电磁场与物质的相互作用

应用五、光镊及细胞手术系统 80年代中期，贝尔实验室的Arthur Ashkin发现一束连续波低功率（1W以下） 激光能“捕捉”单个细胞和原生动物。对于特定频率的激光，足够小的透 明物体会折射入射的光束，使路径偏折，折射的结果是动量从激光传递给 了目标。如果激光光束与目标的几个关系布置正确，传递给目标的动量就 会把目标向着入射的光束拉动，从而激光就能把目标移动。这束微小光束 如同一把极细微的镊子，将细微颗粒捏住，因此形象地称之为激光光镊。 在使用激光光镊的同时，第二束激光作为解剖刀或剪刀，则可以在细胞器 上进行精细的外科手术。
n(z)dz n(2m KT)12e2 m K T z2dz
g ~D(, 0)c0(2m K)T 12e[2K m2T c0 2(0)2]
g~D(0,0)c0(2m KT)12
D 20(2 m K 2lc T n 2 )1 2 7 .1 6 1 7 00(M T)1 2
gD( , 0)2D(ln2)12e[4ln2 (D 20)2]
• 自然加宽线型函数表示为
N
gN
(,0)
(
2
0)2
(N
2
)2
• 原子谱线的宽度以及辐射持续时间都反映了 原子能级的性质。
• 原子在能级上的有限寿命所引起的均匀加宽 也是量子力学测不准原理的直接结果。
• 设原子在能级上的寿命为，可理解为原子的 时间测不准，原子的能量测不准量E为
E
• 若跃迁上、下能级的寿命分别为2与1，则 原子发光具有频率不确定量或谱线宽度
2019-2019年我国激光医疗器械市场规模与增长
tudou/programs/view/b0nX3RTklT4/
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you.video.sina/b/30230911-1689208830.html 激光治疗眼睛
高斯光束的自在现变换
1、定义：高斯光束通过透镜后其结构不发生变化，即参数 w 0 或者f不变
1 1 21 22
•
当下能级为基态时，1为无穷大，有
1
2 2
N
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1
2 s
• 前述的表达式中线宽只与上能级寿命有关，
与下能级寿命无关，这是经典模型的局限性
带来的结果。
2 碰撞加宽（collision broadening)
• 大量原子（分子）之间的无规“碰撞”是引 起谱线加宽的另一重要原因。由于粒子之间 的碰撞（相互作用）引起的谱线加宽称为碰 撞加宽。
P()
P
(0表示线型函数的中心频率)
•
•
满足归一化条件 g~(,0)d1
线型函数在=0时有最大值，并在
0(E2E1)
h
0
2
时下降到最大值的一半，即
g ~ (0 2 ,0 ) g ~ (0 2 ,0 ) g ~ (2 0 ,0 )
• 按上式定义的称为谱线宽度。
加宽机制之一——均匀加宽 homogeneous broadening
c
c
意味着，当运动原子与光相互作用时，原子表现出来
的中心频率变为0 0[1(z c)。] 只有当光波频率 0
时才有最大相互作用。
结论：沿z方向传播的光波与中心频率为0并具有 速度z的运动原子相互作用时，原子表现出来的 中心频率为 0=0(1+z/c)。当z沿光波传播时，
z>0；当反向时， z<0 。
掺铒光纤在常温下的谱线加宽属于均匀加宽。
• 液体工作物质
溶于液体中的发光分子与周围其它分子碰 撞而导致自发辐射的碰撞加宽。因密度高， 平均碰撞时间间隔较短，碰撞加宽很大， 使液体有机染料激光工作物质自发辐射的 带状分子光谱变成准连续光谱，线宽可达 数十纳米。有机染料激光器的输出波长连 续可调。
小结
应用六、激光在心血管中的应用
激光在心血管中的应用主要体现在两个方面，即血管的选择性破坏和血管重建 术。激光用于血管的选择性破坏在理论和应用方面已经取得一些突破性进展，美国 激光于血管曲张治疗中心研究得知940nm的激光具有较深的穿透性，以及对血红素 较好的吸收特性，对水的最佳吸收特性以及对黑色素最小的吸收。利用该波长的激 光器对血管曲张的治疗达到了很好的疗效。激光心肌血管重建术是目前替代常规方 法治疗心脏病的一种有效手段，它利用激光于心肌组织作用产生的热效应，用高强 度激光束在缺血的心区域内打数个微孔，通过这些微孔把心腔中的血液引向缺血的 心肌区域，改善心肌血液微循环以达到治疗的目的。
• 固体工作物质中，激活离子镶嵌在晶体中，周围 的晶格场将影响其能级的位置。由于晶格振动使 激活离子处于随时间变化的晶格场中，激活离子 的能级所对应的能量在某一范围内变化，因而引 起谱线加宽。温度越高，振动越剧烈，谱线越宽。 由于晶格振动对于所有激活离子的影响基本相 同，所以这种加宽属于均匀加宽。
气体工作物质 固体工作物质
• 当原子静止（Z=0）时，它感受到的光波频率为 ，并在= 0处有最大的共振相互作用（最大的受激跃迁几率）。这意 味着原子表现出的中心频率为0。
• 当原子沿着z方向以Z运动时，相当于它离开假想光源运动， 于是原子感受到的光波频率变为
(1z )
c
只有当 0 时才有最大的相互作用，即
(1z
c
)0
10z 10(1(zc)z2) 0(1cz)0
• 在气体工作物质中：大量原子（分子）处于 无规则热运动状态，当两个原子相遇而处于 足够接近的位置时（或原子与器壁相碰时）， 原子间的相互作用足以改变原子原来的运动 状态。认为两原子发生了碰撞
• 在晶体中：虽然原子基本是不动的，但每个原子也 受到相邻原子的偶极相互作用，因而一个原子也可 能在无规的时刻由于这种相互作用而改变自己的运 动状态，也称为“碰撞”
自然加宽
压强加宽
多普勒加宽
孤立原子在静止 状态下所发射的 谱线所具有的宽 度
• 碰撞过程：分为弹性碰撞和非弹性碰撞 • 弹性碰撞：
A*+AA+A*,
A*+B 属于横向弛豫过程，虽不会使激发态原子减少，却 会使原子发出的自发辐射波列发生无规的相位突变， 相位突变引起的波列时间的缩短等效于原子寿命的 缩短。
• 由于碰撞的发生完全是随机的，只能了解它们 的统计平均性质。
• 设任一原子与其它原子发生碰撞的平均时间间
• 气体工作物质中的多普勒加宽 • 固体工作物质中的晶格缺陷加宽
1、多普勒加宽
多普勒加宽是由于作热运动的发光原子（分子）所发出的 多普勒频移引起的。
光学多普勒效应：当光源与光接收器作相对运动时，光接收 器接收到的光波频率将随光源与接收器相对运动速度的不 同而改变。
光学多普勒示意图
发光原子的中心频率为0。原子相对于接收器静止时，接收器收到的光波频率为0 。 当原子相对于接收器以Z的速度运动，接收器收到的光频率为
w0
w
' 0
满足：
利用透镜实现自在现变换
结论：
高斯光束在透镜 表面上的波面的
曲率半径
激光光束质量的描述方法
激光光束质量的评价参数
以高阶高斯光 束为例讲解！
psci/Detail.asp?ProID=102
M2因子仪
提纲
• 四种近似理论 • 电解质的极化 • 谱线加宽和线型函数的定义
• 谱线加宽的分类
• 如果引起加宽的物理因素对每个原子都是等 同的，则这种加宽称作均匀加宽。
• 每个原子都以整个线型发射，不能把线型函 数上的某一特定频率和某些特定原子联系起 来，即每一发光原子对光谱线内任一频率都 有贡献。
• 自然加宽、碰撞加宽和晶格振动加宽属于均 匀加宽
1 自然加宽（natural broadening）
• 由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色 的，即光谱不是单一频率的光波，而包含有 一个频率范围，称为谱线加宽。
• P()是描述自发辐射功率按频率分布的函数。
在总功率P中，分布在~+d范围内的光功 率为P()d ，数学表示为
P P()d
P()的物理意义？？
• 引入谱线的线型函数 g~(,0)
g ~(,0)
实验测出，红宝石晶体在低温时主要是晶格 缺陷引起的非均匀加宽，与温度无关；在常 温时则是晶格热振动引起的均匀加宽为主， 随温度的升高而加大。
对Nd:YAG晶体，在整个温度范围内都以均匀 加宽为主。
在钕玻璃中，配位场不均匀性引起的非均匀 加宽和玻璃网络体热振动引起的均匀加宽是 主要的加宽机构。二者的比例因材料而异。
(L
2
)2
• 对于气体工作物质，在气压不太高时，实验
证明L与气压p成正比： L=p。
• 在气体工作物质中，均匀加宽来源于自然加 宽和碰撞加宽，合并后，得到均匀加宽线型
函数
g ~H(,0) 2H•(0)21 (2H)2
HNL
• 对于一般气体激光介质，均匀加宽主要由碰 撞加宽决定。只有当气压极低时，自然加宽
均匀加宽 非均匀加宽
四种近似理论
激光的物理基础：光频电磁场与物质的相互作用，特别是共振相互作用。 经典理论 半经典理论 量子理论 速率方程理论
电介质的极化
4.3谱线加宽和线型函数
• 基本概念 • 均匀加宽
自然加宽 碰撞加宽 晶格振动加宽
• 非均匀加宽
多普勒加宽 晶格缺陷加宽
谱线加宽与线型函数基本概念
Comparison of Gaussian and Lorentzian lineshapes having the same linewidth and the same total area
2、晶格缺陷加宽
• 固体工作物质中，不存在多普勒加宽，但有一 系列引起非均匀加宽的其他物理因素。
• 在晶格缺陷部位的晶格场和无缺陷部位的理想 晶格场不同，处于缺陷部位的激活离子的能级 将发生位移，导致处于晶体不同部位的激活离 子的发光中心频率不同，即产生非均匀加宽。
才会显示出来。
• 固体工作物质中，若激发态自发辐射跃迁寿 命为s，无辐射跃迁寿命为nr，则激发态的 寿命
1 1 1
s nr
• 激发态的有限寿命导致谱线的均匀加宽，可 用洛伦兹线型函数描述
3 晶格振动加宽
• 对于固体激光物质，均匀加宽主要是由晶格热振 动引起的，自发辐射和无辐射跃迁造成的谱线加 宽是很小的。
隔为L，它描述碰撞的频繁程度并称为平均碰 撞时间。可以证明，平均长度为cL的波列可
以等效为振幅呈指数变化的波列，其衰减常数
为L 。碰撞过程和自发辐射过程同样引起谱
线加宽。
从物理概念出发预见到碰撞加宽的线型函数和 自然加宽一样
• 洛仑兹线型函数， L =1/(L)----碰撞线宽
L
gL(,0)
(
2
0)2
自然加宽
N
s
碰撞加宽
L（包括弹性 nr（非弹性碰撞） 与非弹性碰撞）
晶格振动加宽 无
有
均匀加宽
主要由碰撞加宽 主要是晶格振动
决定
加宽
加宽机制之二——非均匀加宽
• 特点：原子体系中不同原子向谱线的不同 频率发射，或者说，每个原子只对谱线内 与它的表观中心频率相应的部分有贡献， 因而可以区分谱线上的某一频率范围是由 哪一部分原子发射的。
0称为运动原子的表观中心频率。
考虑包含大量原子（分子）的气体工作物质 中原子数按中心频率的分布
• 由于气体原子的无规则热运动，各个原子具 有不同方向、不同大小的热运动速度
• 设单位体积工作物质内的原子数为n，根据分 子运动论，它们的热运动速度服从麦克斯韦 统计分布规律：在温度为T的热平衡状态下， 单位体积内具有z方向速度分量z~ z+dz的 原子数为
• 在不受外界影响时，受激原子并非永远处于 激发态，会自发地向低能级跃迁，因而受激 原子在激发态上具有有限的寿命。这一因素 造成原子跃迁谱线的自然加宽。
• 洛仑兹线型（Lorentzian lineshape）
• 当=0时，gN(0,0)4s
• 自然线宽N=1/(2s)，唯一地由原子在能级
E2的自发辐射寿命s决定。
• 在玻璃基质中，由于玻璃结构的无序性，各个 激活离子处于不等价的配位场中，导致了与晶 格缺陷类似的非均匀加宽。
加宽机制之三——综合加宽
• 气体工作物质的综合加宽线型函数 He-Ne激光器 二氧化碳（CO2）激光器 氩离子激光器和金属蒸气激光器
详见书本数据
• 固体激光工作物质的谱线加宽 一般情况下，固体激光工作物质的谱线加宽 主要是晶格热振动引起的均匀加宽和晶格缺 陷引起的非均匀加宽。一般通过实验求得。
0
1z c 1z c
当 z c1 时 ,0(1cZ)
光源向着光接收器运动时， Z取“+”号， 光源离开光接收器运动时， Z取“-”号。
0
Z
c
为多普勒频移
讨论原子和光波场的相互作用， 即中心频率为0的运动原子和 沿z轴传播的频率为的单色光 相互作用。
• 把单色光波看作是由某一假想光源发出的，而把原子看作 是感受这个光波的接收器。