激光原理及技术：第5章 激光工作物质的增益特性

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1、第第5 5章章 激光工作物质的增益特性激光工作物质的增益特性 图5-2 谱线加宽5.1 谱线加宽与线型函数谱线加宽与线型函数5.1.1 谱线加宽概述1 1 线型函数线型函数自发辐射总功率光谱线的线型函数归一化1 1 线宽线宽( (半高全宽半高全宽) )5.1.2 光谱线加宽的机理光谱线加宽的机理1 1 自然加宽自然加宽用阻尼谐振子经典模型来描述受激原子的电子用阻尼谐振子经典模型来描述受激原子的电子-+由辐射功率与振幅的平方成正比当v=v0时当v=v0时线宽洛伦兹型函数洛伦兹型函数2 2 量子解释量子解释Heisenberg测不准关系若下能级为基态看书上例题看书上例题P P112112例例5-1

2、45-142 2 碰撞加宽碰撞加宽对于气体激光器3 3 多普勒加宽多普勒加宽观察者（正对发射辐射的波矢方向）接收到的中心频率观察者（正对发射辐射的波矢方向）接收到的中心频率（1）光学多普勒效应光源接收器vz当vz/cW03，S32W03，S32A30nn2其中2为能级E2寿命已知3030301010303230303)(AnWnSndtdnASnWndtdn+-=+-=在稳态时，有 ，利用四能级系统中n0n，n0称作小信号反转集居数密度Is()是频率为的强光对应的饱和光强，具有光强的量纲在光强 的小信号情况下， ；当 足够强时，将有nn0 ， 越强，反转集居数密度减少得越多，这种现象称为反转集

3、居数的饱和饱和光强Is( )饱和光强的物理意义：当入射光强度 可以与 Is(1)比拟时，受激辐射造成的上能级集居数衰减率就可以与其它弛豫过程（自发辐射及无辐射跃迁）造成的衰减相比拟。因此当 时， n 与光强无关；当 可与Is(1)比拟时， n随 的增加而减小。当 Is(1)时，Is( 1)的值取决于增益物质的性质和入射光频率，可由实验测出。中心频率的值取决于增益物质的性质和入射光频率，可由实验测出。中心频率处的饱和光强处的饱和光强Is可查表获得。可查表获得。Is：中心频率处的饱和光强洛伦兹线型时2、反转集居数饱和（1）n与入射光强Iv的关系（2）n与入射光频率v的关系不同频率的入射光对反转集居

4、数密度的影响是不同的。当 ，才有显著的饱和效应。洛伦兹线型时3 3、增益饱和、增益饱和 求频率为 、光强为 的准单色光入射到均匀加宽工作物质时的增益系数 ？当小信号增益系数:v00v当Iv足够强时，增益系数的值随光强Iv的增强而减小，这就是增益饱和现象增益饱和现象。其中 为中心频率处的小信号增益系数中心频率小信号增益系数决定于工作物质特性及激发速率，可由实验测出。?设有一频率为1、光强为 的强光入射，同时还有一频率为的弱光入射，求弱光的增益系数 ？对均匀加宽工作物质，强光入射会引起反转集居数密度n的下降，而n的下降又导致弱光增益系数的下降。频率为1的强光不仅使自身的增益系数下降，也使其它频率的

5、弱光的增益也以同等程度下降。在均匀加宽谱线情况下，由于每个粒子对谱线不同频率处的增益都有贡献，所以当某一频率（1）的受激辐射消耗了激发态的粒子时，也就减少了对其它频率（）信号起作用的粒子数。结果导致增益在整个谱线上均匀下降。在均匀加宽激光器中，当一个模振荡后，就会在均匀加宽激光器中，当一个模振荡后，就会使其它模的增益降低，因而阻止了其它模的振使其它模的增益降低，因而阻止了其它模的振荡。荡。反转集居数饱和：反转集居数饱和：强光强光 1入射时的增益系数：入射时的增益系数：强光强光 1入射时弱光入射时弱光 的增益系数：的增益系数：小结：小结：5.4 非均匀加宽激光工作物质对光的增益非均匀加宽激光工作物质对光的增益5.4.1 非均匀加宽介质的反转集居数饱和与增益饱和非均匀加宽介质的反转集居数饱和与增益饱和1 1、非均匀加宽介质对频率为、非均匀加宽介质对频率为v v的入射光的增益系数的入射光的增益系数vG(v)vAA这部份粒子的增益dG对于总的增益G当2、烧孔效应、烧孔效应（1）反转集居数密度的烧孔效应当:5.4.2 非均匀加宽气体激光器中驻波产生的烧孔效应非均匀加宽气体激光器中驻波产生的烧孔效应