chap4 电磁场和物质的共振相互作用.ppt

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？ 可以证明 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 讨论 饱和加宽（功率加宽） 由于增益饱和效应，使得工作物质的大信号增益曲线的线宽比小信号增益曲线线宽大，这种由饱和效应所引起的大信号增益线宽的加宽称为饱和加宽。 ——工作物质大信号增益曲线的饱和加宽线宽 在均匀加宽激光器中，当一个模式振荡后，就会使其它模的增益降低，因而阻止了其它模的振荡，这就是均匀加宽激光器中的模式竞争。 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 4.5 非均匀加宽工作物质的增益系数 一、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 均匀加宽 均匀加宽和非均匀加宽大信号增益系数的比较 （1）非均匀加宽工作物质的饱和效应强弱与频率无关，仅取决于光强； （2）非均匀加宽工作物质的饱和作用弱 （3）非均匀加宽工作物质的增益曲线是局部饱和 二、 烧孔效应 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(n) g(n,In1) g dn 烧孔深度 烧孔宽度 dn 增益曲线均匀下降 二、吸收截面和发射截面 1. 吸收截面：原子对入射光功率的吸收作用可以用吸收截面来描述。如图所示，原子吸收截面为σ12，则一个原子吸收的光功率为： 1）吸收截面和工作物质吸收系数 的关系 2.发射截面 进而得到： * * * 2.固体激光工作物质的谱线加宽 主要包括： 晶格振动引起的均匀加宽 晶格缺陷引起的非均匀加宽 机构较复杂，难从理论上求得线型函数的具体形式。 一般需要通过实验求得它的谱线宽度。 3、液体工作物质：主要是由碰撞引起的均匀加宽。 He-Ne: 632.8nm CO2 : 10.6 mm 固体工作物质的谱线加宽 氦氖激光器中，Doppler 非均匀加宽占主要优势 P ～ 1333Pa 综合加宽 P 1333Pa 均匀加宽为主 红宝石: 低温－非均匀加宽；常温－均匀加宽 2.7×105MHz Nd:YAG晶体：晶格热振动引起的均匀加宽 1.95×105MHz 钕玻璃：非均匀加宽为主 7×106MHz 典型激光器的谱线加宽情况： 谱线加宽的线型函数 多普勒加宽线型函数 综合加宽的线型函数 下面根据谱线加宽机制，对原子与光场相互作用的方程进行改写，进而写出速率方程 4.3 激光器的速率方程 对辐射场和物质的近似处理 介质：由一群相对静止、彼此不相关的粒子组成 辐射场：由大量完全等同的光子组成，对于不同的模场认为只与该模场的平均光子数有关 速率方程：一组表征激光工作物质各能级上的原子数以及腔内光子数随时间变化的微分方程组。用于描述辐射场与粒子之间的相互作用。 原子自发辐射、受激辐射和受激吸收概率 Planck辐射能量量子化假说： 单色能量密度： 热平衡状态下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量： 腔内单位体积中频率处于v附近单位频率间隔内的光波模式数 nv： 每个模式上的光子数： 线形函数的定义 由于谱线加宽，自发辐射的功率随频率有一定的分布，用P(ν)来表示。分布在ν~ ν+dν范围内的辐射功率为P(ν) d ν，则自发辐射的总功率为： 单位频率间隔中的自发辐射功率 总功率 引入线形函数 定义为： 线形函数的归一化条件： 跃迁概率按频率的分布函数 一、自