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激光中光与物质的基本的相互作用

激光中光与物质的基本的相互作用

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  • 来源:
  • 发布时间:2020-03-22 22:38
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激光中光与物质的基本的相互作用

【概要描述】激光产生光,其过程如下:物质中的电子从一个激发的能级移动到一个较低的能级,释放光子,产生激光束。因此,光与物质之间的基本相互作用是分析激光操作和激光特性的基础。本节简要介绍激光材料中的原子/分子之间的相互作用以及光子是如何产生激光的。 能级原子的能级是由电子与原子核和其他电子的相互作用决定的。当电子从一个能级移动或转移到另一个能级时,特定数量的能量被吸收或释放出来。这是光子与物质原子相互作用的主要

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激光产生光,其过程如下:物质中的电子从一个激发的能级移动到一个较低的能级,释放光子,产生激光束。因此,光与物质之间的基本相互作用是分析激光操作和激光特性的基础。本节简要介绍激光材料中的原子/分子之间的相互作用以及光子是如何产生激光的。
 
能级
原子的能级是由电子与原子核和其他电子的相互作用决定的。当电子从一个能级移动或转移到另一个能级时,特定数量的能量被吸收或释放出来。这是光子与物质原子相互作用的主要机制。这些能级及其相关的光子能量只由原子的电子结构所决定。图1是原子的一般能级图。分子由两个或两个以上的原子组成,它们的能级由原子间力决定。和简单的原子相比,分子除了电子跃迁,还具有振动、转动相互转换作用,导致更复杂的能量交换(参见图1)。对于原子/分子之间距离比较远的,比如说稀薄的气体,每个孤立的原子/分子的能级是一样的。但是,当原子/分子聚焦起来,比如说液体和固体,分子间的相互作用变得越来越重要,最初的能级逐渐聚集,彼此间隔,形成能带。绝缘体和导体的价带和导带以及它们的分离能隙见图1。
 
Figure 1..原子间相互作用的能级图的演化(从左到右):孤立原子、孤立分子、固体绝缘体和固体半导体。孤立原子/分子只有能级说法;原子和原子之间才有能带说法:绝缘体能带大,电子难以跃迁,故导电率低,半导体相反。
 
辐射过程
无论构成材料的物质类型如何,光与原子相互作用有三个基本过程,在能级之间产生向上和向下的跃
迁。图2显示了一个被称为自发辐射的过程,当一个原子处于较高的能级(E2)或激发态时,自发地衰变到较低的能级(E1),辐射出一个光子。由于每种物质都有一组唯一的能级,即发射的光子拥有特定于该物质的能量。这些光子的能量与频率(ν)与光的波长(λ):
 
  
其中h是普朗克常数,c是光速。图2所示的第二个过程是吸收。吸收是指原子最初在低能级上,吸收了光子,升到了高能级上。最后一个过程是受激辐射。受激辐射本质上是吸收的逆过程,因为它也需要吸收光子,不过此时的原子是在高能级上进行吸收,光子刺激该原子辐射出一个相同特性的复制光子,这个光子和之前吸收的光子具有相同的能量、指向、相位、偏振。受激辐射产生光子,其代价是原子中储存的能量被消耗,从而导致光的放大或增益。这一现象是激光操作的核心
 
Figure 2. 三种辐射过程光子(hν)与原子相互作用使物质:系统交互后(左)和交互之前(右) 
 
跃迁截面 
跃迁截面 σ(ν)是量化这些原子辐射的一个有用参数。这个值描述了相互作用发生的强度或概率,适用于上面讨论的三个辐射过程。如图3所示,跃迁截面由光子的的频率或波长决定。其主要集中在共振频率(ν0)附近,ν0最大,两边递减。有几个量提一下,跃迁截面峰值σ0 = σ(ν0),线宽 (Δν)即为半峰宽(FWHM),面积 (S),叫跃迁强度或振荡强度。跃迁截面、面积 (S)和归一化的跃迁截面(S=1)关系是
 
 
其中线性函数g(ν) 是做了归一化处理。这样处理是为了将其他因素的影响和频率影响分开。很多因素会影响Δν 和 g(ν) 的联系,包括均匀和非均匀的谱线增宽。由于式(2)可应用于受激辐射,因此激光的放大/增益利用可以利用此公式。 一个大的跃迁强度(S)可以产生一个大的增益,从而产生激光,而线性函数g(ν) 主要是确定频率响应和增益带宽。
Figure 3. 跃迁截面σ(ν)(左)和线性函数g(ν)(右).
 
粒子反转
对辐射过程的描述(图2)说明了它们的影响与不同能级原子的数量有关。对于处于热平衡状态的系统,原子处于特定能级的概率由玻尔兹曼分布给出。如图4所示,该概率随能级的增加呈指数递减。如果只考虑E2和E1两个能级(见图4),那么Boltzmann分布给出了它们各自的数量N2和N1的比例为:
 
 
k是玻尔兹曼常数,T是温度。典型的激光转换能级差(ΔE)比室温下的kT高两个数量级,因此N2 / N1 < < 1。由于大多数原子处于最低的能量水平,吸收辐射过程占主导地位,这是光与大多数物质相互作用的典型方式。此外,由于高能级的原子数很少,受激辐射是极不可能发生的。然而,如果大量原子可以转移到高能级,也就是当N2大于N1时,可以实现称为粒子反转的非平衡状态。粒子反转是激光作用的先决条件。
 
 
Figure 4. 一个原子在热平衡状态下占据一个原子的能级的概率(左)。平衡条件下的粒子分布和粒子反转(右)。
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