激光原理第七讲.ppt

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 20 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 Nd YAG w13 A31 S31 S32 A21 S21 w21 w12 E1 E2 E3 w03 A30 S30 S32 S21 A21 W21 E3 E2 E1 E0 W12 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 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 E1自发辐射 荧光 寿命 Pumptransitions 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 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 Nhnv dz vdt 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 w03 S32 S21 A21 W21 E3 E2 E1 E0 W12 S10 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 2 小信号增益系数与频率的关系曲线 增益曲线 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成正比 和谱线宽度成反比 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频率有关 式中 中心频率 饱和光强 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 介质对光波的增益作用 及饱和效应都很微弱 可忽略不计 思考题 大信号增益曲线宽度与小信号增益曲线宽度是否相等 小信号增益曲线 大信号增益曲线 讨论此命题的物理背景 激光器中某一模式频率首先起振 成为强光 别的模式刚起振 弱光 强光模式对刚起振的弱光模式的影响 3 在强光In1作用下的弱光n增益系数 频率为n1 光强为In1强光 同时有一频