ch05连续激光器的增益和工作特性ppt课件.ppt

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1、§5.3非均匀加宽工作物质的增益饱和一．非均匀加宽工作物质的反转粒子数饱和由于非均匀加宽工作物质的特性表现为：每一种特定类型的粒子只能和某一特定频率的光相互作用。因此，我们必须把反转粒子数密度按照表观中心频率分类。中心频率在的范围内的粒子的反转粒子数密度为：——为中心频率处的反转粒子数密度如果纯粹只考虑非均匀加宽，那么频率为的单色光入射只能造成与频率对应的那部分反转粒子数的饱和。而实际上，均匀加宽是不可避免的。因此与频率相对应的粒子发射的将是一条以为中心、宽度为的均匀加宽谱线。这一部分粒子的饱和行为如何？①当有频率

2、为的强光入射，则对于中心频率为的粒子，相当于均匀加宽情况下入射光频率等于原子发光中心频率的情况，如果足够强，就会引起反转粒子数的饱和②对于中心频率为的粒子，由于入射光频率偏离，则相当于均匀加宽情况下入射光频率偏离中心频率的情况，引起的饱和效应较小，使得处的反转粒子数从点下降到点。③对于中心频率为粒子，由于入射光频率偏离太远相当于均匀加宽情况下入射光频率远离中心频率的情况，此时饱和效应可以忽略(1)频率为的强光入射将使中心频率处于范围内的粒子产生反转粒子数密度的饱和(2)由于饱和作用，在的曲线上形成了一个以入射光频率

3、为中心的凹陷，这个凹陷称为“烧孔”。烧孔深度烧空宽度孔的面积根据半经典理论，四能级系统中受激辐射产生的光子数等于烧孔面积，故而受激辐射的功率正比于烧孔面积1．非均匀加宽工作物质增益饱和二．非均匀加宽工作物质的大信号增益在非均匀加宽工作物质中，频率为的强光只在附近宽度约为的范围内引起反转粒子数的饱和，对于该范围以外的反转粒子数没有影响。所以在增益系数的曲线上，由于的强光入射，在频率处产生一个凹陷，凹陷最低点下降到小信号增益系数的这种现象称为增益曲线的烧孔效应。对于多普勒加宽的气体激光器来说，频率为的强光入射会在增益曲

4、线上产生关于中心频率对称的两个烧孔。表示频率为的某纵模，当它沿着方向传播史时用表示，沿着方向传播时用表示。沿着方向传播的光波与中心频率为并具有向分速度的运动原子作用时，原子的表现中心频率为：如果，则将引起速度的粒子受激辐射反向传播的将引起速度为的粒子受激辐射如果模足够强，则的反转粒子数将因受激辐射减少，从而在增益曲线上出现两个烧孔1、小信号增益系数2、增益饱和现象及其物理机制3、均匀加宽情况下增益饱和的特点4、均匀加宽工作物质中，强光作用下弱光的增益如何5、非均匀加宽情况下增益饱和现象及其机制2.非均匀加宽工作物质

5、的大信号增益对非均匀加宽工作物质，必须将反转集居数密度n按表观中心频率分类。设小信号情况下的反转集居数密度为n0，则表观中心频率在0~0+d0范围内的粒子的反转集居数密度为对于纯粹的非均匀加宽工作物质来说，表观中心频率为0的粒子发射频率为0的单色光在实际工作物质中，还同时存在均匀加宽因素（任何粒子都具有自发辐射，因而都具有属于均匀加宽的自然加宽）。所以频率在0~0+d0范围内的粒子发射一条中心频率为0、线宽为H的均匀加宽谱线。若有频率为1、光强为的光入射，则这部分粒子对

6、增益的贡献dg可按均匀加宽增益系数的表达式计算（假设其均匀加宽可用洛伦兹线型描述）总的增益系数应是具有各种表观中心频率的全部粒子对增益贡献的总和被积函数只在的很小范围内才有显著值，在时趋近于零，1）可将积分限由0~改换成-~+而不影响积分结果2）在非均匀加宽的情况下，D>>H，在的范围内可将近似地看成常数，并将其提出积分号外最终可得非均匀加宽工作物质的增益饱和讨论在时，得到与光强无关的的小信号增益系数小信号增益系数和频率的关系完全取决于线型函数。当可与Is比拟时，的值将随的增加而减少，强度为的光入射时

7、获得的增益系数是小信号时的倍。此即非均匀加宽情况下的增益饱和效应与均匀加宽相比，在同样的条件下，非均匀加宽的饱和效应要弱一些当有的强光入射，对于均匀加宽的工作物质，其增益系数为对于非均匀加宽的工作物质，其增益系数为非均匀加宽饱和效应的强弱与频率无关，这是非均匀加宽增益饱和特性的一个重要特点。不管入射光频率为何值，只要产生了饱和作用，增益系数均下降小信号增益系数的在非均匀加宽工作物质中，频率1的强光只在1附近宽度约为的范围内引起反转集居数的饱和，对表观中心频率处在烧孔范围外的反转集居数没有影响。若有一频率为

8、的弱光同时入射，如果频率处在强光造成的烧孔范围之内，则由于反转集居数密度的减少，弱光增益系数将小于小信号增益系数；如果频率处于烧孔范围之外，则弱光增益系数不受强光的影响而仍然等于小信号增益系数。三、强光作用下的弱光增益若有一频率为的微弱纵模存在，则+与-的受激辐射分别由及的激活粒子贡献。如果既不等于1，又不等于20-1，那么对模作贡献的