增益饱和要点.pptx
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1、激光原理与技术激光原理与技术原理部分原理部分第第19讲讲增益饱和增益饱和19.1 均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和1、增益饱和现象及其物理机制、增益饱和现象及其物理机制增益饱和现象增益饱和现象增益饱和现象增益饱和现象 当入射光强当入射光强I I足够小时,足够小时,G G为常数;为常数;当入射光强当入射光强I I增大到一定的程度后,增大到一定的程度后,G G将会随着将会随着I I的的增加而下降,这种过程称为增益饱和现象;增加而下降,这种过程称为增益饱和现象;产生增益饱和现象的物理机制:产生增益饱和现象的物理机制:产生增益饱和现象的物理机制:产生增益饱和现象的物理机
2、制:受激辐射几率与入射光强成正比,受激辐射几率与入射光强成正比,I I足够大时,足够大时,nn下降的很快,因此下降的很快,因此G G会随着会随着I I的增加而下降。的增加而下降。19.1 均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和2 2、均匀加宽下的、均匀加宽下的、均匀加宽下的、均匀加宽下的nnnn的饱和的饱和的饱和的饱和只要入射光的频率落在谱线线宽以内,就会产生受激只要入射光的频率落在谱线线宽以内,就会产生受激只要入射光的频率落在谱线线宽以内,就会产生受激只要入射光的频率落在谱线线宽以内,就会产生受激吸收和受激辐射;吸收和受激辐射;吸收和受激辐射;吸收和受激辐射;如果如
3、果如果如果I I足够强,受激辐射足够强,受激辐射足够强,受激辐射足够强,受激辐射对对对对原子系统的各能级上的粒子原子系统的各能级上的粒子原子系统的各能级上的粒子原子系统的各能级上的粒子数目的影响就必须考虑。数目的影响就必须考虑。数目的影响就必须考虑。数目的影响就必须考虑。当我们考虑四能级系统:当我们考虑四能级系统:当我们考虑四能级系统:当我们考虑四能级系统:且且且且 为什么?为什么?19.1 均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和 将线型函数将线型函数将线型函数将线型函数g gH H(,0 0 0 0)引入可得到:引入可得到:引入可得到:引入可得到:其中其中其中其中
4、A A、当、当、当、当I I一定时,一定时,一定时,一定时,nnnnn n n n0 0 0 0,这种现象称为反转粒子数饱,这种现象称为反转粒子数饱,这种现象称为反转粒子数饱,这种现象称为反转粒子数饱和;和;和;和;19.1 均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和B、nn与与nn0 0有关,还与入射光的频率有有关,还与入射光的频率有关,不同频率的入射光对反转粒子数的影关,不同频率的入射光对反转粒子数的影响是不同的;响是不同的;C C、当、当=0 0时,时,表明强度为表明强度为表明强度为表明强度为 的入射光的入射光的入射光的入射光会会会会使使使使nnnn减小到小信减小到
5、小信减小到小信减小到小信号号号号nnnn0 0 0 0时的时的时的时的 倍,当倍,当倍,当倍,当 时,时,时,时,n=nn=nn=nn=n0 0 0 0/2/2/2/2。19.1 均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和D、当入射光频率偏离中心频率时,饱和作、当入射光频率偏离中心频率时,饱和作用较用较 时弱,如果时弱,如果且且 ,则,则 ,其饱和作,其饱和作用比中心频率处减小一半,可见偏离中心用比中心频率处减小一半,可见偏离中心频率越远饱和作用越弱。通常认为在频率越远饱和作用越弱。通常认为在 范围内,饱和作用明显。范围内,饱和作用明显。19.1 均匀加宽工作物质的粒子反
6、转数饱和均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和E、饱和光强、饱和光强IS饱和光强是一个描述增益饱和程度的参量,它饱和光强是一个描述增益饱和程度的参量,它饱和光强是一个描述增益饱和程度的参量,它饱和光强是一个描述增益饱和程度的参量,它有着光强的量纲(是什么?);有着光强的量纲(是什么?);有着光强的量纲(是什么?);有着光强的量纲(是什么?);当入射光光强当入射光光强当入射光光强当入射光光强I I 可以与可以与可以与可以与I IS S相比拟时,受激辐射造相比拟时,受激辐射造相比拟时,受激辐射造相比拟时,受激辐射造成的上能级粒子数衰减率就可以与其他驰豫过成的上能级粒子数衰减率就可以与其他驰豫过成的上能级
7、粒子数衰减率就可以与其他驰豫过成的上能级粒子数衰减率就可以与其他驰豫过程造成的衰减率相比拟;程造成的衰减率相比拟;程造成的衰减率相比拟;程造成的衰减率相比拟;当入射光强当入射光强当入射光强当入射光强I I 远小于远小于远小于远小于I IS S时,上能级粒子衰减率与时,上能级粒子衰减率与时,上能级粒子衰减率与时,上能级粒子衰减率与光强无关;光强无关;光强无关;光强无关;19.2 均匀加宽工作物质的增益饱和均匀加宽工作物质的增益饱和 均匀加宽大信号增益系数均匀加宽大信号增益系数均匀加宽大信号增益系数均匀加宽大信号增益系数 设光强为设光强为设光强为设光强为I I 的准单色光入射,且均匀加宽的大信号增
8、益系数为的准单色光入射,且均匀加宽的大信号增益系数为的准单色光入射,且均匀加宽的大信号增益系数为的准单色光入射,且均匀加宽的大信号增益系数为GGH H(,I,I),则:,则:,则:,则:将线型函数以及小信号增益系数表达式带入可得:将线型函数以及小信号增益系数表达式带入可得:将线型函数以及小信号增益系数表达式带入可得:将线型函数以及小信号增益系数表达式带入可得:在在在在I I IIS S时,即小信号情况下,增益系数与光强无关,小信号增益时,即小信号情况下,增益系数与光强无关,小信号增益时,即小信号情况下,增益系数与光强无关,小信号增益时,即小信号情况下,增益系数与光强无关,小信号增益系数为:系数
9、为:系数为:系数为:其中:其中:19.2 均匀加宽工作物质的增益饱和均匀加宽工作物质的增益饱和 当当当当I I 可以与可以与可以与可以与I IS S比拟时,比拟时,比拟时,比拟时,GGH H(,I)的值将随着的值将随着的值将随着的值将随着I I 的增加而减少,的增加而减少,的增加而减少,的增加而减少,这种现象就是增益饱和现象;这种现象就是增益饱和现象;这种现象就是增益饱和现象;这种现象就是增益饱和现象;当当当当=0 0时:时:时:时:当当当当I I00=I=IS S时:时:时:时:上式可得到结论,大信号增益系数为小信号增益系数的一上式可得到结论,大信号增益系数为小信号增益系数的一上式可得到结论
10、,大信号增益系数为小信号增益系数的一上式可得到结论,大信号增益系数为小信号增益系数的一半;半;半;半;偏离中心频率越远,饱和效应就越弱;偏离中心频率越远,饱和效应就越弱;偏离中心频率越远,饱和效应就越弱;偏离中心频率越远,饱和效应就越弱;19.2 均匀加宽工作物质的增益饱和均匀加宽工作物质的增益饱和 当一束强光当一束强光当一束强光当一束强光I I 1 1入射的同时,一束频率为入射的同时,一束频率为入射的同时,一束频率为入射的同时,一束频率为I I 的弱光入射到工的弱光入射到工的弱光入射到工的弱光入射到工作物质中,其增益系数会如何变化?作物质中,其增益系数会如何变化?作物质中,其增益系数会如何变
11、化?作物质中,其增益系数会如何变化?当强光当强光当强光当强光I I 1 1入射时,会引起入射时,会引起入射时,会引起入射时,会引起nnnn的下降,这种下降是在整个的下降,这种下降是在整个的下降,这种下降是在整个的下降,这种下降是在整个原子发光谱线范围内的下降,即对应弱光频率原子发光谱线范围内的下降,即对应弱光频率原子发光谱线范围内的下降,即对应弱光频率原子发光谱线范围内的下降,即对应弱光频率的那部分的那部分的那部分的那部分反转粒子数也同时下降了,弱光入射时对应的反转粒子数反转粒子数也同时下降了,弱光入射时对应的反转粒子数反转粒子数也同时下降了,弱光入射时对应的反转粒子数反转粒子数也同时下降了,
12、弱光入射时对应的反转粒子数不再是不再是不再是不再是nnnn0 0 0 0,而是,而是,而是,而是nnnn:所以弱光的增益系数为:所以弱光的增益系数为:所以弱光的增益系数为:所以弱光的增益系数为:19.2 均匀加宽工作物质的增益饱和均匀加宽工作物质的增益饱和如果如果如果如果 1 1=0 0,I I11=I=IS S,则,则,则,则 ;每个粒子都对每个粒子都对每个粒子都对每个粒子都对GGH H()()有贡献,当有贡献,当有贡献,当有贡献,当I I11的受激辐射消耗的受激辐射消耗的受激辐射消耗的受激辐射消耗了激发态的粒子时,了激发态的粒子时,了激发态的粒子时,了激发态的粒子时,nn也就减少了对其它也
13、就减少了对其它也就减少了对其它也就减少了对其它频率信频率信频率信频率信号的增益起作用的粒子;号的增益起作用的粒子;号的增益起作用的粒子;号的增益起作用的粒子;整个增益曲线以同等的份额均匀下降;整个增益曲线以同等的份额均匀下降;整个增益曲线以同等的份额均匀下降;整个增益曲线以同等的份额均匀下降;均匀加宽激光器中,当一个模开始振荡后,就会均匀加宽激光器中,当一个模开始振荡后,就会均匀加宽激光器中,当一个模开始振荡后,就会均匀加宽激光器中,当一个模开始振荡后,就会使其它模的增益降低,从而阻止其它模的振荡,使其它模的增益降低,从而阻止其它模的振荡,使其它模的增益降低,从而阻止其它模的振荡,使其它模的增
14、益降低,从而阻止其它模的振荡,即产生了模式竞争;即产生了模式竞争;即产生了模式竞争;即产生了模式竞争;19.3 非均匀加宽工作物质的反转粒子数饱和非均匀加宽工作物质的反转粒子数饱和由非均匀加宽工作物质的特性可知,每一种特由非均匀加宽工作物质的特性可知,每一种特由非均匀加宽工作物质的特性可知,每一种特由非均匀加宽工作物质的特性可知,每一种特定类型的粒子只能和某一特定频率的光场相互定类型的粒子只能和某一特定频率的光场相互定类型的粒子只能和某一特定频率的光场相互定类型的粒子只能和某一特定频率的光场相互作用。因此作用。因此作用。因此作用。因此nnnn按照按照按照按照有意分布,与均匀加宽类有意分布,与均
15、匀加宽类有意分布,与均匀加宽类有意分布,与均匀加宽类似,小信号时,其分布函数为似,小信号时,其分布函数为似,小信号时,其分布函数为似,小信号时,其分布函数为g g g gi i i i(,0 0 0 0););););在在在在+d+d+d+d范围内,范围内,范围内,范围内,其中其中其中其中nnnn0 0 0 0为中心频率为中心频率为中心频率为中心频率0 0 0 0处的反转粒子数。频率处的反转粒子数。频率处的反转粒子数。频率处的反转粒子数。频率为为为为A A A A的准单色光只能造成频率的准单色光只能造成频率的准单色光只能造成频率的准单色光只能造成频率A A A A对应的那部对应的那部对应的那部
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