光电子学 第二章 介质中的光增益.ppt

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1、光电子学第二章介质中的光增益第四讲湖南大学物理与微电子科学学院，王玲玲2016年3月物理与微电子科学学院SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScience气体及固体激光工作物质，非均匀加宽的原因？第三讲要点回顾碰撞加宽原因？为什么不能发绝对单色光？辐射的半经典与量子理论的意义；气体及固体激光工作物质，均匀加宽的原因？§2-3介子中的增益饱和与烧孔效应§2-2光在介质中的小信号增益介质中的光增益2§2-1粒子数的反转分布第四讲要点小信号增益粒子数反转（负T）烧孔效应132E1E2E3

2、激光原理，特性和应用——玻尔假说玻尔假说：原子有定态，不发也不吸收EM辐射能。态能分立E1,E2,……,En原子从一定态跃到另定态，发出和吸收EM辐射。电磁辐射电磁辐射§2-1粒子数反转分布§2-2光在介质中小信号增益§2-3介子中增益饱和与烧孔效应一、激发态能级寿命二、粒子数密度的差值1.只存在自发辐射过程能级间的跃迁2.存在多种跃迁过程m个能级间的跃迁三、三能级系统与四能级系统3.亚稳态能级玻尔假说及频率条件玻尔频率条件：h普郎克常数：§2-1粒子数反转分布§2-2光在介质中小信号增益§2-3介子中增益饱和与

3、烧孔效应一、激发态能级寿命二、粒子数密度的差值1.只存在自发辐射过程能级间的跃迁2.存在多种跃迁过程m个能级间的跃迁三、三能级系统与四能级系统3.亚稳态能级原子能级原子高向低能级跃迁——光发射；低向高能级跃迁——光吸收；满足玻尔条件。基态：能级能量低E1E2E3激发态§2-1粒子数反转分布§2-2光在介质中小信号增益§2-3介子中增益饱和与烧孔效应一、激发态能级寿命二、粒子数密度的差值1.只存在自发辐射过程能级间的跃迁2.存在多种跃迁过程m个能级间的跃迁三、三能级系统与四能级系统3.亚稳态能级波尔兹曼分布律（粒子

4、数按能量分布）：热平衡，能级粒子分布规律。Nn能级En粒子数能级，Nn指数§2-1粒子数反转分布§2-2光在介质中小信号增益§2-3介子中增益饱和与烧孔效应一、激发态能级寿命二、粒子数密度的差值1.只存在自发辐射过程能级间的跃迁2.存在多种跃迁过程m个能级间的跃迁三、三能级系统与四能级系统3.亚稳态能级热平衡，高能级粒子N2<低N1，比例T定。正则分布规律：§2-1粒子数反转分布§2-2光在介质中小信号增益§2-3介子中增益饱和与烧孔效应一、激发态能级寿命二、粒子数密度的差值1.只存在自发辐射过程能级间的跃迁

5、2.存在多种跃迁过程m个能级间的跃迁三、三能级系统与四能级系统3.亚稳态能级激发态Em粒子数Nm，低En粒子数Nn，Em向En自发辐射，几率Amn，dtEm粒子数Nm变：§2-1粒子数反转分布§2-2光在介质中小信号增益§2-3介子中增益饱和与烧孔效应一、激发态能级寿命二、粒子数密度的差值1.只存在自发辐射过程能级间的跃迁2.存在多种跃迁过程m个能级间的跃迁1）二能级间跃迁m能级系统，Em粒子寿命，求n能级粒子E2E1RA21n20n20A21三、三能级系统与四能级系统3.亚稳态能级激发态粒子：Nm：t=0E

6、m粒子数；mn=1/Amn：Em原子寿命mnEm向En，向E

7、发态Em下m-1能级，Em粒子向m-1能级自发跃迁。3）m能级间跃迁§2-1粒子数反转分布§2-2光在介质中小信号增益§2-3介子中增益饱和与烧孔效应一、激发态能级寿命二、粒子数密度的差值1.只存在自发辐射过程能级间的跃迁2.存在多种跃迁过程m个能级间的跃迁三、三能级系统与四能级系统3.亚稳态能级t=0Em粒子数N0m，Nm(t)：仅自发跃迁Am：能级平均寿命自发辐射几率大，粒子激发态停留t短，寿命短。自发辐射寿命，与能级特性有关，外界无关。除自发跃迁，无辐射跃迁平均寿命短。跃迁几率D，粒子激发态实际寿命：多数，

8、激发态寿命短，10-8s§2-1粒子数反转分布§2-2光在介质中小信号增益§2-3介子中增益饱和与烧孔效应一、激发态能级寿命二、粒子数密度的差值1.只存在自发辐射过程能级间的跃迁2.存在多种跃迁过程m个能级间的跃迁三、三能级系统与四能级系统3.亚稳态能级有10-3~10-4s，比多数激发态能级寿命大多——亚稳态能级。激光形成重要！玻耳兹曼分布，gn能级En粒子Nn与各能级