激光原理第19讲增益饱和

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1、激光原理与技术·原理部分第19讲增益饱和19.1均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和1、增益饱和现象及其物理机制增益饱和现象当入射光强Iν足够小时，G为常数；当入射光强Iν增大到一定的程度后，G将会随着Iν的增加而下降，这种过程称为增益饱和现象；产生增益饱和现象的物理机制：受激辐射几率与入射光强成正比，Iν足够大时，Δn下降的很快，因此G会随着Iν的增加而下降。19.1均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和2、均匀加宽下的Δn的饱和只要入射光的频率落在谱线线宽以内，就会产生受激吸收和受激辐射；如果Iν足够强，受激辐射对原子系统的各能级上的粒子数目的影响就必须考虑。当我们考虑四能级系统：

2、且为什么？19.1均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和将线型函数gH(ν,ν0)引入可得到：其中A、当Iν一定时，Δn<Δn0，这种现象称为反转粒子数饱和；19.1均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和B、Δn与Δn0有关，还与入射光的频率有关，不同频率的入射光对反转粒子数的影响是不同的；C、当ν=ν0时，表明强度为的入射光会使Δn减小到小信号Δn0时的倍，当时，Δn=Δn0/2。19.1均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和D、当入射光频率偏离中心频率时，饱和作用较时弱，如果且，则，其饱和作用比中心频率处减小一半，可见偏离中心频率越远饱和作用越弱。通常认为在范围内，饱和作用明显。19.1均

3、匀加宽工作物质的粒子反转数饱和E、饱和光强IS饱和光强是一个描述增益饱和程度的参量，它有着光强的量纲（是什么？）；当入射光光强Iν可以与IS相比拟时，受激辐射造成的上能级粒子数衰减率就可以与其他驰豫过程造成的衰减率相比拟；当入射光强Iν远小于IS时，上能级粒子衰减率与光强无关；19.2均匀加宽工作物质的增益饱和均匀加宽大信号增益系数设光强为Iν的准单色光入射，且均匀加宽的大信号增益系数为GH(ν,Iν)，则：将线型函数以及小信号增益系数表达式带入可得：在Iν<

4、S比拟时，GH(ν,Iν)的值将随着Iν的增加而减少，这种现象就是增益饱和现象；当ν=ν0时：当Iν0=IS时：上式可得到结论，大信号增益系数为小信号增益系数的一半；ν偏离中心频率越远，饱和效应就越弱；19.2均匀加宽工作物质的增益饱和当一束强光Iν1入射的同时，一束频率为Iν的弱光入射到工作物质中，其增益系数会如何变化？当强光Iν1入射时，会引起Δn的下降，这种下降是在整个原子发光谱线范围内的下降，即对应弱光频率ν的那部分反转粒子数也同时下降了，弱光入射时对应的反转粒子数不再是Δn0，而是Δn：所以弱光的增益系数为：19.2均匀加宽工作物质的增益饱和如果ν1=ν0，Iν1=

5、IS，则；每个粒子都对GH(ν)有贡献，当Iν1的受激辐射消耗了激发态的粒子时，Δn也就减少了对其它频率信号的增益起作用的粒子；整个增益曲线以同等的份额均匀下降；均匀加宽激光器中，当一个模开始振荡后，就会使其它模的增益降低，从而阻止其它模的振荡，即产生了模式竞争；19.3非均匀加宽工作物质的反转粒子数饱和由非均匀加宽工作物质的特性可知，每一种特定类型的粒子只能和某一特定频率的光场相互作用。因此Δn按照ν有意分布，与均匀加宽类似，小信号时，其分布函数为gi(ν,ν0);在ν→ν+dν范围内，其中Δn0为中心频率ν0处的反转粒子数。频率为νA的准单色光只能造成频率νA对应的那部分

6、粒子的饱和；均匀加宽是不可避免的，实际上与频率νA相应的粒子发射谱线将是以νA为中心频率，宽度为ΔνH的均匀加宽谱线。19.3非均匀加宽工作物质的反转粒子数饱和这一部分粒子的饱和行为可以用均匀加宽情况下得出的公式描述：如果入射光频率为νA，则对中心频率为νA的粒子，相当于均匀加宽情况下的入射光频率等于中心频率，当光强足够强时有：对于中心频率为νB的粒子，由于νA偏离νB引起的饱和效应较小，对应B1点；对于中心频率为νC的粒子，由于此时饱和效应可以忽略，即：19.3非均匀加宽工作物质的反转粒子数饱和νA的光IνA入射，将使中心频率为范围内的粒子有饱和作用；由于饱和作用，在Δn(

7、ν)上将形成一个以νA为中心的凹陷，称为“烧孔”，其深度为：其宽度为：孔的面积：四能级系统中受激辐射产生的光子数正比于烧孔面积δS，即受激辐射功率正比于烧孔面积，这一结论来源于半经典理论。19.4非均匀加宽工作物质的增益饱和1、非均匀加宽大信号增益考虑非均匀加宽，需要将反转粒子数Δn按中心频率分类，在ν0’-ν0’+dν0’范围内的反转粒子数为这一部分粒子将会发射出中心频率为ν0’，宽度为ΔνH的均匀加宽谱线，Δn0为中心频率ν0处的小信号反转粒子数；当频率为ν光强为Iν的单色强光入射时有：19.4非均