第四章电磁场与物质的共振相互作用.ppt

*1. 反转粒子数Dn 稳态 稳态 增益系数 讨论影响增益系数的主要因素 w03 S32 S21 A21 W21 E3 E2 E1 E0 W12 S10 激光工作物质内N(光强 I) 很小时－小信号情况 受激辐射对Dn的影响可忽略 稳态时 阈值附近n2很小 小信号情况下 Dn0与光强无关，激发几率W03?? Dn0 ? 小信号增益系数 g0与光强无关，与Dn0成正比 复习思考：如何理解小信号情况？ 2. 小信号增益系数与频率的关系曲线－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 均匀加宽介质 中心频率处小 信号增益系数 =s21 非均匀加宽介质 中心频率处小 信号增益系数 =s21 增益线宽～ (自发辐射)荧光线宽??F 若 f1=f2 增益曲线与吸收曲线相同 3. 小信号增益系数与 l02成正比, 和谱线宽度成反比 3.39mm 632.8nm 3S 3P 2P He-Ne 2S 1.15mm 微安表 光源 单色仪 红宝石棒 光电倍增管 电源 习题4-13 4. 小信号增益系数的实验测量 激光器 放大介质 衰减片 探测器 探测器 分光板 反射镜 二、增益饱和（Gain Saturation）－大信号情况 什么是增益饱和？ 增益系数随光强的增大而减小的现象 增益饱和的物理起因： 腔内光强增大到一定程度 频率为n1, 光强为In1 的入射光作用下 (考虑受激辐射) 1. 反转粒子数饱和 稳态 反转粒子数饱和与腔内光强有关 同频率不同光强情况下：光强越强，饱和越深 反转粒子数饱和与入射光频率有关 式中 －（中心频率）饱和光强 －反转粒子数饱和 小信号情况 相同光强，不同入射光频率情况下 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 的重要性： 激光工作物质的一个重要参量 表征增益介质饱和与否的判据 (小信号或大信号) 决定腔内光强和激光输出功率的大小 He-Ne: 632.8nm 0.3 w/mm2 小功率 (几十毫瓦) CO2: 10.6mm ～2w/mm2 Ar3+: 514.5nm 7w/mm2 受激辐射造成n2(Dn)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 受激辐射造成n2(Dn)的减小很小，可忽略 受激辐射使n2(Dn)急剧减小，自发辐射作用减弱 2. 均匀加宽介质的大信号增益系数 （增益系数 光强关系） 频率为n1,光强为In1的准单色光入射到均匀加宽介质时的增益系数 中心频率小信号增益系数 大信号增益系数 (4.5.5) 结论: 大信号增益系数是小信号增益的一半 n1 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？ 小信号增益曲线 大信号增益曲线 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 In1 作用下的弱光 n 增益系数 频率为n1,光强为In1强光, 同时有一频率为n 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 何变化？ 由式4.4.5和4.4.7可得 强光作用下的弱光增益系数 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 （为什么？增益线宽是否改变） §4.5非均匀加宽工作介质的增益系数及增益饱和 非均匀加宽增益曲线 求频率为n1的光在非线性介质中的增益系数 思路:(1) Dn按表观中心频率分类 (2) 粒子发射中心频率为 ,线宽为 的 均匀加宽谱线 设小信号时反转粒子数密度 1、非均匀加宽介质的增益系数 粒子对频率n1光的增益贡献为dg (3) 具有各种表观中心频率的全部粒子对增益贡献的总和 粒子发射中心频率为n0’, 线宽为DnH的谱线 (4-6-1) ＝ (4-6-2) － ＝ 非均匀加宽介质大信号增益系数 非均匀加宽介质小信号增益系数 大信号情况 非均匀加宽情况的增益饱和 非均匀加宽 均匀加宽