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* 成都信息工程学院光电技术系 钟先琼 成都信息工程学院光电技术系 钟先琼 * 第三节 光的受激辐射放大 1、复习：强相干光源的相干光强决定于具有相干性的光子数目或光子简并度 , 越大，则相干光越强。 一、光放大概念的产生 LASER： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 2、普通光源的光子简并度 ⑴讨论：①同一热力学温度下，频率越小(波长越长)的光，光子简并度越大，相干性越好。这也是为什么光频段的 激光器比微波激射器受到更严峻挑战的原因之一。 ②同一光频率下，温度越高，光子简并度越大，相干性越好。 ⑵结论： ①要使光子简并度进而相干性越好，需要波长尽量长，温度尽量高。 ②课本P14的数值实例表明：普通光源在红外和可见光区实际上是非相干光源。 3、激光器思想的产生 ⑴设想：受激辐射和自发辐射分别产生相干和非相干光子, 若能设法使某一模式的 大大增加,而其他的则大大减小,则此特定模式的光子简并度 就会大大增加。 ⑵实现方法——激光器的基本思想 去掉长方体空腔的侧壁，只保留相对的两个端面壁，并使其有较高的反射系数，则非轴向传输的光在腔内多次往返后会逃逸腔外。而轴向传输的光则可保持在腔内传输；若该轴向传输的光在每次通过工作物质时不是被受激吸收，而是由于受激辐射而得到放大，则该光模的 将不断增强，获得极高的光子简并度，形成强的相干光——激光！ 4、激光器思想的两大组成部分 ⑴光波模式的选择 通过谐振腔实现，如法-珀腔等。 ⑵光的受激辐射放大。 二、实现光放大的必要条件——进行泵浦使工作物质处于集居数反转 1、集居数：各能级上的原子数。 2、要产生受激辐射的光放大，必须使相同时间内的受激辐射光子数大于受激吸收的光子数。即： 3、热平衡状态下无法实现受激辐射的光放大 4、实现光放大的必要条件——进行泵浦使工作物质处于集居数反转 ⑴集居数反转 时，要求： 时，要求： ⑵集居数反转状态下的特点 ①可使受激辐射的光子数大于受激吸收的光子数，从而可实现受激辐射的光放大。 ②此时物质处于非热平衡状态，玻耳兹曼分布不成立，或如果一定要要求玻耳兹曼分布成立，则必然导致热力学温度T为负，即负温度状态。 理解：负温度状态并非指物质的温度真正为负，而是反映了集居数反转状态不是热平衡状态，玻耳兹曼分布规律不再有效。 ⑶集居数反转的实现 向物质提供能量，即进行泵浦(或激励)，打破热平衡！ 三、光放大物质的增益曲线与增益系数 1、激活物质(或激光介质)：处于集居数反转的物质。又可叫光放大器。 2、增益系数g(z)：光通过单位长度的激活物质后增加的光强与原光强的比值(或百分比)。 定义式： 3、小信号情况下的光强 随距离指数式增长。 4、增益饱和效应 n2(z)-n1(z)不随距离z变化,可能吗？ No!应减小！ 理由：光强的增加正是由于高能级原子向低能级受激跃迁的结果。即光放大是以单位体积内集居数反转n2(z)-n1(z)的减小为代价的。所以，增益系数必然随z而减小。光强越大，减小越快！ (1)增益饱和效应的定义：集居数反转n2(z)-n1(z)随z的增加而减小从而导致增益系数g也随z而减小的现象。 数学表示： ——集居数反转饱和 ——增益系数的饱和 其中：Is为饱和光强， n20-n10是光强为零时单位体积内的初始集居数差值。g0即g(I=0)为小信号增益系数。 (2)小信号增益的条件 否则，为大信号增益系数，需要考虑饱和效应。 5、增益曲线 (1)g是I和 的函数，g与I有关，是由于饱和效应，g与 有关，是由于每个能级都具有一定的宽度。故： (2)增益曲线 ：增益线宽 第四节 光的自激振荡 说明：光放大与光的自激振荡既不同，又有联系。 一、自激振荡的概念 激活介质中增益和损耗两种过程的共同作用与激光振荡的建立、激光功率以及激光脉宽等的变化规律等方面密切相关。 :谱线的中心频率 1、损耗系数 ：光通过单位距离后光强衰减的百分比。 2、同时考虑增益和损耗以后 3、自激振荡过程的建立 弱光强I0进入一无限长光放大器,开始时I(z)按小信号放大规律按 增长。然后, 由于增益饱和效应， I(z)的增长速率会变慢，最后，当 时，I(z)不再增长并达到一稳态值Im。 由 得: 说明：可见, Im只与放大器本身的参数有关而与初始光强I0无关。特别是，不管初始I0多么弱，只要放大器足够长，就总能形成确定大小的光强Im。这即是自激振荡的概念。这就表明，当激光放大器的长度足够大时,它可能成为一个自激振荡器。 实际情况下，使激光放大器足够长是不现实的！