第次激光特性学习教案

1、会计学1第次激光第次激光(jgung)特性特性第一页，共40页。在谐振腔中，当介质中的光强比较小时，受激辐射几率很小，粒子数密度反转分布几乎不随光强变化，介质对光的增益系数为小信号增益。这样，光强就可以在介质内不断增大。当光强增大到一定程度时，介质的受激辐射几率已不能忽略，介质中上下能级反转粒子数密度将会因受激辐射的消耗而明显下降。光强越强，受激辐射几率越大，上能级粒子数密度减少的越多，粒子数密度反转分布也就下降的越多，从而使增益系数下降，这就是增益饱和的实质。20212( )1( )AInInGngIcBgc 21( )=82021-11-292第1页/共40页第二页，共40页。021222

2、01+( )11( )=2-()2HHnn nnIBgcg 21一、反转粒子数饱和反转粒子数=-、均匀加宽情况线型函数为：（）2021-11-293第2页/共40页第三页，共40页。0212220220022021 2220022221 2011+2-()2-()2-()22-()24-()()222HHHHHHHHHnnnIBcnIBcnI Bc 将线型函数代入表达式（）（）（）（）（）2021-11-294第3页/共40页第四页，共40页。2200222021 22200222021 2-()2-()()2224-()2-()()222HHHHHHHHnIcBnIcB （）（）（）（）20

3、21-11-295第4页/共40页第五页，共40页。21 2220022202-()2=-()()22HsHHHscIBnnII 令，为饱和参量，又称饱和光强（）（）（2-3-3）结论：反转粒子数密度随光强的增大而减小。物理意义：饱和光强是激光器工作物质的一个重要参量，它反映了工作物质储存能量的能力。2021-11-296第5页/共40页第六页，共40页。2222He Ne0.3/Ar7/ CO 10.62/nmWmmnmWmmmWmmsss饱和光强越大，工作物质储存的能量就越多，激光器输出功率也就越大。例：红光 -（632.8） I高功率绿光 （514.5） I激光器（） I2021-11-

4、297第6页/共40页第七页，共40页。00000=1+=2=sssIInnIIIInn 当入射光强 与饱和光强 可以比拟时，就出现增益饱和现象，介质的增益就会明显下降。当时，饱和效应最强，由（2-3-3）可得（2-3-4）比较：当时(1)，减小了一半饱和光强也可理解为：当时，反转粒子数密度减小为最大值一半时所对应的光强。2021-11-298第7页/共40页第八页，共40页。00220002200022=1+ =22211()32224=11422()222214=HHsHHHHIInnnnn （ ）即：（）（）反转粒子数密度减小了结论：时饱和效应最强。时饱和效应减弱。2021-11-299

5、第8页/共40页第九页，共40页。02=1()1+AAAsnII 、非均匀加宽自然加宽（不可避免的）均匀加宽实际谱线碰撞加宽非均匀加宽多普勒加宽（高斯型函数）当外来入射光频率时，对发射光的粒子而言，相当于前面均匀加宽谱线情况中，入射光频率等于中心频率情况，引起强烈的饱和作用。反转粒子数降为2021-11-2910第9页/共40页第十页，共40页。00001()()()1+12AAAssHAssInnnIIIIIIIIn A烧孔效应：由于光强增大，引起反转粒子数下降，形成了以频率为中心的凹陷。洞深小信号反转粒子数减去有饱和效应的反转粒子数引起显著饱和效应的频率范围：当时，相应的反转粒子数密度3下

6、降为42021-11-2911第10页/共40页第十一页，共40页。002 112=()1()=HHssAHssAHsssIIIIIIAnIIInIIIIII洞的宽度：洞的面积 宽度 深度2021-11-2912第11页/共40页第十二页，共40页。00()()(237)1AAAHAsssAHssnAIIIIIInIII 此处的光强对应于频率处的光强此即为烧孔面积2021-11-2913第12页/共40页第十三页，共40页。2002020221211()2=() (1)21( )2()2( )()( )8HHsHHnnIIgAGnng222二、增益饱和、均匀加宽情况反转粒子数（）（）（）（2-

7、2-9）2021-11-2914第13页/共40页第十四页，共40页。00020202121200002=121( )8411()(239)1()ssssnngIIAn AnGIIIIGIIG HHH（1）当时，（）为小信号情况下的增益系数。结论：光强越大，增益系数越小增益饱和现象。2021-11-2915第14页/共40页第十五页，共40页。02002020221212()2=() (1)21( )2()2( )()( )8HHsHHnnIIgAGnng222（ ）当时 （）（）（）增益系数（2-2-9）2021-11-2916第15页/共40页第十六页，共40页。2200212020202

8、1220()2( )8() (1)212()216() (1)2HHsHHHHsAGnIIAnII 2222（）（）（）（）2021-11-2917第16页/共40页第十七页，共40页。2202100220200200()2=4() (1)2()2=()(23 10)() (1)2HHHsHHsAnIIGII 22（取）（）（）当时,（2-3-10）式化简为（2-3-9）式。2021-11-2918第17页/共40页第十八页，共40页。0sII当光强时，不同频率的增益系数整体下降，处的增益减小为小信号增益最大值的一半。2021-11-2919第18页/共40页第十九页，共40页。02022(

9、)( )()2( )( )() (1)2jjHHHsgdn gddGGII2、非均匀加宽情况非均匀加宽谱线可以看作由许多均匀加宽谱线的叠加。设非均匀加宽谱线的线型函数为，对于发光频率在范围内的粒子，上下能级粒子数之差为，这个差值发出中心频率为 ，频率宽度为的窄均匀加宽谱线。即：（）2021-11-2920第19页/共40页第二十页，共40页。2021-11-2921第20页/共40页第二十一页，共40页。220210222002()2( )( )4() (1)2()2()( )() (1)2(23 11)HjHHsHjHsAdGn gdIIGgdIId 22（）（）此为频率粒子的增益系数。20

10、21-11-2922第21页/共40页第二十二页，共40页。2002()2( )()( )() (1)222( )( )HjHsHHjjGGgdIIgg2总的增益即为对所有频率的发光粒子的增益系数的积分（）光频率在到的粒子有增益，并且，非均匀加宽谱线的宽度比均匀加宽谱线宽度大很多。2021-11-2923第22页/共40页第二十三页，共40页。200222200120012( )=()()( )2() (1)2( )=()()( )212=()( )21HjHsHjHsHjsdGGgIIdxxaaGGgIIGgII2（）利用积分公式：（）（2-3-14）（）2021-11-2924第23页/共

11、40页第二十四页，共40页。00000000012( )()()( )2()( )( )2( )( )1sHjHjjjjjsIIGGgGGGG gG gGII小信号情况下，令则（2-3-14）式为：（）随着光强的增大，增益系数减小，也会出现烧孔效应。2021-11-2925第24页/共40页第二十五页，共40页。2021-11-2926第25页/共40页第二十六页，共40页。60,10(180 )2 () 4radsrrad -3一、激光的特点（1）方向性好：光束方向性用发散角 描述 越小方向性越好激光：10普通光源： 面光源 、（点光源）2021-11-2927第26页/共40页第二十七页，

12、共40页。32910101.5 10HeNenmnmHz（2）单色性好：单色性用光谱宽度或描述 或越小，单色性越好激光器：，钨灯： （）2021-11-2928第27页/共40页第二十八页，共40页。252(cos )2 10eAHeNecd cmcd cm 27(3)高亮度（Le=表示在某一方向上单位投影表面在单位立体角内的辐射通量）激光：Le=7 10太阳表面：时间相干性概括：具有非常好的相干性空间相干性2021-11-2929第28页/共40页第二十九页，共40页。二、时间相干性空间同一点上，不同时刻的光波场之间的相干性1相干时间 =单色性越高，即越小，相干时间越长，时间相干性也就越好。

13、2021-11-2930第29页/共40页第三十页，共40页。M1M2G1M1M2EME当、到的光程差为零时，衍射加强，为明条纹。若不动，移动4， 点变为暗条纹。若2继续移动4， 点又变为明条纹。由于实际的光源是由不同波长构成的，由于波长的不同，所以明暗相间的位置是不一样的。2021-11-2931第30页/共40页第三十一页，共40页。max/2/2K1Klll现分别考虑波长范围的两个端点（）和（）。假设对某一光程差来说，若使最短波长的个亮纹与最长波长的 个亮纹重合在一起时，则在屏中心已不能观察到明暗相间的条纹，这种情况的取为最大光程差，即：=(k+1)( -)=k()222021-11-2

14、932第31页/共40页第三十二页，共40页。2maxmax22(3 1 3)1(3 1 4)ccccccccclllllccddccdc 2因为 k称为相干长度（ ）相干时间：光波通过相干长度的时间 ccd根据（ =d =-d）d2021-11-2933第32页/共40页第三十三页，共40页。222212222PSSO1 ()21 ()2xxSRLxSRLx1111三、空间相干性空间相干性：同一时刻两个不同空间点上的光场之间的相干性。对 点来说，经 和到 点的光程分别为：PP2021-11-2934第33页/共40页第三十四页，共40页。222xxxxRLxxLRoxLRLRx111112P

15、P11PP当2时光程差（P经S 和S 到达O点的光程差为）L若 L，则P点和P点在 点的干涉条纹相互重叠，即P点形成的明条纹恰好是P点形成的暗条纹，这样在观察屏上就没有干涉条纹。两个点光源具有明显空间相干性的条件为：LL，即， 相干长度2021-11-2935第34页/共40页第三十五页，共40页。222xcxssLxxRRALAA 令=，光束的空间相干性和它的方向性是紧密联系的，激光的光束发散角越小，激光的空间相干长度越大，即空间相干性越好。考虑二维情况，相干面积 为光源面积，光源面积越小，相干面积越大2021-11-2936第35页/共40页第三十六页，共40页。222cccsccRcVA lAclc 相干体