激光原理第六讲.pptx
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1、激光原理-第六讲激光器的工作特性激光器的工作特性增益系数及增益饱和增益系数及增益饱和第三章第三章 光与物质的相互作用光与物质的相互作用第五节 增益系数及增益饱和3.5.1 均匀加宽增益系数一、小信号稳态增益系数(四能级系统为例)II+d IdzDn0 I=Nhv dz=vdtI=Nhvdz=vdt不计损耗(1.3.6)*1.增益系数正比于反转粒子数n(以四能级系统为例)稳态稳态增益系数讨论影响增益系数的主要因素激光工作物质内N(光强 I)很小时小信号情况 受激辐射对n的影响可忽略(?)小信号情况下 Dn0与光强无关,激发几率W03 Dn0 稳态时阈值附近n2很小 小信号增益系数 g0与光强无关
2、,与n0成正比;思考:如何理解小信号情况?2.g0与入射光频率关系曲线增益曲线增益曲线 小信号增益曲线的形状完全取决于谱线线型函数小信号增益曲线的形状完全取决于谱线线型函数均匀加宽介质小信号增益系数21(0,0)=21中心频率处受激辐射截面 增益线宽均匀加宽线宽增益线宽均匀加宽线宽H 二、增益饱和(Gain Saturation)大信号情况 频率为1,光强为I1 的入射光作用下(考虑受激辐射过程)1.反转粒子数饱和 什么是增益饱和?增益系数随光强的增大而减小的现象 增益饱和的物理解释:当腔内光强增强到一定程度稳态=1/Is(1)反转粒子数饱和中心频率饱和光强代入大信号情况同一入射光频率,不同光
3、强对Dn饱和的影响是不同的小信号情况即忽略了受激辐射的影响即忽略了受激辐射的影响概念理解:不同入射光频率(相同光强)对n饱和的影响是不同的中心频率处,受激辐射几率最大,饱和作用最深;偏离中心频率越远,饱和作用越弱。时若(发生饱和的入射光频率范围)饱和光强 Is 的物理意义:受激辐射造成n2的减小可以与其它自发辐射和无辐射跃迁造成的衰减可以相比拟典型气体激光工作物质的饱和光强 He-Ne:632.8nm 0.3 w/mm2 CO2:10.6mm 2w/mm2 Ar离子:514.5nm 7w/mm2 2.均匀加宽介质的大信号(饱和)增益系数大信号(饱和)增益系数 频率为1,光强为I1的准单色光的增
4、益系数中心频率小信号增益系数中心频率小信号增益系数大信号增益系数大信号增益系数结论:大信号增益系数是小信号增益的一半 1 偏离中心频率越远,饱和效应越弱 光频在介质对光波的增益作用及饱和效应都很微弱,可忽略不计思考题:大信号增益曲线宽度与小信号增益曲线宽度是否相等?思考题:大信号增益曲线宽度与小信号增益曲线宽度是否相等?讨论此命题的物理背景:激光器中某一模式频率首先起振,成为强光;别的模式刚起振(弱光),强光模式对刚起振的弱光模式的影响3.在强光强光 In1n1 作用下的弱光弱光 增益系数 频率为1,光强为I1强光,同时有一频率为 的弱光入射 求强光对弱光增益系数的影响,即弱光增益系数会如 何
5、变化?定性分析定量分析大信号反转粒子数强光不仅使自身增益系数下降,而且使弱光增益系数也以同一比例下降,其结果是整个增益曲线下降(增益线宽是否改变?增益线宽是否改变?)复习复习:注意理解并区分强光增益及强光作用下弱光增益变化:注意理解并区分强光增益及强光作用下弱光增益变化强光作用下的弱光增益系数弱光增益曲线弱光增益曲线3.5.2 非均匀加宽工作介质的增益系数及增益饱和 非均匀加宽小信号增益曲线为高斯线型一、非均匀加宽大信号增益系数:思路:Dn 按表观中心频率分类 这部分粒子发射中心频率为 线宽为 的均匀加宽谱线。这部分粒子对频率1,光的增益贡献为dg按均匀加宽增益系数计算若非均匀加宽属多普勒加宽
6、若非均匀加宽属多普勒加宽表观中心频率小信号增益系数表观中心频率小信号增益系数大信号增益系数大信号增益系数1的粒子发射中心频率为0,线宽为H的谱线 非均匀加宽介质大信号增益系数大信号情况增益饱和大信号增益系数非均匀加宽均匀加宽思考思考:此式物理意义,如何理解在非均匀加宽情况下,饱和效应的强弱与频率无关 入射时的大信号增益为小信号增益的 以中心频率处两种加宽机制的饱和效应相比,非均匀加 宽的饱和效应弱些 非均匀加宽大信号情况,增益饱和效应强弱与频率无关12强光(1,I1)入射,造成表观中心频率 的粒子饱和-AA1 B B1反转粒子数饱和二、强光强光 In1n1 作用下,弱光弱光 增益系数烧孔效应(
7、Hole Burning)12强光(1,I1)入射,(表观)中心频率在范围内的粒子有饱和作用烧孔深度烧孔宽度烧孔面积增益曲线烧孔效应g0()g(,I1)gd四能级系统中受激辐射四能级系统中受激辐射产生的光子数密度等于产生的光子数密度等于烧孔面积,故受激辐射烧孔面积,故受激辐射功率正比于烧孔面积。功率正比于烧孔面积。三、多普勒加宽气体激光器(驻波腔)的烧孔效应弱光激光放大器气体激光器vz强模弱模增益系数与0,vz运动原子作用引起vz粒子受激辐射,即对ST作贡献的粒子为与0,vz运动原子作用引起vz粒子受激辐射,即对ST作贡献的粒子为结论:驻波腔多普勒加宽气体激光器中,频率为1的振荡 模在增益曲线
8、上烧两个孔,这两个孔对称分布在中 心频率的两侧光频对STE作贡献的粒子的速度强光弱光vzgn(vz)正向反向驻波腔中强光对弱光增益系数的影响驻波腔中强光对弱光增益系数的影响均 匀 加 宽非 均 匀 加 宽大信号增益系数强光作用下弱光增益系数g0()g(,I1)gd烧孔深度 烧孔宽度增益曲线均匀下降增益曲线均匀下降3.5.3 综合加宽工作物质的增益系数(自学为主)思路:(与非均匀加宽类似)粒子分类 dg 数学处理不同:因H 与D 可比拟,不能作为常数速率方程速率方程增益饱和增益饱和激激 光光 器器工作特性工作特性振荡阈值振荡阈值振荡模式振荡模式输出功率输出功率输出线宽输出线宽弛豫振荡弛豫振荡选
9、模调Q/锁模/放大稳 频增益开关谐振腔谐振腔理理 论论高斯光束高斯光束第六节第六节 激光器的工作特性激光器的工作特性第六节 激光器的工作特性引 言 激光器分类(工作方式按泵浦方式分类)1.连续激光器稳定工作状态(稳态)在泵浦时间内,各能级粒子数及腔内光子数密度达到 稳定状态。速率方程 代数方程 2.脉冲激光器非稳定状态(非稳态)(还包括调Q和锁模激光器)泵浦持续时间短,各能级粒子数及腔内光子数密度处 于剧烈的变化之中。根据泵浦持续时间t0 及激光上能 级寿命t2对脉冲激光器细分 短脉冲激光器(t0t2)泵浦作用时间较长,趋近稳态 连续激光器 可按稳态处理 理论上说,脉冲激光器和连续激光器没有严
10、格界限三能级系统(红宝石)的泵浦激励W13(t)w130t0t矩形脉冲激励泵浦效率荧光效率泵浦 阈值附近受激辐射很微弱可 解 得当 时,讨论:1.经历两种变化过程 0tt0 泵浦脉冲撤除 n2 2.t=t0 时 n2 最大 W13(t)w130t0tn2(t0)4.t0 t2 (长脉冲泵浦)激励时间足够长n2 完成增长过程达到稳定值,可按稳态处理;n1也达到稳定值 3.t0 推导Dnth公式的两种方法:光强变化 速率方程;(1)光强变化 Dnth公式前提:增益介质充满腔内前提:增益介质充满腔内;小信号情况小信号情况 g0 为常数为常数l(2)速率方程 Dnth公式小信号情况 时的 Dn=Dnt
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