电磁场和物质的共振相互作用讲解学习.ppt

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1、电磁场和物质的共振相互作用具体激光器的速率方程根据其各种物理过程建立同一激光器的速率方程可具有不同的表达形式R1,R2为单位时间内抽运到E1,E2能级的粒子数密度t1,t2为E1,E2能级寿命;t21为E2E1自发辐射(荧光)寿命E2E1R2R1t1t21只考虑损耗光子寿命（2.1.14）E0t20E2E1R2R1t2t1t21w03A30S30S32S21A21W21E3E2E1E0W12S10PumptransitionsLasertransition2)多模振荡速率方程模序数模频率光子数方法:对应每个模式分别建立一个速率方程,序数相应变化简

2、化前提:研究的问题无需考虑模式差别模式间衍射损耗差别可忽略线型函数简化为矩形各个模式损耗,光子寿命相同矩形面积＝原谱线面积g`(v,v0)=g(v0,v0)=1/g(v0,v0)，则根据简化模型,四能级多模速率方程总量子效率发射荧光的光子数工作物质从光泵吸收的光子数E3E2无辐射跃迁量子效率(泵浦效率)E2E1荧光量子效率N--各模式光子数密度总和速率方程增益系数表达式（影响因素）增益饱和行为（均匀、非均匀加宽工作物质）§4.5均匀加宽工作物质的增益系数一、小信号稳态增益系数（四能级系统为例）II+dIdzDn>0I=Nhnvdz=

3、vdtI=Nhnvdz=vdt不计损耗(1.3.6)*1.增益系数正比于反转粒子数Dn（以四能级系统为例）稳态稳态增益系数讨论影响增益系数的主要因素激光工作物质内N(光强I)很小时－小信号情况受激辐射对Dn的影响可忽略（？）小信号情况下Dn0与光强无关，激发几率W03Dn0稳态时阈值附近n2很小小信号增益系数g0与光强无关，与Dn0成正比；复习思考：如何理解小信号情况？2.g0与入射光频率关系曲线－增益曲线小信号增益曲线的形状完全取决于谱线线型函数均匀加宽介质小信号增益系数=s21－中心频率处受激辐射截面增益线宽～荧光线宽F（自发辐射线宽

4、H）（自行推导）F=12总量子效率。其物理意义：由光泵抽运到E3的粒子，只有一部分通过无辐射跃迁到达激光上能级E2，另一部分通过其他途径返回基态。而到达E2能级的粒子，也只有一部分通过自发辐射跃迁到达E1能级并发射荧光，其余粒子通过无辐射跃迁而跃迁到E1能级。因此，总的量子效率为F=发射荧光的光子数/工作物质从光泵吸收的光子数第五节均匀加宽工作物质的增益系数从速率方程出发导出激光工作物质的增益系数表示式,分析影响增益系数的各种因素,着重讨论光强增加时增益的饱和行为。考虑连续激励或长脉冲激励情况入射光，v，I0，用g表示增益，则考虑四能级

5、系统，受激辐射引起的增益作用时不计损耗，则工作物质中光子数密度N的速率方程为其中代入得可见，增益系数g正比于反转集居数密度n，其比例系数即为发射截面21(,0)。21(,0)的大小决定于工作物质的线型函数及自发辐射几率A21。下面具体讨论反转集居数饱和和增益饱和现象。一、反转集居数饱和设入射光频率为v1，光强为Iv1，平衡时，一般四能级系统有：S10>>W03,S32>>W03,A30<

6、级寿命及激发几率W03。代入有：其中，Is为饱和光强当Iv1<

7、s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。中心频率处的饱和效应最严重，频率ν1偏离中心频率越远，则饱和作用越弱。这是由于中心频率处受激辐射几率最大，所以入射光造成的反转集居数下降越严重。通常认为。频率在上式范围内的人射光才会引起显著的饱和作用。其饱和作用比ν1=ν0时小一半。反转集居数密度减小了一半Is的物理意义：当入射光强度Iν1可以与Is比拟时,受激辐射造成的上能级集居数衰减率就可以与其他弛豫过程(自发辐射及无辐射跃迁)造成的衰减率相比拟。因此当Iν1<

8、