均匀增宽介质的增益系数和增益饱和ppt课件.ppt

2.4 非均匀增宽介质的增益饱和,2.3 均匀增宽介质的增益系数和增益饱和,2.5 激光器的损耗与阈值条件,第二章 激光器的工作原理,2.2 速率方程组与粒子数反转,2.1 光学谐振腔结构与稳定性,1,本节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。均匀增宽和非均匀增宽的工作物质的增益饱和行为有很大差别，由它们所构成的激光器的工作特性也有很大不同，因此将分别予以讨论。,2.3 均匀增宽介质的增益系数和增益饱和,饱和效应: 随着I 的增大, n不增反降的现象,增益系数G可以表示为,2.3.1 均匀增宽介质的增益系数,一、标志介质受激放大能力的物理量增益系数G可以表示为,对于均匀增宽介质：,小信号IIs增益系数：,上式中因为光波频率很高，线宽 ，所以可以用 代替上式中的,2.3.1 均匀增宽介质的增益系数,对于均匀增宽介质：,小信号IIs增益系数：,图2-7 均匀增宽介质小信号增益系数,图(2-7)示意 与谱线的线型函数 有相似的变化规律。该曲线称为小信号增益曲线,其形状完全取决于线型函数。,综合上两式可得：,这就是均匀增宽介质增益系数的表达式。,2.3.1 均匀增宽介质的增益系数,二、对均匀增宽型介质有：,则中心频率处小信号增益系数：,中心频率处的 与线宽 成反比，这是因为线型函数满足归一化条件，线宽窄时线型函数的峰值 大，受激辐射几率 也越大，因此中心频率处的小信号增益系数也就越大。,2.3.2 均匀增宽介质的增益饱和,增益饱和： 实验中发现：在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱时，增益系数是一个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随光强的增大而减小，这种现象称为增益饱和。,增益饱和的物理解释：当谐振腔内光强逐渐增强，介质中粒子数密度反转分布值因受激辐射的消耗而下降，光强越强，受激辐射几率越大，上能级粒子数密度减少得越多，使粒子数密度反转分布值下降越多，进而使增益系数也同时下降。,2.3.2 均匀增宽介质的增益饱和,二. 对增益饱和分三种情况讨论,1. 介质对频率为 、光强为I 的光波的增益系数为,入射光光强I与饱和光强Is可比拟时，显著饱和，即G明显随I 增大而下降,饱和光强Is是激光工作物质的光学性质，不同物质差别很大氦氖激光器（632.8nm谱线） Is大约为0.3 W/mm2氩离子激光器（514.5nm谱线） Is大约为7 W/mm2纵向二氧化碳激光器（10.6微米谱线） Is大约为2 W/mm2,2. 介质对频率为 、光强为I的光波的增益系数为,2.3.2 均匀增宽介质的增益饱和,二. 对增益饱和分三种情况讨论,由于,代入得用中心频率处小信号增益系数表示的增益系数的表达式：,根据上式计算不同v的增益系数列表如下，令表中各种频率光波的光强都等于饱和光强Is。并作 的曲线如图(2-8)所示。,图(2-8) 均匀增宽型增益饱和曲线,介质对频率为 光波的增益系数值最大，该光波的增益饱和作用也最大，当,介质对光波的增益作用以及光波对介质的增益饱和作用都很微弱,2.3.2 均匀增宽介质的增益饱和,均匀增宽介质的增益与增益饱和作用的频率范围,增益饱和作用,3. 频率为 、光强为I的强光作用下增益介质对另一小信号i(弱光） 的增益系数G（vi）,2.3.2 均匀增宽介质的增益饱和,由于I 和i 放大是消耗同一个E2能级上的粒子，而介质中E2能级上的粒子数密度已经在I 的激励下大为减少，所以，此时介质对光波 的增益系数也同样下降,频率为v的强光 I 不仅使本身频率处介质的增益系数由 下降至 ，而且使介质的线宽范围内一切频率处介质的增益系数 都下降了同样的倍数,变为 。,3. 频率为 、光强为I的强光作用下增益介质对另一小信号i(弱光） 的增益系数G（vi）,2.3.2 均匀增宽介质的增益饱和,由于光强I 仅改变粒子在上下能级间的分布值，并不改变介质的密度、粒子的运动状态以及能级的宽度。因此，在光强I 的作用下，介质的光谱线型不会改变，线宽不会改变，增益系数随频率的分布也不会改变，光强仅仅使增益系数在整个线宽范围内下降同样的倍数，如图(2-9)所示,习 题,习题P48：1，2,