激光原理及应用2-激光器的工作原理.ppt

激光原理及应用 主讲：李秀燕 本节介绍在增益介质中同时存在抽运、吸收、自发辐射和受激辐射诸多物理过程时，表示各能级粒子数密度变化的规律的速率方程组 由此得出形成粒子数密度反转分布的条件以及在粒子数密度反转分布状态下各参数之间的关系 进一步定量讨论激光器的特性 从粒子数反转分布出发可以对激光器所需的最低抽运功率进行粗略的计算 对于三能级系统来讲，达到阈值时有 ，因此上能级粒子数近似为总粒子数 连续出光时，高能级上粒子数密度由于自发幅射单位时间内减少值为 2）.介质的小信号增益系数是介质中各种速度的粒子数密度反转分布的贡献之和，故有 　　虽然积分是在0～∞区内进行的,但是由于 是 的中心频率,当 　　时的 的值迅速趋近于零,实际上 的取值范围为　　　　　　。 由归一化条件 实际是由频率在 范围内的粒子数密度反转分布值贡献的,在此范围内 形式上与均匀增宽介质的表达式一致！ 3） 中心频率处的小信号增益系数 四、非均匀增宽介质稳态粒子数密度反转分布 （一）均匀增宽型介质 （二）非均匀增宽型介质 1. 当频率为 、光强为I的光波在其中传播时，对中心频率为 的粒子来说， 2.当频率为 、光强为I的光波在其中传播时，对中心频率为 附近单位频率间隔内粒子数反转分布值 的饱和效应规律为： 令光波强度为Is、光波频率为 ，由表中数据可以看出，当 光波对频率为 的粒子数密度反转分布的饱和作用已很弱。 3.图(2-12)描绘了 光波对频率为 的粒子数密度反转分布的饱和作用以及起作用的频率范围。 曲线1: I 较小(　　　　),小信号情形； 曲线2: I 较大(　　　　),大信号情形. 四.反转粒子数 烧孔效应 原因:非均匀增宽物质中特定类型粒子只与特定频率v的入射光有相互作用. 频率v1的准单色入射光入射时: ①当入射光频率为v1时,对谱线中心频率为 的粒子刚好是A点的中心频率,因此,在光强为I的光波作用下 下降到A1点. ②当入射光频率为v1时,对谱线中心频率为 的粒子,由于入射光频率v1偏离中心频率vb,所以引起的饱和效应较小，它仅下降到 点. A?A1 B?B1 ③当入射光频率为v1时,对谱线中心频率为 的粒子,由于入射光频率v1偏离中心频率vc已大于 ,所以引起的饱和效应可以忽略. A?A1 B?B1 C? C 频率为 强度为I 的光波仅使围绕中心频率 、宽度为 范围内的粒子有饱和作用，因此在 曲线上 形成一个以 为中心的凹陷，习惯上把它叫做烧孔效应。这就是非均匀增宽型介质在较大信号情况下的粒子数密度反转分布值的饱和效应。 结果： 孔的深度为： 孔的宽度为： 孔的面积为 反转粒子数密度曲线烧孔的孔宽和孔深随饱和信号光强的增大而变宽、变深. A?A1 B?B1 C? C 留意: *(烧孔面积) 常用来估算输出激光功率; 例如对四能级系统, 受激发射光子数∝ 故 输出激光功率∝ 五、非均匀增宽介质稳态情况下的增益饱和 （一） 均匀增宽型介质 一般情况下的粒子数密度反转分布可以表示为： 　　这就是均匀增宽型介质E2、E1能级之间粒子数反转分布的表达式。它给出能级间粒子数反转分布值与腔内光强、光波的中心频率、介质的饱和光强、激励能源的抽运速率以及介质能级的寿命等参量的关系。 　　均匀增宽情形:只要入射光频率在谱线线宽范围内, 所有粒子都参加受激发射/吸收。 本节研究:反转粒子数密度△n的饱和效应（讨论△n与各种因素的关系，引出△n饱和效应的概念。） 七.均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 由式： 1.粒子数密度反转分布值的饱和效应： 　　当腔内光强I=0（即小信号）时，粒子数反转分布 　 　达最大。当腔内光强的影响不能忽略时， 将随光强的增加反而减小的现象。 饱和原因:入射光引起强烈的受激发射使激光上能级粒子数减少。 2. △n与入射光频率v的关系: 由式： 可见: I一定时, 对不同入射光频率v, △n不同. ① 时: (入射光频率等于谱线中心频率) 只要 , 必有 有饱和效应; 若 , , 饱和效应显著。 　　这是由于中心频率处受激辐射几率最大，所以入射光造成的反转粒子数下降越严重