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；
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?均匀加宽宽?描述：??线型函数：归一同宽时???高??高斯函数?非均匀加宽?相对宽度一样
?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??激光场：???njBjig??,?0?????? 对跃迁的影响：?dni???dt?st?受激跃迁：?njBji?g??,?0???d??极端情形???????????dni??dt?st?宽带光场：???njBjig??,?0???0??dt???st??激光器中实际情况：
激光工作物质 跃迁中心波长 红宝石 高掺杂红宝石 Nd3+: YAG 钕玻璃 HeNe Ar离子 二氧化碳 HeCd 砷化镓 694.3nm 694.3nm 1.06?m 1.06?m 633.0nm 488.0nm 514.5 nm 10.6?m 441.6nm ~1?m 加宽类型 均匀加宽 非均匀加宽 均匀加宽 非均匀加宽 非均匀加宽 非均匀加宽 综合加宽 均匀加宽 非均匀加宽 均匀加宽 线宽 300GHz 1GHz 180GHz 6000GHz 1.5GHz 6GHz 几十MHz (6.6?P)MHz 6GHz 1GHz 工作条件 T=300K T<100K T=300K 高激励 400K，常气压 P > 1330帕 P < 1330帕 ?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
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
1g(?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?????hc?
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