激光工作物质及基本原理.ppt

*假设强光的频率为υ1，光强为Iυ1；弱光的频率为?。根据式（2.69）和(2.75)，弱光增益系数(2.85)第64页,共79页，星期六，2024年，5月*从上式可见，当强光频率υ1及光强Iυ1一定时，弱光在强光作用下的增益系数与其小信号增益系数的比值在频域上处处相等。其物理原因是：由于强光Iυ1通过受激辐射消耗了大量激发态上的粒子，对于均匀加宽工作物质而言，由于激发态上的每个粒子对谱线中不同频率光的增益都有贡献，激发态粒子数的减少就意味着对其它频率有贡献的粒子数也减少，即对应于其它频率光的增益系数也下降，且都以同一比值下降，即整个增益曲线均匀地下降。如图2.18所示。第65页,共79页，星期六，2024年，5月*因此，在均匀加宽激光器中，当靠近中心频率的模率先达到饱和时，会使其它模的增益降低，当这些模的增益系数低于阈值增益系数时，便会自动熄灭。图2.18在强光作用下，均匀加宽工作物质增益曲线第66页,共79页，星期六，2024年，5月*三、非均匀加宽工作物质的增益系数和增益饱和假设小信号情况下的反转粒子数密度为Δn0，则表观中心频率为υ0’~(υ0’+dυ0’)范围内的反转粒子数密度为若有频率为υ1,光强Iυ1的光入射，则这部分粒子对增益的贡献dG可按均匀加宽增益系数的表示式来计算，可得第67页,共79页，星期六，2024年，5月*从数学上来说,我们可将υ0’的取值范围看作0→∞，所以增益系数为在非均匀加宽情况下ΔυDΔυH，于是式（2.86）可简化为（2.86）（2.87）第68页,共79页，星期六，2024年，5月*在Iυ1IS时，由上式求得小信号情况下非均匀加宽介质的增益系数可表示为其中，G0i(υ0)为小信号增益系数，由上可知，小信号增益系数G0i(υ0)与光强无关，而小信号增益系数与频率的关系（即增益曲线）取决于非均匀加宽线型函数。（2.88）（2.89）第69页,共79页，星期六，2024年，5月*将式（2.89）及线型函数代入，式（2.87）可改写为在小信号情况下，可见，非均匀加宽介质的小信号增益曲线为高斯线型，同时由式（2.90）可以看到，非均匀加宽情况下，增益饱和的强弱只与光强Iυ1有关，与频率无关。（2.90）（2.91）第70页,共79页，星期六，2024年，5月*烧孔效应当入射光频率为υ1，且光强Iυ1有足够强时，该入射光造成表观中心频率υ1＝υ1对应的那部分粒子饱和，由于饱和效应，表观中心频率为υ1的反转粒子数密度将由原来的A点下降到A1点，见图2.19。图2.19非均匀加宽工作物质中反转粒子数和频率的关系实线表示小信号情况第71页,共79页，星期六，2024年，5月*若此入射光频率υ1相当于均匀加宽中的中心频率，此时引起的反转粒子数饱和可表示为对于表观中心频率为υ2的粒子，由于入射光频率υ1偏离粒子的表观中心频率υ2，引起的饱和效应较小，所以在图2.19中可见，反转粒子数密度由B点下降到B1点。第72页,共79页，星期六，2024年，5月*对于表观中心频率为υ3的粒子，由于入射光频率υ1与υ3偏离太远，所以饱和效应可以忽略。由以上分析可知，频率为υ1的强光，只与表观中心频率υ1附近，宽度约为范围内的粒子数相互作用，引起反转粒子数饱和，形成一个孔；而对表观中心频率在范围以外的反转粒子数没有影响，仍然保持小信号反转粒子数。通常我们把上述现象称之为反转粒子数的“烧孔”效应。第73页,共79页，星期六，2024年，5月*烧孔深度为孔的宽度为若此时同时存在一频率为υ的弱光，且频率υ落在强光造成的烧孔范围之内，分析可知由于强光饱和造成的反转粒子数减少，导致弱光的增益系数只能小于其小信号增益系数。然而，如果弱光频率落在烧孔范围之外，弱光的增益系数将不受强光饱和的影响，仍为小信号增益系数。可以推想在增益系数Gi(υ,Iυ1)的曲线上，在（强光）频率附近会产生一个凹陷，如图2.20。这一现象称为增益曲线的烧孔效应，也称光谱烧孔效应。烧孔的宽度与上述反转粒子数饱和时的宽度一致，烧孔的深度决定于激光稳定振荡时的阈值增益（将在第四章提及）。（2.92）（2.93）第74页,共79页，星期六，2024年，5月*在非均匀加宽谱线的情况下，每一振荡频率各自在其频率附近小范围内“烧孔”，只要均匀加宽宽度小于相邻纵模的频率间隔ΔυH它们相互之间没有什么耦合影响。即一个模式振荡，不会影响另一模式频率处的增益系数。图2.20非均匀加宽光谱烧孔效应第75页,共