第五章 连续激光器原理.ppt

第五章 连续激光器的增益和工作特性 连续激光器的增益和工作特性 增益特性是分析激光器震荡条件、模式竞争、输出功率和激光放大器净增益系数的基础。 激光器可以运行于连续和脉冲工作方式，连续运行即稳定运行，也就是各能级的粒子数目以及腔内的辐射场有稳定分布，而增益饱和是形成稳定震荡的关键。 具有均匀加宽谱线和具有非均匀加宽谱线的工作物质的增益饱和行为有很大差别，由此构成的激光器的工作特性也有很大差别。 5.0小信号增益系数 1、增益系数 如图的工作物质，假设已经形成粒子数反转，有强度为I0的准单色光入射，则： 如何用Δn表达G？ Δn可以用速率方程 表示，四能级系统中： 5.0小信号增益系数 假设a很小，可以忽略，上式写成： 由于 ，且 其中的σ21是碰撞截面； 此式是由四能级系统的速率方程推导出的，但是是一个具有普遍意义的公式； 5.0小信号增益系数 2、小信号反转粒子数Δn 从前面得到的式子： 可知G与Δn成正比，即Δn具有的特性，G就具有，因此G的特性同Δn紧密联系起来。 Δn如何求？ 5.0小信号增益系数 在连续运行状态下： 由于 ： 5.0小信号增益系数 最后可得： 其中 为E2能级粒子寿命 1、当光强很小时，即小信号运行情况下，由受激辐射对Δn造成的影响可以忽略，则： 考虑小信号稳态，有： 小信号增益时，反转粒子数是不发生变化的，尤其不会因为受激辐射而消耗反转粒子数。 5.0小信号增益系数 2、 Δn=n2说明E2能级上只要有粒子，实际上就已经实现了粒子数反转； 3、增益系数G和小信号反转粒子数Δn0在小信号情况下，与光强无关，仅与W03即受激吸收的跃迁几率成正比。 5.0小信号增益系数 3、G与入射光频率的关系 小信号情况下， ，即Δn0与频率无关； 若采用G0(ν)表示小信号增益，则： 可知小信号增益与频率相关， 其曲线形状完全由谱线的线 型函数决定。 5.0小信号增益系数 A、均匀加宽 5.0小信号增益系数 B、非均匀加宽情况 5.1均匀加宽工作物质增益系数 1、增益饱和现象及其物理机制 增益饱和现象 当入射光强Iν足够小时，G为常数； 当入射光强Iν增大到一定的程度后，G将会随着Iν的增加而下降，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： 受激辐射几率与入射光强成正比， Iν足够大时，Δn下降的很快，因此G会随着Iν的增加而下降。 5.1均匀加宽工作物质增益系数 2、均匀加宽下的Δn的饱和 只要入射光的频率落在谱线线宽以内，就会产生受激吸收和受激辐射； 如果Iν足够强，受激辐射对原子系统的各能级上的粒子数目的影响就必须考虑。 当我们考虑四能级系统： 且 5.1均匀加宽工作物质增益系数 将线型函数gH(ν,ν0)引入可得到： 其中 A、当Iν一定时，ΔnΔn0，这种现象称为反转粒子数饱和； 5.1均匀加宽工作物质增益系数 B、Δn与Δn0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响是不同的； C、当ν=ν0时， 表明强度为 的入射光会使Δn减小到小信号Δn0时的 倍，当 时，Δn=Δn0/2。 5.1均匀加宽工作物质增益系数 D、当入射光频率偏离中心频率时，饱和作用较 时弱，如果 且 ，则 ，其饱和作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 范围内，饱和作用明显。 5.1均匀加宽工作物质增益系数 E、饱和光强IS 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？）； 当入射光光强Iν可以与IS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程造成的衰减率相比拟； 当入射光强Iν远小于IS时，上能级粒子衰减率与光强无关； 5.1.1增益饱和 3、均匀加宽大信号增益 设光强为Iν的准单色光入射，且均匀加宽的大信号增益系数为GH(ν, Iν)，则： 将线型函数以及小信号增益系数表达式带入可得： 在IνIS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： 5.1.1增益