第15讲 光场与物质相互作用的经典理论

光学工程

激光原理与技术· 激光原理与技术·原理部分第15讲 15讲

光学工程

15.1 光场与物质的相互作用 1 光场与物质相互作用的理论体系– 经典理论 光场：Maxwell方程 原子体系：经典电偶极子； 方程； 光场：Maxwell方程；原子体系：经典电偶极子； – 半经典理论 光场：Maxwell方程 原子体系：量子理论描述； 方程； 光场：Maxwell方程；原子体系：量子理论描述； – 量子理论 光场：量子理论；原子体系：量子理论； 光场：量子理论；原子体系：量子理论； – 速率方程理论 简化的量子理论； 简化的量子理论；

光学工程

15.2 光场与物质相互作用的精典理论 0、电介质的极化– 电磁场观点来看，介质是一个带电粒子系统，其内部 电磁场观点来看，介质是一个带电粒子系统， 存在着不规则而又迅速变化的微观电磁场； 存在着不规则而又迅速变化的微观电磁场； – 当考虑电介质时，电磁场中主要起作用的是电场分量； 当考虑电介质时，电磁场中主要起作用的是电场分量； – 电介质由原子组成，原子所包含的电荷可堪称该区域 电介质由原子组成， 中某点各级多集资的叠加——单极子、偶极子、 ——单极子 中某点各级多集资的叠加——单极子、偶极子、四级 子等。 子等。 – 原子与电磁场的作用表现为电磁场与多极子系统的作 用。

光学工程

15.2 光场与物质相互作用的精典理论 激光与原子系统的作用：激光光场与电偶极子相互作用。 激光与原子系统的作用：激光光场与电偶极子相互作用。 用感应偶极矩表征极化的大小： p 用感应偶极矩表征极化的大小：

=el

其中e为电子电荷绝对值，|l|的大小为正负电荷间的距离， 其中e为电子电荷绝对值，|l|的大小为正负电荷间的距离 的大小为正负电荷间的距离， 电偶极矩为矢量，方向由负电荷指向正电荷； 电偶极矩为矢量，方向由负电荷指向正电荷； 显然，场强越强，电荷受到场的作用力越大，电偶极矩也 显然，场强越强，电荷受到场的作用力越大， 越大； 越大； 宏观上用电极化强度来描述介质的极化程度： 宏观上用电极化强度来描述介质的极化程度：

P=

∑pi

i

表示的是单位体积内电偶极矩的矢量和。 表示的是单位体积内电偶极矩的矢量和。

V

光学工程

15.2 光场与物质相互作用的精典理论 A、电场强度较弱时9 – 此时电场：E << Eatom,Eatom ≈ 10 V / cm 此时电场： – 介质极化是线性极化

PL = ε 0 χ L E

– 其中的PL为电极化强度，与电场强度E成正比； 其中的P 为电极化强度，与电场强度E成正比； –χL为线性电极化率； 为线性电极化率； –ε0为真空中的介电常数，在各向同性介质中 为真空中的介

电常数， 是标量，各项异性介质中是二阶张量； 是标量，各项异性介质中是二阶张量；

光学工程

15.2 光场与物质相互作用的精典理论 B、电场为强场– 物质为非线性极化，此时的极化系数： 物质为非线性极化，此时的极化系数：P = PL + PNL = P E ( ) + P E (1

( ) ( ) ( )2)

+ P E(

3)

1 2 3 + = ε 0 χ ( ) E + χ ( ) : EE + χ ( ) EEE +

–χ(1)是线性极化率，为二阶张量 是线性极化率， –χ(2)是二次非线性极化率，为三阶张量 是二次非线性极化率， –χ(3)是三次非线性极化率，为四阶张量 是三次非线性极化率， 1 PL = P E ( ) PNL = P E ( 2) + P E (3) + –上式中： 上式中： –其中的χ(i)仅与物质的特性有关，与场强无关。 其中的χ 仅与物质的特性有关，与场强无关。

( )

( ) ( )

本课程考虑光频电磁场与物质的相互作用时，只 本课程考虑光频电磁场与物质的相互作用时， 考虑介质的共振线性极化。 考虑介质的共振线性极化。

光学工程

15.2 光场与物质相互作用的精典理论 1、光与物质相互作用的经典理论– 经典理论中的四个基本假设： 经典理论中的四个基本假设： – a、原子核和核外运动电子所构成的原子简化 为一个经典简谐振子； 为一个经典简谐振子； – b、原子中的电子与原子核构成一个电偶极子； 原子中的电子与原子核构成一个电偶极子； – c、忽略电磁场中磁场分量的影响； 忽略电磁场中磁场分量的影响； – d、被极化的介质会对入射光场产生反作用， 被极化的介质会对入射光场产生反作用， 影响其频率、振幅和相位等， 影响其频率、振幅和相位等，只考虑线性极化 效应； 效应；

光学工程

15.2 光场与物质相互作用的精典理论 2、原子的自发电偶极辐射– A、简谐振子模型 简谐振子模型就是用经典力学中 的简谐振动来描述原子内部电子 运动的模型。 运动的模型。 该模型认为原子中的电子被与位 移成正比的弹性恢复力束缚在某 一平衡位置(x=0)附近振动 附近振动， 一平衡位置(x=0)附近振动，若偏 移位置为x 则其会受到一个f=移位置为x,则其会受到一个f=-kx 的恢复力。 的恢复力。

+

光学工程

15.2 光场与物质相互作用的精典理论 假设没有其它力作用在电子上，则电子运 假设没有其它力作用在电子上， 动方程为： 动方程为： mx "+ kx = 0 k为简谐振子的弹 性系数， 为电子质量， 性系数，m为电子质量，这 …… 此处隐藏：2884字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……