激光原理第七讲.ppt

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1、第7讲四能级系统单模速率方程的建立多模速率方程的建立均匀加宽工作介质的增益系数和增益饱和由速率方程推导小信号增益系数表达式大信号（饱和）增益系数；强光作用下的弱光增益系数作业：4-7、4-13、4-20He+eHe*21S0，23S1He*+NeNe*+He+DE100ns10ns与管壁碰撞HeNe四能级系统举例铒离子能级图0.98mm1.48mm三能级系统举例§4.3速率方程举例(三能级,四能级系统)各能级粒子数及腔内光子数密度随时间变化的方程建立速率方程的物理基础:爱因斯坦关系式红宝石,掺铒光纤He-Ne,N

2、d:YAGw13A31S31S32A21S21w21w12E1E2E3w03A30S30S32S21A21W21E3E2E1E0W12较大S10一、四能级系统速率方程1）单模振荡（第l个模，模频率为n)（忽略S30）忽略n3W30,n2A21?w03A30S30S32S21A21W21E3E2E1E0W12S10××具体激光器的速率方程根据其各种物理过程建立同一能级系统的速率方程可具有不同的形式光子寿命（2.1.14）R1,R2为单位时间内抽运到E1,E2能级的粒子数密度t1,t2为E1,E2能级寿命;t21为E2

3、E1自发辐射(荧光)寿命E2E1R2R1t1t21E0t20E2E1R2R1t2t1t21w03A30S30S32S21A21W21E3E2E1E0W12S10Pumptransitions要求熟知速率方程中各项的物理意义学会根据给出能级的有关参数建立相应的速率方程应能利用速率方程，自行推导有关参数的表达式R1会导致反转粒子数减少往往在气体激光器中存在，在其它激光器中可忽略2)多模振荡速率方程模序数模频率光子数方法:对应每个模式分别建立一个速率方程,序数相应变化简化前提:研究的问题无需考虑模式差别模式间衍射损耗差别可

4、忽略线型函数简化为矩形各个模式损耗,光子寿命相同根据简化模型,四能级多模速率方程荧光效率总量子效率发射荧光的光子数工作物质从光泵吸收的光子数N--各模式光子数密度总和泵浦效率§4.5均匀加宽工作物质的增益系数速率方程增益系数表达式（影响因素）增益饱和行为（均匀、非均匀加宽工作物质）一、小信号稳态增益系数（四能级为例）I(z)I(z)+dI(z)dzDn>0I(z)=Nhnvdz=vdtI(z)=Nhnvdz=vdt不计损耗*1.反转粒子数Dn稳态稳态增益系数讨论影响增益系数的主要因素w03S32S21A21W21

5、E3E2E1E0W12S10激光工作物质内N(光强I)很小时－小信号情况受激辐射对Dn的影响可忽略稳态时阈值附近n2很小小信号情况下Dn0与光强无关，激发几率W03Dn0小信号增益系数g0与光强无关，与Dn0成正比复习思考：如何理解小信号情况？2.小信号增益系数与频率的关系曲线－增益曲线小信号增益曲线的形状完全取决于谱线线型函数均匀加宽介质中心频率处小信号增益系数=s21非均匀加宽介质中心频率处小信号增益系数=s21增益线宽～(自发辐射)荧光线宽F若f1=f2增益曲线与吸收曲线相同3.小信号增益系数与l02

6、成正比,和谱线宽度成反比3.39mm632.8nm3S3P2PHe-Ne2S1.15mm微安表光源单色仪红宝石棒光电倍增管电源习题4-134.小信号增益系数的实验测量激光器放大介质衰减片探测器探测器分光板反射镜二、增益饱和（GainSaturation）－大信号情况什么是增益饱和？增益系数随光强的增大而减小的现象增益饱和的物理起因：腔内光强增大到一定程度频率为n1,光强为In1的入射光作用下(考虑受激辐射)1.反转粒子数饱和稳态反转粒子数饱和与腔内光强有关同频率不同光强情况下：光强越强，饱和越深反转粒子数饱和与入射光

7、频率有关式中－（中心频率）饱和光强－反转粒子数饱和小信号情况相同光强，不同入射光频率情况下中心频率处，受激辐射几率最大，饱和作用最深；偏离中心频率越远，饱和作用越弱。时若（发生饱和的入射光频率范围）饱和光强Is的重要性：激光工作物质的一个重要参量表征增益介质饱和与否的判据(小信号或大信号)决定腔内光强和激光输出功率的大小He-Ne:632.8nm0.3w/mm2小功率(几十毫瓦)CO2:10.6mm～2w/mm2Ar3+:514.5nm7w/mm2受激辐射造成n2(Dn)的减小可以与其它自发辐射和无辐射跃迁造成的衰减

8、可以相比拟受激辐射造成n2(Dn)的减小很小，可忽略受激辐射使n2(Dn)急剧减小，自发辐射作用减弱2.均匀加宽介质的大信号增益系数（增益系数&光强关系）频率为n1,光强为In1的准单色光入射到均匀加宽介质时的增益系数中心频率小信号增益系数大信号增益系数(4.5.5)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