第三章-4 增益饱和.ppt

1、第三章-4 增益饱和,3.5 均匀加宽工作物质的增益系数,通常用增益系数来描述经过单位距离后光强的增长率。设在z处光强为I(z)，z+dz处光强为I(z)+dI(z)，则增益系数定义为,在讨论受激辐射引起的增益时不计损耗,由于 ， ，,第三章-4 增益饱和,目的：在频率为1、光强为I1的入射光作用下，求工作物质的反转集居数密度n。 在连续工作状态下，应有,一般四能级系统中，S10W03，S32W03，A30S32,nn2,一 反转集居数饱和,第三章-4 增益饱和,其中2为能级E2寿命,在稳态时，有 ，利用四能级系统中n0n，,已知,第三章-4 增益饱和,n0称作小信号反转集居数密度,在光强 的

2、小信号情况下， ；当 足够强时，将有nn0 ， 越强，反转集居数密度减少得越多，这种现象称为反转集居数的饱和,Is(1)是频率为1的强光对应的饱和光强，具有光强的量纲,第三章-4 增益饱和,饱和光强Is(1) the saturation intensity,饱和光强的物理意义：当入射光强度 可以与 Is(1)比拟时，受激辐射造成的上能级集居数衰减率就可以与其它弛豫过程（自发辐射及无辐射跃迁）造成的衰减相比拟。因此当 时， n 与光强无关；当 可与Is(1)比拟时， n随 的增加而减小。当 Is(1)时，,Is(1)的值取决于增益物质的性质和入射光频率，可由实验测出。中心频率处的饱和光强记作I

3、s。,第三章-4 增益饱和,饱和光强反比于线型函数。如果该均匀加宽工作物质具有洛伦兹线型,当10时,第三章-4 增益饱和,反转集居数饱和的特点：,中心频率处的饱和光强Is最小。入射光偏离中心频率越大，所对应的饱和光强越大。 在相同的入射光强下，饱和光强越小，与n0相比， n值下降越多，饱和效应越严重 入射光频率为中心频率时饱和效应最强烈，偏离中心频率越远，饱和效应越弱。? 中心频率处受激辐射几率最大，入射光造成的反转集居数下降越严重。,第三章-4 增益饱和,不同频率的入射光对反转集居数密度的影响是不同的。 当 ，才有显著的饱和效应。,洛伦兹,线型时,Note:对于其它能级系统，增益系数有类似的

4、表达式，但饱和光强的具体表达式不同。,第三章-4 增益饱和,二 增益饱和 (Gain Saturation),求频率为1、光强为 的准单色光入射到均匀加宽工作物质时的增益系数 ？,1： 强光入射时的增益系数,第三章-4 增益饱和,增益饱和的特点：,在 的小信号情况下，增益系数与入射光强无关。小信号增益系数为 当 可与Is(1)比拟时， 的值将随 的增加而减少。这就是增益饱和现象。 若 ，则 在相同的入射光强下，入射光频率为中心频率时饱和效应最强，偏离中心频率越远，饱和效应越弱。,第三章-4 增益饱和,小信号增益系数和入射频率有关，其形状完全取决于线型函数 与入射光频率1的关系曲线，称为小信号增

5、益曲线 与入射光频率1的关系曲线，称为大信号增益曲线,第三章-4 增益饱和,若线型函数为洛伦兹线型,第三章-4 增益饱和,小信号增益系数 与光强无关，可表示为 其中 为中心频率处的小信号增益系数,中心频率小信号增益系数决定于工作物质特性及激发速率，可由实验测出。,第三章-4 增益饱和,2： 强光入射时弱光的增益系数,?设有一频率为1、光强为 的强光入射，同时还有一频率为的弱光入射，求弱光的增益系数 ？ 对均匀加宽工作物质，强光入射会引起反转集居数密度n的下降，而n的下降又导致弱光增益系数的下降。,第三章-4 增益饱和,频率为1的强光不仅使自身的增益系数下降，也使其它频率的弱光的增益也以同等程度下降。 在均匀加宽谱线情况下，由于每个粒子对谱线不同频率处的增益都有贡献，所以当某一频率（1）的受激辐射消耗了激发态的粒子时，也就减少了对其它频率（）信号起作用的粒子数。结果导致增益在整个谱线上均匀下降。？ 在均匀激光器中，当一个模振荡后，就会使其它模的增益降低，因而阻止了其它模的振荡。,