(tǒng)維持等幅振蕩，這種過程稱為光的散射。 0???(2)當(dāng) 時(shí)，如果不考慮輻射阻尼 ?，則 x(ω)→∞ ；如果考慮 ?，則 x(ω)為有限恒 虛數(shù)值，因而振子都將吸收能量：有 ?時(shí)，吸收的能量用作維持輻射；沒有 ?時(shí)，吸收 的能量用作不斷增大振