激光原理精品文档.ppt

*§2.5.1均匀加宽工作介质的增益与饱和若入射光的频率为ν，光强为Iν，在此光的作用下，工作物质的反转聚居数密度Δn可根据粒子数密度速率方程求出。一、反转集居数饱和在稳态情况下：*在的小信号光场情况，反转集居数密度为：§2.5.1均匀加宽工作介质的增益与饱和由于:式中:称作小信号反转集居数密度,它正比于受激辐射上能级寿命及激发几率WP。Is为饱和光强，即激活介质给定跃迁的饱和参量。*1、对均匀加宽的四能级系统，受激跃迁的发射截面与介质给定跃迁的谱线线型函数有关，对应跃迁中心频率具有最大值，相应的饱和光强取最小值。§2.5.1均匀加宽工作介质的增益与饱和2、当Iν足够强时，将有Iν越强反转集居数减少得越多，这种现象称为反转集居数的饱和。*§2.5.1均匀加宽工作介质的增益与饱和3、饱和光强的物理意义:当入射光强度Iν可以与Is比拟时，受激辐射造成的上能级集居数衰减率就可以与其他弛豫过程(自发辐射及无辐射跃迁)造成的衰减率相比拟。因此当IνIs时，Δn与光强无关，当Iν可与Is相比拟时，Δn随Iν的增加而减少。Is的数值决定于增益物质的性质，可由实验测出。*均匀加宽介质的跃迁谱线具有洛仑兹线型时，饱和参量为:对应中心频率时的饱和参量：稳态反转集居数密度:§2.5.1均匀加宽工作介质的增益与饱和*二、增益饱和均匀加宽介质的小信号增益系数为：其中对应中心频率的最大小信号增益系数均匀加宽介质的大信号增益系数为：§2.5.1均匀加宽工作介质的增益与饱和*稳态增益系数正比于反转集居数密度和受激发射截面。§2.5.1均匀加宽工作介质的增益与饱和为小信号增益系数。将代入上式可得激活介质的增益系数与入射光场的光强和频率有关系：当Iν可与Is比拟时，GH(ν,Iν)的值将随Iν的增加而减少。这就是增益饱和现象。*2.激活介质小信号增益系数与光强无关，增益曲线的形状完全取决于相应跃迁谱线的线型函数§2.5.1均匀加宽工作介质的增益与饱和*3.增益饱和程度与入射光的频率有关。用增益系数在强光信号下减少的相对值来度量增益饱和的强弱。产生显著的饱和作用，该频率范围的宽度（介质大信号增益曲线的饱和加宽线宽）：§2.5.1均匀加宽工作介质的增益与饱和*4.工作物质在强光(饱和信号)的照射下，同时还有一频率为的小信号光(探测信号)入射时，工作物质对这一小信号光的增益情况。将的表达式代入得到：§2.5.1均匀加宽工作介质的增益与饱和1),(1nnIn及D*原因：在均匀加宽谱线的情况下，由于每个粒子对谱线不同的频率处都有贡献，所以当某一频率的受激辐射消耗了激发态的粒子时，也就减少了对其它频率信号的增益起作用的粒子数，其结果是增益曲线在整个谱线上均匀的下降。均匀加宽介质增益曲线的均匀饱和特性：与原来的小信号增益曲线相比均匀地减小了一个由饱和信号的频率和光强所决定的因子，该因子与探测信号的频率无关§2.5.1均匀加宽工作介质的增益与饱和*5.均匀加宽介质大信号增益曲线的饱和加宽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，也称为功率加宽。用介质大信号增益曲线的饱和加宽线宽表示均匀加宽介质的大信号增益系数为：§2.5.1均匀加宽工作介质的增益与饱和§2.5.2非均匀加宽工作介质的增益与饱和*一、增益饱和对线型函数为的非均匀加宽工作物质，在计算增益系数时，必须将反转集居数密度Δn按表观中心频率分类。设小信号情况下的反转集居数密度为Δn0，则表观中心频率在ν0~ν0+dν0范围内的粒子的反转集居数密度为*任何粒子都具有自发辐射，因而都具有属于均匀加宽的自然加宽。所以频率在范围内的粒子发射一条中心频率为ν0，线宽为ΔνH的均匀加宽谱线。若有频率ν，强度为Iν的光入射，则这部分粒子对增益的贡献dGi可按均匀加宽增益系数的表示式计算:§2.5.2非均匀加宽工作介质的增益与饱和*总的增益系数为具有各种表观中心频率的全部粒子数对增益贡献的总和。§2.5.2非均匀加宽工作介质的增益与饱和小信号增益系数和频率的关系完全取决于非均匀加宽线型函数。*在频率为，光强为的入射光作用下，反转粒子数密度曲线