激光产生的充分条件优秀课件.ppt

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1、激光产生的充分条件第1页，本讲稿共24页二、饱和光强二、饱和光强I Is s s s的计算的计算一个通过泵浦实现了粒子数反转的二能级系统，一个通过泵浦实现了粒子数反转的二能级系统，一个通过泵浦实现了粒子数反转的二能级系统，一个通过泵浦实现了粒子数反转的二能级系统，当光在此增益介质传播时，上能级粒子数变化率当光在此增益介质传播时，上能级粒子数变化率当光在此增益介质传播时，上能级粒子数变化率当光在此增益介质传播时，上能级粒子数变化率达到稳态时达到稳态时达到稳态时达到稳态时第2页，本讲稿共24页小信号情况时，小信号情况时，小信号情况时，小信号情况时，随着随着随着随着I ,NI ,NI ,NI ,Nu

2、 u u u饱和光强饱和光强饱和光强饱和光强N N N Nu u u u减小至小信号值的减小至小信号值的减小至小信号值的减小至小信号值的1/21/21/21/2时的光强。时的光强。时的光强。时的光强。式中式中式中式中叫做受激辐射截面叫做受激辐射截面叫做受激辐射截面叫做受激辐射截面第3页，本讲稿共24页三、产生激光的充分条件三、产生激光的充分条件 如果在增益介质的有效长度内，光强可以从微如果在增益介质的有效长度内，光强可以从微如果在增益介质的有效长度内，光强可以从微如果在增益介质的有效长度内，光强可以从微小信号增长到饱和光强，那么对产生激光来说就小信号增长到饱和光强，那么对产生激光来说就小信号增

3、长到饱和光强，那么对产生激光来说就小信号增长到饱和光强，那么对产生激光来说就是充分的。是充分的。是充分的。是充分的。说明说明说明说明1.I1.I1.I1.Is s有一定的任意性。有一定的任意性。有一定的任意性。有一定的任意性。2.2.2.2.达到达到达到达到I I I Is s后，后，后，后，I I I Is s仍在增长，但增长速度大为衰减。仍在增长，但增长速度大为衰减。仍在增长，但增长速度大为衰减。仍在增长，但增长速度大为衰减。例：如图，请估算满足充分条件的工作物质长度例：如图，请估算满足充分条件的工作物质长度例：如图，请估算满足充分条件的工作物质长度例：如图，请估算满足充分条件的工作物质长

4、度L L L Ll l l lA A A Ad d d da a a a面积面积面积面积设介质已实现足够大的粒子数反转设介质已实现足够大的粒子数反转设介质已实现足够大的粒子数反转设介质已实现足够大的粒子数反转第4页，本讲稿共24页L L L Ll l l lA A A Ad d d da a a a如图，在如图，在如图，在如图，在l l l l区域内，单位时间由自发辐射产生的区域内，单位时间由自发辐射产生的区域内，单位时间由自发辐射产生的区域内，单位时间由自发辐射产生的总辐射能为总辐射能为总辐射能为总辐射能为到达介质另端的能量与总能量之比为到达介质另端的能量与总能量之比为到达介质另端的能量与总

5、能量之比为到达介质另端的能量与总能量之比为到达介质另端的能量为到达介质另端的能量为到达介质另端的能量为到达介质另端的能量为第5页，本讲稿共24页令令令令即：即：即：即：关于关于关于关于L L L L的的的的超越方程超越方程超越方程超越方程第6页，本讲稿共24页讨讨讨讨论论论论1.1.1.1.已知已知已知已知L L L L和和和和d d d da a a a时时时时,就可求出满足充分条件的就可求出满足充分条件的就可求出满足充分条件的就可求出满足充分条件的G.G.G.G.2.2.2.2.通过对已知通过对已知通过对已知通过对已知G G G G 的比较的比较的比较的比较,就可判断是否满足充分条件就可判

6、断是否满足充分条件就可判断是否满足充分条件就可判断是否满足充分条件.3.3.3.3.已知已知已知已知L L L L和和和和G G G G 时时时时,就可求出满足充分条件就可求出满足充分条件就可求出满足充分条件就可求出满足充分条件d d d da a a a的的的的.4.4.4.4.可判断已知的可判断已知的可判断已知的可判断已知的d d d da a a a是否满足充分条件是否满足充分条件是否满足充分条件是否满足充分条件.5.5.5.5.已知已知已知已知G G G G 和和和和d d d da a a a时时时时,则只有用作图法才能求解则只有用作图法才能求解则只有用作图法才能求解则只有用作图法才

7、能求解L L L L或判断或判断或判断或判断L L.例题例题例题例题1 1 1 1已知：已知：已知：已知：G=100mG=100mG=100mG=100m-1-1-1-1，L=0.08mL=0.08mL=0.08mL=0.08m求求求求 ：满足充分条件的满足充分条件的满足充分条件的满足充分条件的d d d da a a a解解解解 ：第7页，本讲稿共24页例题例题例题例题2 2 2 2已知：已知：已知：已知：Nd:YAGNd:YAGNd:YAGNd:YAG激光材料增益系数激光材料增益系数激光材料增益系数激光材料增益系数G=10mG=10mG=10mG=10m-1-1-1-1，材，材，材，材 料

8、长度料长度料长度料长度L=0.5mL=0.5mL=0.5mL=0.5m，da=0.1mda=0.1mda=0.1mda=0.1m求求求求 ：小信号单次通过该介质光强可否达到饱和？：小信号单次通过该介质光强可否达到饱和？：小信号单次通过该介质光强可否达到饱和？：小信号单次通过该介质光强可否达到饱和？解解解解 ：不能达到饱和不能达到饱和不能达到饱和不能达到饱和第8页，本讲稿共24页1.4 1.4 谱线加宽谱线加宽一、一、概述概述1.1.谱线宽度谱线宽度上能级宽度上能级宽度上能级宽度上能级宽度:下能级宽度下能级宽度下能级宽度下能级宽度:E E E EuMuMuMuME E E Eu0u0u0u0E

9、E E EumumumumE E E ElMlMlMlME E E El0l0l0l0E E E Elmlmlmlm中心频中心频中心频中心频:上边频上边频上边频上边频:下边频下边频下边频下边频:第9页，本讲稿共24页谱线宽度谱线宽度谱线宽度谱线宽度:2.2.线型函数线型函数定义定义定义定义:设辐射光强设辐射光强设辐射光强设辐射光强I I I I中频率处于中频率处于中频率处于中频率处于+d+d+d+d的部分为的部分为的部分为的部分为I()d,I()d,I()d,I()d,则线型函数定义为则线型函数定义为则线型函数定义为则线型函数定义为线型函数满足归一化条件线型函数满足归一化条件线型函数满足归一化

10、条件线型函数满足归一化条件第10页，本讲稿共24页3.3.种类种类谱线加宽谱线加宽谱线加宽谱线加宽非均匀加宽非均匀加宽非均匀加宽非均匀加宽均匀加宽均匀加宽均匀加宽均匀加宽综合加宽综合加宽综合加宽综合加宽二、均匀加宽二、均匀加宽1.1.定义定义 引起加宽的物理因素对每个原子都是相同的引起加宽的物理因素对每个原子都是相同的引起加宽的物理因素对每个原子都是相同的引起加宽的物理因素对每个原子都是相同的,这种加宽就是均匀加宽这种加宽就是均匀加宽这种加宽就是均匀加宽这种加宽就是均匀加宽.2.2.种类种类碰撞加宽、碰撞加宽、碰撞加宽、碰撞加宽、自然加宽、自然加宽、自然加宽、自然加宽、晶格振动加宽晶格振动加宽

11、晶格振动加宽晶格振动加宽3.3.线型函数线型函数谱线宽度谱线宽度第11页，本讲稿共24页4.4.自然加宽自然加宽由测不准关系确定的加宽就是自然加宽由测不准关系确定的加宽就是自然加宽由测不准关系确定的加宽就是自然加宽由测不准关系确定的加宽就是自然加宽.线型函数线型函数线型函数线型函数5.5.碰撞加宽碰撞加宽1 1 1 1加宽、加宽、加宽、加宽、2 2 2 2加宽加宽加宽加宽6.6.总的均匀加宽总的均匀加宽第12页，本讲稿共24页三、非均匀加宽三、非均匀加宽1.1.定义定义 原子系统中不同原子或原子群对谱线的不同部分有贡献原子系统中不同原子或原子群对谱线的不同部分有贡献原子系统中不同原子或原子群对

12、谱线的不同部分有贡献原子系统中不同原子或原子群对谱线的不同部分有贡献,这这这这类加宽就是非均匀加宽类加宽就是非均匀加宽类加宽就是非均匀加宽类加宽就是非均匀加宽.2.2.种类种类多普勒加宽、多普勒加宽、多普勒加宽、多普勒加宽、非晶态加宽非晶态加宽非晶态加宽非晶态加宽3.3.多普勒加宽多普勒加宽l l多普勒效应多普勒效应多普勒效应多普勒效应第13页，本讲稿共24页l l多普勒加宽多普勒加宽多普勒加宽多普勒加宽l l线型函数线型函数线型函数线型函数式中式中式中式中原子量4.4.多普勒加宽和多普勒加宽和 自然加宽的关系自然加宽的关系第14页，本讲稿共24页1.5 1.5 谱线加宽下的增益系数谱线加宽下

13、的增益系数对于均匀对于均匀增宽介质：增宽介质：由线型函数定义由线型函数定义由线型函数定义由线型函数定义可以认为可以认为线型函数是跃迁几率按频率的分布函数。线型函数是跃迁几率按频率的分布函数。对于多普勒加宽介质：对于多普勒加宽介质：第15页，本讲稿共24页当当时，即在中心频率处获得最大值时，即在中心频率处获得最大值1.6 1.6 激光器的速率方程激光器的速率方程一、速率方程的建立一、速率方程的建立1.实现上下能级之间粒子数反转产生激光的物理过程：三能级和四能级系统，为简化问题，以二能级系统为例。第16页，本讲稿共24页以以l l代表能级代表能级l l的驰豫衰减的驰豫衰减WuWlAulB Bulu

14、l()I/c()I/cB Blu lu()I/c()I/cEuEl第17页，本讲稿共24页二、二、速率方程的稳态解速率方程的稳态解稳态时稳态时小信号时小信号时（1 1）（2 2）（3 3）（4 4）第18页，本讲稿共24页（1 1）+（2 2）得）得可见，下能级粒子数密度不随光强而改变！可见，下能级粒子数密度不随光强而改变！由（由（1 1）得）得设设由饱和光强定义由饱和光强定义第19页，本讲稿共24页三、三、反转粒子数及增益饱和反转粒子数及增益饱和1.1.反转粒子数密度反转粒子数密度显然，显然，I=II=Is s时，时，2.2.增益系数增益系数将将代入代入第20页，本讲稿共24页小信号增益小信

15、号增益系数系数可见，可见，I=II=Is s时，时，饱和条件下的增益系数为小信号时的一半饱和条件下的增益系数为小信号时的一半3.3.增益系数增益系数G()G()、中心频率处增益系数、中心频率处增益系数G(G(0 0)、小信号增益、小信号增益系数系数G G0 0()()及小信号中心频率处增益系数及小信号中心频率处增益系数G G0 0(0 0)的关系的关系第21页，本讲稿共24页均匀加宽均匀加宽第22页，本讲稿共24页多普勒加宽多普勒加宽第23页，本讲稿共24页作作 业业1.(1)1.(1)一质地均匀的材料对光的吸收为一质地均匀的材料对光的吸收为0.01mm0.01mm-1-1、光通过、光通过10

16、cm10cm长的该材料后，出射光强长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几？（为入射光强的百分之几？（2 2）一光束通过长度为）一光束通过长度为1m1m的均匀激活工作物质，如果出射光强为入射光的均匀激活工作物质，如果出射光强为入射光强的强的2 2倍，求该物质的增益系数。倍，求该物质的增益系数。2.2.设氖原子静止时发出设氖原子静止时发出0.6328m0.6328m红光的中心频率红光的中心频率为为4.74104.74101414Hz,Hz,室温下氖原子的平均速率设为室温下氖原子的平均速率设为560m/s560m/s。求此时接收器接收频率与中心频率相差。求此时接收器接收频率与中心频率相差多少？多少？第24页，本讲稿共24页