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。
磁共振充电原理
磁共振充电原理
磁共振充电原理是一种新型的无线充电方式，其原理基于磁共振现象。
具体来说，当一个电磁场与物质中的共振频率相同时，能量可以被传递到物质中，从而实现无线充电。
在磁共振充电系统中，发射器产生一个电磁场，其频率与接收器共振频率相同。
接收器中的共振线圈接受电磁场中的能量，并将其转换成电能，以供电子设备使用。
由于磁共振充电系统只能传递能量到共振频率相同的接收器，因此这种充电方式非常安全，不会对其他设备产生干扰。
磁共振充电原理还可以应用于无线充电汽车等领域。
在这种情况下，发射器可以放置在汽车停车场的地面上，而接收器则嵌入在汽车底部。
当汽车停放在发射器范围内时，接收器就能够接收到能量并进行充电。
总的来说，磁共振充电原理的优点包括高效、安全、方便等。
未来，这种充电方式将有望在各种电子设备和汽车领域得到广泛应用。
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激光原理背诵版(整理)
32.激光器三要素：工作物质、泵浦源、光学谐振腔
33.工作物质：提供受激辐射的能级结构
34.泵浦源：将低能级粒子抽运到高能级，实现粒子数反转
激光原理重点汇整
第1章 电磁场和物质的共振相互作用
1.电磁场和物质的共振相互作用：自发辐射、受激辐射、受激吸收。在热平衡条件下，自发辐射为主，使受激辐射占优的前提是实现粒子数的反转分布。
2.自发辐射和受激辐射的区别：自发辐射是随机的，各光子之间无关联性，受激辐射是相干光（频率、相位、波失、偏振均相同）；自发辐射是非相干光，受激辐射是相干光；
30.共焦腔与稳定球面镜腔的等价性：任何一个共焦腔可以与无穷多个稳定球面腔等价，任何一个稳定球面镜腔只能有一个等价共焦腔。
31.已知球面镜腔的的R1、R2、L，求z1、z2、和f，z1=负的L(L-R2)除以[(L-R1)+(L-R2)]，z1=L(L-R1)除以[(L-R1)+(L-R2)]，f平方=负的L（L-R1）（L-R2）（L-R1-R2）除以[(L-R1)+(L-R2)]平方
11.气体激光物质：碰撞加宽+多普勒加宽，气压低时以多普勒加宽为主（非均匀加宽），气压高时以碰撞为主（均匀加宽）。
12.固体激光物质：晶格振动加宽+晶格陷阱加宽，参杂及缺陷少时以晶格振动加宽为主(均匀加宽)，低温下为非均匀加宽。
13.液体激光物质：碰撞加宽
14.常见均匀加宽激光工作物质：红宝石、YAG、二氧化碳（＞1330帕）、砷化镓
32.非稳腔：高功率即大能量输出的激光器常为非稳腔，非稳腔内存在一对共轭像点，从共轭像点发出的球面波是腔内的自再现模。
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。
第三章-激光工作物质的增益kp
在气压不太高时，有：
均匀加宽来源于自然加宽和碰撞加宽 均匀加宽谱线宽度为
3. 晶格振动加宽
3.2 谱线加宽和线型函数
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, 导致其能级位置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
原子自发辐射、受激辐射和受激吸收概率
3.3 激光器的速率方程 一、自发辐射、受激辐射和受激吸收概率的修正
3.3 激光器的速率方程 对自发辐射来说，n2个原子中单位时间内发生自发辐射跃迁的原子总数为（保持不变）：
对于受激辐射：
3.3 激光器的速率方程
3.3 激光器的速率方程 则受激跃迁概率为： 实际应用中常引入吸收和发射截面来表示。
用经典电磁场理论描述光；用量子力学模型描述原子 可处理与光的波动性相关的物理现象(包括非线性现象), 但不能处理与光的粒子 性(量子光学)有关的问题，例如光的量子起伏，光子统计等。
第三章 激光工作物质的增益 (3)(全)量子理论－量子电动力学理论处理方法
辐射场与原子都作量子化处理 量子电动力学处理光—光子 量子力学模型处理原子
功率为P(ν) d ν，则自发辐射的总
功率为：
3.2 谱线加宽和线型函数
本质：反映发光粒子或光源 光谱线形状
3.谱线宽度
3.2 3谱.2线谱加线宽加和宽线和型线函型数函数
线宽的其他表示形式: 用波长差表示的线宽:
3.2 谱线加宽和线型函数
举例 •两种加宽机制：均匀加宽、非均匀加宽
3.2 谱线加宽和线型函数
该能级具有无限长寿命
上、下能级宽度分别为
激光原理 周炳琨版课后习题答案
6．某一分子的能级 到三个较低能级 、 和 的自发跃迁几率分别是 ， 和 ，试求该分子 能级的自发辐射寿命 。若 ， ， ，在对 连续激发并达到稳态时，试求相应能级上的粒子数比值 、 和 ，并回答这时在哪两个能级间实现了集居数反转。
解：该分子 能级的自发辐射寿命 为：
在连续激发时，对能级 、 和 分别有：
即该物质的增益系数约为 。
第二章
习题
1．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
往返矩阵变为
若光线在腔内往返两次，有
可以看出，光线在腔内往返两次的变换矩阵为单位阵，所以光线两次往返即自行闭合。
当 时， 小
当 时， 小
3. 在 波长时 ，试求在内径为 的 波导管中 模和 模的损耗 和 ，分别以 ， 以及 来表示损耗的大小。当通过 长的这种波导时， 模的振幅和强度各衰减了多少（以百分数表示）？
解：由
，
， 。
当 时， ，
4.试计算用于 波长的矩形波导的 值，以 及 表示，波导由 制成， ， ，计算由 制成的同样的波导的 值，计算中取 。
得
10m
1m
10cm
0
2.00cm
2.08cm
2.01cm
2.00cm
2.40
22.5
55.3
56.2
从上面的结果可以看出，由于f远大于F，所以此时透镜一定具有一定的聚焦作用，并且不论入射光束的束腰在何处，出射光束的束腰都在透镜的焦平面上。
17． 激光器输出光 ， =3mm，用一F=2cm的凸透镜距角，求欲得到 及 时透镜应放在什么位置。
微波共振原理
微波共振原理
微波共振是指当微波的频率与某个物体的共振频率相同时，物体会吸收微波能量并发生共振现象。
微波共振原理包括以下几个方面：
1. 共振频率：物体的共振频率取决于其结构和材料的特性，通常通过对物体的尺寸和材料进行优化设计来实现。
当微波的频率与物体的共振频率相同时，物体能够高效地吸收微波能量。
2. 偶极矩与电场：微波电磁场与物体相互作用的机制是通过物体内的偶极矩与微波电场之间的相互作用来实现的。
当物体的结构和材料使得其具有偶极矩时，物体能够对微波电场产生响应，并吸收微波能量。
3. 谐振腔：为了增强微波的能量传输效果，通常会使用谐振腔来实现微波共振。
谐振腔是一种封闭的空腔结构，能够使微波的电磁场在其中来回反射，从而形成驻波场。
物体通常放置在谐振腔的某个特定位置，以实现与微波场的耦合。
4. 电磁能量吸收与转换：当微波共振发生时，物体吸收了微波能量。
这些吸收的能量可以通过不同的机制进行转换，例如发热、电能转换等。
因此，微波共振不仅仅可以用于加热食物、杀菌消毒等应用，还可以应用于能量传输、通信、无线电波反射等领域。
总之，微波共振原理涉及到共振频率、偶极矩与电场相互作用、
谐振腔及电磁能量的吸收与转换等方面，以实现物体对微波能量的高效吸收与利用。
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。
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。
磁共振技术及核磁共振
磁共振技术前 言具有磁矩的粒子，例如原子核或电子，在稳恒磁场中对射频或微波电磁辐射产生共振吸收现象，称为磁共振。
它是研究物质与电磁场相互作用，了解物质的微观结构的重要手段之一，这是物理实验的一个重要分支。
由于磁共振方法具有能深入物质内部，而又不破坏品本身，并且具有迅速、准确、分辨率高等优点，因此，它发展很快，在物理、化学、生学、医学及它们的边缘学科中具有广泛的应用。
另一方面，磁共振对磁场的精密测量也供了新的技术，做出了重要的贡献。
磁共振有多种形式，共振机理也有区别，例如核磁共振，电子自旋共振等，但基本原理和实验方法有许多相似之处。
磁共振的理论有经典和量子两种，它们都能说明磁共振现象的本质，下面主要对量子理论给予简要介绍。
现以核磁共振为例加以说明。
根据量子力学，核角动量p 由下式决定：||p = (1)其中，I 为核自旋量子数，可取1301222h π=、、、、，, h 为普朗克常数。
又核自旋磁矩μ 与p 的关系为 pγμ= (2)γ称旋磁比。
现以氢核为例，式(2)可写为p m e g p 2=μ或)1(+=I I g N μμ (3) 式中pm e g 2=γ，e 为质子电荷，p m 为质子质量，g 为朗德因子，5.05082N phe m μ==⨯2710-焦耳/特斯拉，称核磁子。
当氢核处在外磁场B中，磁矩在外磁场方向上的投影是量子化的，只能取下列数值， N z mg mh μγμ== (4)I 、m =I 、I 、I ----)1(1称磁量子数。
磁矩μ 在静磁场B 中具有势能为 B mg B E N μμ-=⋅-= (5) 对氢核，21=I ，故21±=m ，即分裂为两个能级，称塞曼能级，如图1(a)所示。
两能级的能量差为Βg μE N =∆ (6)显然，其能量差与外磁场B 的大小成正比，见图1(b ).由量子力学选择定则，只有1±=m ∆，两个能级之间才能发生跃迁，上述塞曼能级之间是满足跃迁选择定则的。
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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和
线 型
线型函数在 0 时有最大值 g%,0 , g%,0 下降至最
函 数
大值的一半时对应的频率记为0 2 ，则有：
g% 02,0g% 20,0
则 称为谱线宽度。
引起谱线加宽的各种机制不同，加宽分为：
➢均匀加宽（自然加宽、碰撞加宽、晶格振动加宽）
4.
➢非均匀加宽（多普勒加宽、晶格缺陷加宽）
学描述。用这种方法建立激光器理论是由兰姆(mbJr)在
物 1964年开始的,故称为激光器的兰姆理论。
质
半经典理论能较好地揭示激光器中大部分物理现象,如强度特
的
共 性(反转粒子数烧孔效应与振荡光强的兰姆凹陷)、增益饱和效应、
振 多模耦合与竞争效应，模的相位锁定效应、激光振荡的频率牵引
相 互
第
四 一、经典理论 章
电
它的出发点是,将原子系统和电磁场都用经典电动力学
磁 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
场 从经典力学的振子。也称为经典原子发光模型。
和
物
它曾成功地解释了物质对光的吸收和色散现象,定性地
质 说明了原子的自发辐射及其谱线宽度,等等。 的
共
此外,经典理论在描述光和物质的非共振相互作用时也
射跃迁。在晶体中，无辐射跃迁起因于原子和晶格振动相互作用，原子
4.
２ 释放的内能转化为声子能量，目前应用：光声成像技术。
谱
碰撞加宽和自发辐射引起的谱线加宽，线型一样：
线 加 宽 和 线
L
g% L,00222L2;
L21L
任一原子与其他原子发
型
非弹性碰撞时的自发辐射均匀加宽：
生碰撞的平均时间间隔
函
数
H212; H2112＋ 11
线 型
以这种加宽属于均匀加宽。对于固体激光工作物质 ，晶格
与频率推斥效应等。
作
这种理论的缺点：数学处理比较繁杂。
用
第 四
三、量子理论
章
《量子电动力学》处理方法。它对光频电磁场和物质原子都
电 作量子化处理,并将二者作为一个统一的物理体系加以描述。
磁
Байду номын сангаас
激光器的全量子理论只是在需要严格地确定激光的相干
场 和
性和噪声以及线宽极限这些特性时才是必要的。
物
质 四、速率方程理论
振 起一定作用。特别是对于自由电子激光器,可以完全采用运
相 动电子电磁辐射的经典理论来描述。
互
作
用
第 二、半经典理论
四 章
它是属于量子力学范围内的理论方法，与量子力学中关于原
电 子跃迁和光的辐射、吸收问题的处理方法相似。它的出发点是采
磁 用经典麦克斯韦方程组描述光频电磁场，而物质原子则用量子力
场 和
型 函
线加宽。
数
由于谱线加宽，自发辐射功率为频
率的函数P(v)，如图4.2.1，分布在: d
的功率为p(v) dv，则: P Pd
在速率方程理论中，重要的是P(v)的函数形式。
因此，引入谱线的线型函数 g%,0 ，定义为：
4.
２
谱 线
则
g%,0
p
P
其中v0表示线型函数中心频率。
加 宽
g%,0d 1 此式称为线型函数的归一化条件。
２ ➢综合加宽（气体工作物质的综合谱线加宽、固体激光工
谱 线
作物质的谱线加宽、液体工作物质的谱线加宽）。
加 一、均匀加宽
宽
和
如果引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，则这
线 种加宽称作均匀加宽。对此种加宽，每一发光原子对光谱
型 线内任一频率都有贡献。
函
数 1、自然加宽
受激原子在激发态上具有有限的寿命，这一因素造成
下能级为基态
下能级为激发态
３、晶格振动加宽
固体工作物质中，激活离子镶嵌在晶体中，周围的晶
4.
２ 格场将影响其能级的位置。由于晶格振动使激活离子处于
谱 随时间周期变化的晶格场中，激活离子的能级所对应的能
线 加
量在某一范围内变化，因而引起谱线加宽。温度越高，振
宽 动越剧烈，谱线越宽。
和
由于晶格振动对于所有激活离子的影响基本相同，所
不考虑原子能级E2、E1宽度，可认为自发辐射是单色的， 辐射时全部功率P都集中在一个单一的频率上，单位体积物
4.
质内原子发出的自发辐射功率为： ２
E2E1 h
谱 线
Pddnt21hn2A21h
加 宽
由于各种因素的影响，自发辐射并
和 不是单色的，而是分布在中心频率 E2E1 h
线 附近一个很小的频率范围内，这就叫谱
的
它是量子理论的一种简化形式,因为它是从光子(即量子
共 振 相 互
化的辐射场)与物质原子的相互作用出发的。 忽略了光子的相位特性和光子数的起伏特性，这种理论
形式非常简单。缺点：只能给出激光的强度特性，而不能揭
作 示出色散(频率牵引)效应,也不能给出与激光场的量子起伏有
用 关的特性。
4.２ 谱线加宽和线型函数
了原子跃迁谱线的自然加宽。谱线宽度为： N
1 2 s2
4.
２
自然加宽的线型:
N
g%N ,0
0
2
2
N
2
2
洛伦兹线型
谱 线 加
谱线宽度为：
N
1 2 s2
宽
和
自然加宽线宽完全
线 取诀于原子在能级上的
型 寿命。 函
数
２、碰撞加宽
气体中，大量原子(分子)处于无规热运动状态，当两个原子相遇而
处于足够接近的位置时(或子与器壁相碰时)，原子间的相互作用足以改
线 横向弛豫过程。这种过程虽不会使激发态原子减少，却会使原子发出
型 的自发辐射波列发生无规的相位突变，如图4.2.3所示。相位突变所引 函 起波列时间的缩短可等效于原子寿命的缩短。 数
激发态原子也可与器壁发生碰撞回到基态。这一过程属于非弹性碰
撞，它与自发量辐射过程一样，也会引起激发态寿命的缩短，称作无辐
第四章 电磁场和物质的共振相互作用
激光器的理论基础是光频电磁场与物质的相互作用( 特别是共振相互作用)。
光与物质的相互作用包括：光与组成物质的原子(或 离子、分子)内的电子之间的共振相互作用（大多数激光 器）；光与自由电子的相互作用（自由电子激光器）；另 一种，光与物质的非线性光学效应。
激光器的特性，宏观有激光强度、频率特性，微观有 场的量子起伏（相干性和噪声），激光器的严格理论是建 立在量子电动力学基础上，它可以描述激光器的全部特性。 下面介绍四种近似理论:
4.
变原子原来的运动状态；在晶体中，虽然原子基本上是不动的，但每个
２ 原子也受到相邻原子的偶极相互作用(即原子-原子藕合相互作用)。
谱 线 加
因而一个原子也可能在任意时刻由于这种相互作用而改变自己的运 动状态，这时我们也可称之为“碰撞”。
宽
碰撞过程可能是各种各样的，例如激发态原子和同类基态原子发
和 生碰撞、激发态原子和其他原子发生弹性碰撞。通常将以上过程称作