介质对光的增益激光原理课件北京工业大学.ppt

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1、第三章介质对光的增益§1小信号反转粒子数一、三能级1、简化条件(1)不考虑受激跃迁W12=W21=0(2)S32>>W13(E3能级基本上是空的,即n3→0)E1E2E3W13S32A212、小信号速率方程n1+n2=n3、小信号反转粒子数n1+n2=n→讨论①W13>A21时，n0>0②W13>W14、S21>>A32(n2→0、n4→0)2、小信号速率方程E2E3E4W14S43A32E1S21n1+n3=n3、小信号反转粒子数n1+n3=n→讨论W14>0时，n0>0例1三能级系统中,

2、为了使小信号反转粒子数密度达到总粒子数密度的1/4,求抽运几率应为自发辐射几率的多少倍?解例2四能级激光器中,激光上能级寿命为3=10-3s，总粒子数密度为n=3108m-3，当抽运几率达到W14=500s-1时，求小信号反转粒子数密度为多少?解§2小信号增益系数一、增益系数1、定义2、单位1/m证3、计算I0:初光强，l:传播距离,I:末光强例激光束通过长0.5m的激光介质后，光强增至初始光强的e倍，求此介质的增益系数.(不考虑增益饱和)解二、有源腔光强计算(2)往返m周l:激光介质长度证(1)传播z距离2、损耗、增益同时考虑(往返m周)1、不考虑损耗例1某激光介质的增益为G=10m

3、-1,初始光强为I0,求光在介质中传播0.1m后的光强(不考虑损耗与增益饱和)解谐振腔长为L=50cm,小信号增益系数为G0＝10－31/mm,总单程损耗率为δ=0.02，求往返2周以后的光强为初始光强的倍数。例2解三、增益系数与反转粒子数的关系证v:光在激光物质中的速度(不考虑腔损耗)∵<<0,可将分母中→0四、小信号增益系数1、均匀加宽证2、非均匀加宽证五、小信号增益曲线0GmG0()FGm/2F:荧光线宽(激光介质由于自发辐射产生的光谱线宽，即均匀线宽或非均匀线宽)六、峰值增益系数经验公式Gm=310-4/d(d:mm,Gm:mm-1)Gm=1.410-2

4、/d(d:mm,Gm:mm-1)1、He-Ne:2、CO2：例分别求放电管直径为10mm的He-Ne激光器和CO2激光器的峰值增益系数He-NeCO2§3大信号反转粒子数一、均匀加宽1、反转粒子数表达式证:频率为1、光强为的强光入射时的大信号反转粒子数，Is:饱和光强参数(w/mm2)由由故小信号时有n1W14=n3A32=n0A32∵1>>1-0,∴Is表达式中用0→12、饱和光强参数经验公式(1)He-Ne:Is=0.1-0.3(w/mm2)(2)CO2:Is=72/d2(d:mm,Is:w/mm2)3、饱和作用当入射光强I1达到可与Is相比的程度时,n<n04、讨

5、论(1)与的关系(设1=0)③①②Is2Is(2)与1的关系(设)10n(1,Is)①1=0时②时③饱和线宽5、饱和线宽证1011令当时二、非均匀加宽1、小信号反转粒子数的分布2、大信号反转粒子数的烧孔效应当强激光入射时,曲线在1和20-1处下降(1)孔宽(2)孔深0120-1§4大信号增益系数一、均匀加宽1、对入射强光的增益系数证讨论①时②时线宽为H线宽为证③光强为时,线宽为证④增益曲线的饱和下降非均匀,线宽变大10当时证2、对入射弱光(2)的增益系数讨论①当时,,线宽为H②当且1=0时,,线宽为③增益曲线的饱和下降均匀,

6、线宽不变20二、非均匀加宽1、对入射强光的增益系数证②这些粒子对增益系数的贡献①表观中心频率在范围内的反转粒子数为③增益系数∵0>>

7、0-1

8、∴可将讨论①当时,,线宽为i②当时,,线宽为③增益曲线的饱和下降均匀,线宽不变102、对入射弱光(2)的增益系数(烧孔效应)(1)孔宽(2)孔深(3)孔位置1、20-1两处20Gm120-1注:稳定工作时有,即阈值增益系数或均匀加宽非均匀加宽孔宽孔深增益曲线非均匀下降增益曲线均匀下降增益曲线均匀下降增益曲线烧孔例１求均匀加宽激光器入射强光频率为　　　　光强为　　　时,对弱光2的大信号增益曲线整体下降到小信号增

9、益曲线的多少倍解例2He-Ne激光器入射光强为3Is时,求大信号增益曲线在中心频率处所产生的烧孔宽度与深度(放电管直径d=2mm,长度l=50cm,气体压强p=200Pa,谐振腔单程损耗率=0.04,=0.75MHz/Pa)解一、光波的能流密度与能流1、能流密度(光强)(1)定义单位时间流过单位面积(垂直于波传播方向)的能量(2)计算：光子数密度,v：光波传播速度§5发射截面与吸收截面(3)单位J/m2s　或　W