c2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和ppt课件.ppt

2.4 2.4 非均匀增宽介质的增益饱和非均匀增宽介质的增益饱和 2.32.3 均匀增宽介质的增益系数和增益饱和均匀增宽介质的增益系数和增益饱和2.52.5 激光器的损耗与阈值条件激光器的损耗与阈值条件2.2 2.2 速率方程组与粒子数反转速率方程组与粒子数反转2.1 2.1 光学谐振腔结构与稳定性光学谐振腔结构与稳定性1本节导出激光工作物质的增益系数表示式，分析影响增益本节导出激光工作物质的增益系数表示式，分析影响增益系数的各种因素，着重讨论光强增加时增益的饱和行为。系数的各种因素，着重讨论光强增加时增益的饱和行为。均匀增宽和非均匀增宽的工作物质的增益饱和行为有很大均匀增宽和非均匀增宽的工作物质的增益饱和行为有很大差别，由它们所构成的激光器的工作特性也有很大不同，差别，由它们所构成的激光器的工作特性也有很大不同，因此将分别予以讨论。因此将分别予以讨论。2.3 均匀增宽介质的增益系数和增益饱和均匀增宽介质的增益系数和增益饱和饱和效应饱和效应: : 随着随着I I 的增大的增大, , n不增反降的现象不增反降的现象增益系数增益系数G可以表示为可以表示为hfcnBG)()(212.3.1 均匀增宽介质的增益系数均匀增宽介质的增益系数 一、一、标志介质受激放大能力的物理量标志介质受激放大能力的物理量增益系数增益系数G可以表示为可以表示为hfcnBG)()(21hfcBffIInGs)()()(1)(2100对于均匀增宽介质：对于均匀增宽介质： 02100)()(hfcBnG小信号小信号IIs增益系数：增益系数： h0h上式中因为光波频率很高，线宽上式中因为光波频率很高，线宽 ，所以可以用，所以可以用 代替上式中的代替上式中的 )(0G可见可见: : 小信号小信号 与光强无关与光强无关, ,仅是频率的函数，且与线仅是频率的函数，且与线型函数型函数 有近似的变化规律。有近似的变化规律。)(f可见可见: : 小信号小信号 与光强无关与光强无关, ,仅是频率的函数，且与线仅是频率的函数，且与线型函数型函数 有近似的变化规律。有近似的变化规律。)(f可见可见: : 小信号小信号 与光强无关与光强无关, ,仅是频率的函数，且与线仅是频率的函数，且与线型函数型函数 有近似的变化规律。有近似的变化规律。)(f2.3.1 均匀增宽介质的增益系数均匀增宽介质的增益系数hfcBffIInGs)()()(1)(2100对于均匀增宽介质：对于均匀增宽介质： 02100)()(hfcBnG小信号小信号IIs增益系数：增益系数： 图2-7 均匀增宽介质小信号增益系数图图(2-7)(2-7)示意示意 与谱线的线型函数与谱线的线型函数 有相似的变化规律。该曲线称为小信有相似的变化规律。该曲线称为小信号增益曲线号增益曲线, ,其形状完全取决于线型函其形状完全取决于线型函数。数。)(0G)(f综合上两式可得：综合上两式可得：)()(1)()(00ffIIGGs这就是这就是均匀增宽介质增益系数的表达式。均匀增宽介质增益系数的表达式。二、对均匀增宽型介质有：二、对均匀增宽型介质有：022022( )()()(2)f f 0002102Gn Bhc （ ）则则中心频率处小信号增益系数中心频率处小信号增益系数：)(0vf中心频率处的中心频率处的 与线宽与线宽 成反比，这是因为线型函数满成反比，这是因为线型函数满足归一化条件，线宽窄时线型函数的峰值足归一化条件，线宽窄时线型函数的峰值 大，受激辐射大，受激辐射几率几率 也越大，因此中心频率处的小信号增益系数也越大，因此中心频率处的小信号增益系数也就越大。也就越大。）（00G)(021vfB1 1增益饱和：增益饱和： 实验中发现：在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强实验中发现：在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱时，增益系数是一个常数；当入射光的光强增大到一很弱时，增益系数是一个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随光强的增大而减小，这种现象称为定程度后，增益系数随光强的增大而减小，这种现象称为增益饱和。增益饱和。 增益饱和的物理解释：增益饱和的物理解释：当谐振腔内光强逐渐增强，介质中当谐振腔内光强逐渐增强，介质中粒子数密度反转分布值因受激辐射的消耗而下降，光强越粒子数密度反转分布值因受激辐射的消耗而下降，光强越强，受激辐射几率越大，上能级粒子数密度减少得越多，强，受激辐射几率越大，上能级粒子数密度减少得越多，使粒子数密度反转分布值下降越多，进而使增益系数也同使粒子数密度反转分布值下降越多，进而使增益系数也同时下降。时下降。二二. . 对增益饱和分三种情况讨论对增益饱和分三种情况讨论ssIIGffIIGG1)()()(1)()(00000001.1. 介质对频率为介质对频率为 、光强为光强为I 的光波的增益系数为的光波的增益系数为0入射光光强入射光光强I与饱和光强与饱和光强Is可比拟时，显著饱和，即可比拟时，显著饱和，即G明显随明显随I 增大而下降增大而下降 饱和光强饱和光强Is是激光工作物质的光学性质，不同物质差别很大是激光工作物质的光学性质，不同物质差别很大v氦氖激光器（氦氖激光器（632.8nm谱线）谱线） Is大约为大约为0.3 W/mm2v氩离子激光器（氩离子激光器（514.5nm谱线）谱线） Is大约为大约为7 W/mm2v纵向二氧化碳激光器（纵向二氧化碳激光器（10.6微米谱线）微米谱线） Is大约为大约为2 W/mm22. 介质对频率为介质对频率为 、光强为、光强为I的光波的增益系数为的光波的增益系数为2.3.2 均匀增宽介质的增益饱和均匀增宽介质的增益饱和220022000)2)(1 ()()()2()()()(1)()(ssIIGffIIGG0002102Gn Bhc （ ）二二. . 对增益饱和分三种情况讨论对增益饱和分三种情况讨论由于由于)()2)(1 ()()2()(002202GIIGs)()2()()2()()(2)(002202000GfGG,)()(02100hfcBnG代入得代入得用中心频率处小信号增益系数表示的增益系数用中心频率处小信号增益系数表示的增益系数的表达的表达式式：根据根据上式计算不同上式计算不同v的增益系数的增益系数列表如下，令表中各种频率光列表如下，令表中各种频率光波的光强都等于饱和光强波的光强都等于饱和光强I Is s。并作并作 的曲线如图的曲线如图(2-8)(2-8)所所示。示。 G)(图图(2-8) 均匀增宽型增益饱和曲线均匀增宽型增益饱和曲线介质对频率为介质对频率为 光波的增益系数值最大，该光波的增益系数值最大，该光波的增益饱和作用也最大，当光波的增益饱和作用也最大，当0210sII介质对光波的增益作用以及光波对介质的增介质对光波的增益作用以及光波对介质的增益饱和作用都很微弱益饱和作用都很微弱 v均匀增宽介质的增益均匀增宽介质的增益与与增益饱和作用的频率范增益饱和作用的频率范围围 频率增益系数 )()(0GG)(G0202)1 (210IIs0)(2100G)(G)(2100G)(3100G)(6100G)(4100G)(12100G)(6100G)(30100G增益饱增益饱和作用和作用 3. 频率为频率为 、光强为、光强为I的强光作用下增益介质对另一小信号的强光作用下增益介质对另一小信号i(弱光）弱光） 的增益系数的增益系数G（vi）)(ii由于由于I 和和i 放大是消耗同一个放大是消耗同一个E2 2能级上的粒子，而介质中能级上的粒子，而介质中E2 2能级上的粒子数密度已经在能级上的粒子数密度已经在I 的激励下大为减少，所以，此的激励下大为减少，所以，此时介质对光波时介质对光波 的增益系数也同样下降的增益系数也同样下降 )(ii频率为频率为v的强光的强光 I 不仅使本身频率处介质的增益系数由不仅使本身频率处介质的增益系数由 下降至下降至 ，而且使介质的线宽范围内一切频率处介质的，而且使介质的线宽范围内一切频率处介质的增益系数增益系数 都下降了同样的倍数都下降了同样的倍数, ,变为变为 。 )(G)(0G)(0iG)(iG)()2)(1 ()()2()(002202GIIGsii 3. 频率为频率为 、光强为、光强为I的强光作用下增益介质对另一小信号的强光作用下增益介质对另一小信号i(弱光）弱光） 的增益系数的增益系数G（vi）)(ii由于光强由于光强I I 仅改变粒子在上下能级间的分仅改变粒子在上下能级间的分布值，并不改变介质的密度、粒子的运动状布值，并不改变介质的密度、粒子的运动状态以及能级的宽度。因此，在光强态以及能级的宽度。因此，在光强I I 的作用的作用下，介质的光谱线型不会改变，线宽不会改下，介质的光谱线型不会改变，线宽不会改变，增益系数随频率的分布也不会改变，变，增益系数随频率的分布也不会改变，光光强仅仅使增益系数在整个线宽范围内下降同强仅仅使增益系数在整个线宽范围内下降同样的倍数样的倍数，如图，如图(2-9)(2-9)所示所示习 题习题P48：1，2