21 激光器几种理论

2-1 激光器的几种理论
激光器的严格理论是建立在 量子电动力学基础上的，它原则 上可以描述激光器的全部特性， 但由于它的复杂性，我们在讨论 激光器的某些现象时不一定非得 采用它，而是使用不同近似程度 的理论去描述不同层次的问题。 下面简介激光器的四类不同理 论的出发点及其应用范围。
量子电动力学创始人之一—狄 拉克
一 、经典理论 内容：该理论将原子系统与 光频电磁场都作经典处理，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。 应用：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。
英国物理学家麦克斯韦 (1831-1879)
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二、半经典理论 内容：仍采用经典的麦克斯韦方程组描述电磁场，而使用 量子力学理论描述物质的原子。采用这种方法建立激光器 理论的工作是由兰姆于1946年开始的，又称激光器的兰 姆理论。 优点（应用）：该理论可以较好地揭示激光器中的大部分 现象，如强度特性、增益饱和效应、模式竞争效应、频率 牵引现象及频率推斥效应等。 缺点：掩盖了与场的量子化特性有关的物理现象，如自发 现象的产生以及由它所引起的激光振荡线宽极限、振荡过 程中的量子起伏效应。由于该理论的数学处理相当复杂， 超出本书范围，故不讨论。
三、量子理论 内容：这是量子电动力学处理方法，它对光频电磁场以及 物质原子都作量子化处理，将两者作为统一的物理体系加 以研究。 应用：这种激光器全量子理论只是在须要严格确定激光相 干性和噪声以及线宽极限等问题才是必要的。这些内容也 超出了本书范围。
四、速率方程理论 内容：这是量子理论的一种简化形式。因为它是从光子与 物质原子的相互作用出发的，并忽略了光子的相位特性与 量子数的起伏特性，而使得该理论具有非常简单的形式。 优点（应用）：这个理论的基础是自发辐射、受激辐射和 受激吸收几率与爱因斯坦系数之间的关系，由此导出激光 器的速率方程。利用速率方程可以讨论激光器的强度特性， 如反转粒子数的烧孔效应、兰姆凹陷现象、增益饱和现象 并且可以给出对模式竞争、线宽极限等现象的粗略解释。 缺点：该理论不能揭示增益介质对光的色散现象以及由此 而引起的频率牵引现象。本书所讨论的绝大多数有关激光 的理论主要采用的是速率方程理论。
第二章
辐射场与物质的相互作用
内 容
激光器的物理基础是光频电磁 场与物质的原子、分子或离子之间 的共振相互作用。为了揭示这些相 互作用的本质，掌握激光器工作的 特性，须建立激光器理论。激光器 理论有非常严格的，也有近似的。 本章首先简介几种激光器理论， 然后讨论激光谱线的线性函数，以 及各种谱线加宽的机理，最后引出 激光器的速率方程。