电磁场和物质的共振相互作用.
激光原理 知识点
激光原理知识点
激光原理的知识点包括:
1.黑体和黑体辐射:黑体是一种理想化的辐射体，黑体辐射是描述黑体发出的辐射规律的理论。
2.自发辐射、受激辐射和受激吸收:这是激光产生的基本过程。
即自发辐射产生光子，受激辐射放大光子，受激吸收则吸收光子。
3.光腔理论:涉及到光腔的稳定性条件、共轴球面腔的稳定性条件、开腔模式的物理概念和行射理论分析方法、高斯光東的基本性质及特征参数等。
4.电磁场和物质的共振相互作用:描述了光和物质相互作用的经典理论。
以及谱线加宽和线型函数等概念。
5.激光振落特性:涉及到激光的特性，如相干性好、方向性好、单色性好、亮度高，这些特性可以归结为激光具有很高的光子简并度。
6.光子简并度:是描述激光光子相干性的物理量。
7.光的多普勒效应:描述了光波在运动中由于光源和观察者的相对运动而产性频率变化的现象。
8.均匀增宽与非均匀增宽:描述了光谱线增宽的两种类型，均匀增宽通常是由于原子或分子的自然热运动引起的，而非均匀增宽则通常是由于原子或分子之间的碰撞弓|起的。
9.自然增宽和多普勒堵宽:自然增宽是由于原子或分子自旋的统计分布引起的，多普勒增宽是由于原子或分子的热运动引起的。
以上只是简单的列举，实际上激光原理所涵盖的知识点还有很多，需
要系统学习和实践。
制表：审核：批准：。
电磁场辐射对物质的作用机制及其应用
电磁场辐射对物质的作用机制及其应用电磁场辐射是指电磁波向外传播时所带有的能量和信息。
在我们的日常生活中，电磁场辐射随处可见，比如无线电、电视、手机、微波炉等，这些设备都会产生电磁场辐射。
虽然电磁场辐射不可避免，但它也会对我们的身体和周围环境产生影响。
因此，了解电磁场辐射对物质的作用机制及其应用，对我们理解和应对电磁场辐射的影响具有重要意义。
一、电磁场辐射的作用机制电磁场辐射主要通过电磁波的振动传播，与物质相互作用。
具体来说，电磁波振荡时，它的电场和磁场都会对物质内的原子、分子等带有电荷的粒子进行作用。
当电磁波频率相对低时，电场作用于物质中带电粒子的位置发生变化，而磁场则对物质中的带电粒子磁矩产生作用。
当电磁场辐射频率较高时，它的能量已经足够大，直接对物质中的电子进行作用，从而使物质发生变化。
电磁场辐射的电场和磁场在空间中以不同的方向振动，一般情况下，它们是相互垂直的。
根据电场和磁场振荡的方向和频率不同，电磁场辐射可以分为不同的类型，例如，可见光、红外线、紫外线、X射线等。
不同类型的电磁场辐射对物质的作用机制也不同。
二、电磁场辐射对物质的作用电磁场辐射对物质的作用可以分为直接作用和间接作用两种。
1. 直接作用电磁场辐射能够改变物质的物理和化学性质，比如可以使物质产生电离、激发光谱等。
当电磁场辐射对物质中的电子进行作用时，它们可能会失去或者获得能量，从而使物质分子的化学键破裂或形成新的化学键。
当电磁场辐射频率高到一定程度时，它对物质中的分子和原子进行电离，从而产生电子、离子等。
2. 间接作用电磁场辐射还能通过物质内部的电磁场、热效应、化学效应等方式间接作用于物质。
例如，当电磁波穿过导体时，会引起电流产生，从而产生热效应，这就是微波炉或电磁炉的基本原理。
此外，电磁波还可以改变物质的介电常数，或使物质中的自由电子发生共振，从而影响物质的性质。
三、电磁场辐射的应用电磁场辐射具有广泛的应用范围。
其中，计算机、手机、通讯设备等高科技电子产业，都必须依靠电磁场辐射来进行信号传输和数据处理。
核磁共振成像原理主要依据
核磁共振成像原理主要依据
核磁共振成像（NuclearMagneticResonanceImaging，简称MRI）作为一项新兴的诊断手段，使用自然磁场和射频脉冲对物质进行研究，可以对物体或活体器官进行内部细致的影像检查，进而提供判断和诊断基础。
但是，MRI的原理主要依据是什么？
核磁共振成像的基础原理主要来源于高频电磁场，以及物质中原子核和磁场之间的相互作用。
原子核有一种称为磁性的特性，将它们放入一个外部磁场中，可以改变原子核的极性，引起其它原子核的反应。
经过一系列的激发，原子核将会散发出自身的能量，这些能量是磁场和原子核经过反复激发过程后形成的，它们的特征和参数将取决于激发的物质的类型和核素的数量。
MRI原理中，射频脉冲技术也发挥着非常重要的作用。
在核磁共振之前，需要先用大功率的射频脉冲将检查物质中的各种原子核激发起来。
射频脉冲具有各种不同的参数，例如频率、持续时间、功率和频宽等，这些参数会影响到体系中的磁场分布，并决定了MRI的数据及检查结果。
随着科技的进步，射频脉冲技术也在不断改进，在极小的频宽内传输更多数据，从而改善MRI检查质量和准确性。
另外，新开发的高梯度磁场技术也使得MRI更加清晰，它可以让磁场变得更准确，从而让MRI检查更加清晰细致。
总之，MRI原理主要依据是高频电磁场，以及原子核与磁场之间的相互作用，而射频脉冲和高梯度磁场技术也是MRI检查的重要部分，
它们的改进也让MRI的画质更加清晰，使得精准诊断成为可能。
磁场共振原理
磁场共振原理
磁场共振原理是指当外加交变电磁场频率与物体本身的固有频率相同时，物体会出现共振现象。
在磁场共振状态下，电磁场能量会被有效地传递给物体，从而引起物体的共振运动或共振响应。
磁场共振原理是基于物体的固有频率与外加电磁场频率之间的相互作用。
当物体的固有频率与外加电磁场频率相同或接近时，物体会吸收大量的电磁场能量，从而形成共振现象。
根据磁场共振原理，可以利用外加电磁场的频率来探测或激发物体的固有频率。
这一原理在磁共振成像等领域具有广泛应用。
例如，磁共振成像利用磁场共振原理，通过对被检物体施加外加磁场和射频脉冲，使被检物体的核磁共振发生，进而得到被检物体的结构和组织信息。
在实际应用中，磁场共振原理还可以用于激发和探测其他物体的固有频率。
例如，利用磁场共振原理可以实现无线能量传输，即通过外加磁场的共振作用，将能量有效地传输到接收物体上。
总之，磁场共振原理是基于物体固有频率与外加电磁场频率之间的相互作用，当频率相同时，物体会出现共振现象。
这一原理在磁共振成像和无线能量传输等领域有着重要的应用。
激光原理第四章答案1
气体的碰撞线宽系数 估算,根据 气体的碰撞线宽与气压p的关系近似为
可知,气体压强为 时的碰撞线宽约等于碰撞线宽系数.
再由 和 ,其中
可估算出其值约为
当 时，其气压为
所以，当气压在 附近时以多普勒加宽为主，当气压比 大很多时，以均匀加宽为主。
5．氦氖激光器有下列三种跃迁，即 的632.8nm， 的 和 的 的跃迁。求400K时它们的多普勒线宽，分别用 、 、 为单位表示。由所得结果你能得到什么启示？
(2)在 时间内自发辐射的光子数为：
所以
(3)量子产额为：
无辐射跃迁导致能级2的寿命偏短，可以由
定义一个新的寿命 ，这样
7．二能级的波数分别为 和 ，相应的量子数分别为 和 ，上能级的自发辐射概率 ，测出自发辐射谱线形状如图4.1所示。求
(1)中心频率发射截面 ；
(2)中心频率吸收截面 。
(能级简并度和相应量子数的关系为 ，可设该工作物质的折射率为1.)
解：实验方框图如下：
实验程序以及计算公式如下：
(1)测量小信号中心频率增益系数：移开红宝石棒，微安表读数为 ，放入红宝石棒，微安表的读数为 ，由此得到小信号增益系数为
减小入射光光强，使小信号增益系数最大。然后维持在此光强，微调单色仪鼓轮以改变入射波长(频率)，使小信号增益系数最大，此最大增益系数即为小信号中心频率增益系数 。
式中 和 分别为镜 开始移动的时刻和停止移动的时刻； 和 为与 和 相对应的 镜的空间坐标，并且有 。
得证。
3.在激光出现以前， 低气压放电灯是很好的单色光源。如果忽略自然加宽和碰撞加宽，试估算在77K温度下它的605.7nm谱线的相干长度是多少，并与一个单色性 的氦氖激光器比较。
激光原理知识点汇总201905
激光原理知识点汇总第一章电磁场和物质的共振相互作用1.相干光的光子描述，光的受激辐射基本概念1)1960年7月Maiman报道第一台红宝石固体激光器，波长694.3nm。
2)光的基本性质：能量ε=hνh: Planck常数，ν :光波频率运动质量m=ε/c2=hv/c2静止质量0动量knhnchnmcp=•===22λππν3)光子的相干性：在不同的空间点、不同时刻的光波场某些特性的相关性相干体积相干面积，相干长度，相干时间光源单色性越好，相干时间越长：相格空间体积以及一个光波摸或光子态占有的空间体积度等于相干体积属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的4)黑体辐射的planck公式在温度T的热平衡下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量1-=kThehEνν腔内单位体积、单位频率间隔内的光波摸式数338chnνπν=Planck公式：11833-==kThechνννπρ单色能量密度，k：Boltzmann常数Bohr定则：νhEE=-125)光的受激放大a.普通光源在红外和可见光波段是非相干光，黑体是相干光黑体辐射的简并度KTnmnmKTnmKTncmKTkThhEn50000,1,110,6.0,3001,60,30010,30,3001)exp(1353=≈=≈==≈==≈==→-==-μλμλμλλννb.让特定、少数模式震荡，获得高的光子简并度21212121338AWABchn===ννρνπρ6)光的自激振荡a.自激振荡概念分数单位距离光强衰减的百自损耗系数)(1)(zIdzzdI-=αdzzIIgzdI)(])([)(..α-=考虑增益和损耗])ex p[()(0zgIzIα-=αααsmsmIgIIIgIg)(1)(0-=→=+=光腔作用: (1)模式选择; (2）提供轴向光波摸的反馈；b.震荡条件等于号是阈值振荡ααα≥→≥-=000)(gIgI sm是工作物质长度llgL...........0δδα≥→=lg0单程小信号增益因子7)激光的特性：单色性、相干性、方向性、高亮性。
电磁共振耦合的原理是
电磁共振耦合的原理是
电磁共振耦合是指在一定条件下，两个或多个物体之间的电磁场能量相互传递和交换的现象。
它的原理可以通过以下几点来解释：
1. 共振频率匹配：当两个物体具有相近的共振频率时，它们的电磁场能量更容易相互传递。
共振频率是指物体在受到外界激励时，产生最大振动或响应的频率。
当物体的共振频率相近时，它们会出现相互放大的现象。
2. 电磁感应：当一个物体发生电磁感应时，它会生成电流和磁场。
这个电流和磁场可以穿过另一个物体，从而在另一个物体中产生感应电压。
这种感应现象使得两个物体可以通过电磁耦合相互传递能量。
3. 磁场耦合：在电磁共振耦合中，物体之间的电磁场能量主要通过磁场相互传递。
当一个物体产生磁场时，它的磁场会穿过另一个物体，从而在另一个物体中引起感应电流和磁场。
4. 能量转移：经过电磁共振耦合，能量可以从一个物体传递到另一个物体，而不需要物体之间的直接接触。
这种能量传递可以用于实现无线能量传输、无线充电和数据传输等应用。
需要注意的是，电磁共振耦合的实现需要满足一定的条件，包括共振频率匹配、适当的距离和合适的耦合结构等。
同时，由于共振耦合的高效性和非接触性，它
也会带来一些挑战，如能量损耗和对环境的影响等。
因此，在实际应用中需要综合考虑各种因素来设计和优化电磁共振耦合系统。
电磁场的辐射和相互作用机制
电磁场的辐射和相互作用机制随着科技的发展和社会的进步，我们日常生活中不可避免地与电磁场产生接触。
然而，电磁场的辐射和相互作用机制一直以来都是一个备受关注的话题。
本文将从电磁场的辐射和相互作用机制的角度进行深入探讨。
首先，我们来了解一下电磁场的辐射机制。
电磁场的辐射是指电磁波通过空间传播的过程。
当电子在加速运动或产生振荡时，就会激发电磁波的辐射。
这种辐射是由电子的运动产生的，并以光速在空间中传播。
电磁波的传播遵循着麦克斯韦方程组，其中包括麦克斯韦方程和洛伦兹力定律。
通过这些方程可以推导出电磁波的速度、频率、波长等参数。
接下来，我们将探讨电磁场的相互作用机制。
电磁场是由电荷和电流产生的，因此与电荷和电流的相互作用密不可分。
当电磁波通过一个物体时，它与物体中的电荷和电流相互作用，从而引起物体的响应。
这种相互作用可以是吸收、反射或传输。
吸收是指物体吸收电磁波的能量，使其转化为内部能量。
反射是指电磁波遇到物体表面时发生的反射现象，使波的方向改变。
传输是指电磁波穿过物体而不改变其传播方向。
在电磁场的相互作用中，特别需要注意的是电磁波与物体之间的共振现象。
共振是指当物体的固有频率与电磁波的频率相匹配时，会发生能量的传递和放大。
这种共振现象在无线通信、雷达和光学器件等领域中得到广泛应用。
通过调节电磁波的频率，可以达到与物体共振并实现所需效果的目的。
另外，电磁场还具有与物质密切相关的相互作用机制。
电磁场与物质之间的相互作用主要涉及电磁感应、电磁感受性和电磁感应素的概念。
电磁感应是指当磁场发生变化时，就会在磁场发生变化的区域内感应出电场。
这一现象是由法拉第电磁感应定律描述的。
电磁感受性是指物质对电磁场的敏感程度，不同物质具有不同的电磁感受性。
电磁感应素是用来描述物质对电磁场感应程度的物理量。
通过对电磁感应的研究，我们可以深入了解电磁场与物质之间的相互作用机制。
综上所述，电磁场的辐射和相互作用机制在科学研究和实际应用中具有重要的意义。
激光原理第四章答案1
第四章 电磁场与物质的共振相互作用1 静止氖原子的4223P S →谱线中心波长为632.8nm ，设氖原子分别以0.1c 、0.4c 、0.8c 的速度向着观察者运动，问其表观中心波长分别变为多少？解：根据公式νν=c λν=可得：λλ=代入不同速度，分别得到表观中心波长为： nm C 4.5721.0=λ，0.4414.3C nm λ=，nm C 9.2109.0=λ2．设有一台迈克尔逊干涉仪，其光源波长为λ。
试用多普勒原理证明，当可动反射镜移动距离L 时，接收屏上的干涉光强周期地变化2/L λ次。
证明：如右图所示，光源S 发出频率为ν的光，从M 上反射的光为I '，它被1M 反射并且透过M ，由图中的I 所标记；透过M 的光记为II '，它被2M 反射后又被M 反射，此光记为II 。
由于M 和1M 均为固定镜，所以I 光的频率不变，仍为ν。
将2M 看作光接收器，由于它以速度v 运动，故它感受到的光的频率为：因为2M 反射II '光，所以它又相当于光发射器，其运动速度为v 时，发出的光的频率为这样，I 光的频率为ν，II 光的频率为(12/)v c ν+。
在屏P 上面，I 光和II 光的广场可以分别表示为：S2M (1)vcνν'=+2(1)(1)(12)v v v c c cνννν'''=+=+≈+00cos(2)cos 2(12)I II E E t v E E t πνπν=⎡⎤=+因而光屏P 上的总光场为光强正比于电场振幅的平方，所以P 上面的光强为它是t 的周期函数，单位时间内的变化次数为由上式可得在dt 时间内屏上光强亮暗变化的次数为(2/)mdt c dL ν=因为dt 是镜2M 移动dL 长度所花费的时间，所以mdt 也就是镜2M 移动dL 过程中屏上光强的明暗变化的次数。
对上式两边积分，即可以得到镜2M 移动L 距离时，屏上面光强周期性变化的次数S式中1t 和2t 分别为镜2M 开始移动的时刻和停止移动的时刻；1L 和2L 为与1t 和2t 相对应的2M 镜的空间坐标，并且有21L L L -=。
激光原理复习题重点难点
《激光原理》复习第一部分知识点第一章激光的基本原理1、自发辐射受激辐射受激吸收的概念及相互关系2、激光器的主要组成部分有哪些？各个部分的基本作用。
激光器有哪些类型？如何对激光器进行分类。
3、什么是光波模式和光子状态？光波模式、光子状态和光子的相格空间是同一概念吗？何谓光子的简并度？4、如何理解光的相干性？何谓相干时间，相干长度？如何理解激光的空间相干性与方向性，如何理解激光的时间相干性？如何理解激光的相干光强？5、EINSTEIN系数和EINSTEIN关系的物理意义是什么？如何推导出EINSTEIN 关系？4、产生激光的必要条件是什么？热平衡时粒子数的分布规律是什么？5、什么是粒子数反转，如何实现粒子数反转？6、如何定义激光增益，什么是小信号增益？什么是增益饱和？7、什么是自激振荡？产生激光振荡的基本条件是什么？8、如何理解激光横模、纵模？第二章开放式光腔与高斯光束1、描述激光谐振腔和激光镜片的类型？什么是谐振腔的谐振条件？2、如何计算纵模的频率、纵模间隔？3、如何理解无源谐振腔的损耗和Q值？在激光谐振腔中有哪些损耗因素？什么是腔的菲涅耳数，它与腔的损耗有什么关系？4、写出（1）光束在自由空间的传播；（2）薄透镜变换；（3）凹面镜反射5、什么是激光谐振腔的稳定性条件？6、什么是自再现模，自再现模是如何形成的？7、画出圆形镜谐振腔和方形镜谐振腔前几个模式的光场分布图，并说明意义8、基模高斯光束的主要参量：束腰光斑的大小，束腰光斑的位置，镜面上光斑的大小？任意位置激光光斑的大小？等相位面曲率半径，光束的远场发散角，模体积9、如何理解一般稳定球面腔与共焦腔的等价性？如何计算一般稳定球面腔中高斯光束的特征10、高斯光束的特征参数？q参数的定义？11、如何用ABCD方法来变换高斯光束？12、非稳定腔与稳定腔的区别是什么？判断哪些是非稳定腔。
第三章电磁场与物质的共振相互作用1、什么是谱线加宽？有哪些加宽的类型，它们的特点是什么？如何定义线宽和线型函数？什么是均匀加宽和非均匀加宽？它们各自的线型函数是什么？2、自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽与哪些因素有关？3、光学跃迁的速率方程，并考虑连续谱和单色谱光场与物质的作用和工作物质的线型函数。
电磁波与物质的相互作用
电磁波与物质的相互作用<序号> 电磁波与物质的相互作用1. 引言通过现代科学技术的发展，我们对电磁波与物质之间的相互作用有了更深入的理解。
电磁波是一种在空间中传播的电场和磁场的振荡现象，而物质则包括了我们周围的一切物质实体。
在本文中，我们将探讨电磁波与物质之间的相互作用，并进一步了解这个相互作用如何影响和塑造我们的日常生活以及科学技术的进步。
2. 基础概念为了更好地理解电磁波与物质的相互作用，我们首先需要了解一些基础概念。
电磁波包括了一系列不同频率的波，从长波的无线电波到短波的紫外线和伽马射线。
物质则具有各种各样的性质，包括电导性、透明度和折射率等。
电磁波与物质的相互作用是通过电场和磁场对物质内部电荷和电子的作用来实现的。
3. 吸收和发射电磁波与物质之间最常见的相互作用是吸收和发射。
当电磁波与物质相遇时，物质中的电荷和电子将被电场和磁场作用力推动，从而导致能量的吸收和转化。
这种吸收和发射的过程在各种领域中发挥着重要作用。
太阳光的热量吸收使得地球温暖，而荧光材料的发光则是因为它们能够吸收并重新辐射入射光的能量。
4. 折射和反射除了吸收和发射外，电磁波与物质之间还存在折射和反射的相互作用。
当电磁波从一种介质传播到另一种介质时，它的速度和方向都会发生改变，这就是折射现象。
这种现象在光学中非常常见，如光线从空气中进入水中时会发生折射。
反射是指电磁波与物质界面相遇后反弹回来的现象，如镜子中的光线反射。
5. 散射和干涉电磁波与物质之间的相互作用还可以导致散射和干涉。
散射是指电磁波在物质中遇到不同电场和磁场的微小改变时改变传播方向的现象。
这种现象常见于大气中的气溶胶颗粒散射太阳光而形成的蓝天现象。
干涉是指两个或多个电磁波相互作用时产生的波干涉现象，如在液晶显示器中，电磁波的干涉导致不同颜色的像素点显示。
6. 应用和实践电磁波与物质的相互作用在许多领域中都有广泛的应用和实践价值。
在通信技术中，电磁波的吸收和发射允许我们进行无线通信，如手机和卫星通信。
激光标准答案
5. 试证明：由于自发辐射，原子在E ２能级的平均寿命211/A τ=,证明：若t=0时刻,单位体积中Ｅ２能级的粒子数为ｎ20,则单位体积中在t →t+dt 时间内因自发辐射而减少的E2能级的粒子数为:2122122120A t dn A n dt A n e dt --==故这部分粒子的寿命为t,因此E2能级粒子的平均寿命为212120020211A t tA n e dtn A τ∞-==⎰7．证明当每个模式内的平均光子数(光子简并度)大于１时，辐射光中受激辐射占优势。
证:受激辐射跃迁几率为2121W B νρ=受激辐射跃迁几率与自发辐射跃迁机率之比为式中,/n ννρ表示每个模式内的平均能量，因此/()n h ννρν即表示每个模式内的平均光子数,因此当每个模式内的平均光子数大于1时,受激辐射跃迁机率大于自发辐射跃迁机率，即辐射光中受激辐射占优势。
8．(1)一质地均匀的材料对光的吸收系数为-10.01mm ,光通过10c ｍ长的该材料后,出射光强21212121B W A A n h νννρρν==为入射光强的百分之几?（2)一束光通过长度为1m 的均匀激励的工作物质。
如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。
解:(1) 出射光强与入射光强之比为所以出射光强只占入射光强的百分之三十七。
（2） 由00()g z I z I e α-=（）可得：00()12g z I z z m e I α-===（）时， ln 2g α=+第二章 开放式光腔与高斯光束习题3.试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔,即任意傍轴光线在其中可以往返无限多次,而且两次往返即自行闭合。
证：设光线在球面镜腔内的往返情况如下图所示：其往返矩阵为：由于是共焦腔，有12R R L ==往返矩阵变为 0.011001out ine e e 0.37l I I α--⨯-===≈122212111210101122110101212(1) 222222[(1)][(1)(1)]A B L L T C D R R L L L R R L L L L R R R R R R ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭⎝⎭ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎛⎫-- ⎪ ⎪= ⎪-+----- ⎪⎝⎭。
激光原理与技术：第四章
χ′
和虚部
χ ′′
。
在物质中沿z方向传播的单色平面波， 方向偏振的 在物质中沿 方向传播的单色平面波，其x方向偏振的 方向传播的单色平面波 电场强度为：
E ( z , t ) = E ( z ) e iwt
2
将上式代入方程中： 方程的形式特解：
d x dx e 2 +γ + w0 x = − E ( z, t ) 2 dt dt m
• 1. 电介质的极化： 电介质的极化： • 激光器的工作物质大多为电解质。电解质由原子组成，而原子 由原子核和核外电子组成。没有光电场时，原子内的正负电荷 中心重合，不表现偶极性。当原子处在光电场中时，原子内正 负电荷在电场的作用下，其分布发生变化，正负电荷中心不再 重合，表现出电偶极性，就是原子在电场作用下的感应电极化。 • 考虑单电子原子系统： 电偶极矩： p
一个原子的感应电偶极矩：
e2 E( z) m p( z, t ) = eiwt 2w0 ( w0 − w) + iγw0
忽略原子间的相互作用，整个介质的宏观感应 电极化强度为：
ne E( z ) iwt m P( z, t ) = Np( z, t ) = e 2w0 (w0 − w) + iγ w0
第四章
电磁场与物质的共振相互作用
绪
论
光频电磁场与激光工作物质的相互作用是形成激光的物理基础. 光频电磁场与激光工作物质的相互作用是形成激光的物理基础. 经典理论、半经典理论、 经典理论、半经典理论、全量子理论和速率方程理论 本章的中心是讨论场与物质原子间的共振相互作用。 本章的中心是讨论场与物质原子间的共振相互作用。 共振相互作用 由于光场与物质相互作用的特点与介质自发辐射谱线加宽及其 性质密切有关，因此将讨论光谱线的加宽问题。 性质密切有关，因此将讨论光谱线的加宽问题。
共振现象的名词解释
共振现象的名词解释共振是一种普遍存在于自然界中的现象，涉及到物体或系统在特定条件下与外界力或能量的相互作用。
在共振状态下，物体或系统的振动频率与外界力或能量的频率保持稳定的关系，在相互作用下发生巨大变化。
一、基本概念共振现象是指当一个物体或系统振动频率与另一个物体或系统的激励频率接近或相等时，后者对前者施加的外界力会越来越强，进而引起前者振幅的增加。
这种现象通常发生在机械振动、电磁振动、声波振动等许多不同领域。
二、共振的物理机制共振的物理机制可以从不同角度来理解。
1. 机械共振在机械振动中，共振是由于外界力的周期性激励与系统的固有频率相吻合。
当外界力的频率与系统固有频率接近时，外界力会与系统之间的耦合效应相互促进，导致能量的传递和积累。
这种能量的传递和积累造成系统振幅的急剧增加，并达到最大值。
例如，当一个人在秋千上用力摆动，并以适当的频率推动，秋千很容易摆动得更高。
这是因为，当推动力的频率接近秋千摆动周期时，推动力会与秋千之间的耦合效应共同作用，使秋千的摆动增加。
2. 电磁共振电磁共振是指当电磁场中一个物体或系统的频率与外界电磁波的频率相匹配时，电磁能量的传递和积累在物体或系统中发生共振。
这种共振现象在无线通信、雷达、天线等领域中得到广泛应用。
例如，当收音机调谐到一个电台的频率时，电磁波与电台之间发生共振，电台发送的无线电信号被接收并转换成声音信号。
这是因为电磁波的频率与电台发射的频率相匹配，共振现象使得电磁能量能够有效地传输到接收器中。
3. 声波共振声波共振发生在声学系统中，当声波的频率能够与系统中的空腔或振动体自然频率相吻合时发生。
这种共振现象在管风琴、音箱和乐器等领域中发挥重要作用。
例如，当一个酒杯被敲击时，酒杯内部空气柱的固有频率会与外界力的频率相匹配，并产生共振。
这种共振现象使得酒杯发出清脆的声音。
三、共振现象的应用共振现象不仅仅是自然界的普遍存在，而且在许多领域有着广泛的应用。
1. 共振成像技术共振成像技术是一种通过扫描物体或组织的共振频率来获得特定信息的技术。
激光原理考试重点
激光原理考试重点激光原理考试重点第一章激光的基本原理1.光子的波动属性包括什么？动量与波矢的关系？光子的粒子属性包括什么？质量与频率的关系？答：光子的波动性包括频率，波矢，偏振等。
粒子性包括能量，动量，质量等。
动量与波矢：质量与频率：2.概念：相格、光子简并度。
答：在六维相空间中，一个光子态对应的相空间体积元为，上述相空间体积元称为相格。
处于同一光子态的光子数称为光子简并度，它具有以下几种相同含义：同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数3.光的自发辐射、受激辐射爱因斯坦系数的关系答：自发跃迁爱因斯坦系数：.受激吸收跃迁爱因斯坦系数：)。
受激辐射跃迁爱因斯坦系数：。
关系：;;为能级的统计权重(简并度)当时有4.形成稳定激光输出的两个充分条件是起振和稳定振荡。
形成激光的两个必要条件是粒子数反转分布和减少振荡模式数5.激光器由哪几部分组成？简要说明各部分的功能。
答：激光工作物质：用来实现粒子数反转和产生光的受激发射作用的物质体系。
接收来自泵浦源的能量，对外发射光波并能够强烈发光的活跃状态，也称为激活物质。
泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。
光学谐振腔：a)提供轴向光波模的正反馈；b)模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。
6.自激振荡的条件？答：条件：其中为小信号增益系数：为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。
7.简述激光的特点？答：单色性，相干性，方向性和高亮度。
8.激光器分类：固体液体气体半导体染料第二章开放式光腔与高斯光束1.开放式谐振腔按照光束几何偏折损耗的高低，可以分为稳定腔、非稳腔、临界腔。
2.驻波条件，纵模频率间隔答：驻波条件：应满足等式：式中，为均匀平面波在腔内往返一周时的相位滞后；为光在真空中的波长；为腔的光学长度；为正整数。
相长干涉时与的关系为：或用频率来表示：.纵模频率间隔：不同的q值相应于不同的纵模。
腔的相邻两个纵模的频率之差3.光线在自由空间中行进距离L时所引起的坐标变换矩阵式什么？球面镜的对旁轴光线的变换矩阵？答：光线在自由空间中行进距离L时所引起的坐标变换矩阵式球面镜的对旁轴光线的变换矩阵：而为焦距。
2电磁场与物质的相互作用
麦克斯韦 (1831－1879)
麦克斯韦方程组
麦克斯韦方程组
E (r , t ) B(r , t ) t H ( r , t ) D( r , t ) t D(r, t ) (r, t )
B( r , t ) 0
麦克斯韦 (1831－1879)
周期性变化的电场周围产生磁场， 这个磁场也是周期性变化的， 而且变化的频率与电场相同， 这个变化的磁场又会产生同频率变化的电场……
关于电磁场……
中学的课本告诉我们：
变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场， 变化的电场和磁场总是相互联系在一起的， 形成一个不可分离的统一的场
周期性变化的电场周围产生磁场， 这个磁场也是周期性变化的， 而且变化的频率与电场相同， 这个变化的磁场又会产生同频率变化的电场……
受激跃迁
→受激吸收
受激辐射
取决于上下能级 粒子数的差
电磁场与物质的相互作用
- 共振作用 -
泵浦 （抽运）
激射！
受激辐射
Optical Pumping
Towns 发明了氨分子微波量子振荡器
(MASER)
1964年获得诺贝尔物理学奖.
1960：美国休斯公司实验室西奥多.哈罗德.梅曼
1960年5月的某一天.梅曼和往常一样来到实验室.他打 开了泵浦源的开关,让脉冲氙灯的电能馈入红宝石中,此 时,这台装置中发射出了第一束闪光.梅曼平静地写下了 实验记录:红色,波长694.3纳米.这束光,色单纯,所有的 波都在同一个方向上;发射到几千英里以外也不会因发 散而失去作用;聚焦到某一点上可以达到极大的能量,甚 至可以超过太阳表面的温度值.这束光,就是激光;梅曼 做成这个“受激辐射光放大器”就是世界上第一台激 光器.
真空中的电磁场与物质相互作用
真空中的电磁场与物质相互作用在自然界的真空中，电磁场与物质之间存在着一种微妙而又富有深度的相互作用关系。
电磁场作为一种物质无关的物理现象，本身并不具备质量和电荷，而物质则具有质量和电荷，可以通过电磁场的作用而发生变化。
首先，我们需要了解电磁场的基本概念。
电磁场是由电磁波所传播的，电磁波由电场和磁场组成。
电场是由电荷产生的，而磁场则是由电流所产生的。
当电场和磁场相互作用时，就会形成电磁波并传播。
在真空中，电磁波可以自由传播，没有任何阻碍。
然而，在物质存在的情况下，电磁场与物质之间就会发生相互作用。
这种相互作用可以通过电磁感应来说明。
当电磁波经过物质时，如果物质中存在电荷或电流，就会受到电场或磁场的影响而发生电流的感应。
这种感应现象可以起到应用于电磁感应原理的电磁感应系数来表征，电磁感应系数是反映物质对电场和磁场的敏感程度的一个物理量。
电磁感应现象不仅在物质中存在，在光学中也有广泛应用。
例如，当光线通过介质时，会受到介质对电场的影响而发生折射。
这是因为介质中的分子或原子对电场的响应使光线的传播速度发生改变，从而导致光线的偏折。
这种现象可以通过折射率来量化，折射率是介质对光的电磁场的相对响应程度的一个物理量。
不同的物质对电磁场的响应程度不同，因而具有不同的折射率。
除了折射现象，电磁场与物质还存在着其他形式的相互作用。
例如，雷达原理就是利用电磁波与物质的相互作用来实现目标探测和测量距离的技术。
雷达发射出的电磁波在与目标物体相互作用后，会发生散射现象。
通过测量散射波和发射波之间的时间差，再结合光速的知识，就可以确定目标物体的距离。
这种相互作用是利用电磁场在真空和物质中传播具有不同的速度来实现的。
在电磁场与物质相互作用中，我们还需要注意到电磁波的频率对物质的相互作用方式的影响。
不同频率的电磁波会引起物质中不同的响应。
例如，当电磁场的频率与物质的共振频率相匹配时，就会引起共振现象，使物质受到更强的相互作用。
这种共振现象在核磁共振成像中得到广泛应用。
周版激光原理课件第四章
一个原子的感 应电矩
物质的感应电极化强度为： P(z, t) 0 E(z, t)
令： i
比较以上两式得：
ne2
m00
2(0 ) 1
1
4(0
2
)2
ne2
m00
1
1
4(0 )2 2
相对介电常数为： 1 0
1 1 1 i i
22
1 1
2 1
讨论： 1、处理受迫振动的思路：由受迫振动方程来求出光 和物质相互作用，再求出位移和宏观极化强度，最 后求出g和ŋ。
2、结果适用于有激励或者无激励，大信号或小信号。
3、Δn=-n, Δn>0,则g>0,对应增益状态， Δn<0,则g<0,对应吸 收状态。
4、线型函数：洛仑兹线型，谱线宽度： H 2
其中的方向性是腔体选模的结果；单色性、相干性和高强 度是由于电磁场和物质的相互作用造成的。
3、研究相互作用的方法
1)、经典理论 经典理论，也称为经典原子发光模型，是把场和物质都看 作是经典范畴的东西。曾成功地解释了物质对光的吸收和色散 现象，定性解释了原子的自发辐射及其谱线宽度等。
2)、半经典理论 半经典理论，属于量子力学范围，也称为激光器的兰姆理 论，是把场看作是经典范畴而物质看作是量子范畴的东西。较 好的揭示了激光器中的强度特性、增益饱和效应等等。
p el
原子极化的经典模型，形式简单、形象化，可使某些问题 的处理简化，但实际上并不正确，为什么？
二、原子电偶极化的量子力学描述
在量子力学中，原子的状态用波函数描述，场对原子的 作用表现为场使原子的波函数发生变化，这个变化可能使原 子体系的电偶极矩的量子力学平均值不再为零。
三、物质的极化用宏观电极化强度描述
电磁场中的粒子共振与共振效应
电磁场中的粒子共振与共振效应在物理学中，粒子共振和共振效应是两个常见的概念。
它们描述了粒子在电磁场中的行为和相互作用。
本文将深入探讨电磁场中的粒子共振与共振效应，让我们一起来了解它们的原理和应用。
首先，让我们来了解一下电磁场。
电磁场是由电磁波引起的一种物理现象。
当从一个粒子或物体上产生电磁波时，这个粒子或物体就成为了一个电磁场的源。
而其他粒子或物体则处于电磁场的作用之下。
那么，当一个粒子或物体的固有频率与外部电磁场的频率相匹配时，就会发生粒子共振。
具体来说，当一个粒子受到外部电磁场的驱动力作用时，如果外部电磁场的频率与粒子的固有频率相同，就会引发共振现象。
这时，粒子会以较大的幅度振动。
粒子共振具有一些显著的特点。
首先，共振通常发生在粒子的固有频率附近。
如果外部电磁场的频率远离粒子的固有频率，共振就不会发生。
其次，共振会导致粒子吸收和释放更多的能量。
当一个粒子受到外部电磁场驱动时，在共振频率处，粒子的振动会变得非常强烈，从而吸收更多的能量。
共振现象可以应用到许多领域，包括天文学、光学、声学等。
在天文学中，共振是天体运动中的重要现象。
例如，在行星运动中，行星和卫星之间可以发生共振现象，从而形成稳定的轨道。
在光学中，共振可以用于制造共振腔和共振吸收器等器件，以增强或减弱光的强度。
在声学中，共振可以应用于共振谐振器和音箱等设备的设计和制造。
除了粒子共振，共振效应也是电磁场中的一个重要现象。
共振效应是指在特定条件下，电磁场能够对物体产生非常强的作用。
当一个电磁场与一个物体的固有频率相匹配时，就会发生共振效应。
这时，电磁场通过与物体的相互作用，能够产生巨大的效应。
共振效应具有一些独特的特点。
首先，共振效应只会在特定的频率范围内发生。
如果电磁场的频率不在物体的固有频率范围内，就无法产生共振效应。
其次，共振效应会导致物体吸收和传递更多的能量。
当一个电磁场与物体共振时，物体会吸收电磁场中的能量，并将其转化为其他形式的能量。
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3.晶格振动加宽
• 由于晶格原子的热振动，镶嵌在晶体里的激活离子处 在随时间变化的晶格场中,导致其能级的能量值在一定范 围内发生变化从而引起谱线加宽
• 晶格热振动对所有发光离子的影响是相同的,属均匀加
宽。晶格振动加宽是固体工作物质主要均匀加宽因素
二、非均匀加宽－不同的原子向不同的频段发射光
~ n ,n g L 0 Dn L 2
2
n n 0
Dn L 2
2
碰撞加宽 Dn L
1
t L
Dn L －碰撞线宽
t L －(平均)碰撞时间(发生碰撞的平均时间间隔)
• 碰撞加宽－压力加宽
充气压原子(分子)间碰撞次数碰撞加宽宽度
Dn L p
比例系数； P-压强
第四章 电磁场和物质的共振相互作用
• 激光器理论简介
(1) 经典理论－经典原子发光模型
电磁场(Maxwell方程组) 原子体系(经典力学的振子) 光的吸收、色散；自发辐射及自发辐射谱线宽度
(2)半经典理论－兰姆理论（Lamb,1964)
激光辐射场－经典电磁场（Maxwell方程组） 原子体系－薛定谔方程描述的量子力学系统
• 激光器理论简介（续）
(2)半经典理论 场对介质的作用－薛定谔方程中的微扰哈密顿量
介质对场的作用－Maxwell方程中的极化强度项
(3)(全)量子理论－量子电动力学理论处理方法
辐射场与原子作为统一的物理体系，作量子化处理
(4)*速率方程理论－量子理论的简化形式
电磁场(量子化的辐射场－光子)& 介质原子相互作用 忽略光子的相位和光子数的起伏特性, 只讨论光子数 (即光强)
• 阻尼系数 ( ~ 自发辐射寿命ts
p t x t
2
洛仑兹线型
p t P0 e t
s
dn2 t Pt hn n20hnA21e t t dt P0
1 ts
~ n ,n g N 0
1 2t s 2 4 2 n n 0 2
t1
若跃迁发生激发态－激发态
Dn N DE2 DE1 1 1 h 2t 1 2t 2
t1， t2 －能级1和能
级2的寿命
2.碰撞加宽(Collision Broadening)
原子之间的无规“碰撞”造成的
•弹性碰撞: 自发辐射波列相位发生突变,波列长度 •非弹性碰撞: 内能转移,等效激发态寿命
CO2 ： =49kHz/Pa He3:Ne20(7:1) =720kHz/Pa
均匀加宽－引起加宽的物理因素对每个原子都等同,每 个发光原子都按整个线型发光
均匀加宽线型函数
~ n ,n g H 0 Dn H 2 n n 0 2 Dn H 22
•自然加宽 & 碰撞加宽同时存在
n’ =n1v /c)
z
n’n0
n n 0 1
vz vz n 1 n 0 0 c c
vz 1 c
• 速度为vz的运动原子与z向传播的光波相互作用时，原子表现 出来的中心频率（表观中心频率）为 n 0
• •
谱线宽度 Dn 两种加宽机制：均匀加宽、非均匀加宽
一、均匀加宽(Homogenous Broadening) 自然加宽、碰撞加宽、晶格振动加宽
1. 自然加宽 (Natural Broadening)
由于原子在激发态的有限寿命引起
＋
x －
2 x x 0 x0 2 e20 其中 6 0c3m
Dn H 1 2
仍为洛仑兹函数
1 2 t t Dn N Dn L L s
• 无辐射跃迁 固体中激发态离子和晶格相互作用，离子内能转化 为晶格热运动能量。等效于激发态寿命 谱线线型－均匀加宽 谱线宽度
Dn H 1 2t
洛仑兹线型
1
t1ts Nhomakorabea
1
ts
很小
xt x0e e
2
t
i0t
傅里叶变换
x n
2
x0 i n 0 n 2
xt x0e 2 ei0t
p n dn x n dn
2
t
x n
2
x0 i n 0 n 2
p pn dn
pn ~ g N n ,n 0 p 22 4 2 n n 0 2
气体中的多普勒加宽和固体物质中的晶格缺陷加宽
1.多普勒加宽 (Doppler Broadening)
热运动的发光粒子发出的光存在多普勒频移造成加宽
光学多普勒效应
光源n0 Vz<0 Vz>0 n 接收器
n n 0
1 v z c 1 v z c
vz c 1
vz n n 0 1 c
1ts
谱线宽度Dn N
1 2t s
• 能级寿命引起的谱线加宽的量子解释
DE2
测不准关系：时间与能量不能同时精确测定 • 原子能级寿命t ～ 原子的时间不确定值 • 原子能级不能用某一确定数值来表示，
DE
DE1
t
h 2
DE2
t2
若跃迁发生激发态－基态
Dn N 1 2t 2
DE1
vz n 0 1 n0 c
Vz>0 运动原子与光传播方向相同；
Vz<0 运动原子与光传播方向反向
• 求多普勒加宽的线型函数
V
1.原子数按Vz的分布－Maxwell分布
Vz>0 原子沿光传播方向运动； (朝接收器)
Vz<0 原子反光传播方向运动 (离开接收器)
• 受激辐射的多普勒效应（一维情况）
感受光波的 运动原子
vz
单色光波 运动原子
假想光源 感受光波的接收器
假想光源
n
若Vz=0
沿z向运动
原子感受频率 n
nn0 时, 共振相互作用最大 n’n0时, 共振相互作用最大
§4.3 谱线加宽与线型函数
•
p(n)
谱线加宽 p(n)
dn21 P hn n2 A21hn dt
P Pn dn
Dn
•
~n ,n 线型函数－表示谱线形状 g 0
n0
n
P n ~ g n ,n 0 P
[s]
~n ,n dn 1 g 0