激光原理第三章非均匀加宽工作物质的增益系数

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激光原理5非均匀加宽工作物质的增益系数

激光原理5非均匀加宽工作物质的增益系数
增宽。它的特点是,不同发光 粒子只对光源光谱线的相应部 分有贡献。
4.5 非均匀加宽工作物质的增益系数
一 增益饱和
对线型函数为g~i ( ,0)的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+d0范围内的粒子 的反转集居数密度为
I1 ] Is
n0 2 A21
4
2
2 0
H
( H
2
)2 g%i (1, 0 )
H
2
1 I1 Is
n0 2 A21
8
2 0
1 I1
Is
g%i (1, 0 )
gi0 (1)
1 I1 Is
+ -
dx x2 a2
a
非均匀加宽工作物质的增益饱和
• 在 I1 Is 时,得到与光强无关的的小信号增
益系数
gi0 ( 0 ) exp[(4 ln 2)(1 0 )2 ]
1 I1
D
Is
Is
二 烧孔效应 (Hole-burning)
• 在非均匀加宽工作物质中,反转集居数密度 n按表观中心频率有一分布。在小信号情况 下,其分布函数为 g~i( ,0),处在~+d范围 内的粒子的反转集居数密度为
n0 ( )d n0g~i ( , 0 )d
gi (1, I1 )
dg
n0 2 A21
4
2
2 0
H
( H
2
)2
g~i (0,0 )d0
0
(1
0 )2
(
H
2
)2[1
I1 ] Is
gi ( 0 )
i H

2-4激光器的工作原理-非均匀增宽型介质的增益系数与增益饱和

2-4激光器的工作原理-非均匀增宽型介质的增益系数与增益饱和

2. E1能级上的粒子中速度在v1到v1+dv1之间的粒子数密度为:
2 m m v 1 2 n ( v ) d v n ( ) exp( 1 ) d v 1 1 2 kT 2 kT 0 1 1 0 1
3. 若E1、E2能级的简并度相同,则速度在v1到v1+dv1之间的粒子数密度反转分 布值为: 2
2 2 ( ) ( ) 1 n ( ) 0 2 n ( ) nf ( ) D ) I I f( 2 2 1 ( ) ( 1 ) ( ) 1 1 I 2 I ( ) s s f
0
1 即频率为 1 的光波也可以引起频率为 的粒子数密度反转分布值 n( )的饱和。 光波起作用的频率范围可以根据上式对介质中各种频率的 n( ) 减少的程度作表 1 光波对频 进行比较。令光波强度为Is、光波频率为 1 ,由表中数据可以看出, 率为 I
0 0
三、小讯号增益系数

c
(二) 对于非均匀增宽型介质,它的小讯号增益系数是由具有不同速度的粒子数 密度反转分布值提供的。 1. 频率为 1 的粒子数密度反转分布对小讯号增益系数的贡献为:
0 D 0 1 1 21
dG ( ) n ( ) d B f ( ) h n f ( ) d B h f ( ) c c
0 D 0 D
d 0 1 n B h f ( ) 21 D 2 2 0 c 2 ( ) ( 2 ) 1



0 D 1 1 21 0

0 n B fD ( ) 21 h c

四、一般情况下的粒子数密度反转分布

2015激光原理与技术20

2015激光原理与技术20

其中:
4ln2vv02 GD 0GD 0v0exp v D 2
—小信号

增益系数
GD 0v0 n0 21 n0
ln 2 v2A21 2 4v0 vD
—中心频率处的小信号增益系数 3、公式推导(略) 4、公式讨论 相比拟时,则: (1) 当 Iv 足够强,可与 Is
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孔效应。
过程: 频率为 v1 的强 光只在 v1 附近宽度 约为 1Iv IsvH 的范围内引起反转集
1
GD
GD 0v GDv, Iv
v
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 则如频率 v处在强光造
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3、 结论 (1) 强光
v 1、Iv 1 入射, 将使(表观)中心频率大致在
范围内的粒子有饱和作用。
Iv1 vH vv1 1 Is 2
nv~ v 曲线上形成一个以
v 1 为中心的孔。
n 0v 1 1 Iv 1 Is
1
Is
2
1 Iv 1 vH Is
s 孔宽孔深
c、烧孔面积 :
Iv 1 n v 1vH Is
0
I v1 1 Is
d、四能级系统中受激辐射产生的光子数等于烧 孔面积,受激辐射功率正比于烧孔面积。
(2)
v 1、Iv 1 的强光将导致增益曲线 GDv, Iv~ v 烧
—反转集居数“烧孔效应”
0 a、孔深: n 0v1nv1 n v1

第三章-激光工作物质的增益kp

第三章-激光工作物质的增益kp
c)气体激光工作物质
在气压不太高时,有:
均匀加宽来源于自然加宽和碰撞加宽 均匀加宽谱线宽度为
3. 晶格振动加宽
3.2 谱线加宽和线型函数
由于晶格原子的热振动,镶嵌在晶体里的激活离子处在随时间变化的晶格场中, 导致其能级位置在一定范围内发生变化从而引起谱线加宽
晶格热振动对所有发光离子的影响是相同的,属均匀加宽。晶格振动加宽是固体 工作物质主要均匀加宽因素
原子自发辐射、受激辐射和受激吸收概率
3.3 激光器的速率方程 一、自发辐射、受激辐射和受激吸收概率的修正
3.3 激光器的速率方程 对自发辐射来说,n2个原子中单位时间内发生自发辐射跃迁的原子总数为(保持不变):
对于受激辐射:
3.3 激光器的速率方程
3.3 激光器的速率方程 则受激跃迁概率为: 实际应用中常引入吸收和发射截面来表示。
用经典电磁场理论描述光;用量子力学模型描述原子 可处理与光的波动性相关的物理现象(包括非线性现象), 但不能处理与光的粒子 性(量子光学)有关的问题,例如光的量子起伏,光子统计等。
第三章 激光工作物质的增益 (3)(全)量子理论-量子电动力学理论处理方法
辐射场与原子都作量子化处理 量子电动力学处理光—光子 量子力学模型处理原子
功率为P(ν) d ν,则自发辐射的总
功率为:
3.2 谱线加宽和线型函数
本质:反映发光粒子或光源 光谱线形状
3.谱线宽度
3.2 3谱.2线谱加线宽加和宽线和型线函型数函数
线宽的其他表示形式: 用波长差表示的线宽:
3.2 谱线加宽和线型函数
举例 •两种加宽机制:均匀加宽、非均匀加宽
3.2 谱线加宽和线型函数
该能级具有无限长寿命
上、下能级宽度分别为

激光原理 第三章-4均匀加宽工作物质的增益系数

激光原理 第三章-4均匀加宽工作物质的增益系数
入射光频率为中心频率时饱和效应最强烈, 偏离中心频率越远,饱和效应越弱。?? 中心频率处受激辐射几率最大,入射光造成 的反转集居数下降越严重。
不同频率的入射光对反转集居数密度的影响 是不同的。
n
1
n0 I1
Is (1)
洛伦兹 线型时
n
(1
0
)2
(
2
H
)2
n0
(1
0 )2
( H
2
)2[1
A21 2
8
2 0
(1
H
2
0
)2
(
2
H
)2
n0
A21 2
8
2 0
2
H
( H )2
2
(1
0 )2
( H
2
) 2 [1
I1 Is
]
( H )2
( H )2
n0 21
(1
0 )2
2
( H
2
) 2 [1
I1 Is
]
g
0 H
( 0 )
(1
0 )2
2
( H
2
) 2 [1
I1 Is
]
饱和光强的物理意义:当入射光强度 I1 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
I1 I时s (1,) n 与
光强无关;当 I可1 与Is(1)比拟时, n随 I的1 增
加而减小。当 I=1 Is(1)时, n n0 2
(
2
H
)2
(
( H )2
2

2.4非均匀增宽介质的增益系数——激光原理课件PPT

2.4非均匀增宽介质的增益系数——激光原理课件PPT

v1
v~v
21
v 2
G
0 D
(v)实际是由频率在
v1
v 2
v 范v1围内2v的粒子数密度反转分布
值贡献的,在此范围内 f D (v1) f D (v)
n0 B21
c

f D (ν)
ν
0 2
dν1 (ν ν1 )2 (ν
2) 2
n0 B21
c

fD (ν)
G(ν) nB21 c f (ν)hν
G(ν) 1
n0 I f (ν)
B21 c
f (ν)hν
Is f (ν0)

ν0
(ν 2)2 )2 (1 I
Is
)( ν )2 2
G0
(ν0
)
• 非均匀增宽介质是否也存在反转粒子数饱和、 增益饱和效应,它的饱和效应又会是怎样的?
2.4 非均匀增宽介质的增益饱和
n10 (υ1)dυ1
n10 (
m
2k T
)1
2
exp(
mυ12 2kT
)
dυ1
➢若E2、E1能级的简并度相等,速度在υ1 υ1 间dυ的1 粒子数密度 反转分布值为
n0 (υ1 )dυ1 n20 (υ1 )dυ1 n10 (υ1 )dυ1
n 0
(
m
2k
T
)1
2
exp(
mυ12 2kT
)
dυ1
均匀增宽。它的特点是,不同 发光粒子只对光源光谱线的相 应部分有贡献。
• 对于纯粹的非均匀加宽工作物质来说,表观中心频率为n1的 粒子发射频率为n1的单色光
ν1
ν0 (1
υ1 c

2-3激光器的工作原理-增益系数与增益饱和

2-3激光器的工作原理-增益系数与增益饱和

质对光波的增益作用以及光波对介质的增益
饱和作用都是对频率在
0
1 I Is

2

0
1 I
Is 2
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(三)在频率为 0、光强为I的强光作用下的增益介质对另一小讯号i( )的增益系数
在腔内传播着频率为、强度为I的光波时,介质中E2上能级上的粒子数密度在
Is
续 激 光
增益饱和的物理解释G( ) nB21

c
f ( )h

饱和光强Is:是激光工作物质的一个重要参量。
的 原
(二)介质对频率为 、光强为I的光波的增益系数
§.
理 2 此时均匀介质对光波的增益系数为:
3 增 益 系 数
G( )

1

G I
0
(
f
)
(
)
Is f ( 0 )

I的激励下大大减少为:
n0
n
二 章
1 I Is
则此时介质对光波 i( )的增益系数也下降为:
连 续 激 光 器 的 原 理2
G( ) G0 ( )
1 I Is
对于均匀增宽型介质来说,在光强I的作用下,介质的光谱线型不变、线宽不 变、增益系数随频率的分布也不变,它仅仅使增益系数在整个线宽范围内下降
一、小讯号增益系数与介质的线型函数
第 二 章
1.
增益系数
G

nB21

c
小讯号时的增益系数:
f ( )h
G0

n0 B21

c
f ( )h
连 续 激 光
由于
值很大,线宽 G0 n0

激光原理非均匀加宽工作物质的增益系数课件

激光原理非均匀加宽工作物质的增益系数课件
ERA
非均匀加宽工作物质的定义
01
非均匀加宽工作物质是指在激光 工作物质中,由于能级宽度、粒 子数反转分布等因素引起的光谱 线型加宽。
02
与均匀加宽工作物质相比,非均 匀加宽工作物质具有更复杂的光 谱特性。
非均匀加宽工作物质的特点
非均匀加宽工作物质的光谱线型 通常呈现为洛伦兹线型或高斯线
型。
由于能级宽度和粒子数反转分布 的不均匀性,非均匀加宽工作物 质的光谱线宽通常比均匀加宽工
泵浦光强度
泵浦光强度的大小直接决 定了原子在能级上的跃迁 概率,从而影响增益系数 。
介质折射率
介质折射率的变化会影响 光子在介质中的传播速度 ,从而影响增益系数的空 间分布。
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW ERA
05
非均匀加宽工作物质增益系数的应用
在激光器设计中的应用
在高功率激光器中,非均匀加宽工作 物质能够提高激光器的输出功率和光 束质量,广泛应用于军事、工业和科 研等领域。
03
增益系数
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
增益系数的定义
增益系数是描述工作物质中光子与原 子相互作用后,光子能量增加程度的 物理量。
它表示了工作物质对特定波长光的放 大能力,是决定激光输出功率的重要 参数。
增益系数的计算方法
根据激光原理,增益系数与工作物质的折射率、光子频率、 原子密度等因素有关。
通过求解麦克斯韦方程组,结合边界条件,可以计算出增益 系数的大小。
增益系数的影响因素
增益系数受到工作物质折射率、原子密度、温度等因素的影响。
随着工作物质折射率和原子密度的增加,增益系数也会相应增大。
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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 10 H 2的范围内可将 g~i(0,0)近似地看 成常数 g~i(1,0),并将其提出积分号外
gi (1, I1 )
n02A21 4202H
(H
2
)2 g%i(1,0)
(1
0)2
d0 (H
率为1、光强为I 1的光入射,则这部分粒子对
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)
d g[ n0g ~i(0 ,0)d0 ]4 2 20 A 2 21H(10 )2( ( 2 H 2)H 2)2[1IIs1]
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。
s
I
1
n 0 ( 1 )
孔宽度:

1
I1 Is
H
孔的面积
: S = d 孔 n 0 ( 1 ) H
I 1 Is 1 I1
Is

受激辐射产生的光子数 等于烧孔面积 S, 受激辐射
功率正比于烧孔面积。
• 通常把以上现象称为反转集居数的“烧 孔”效应。
• 四能级系统中受激辐射产生的光子数等 于烧孔面积,故受激辐射功率正比于烧 孔面积。
3)对于表观中心频率为3的粒子,由于 31
饱和效应可以忽略, n(3)n0(3)
1I1 Is
H,
2
因此, n0'曲 在线上形1为 成中 一心 个的
称反 为转 粒 子 数 ” 。 “ 烧 孔 效 应
n00'
n01
n1
0'
0
1
0
烧孔深度:
d 孔=
n 0 ( 1 )- n( 1 )=
I 1
I

1)当入射光频率为1时,对表观中心频率=1的粒子 而言,相当于均匀加宽情况下入射光频率等于中心频
率的情况。如果入射光足够强,则n(1)将按下式饱

n( 1 )
n 0 ( 1 ) 1 I1
Is
2)对于表观中心频率为2的粒子,由于入射光频率1 偏离表观中心频率2,引起的饱和作用较小
n (2 ) n 0 (2 ) n (1 ) n 0 (1 )
增宽。它的特点是,不同发光 粒子只对光源光谱线的相应部 分有贡献。
4.5 非均匀加宽工作物质的增益系数
一 增益饱和
对线型函数为 g~i(,0)的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+d0范围内的粒子 的反转集居数密度为
n 0 (0 ) d0 n 0 g ~ i(0 ,0 ) d0
• 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+d0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
回顾非均匀增宽
f (v)
△非均匀增宽情形:只有谱 线中心频率与入射光表观 中心频率相应的粒子才参 予受激发射/吸收
对线型函数为fD(ν)的非均匀多 普勒加宽工作物质,在计算增益系 数时,必须将反转粒子数密度Δn按 表观中心频率分类。
光源中发光粒子由于某种物 理因数的影响,使得中心频率发 生变化。不同的发光粒子因所 处物理环境不同,造成中心频率 (表观中心频率)也不同,这就使 由各发光粒子光谱线叠加而成 的光源光谱线加宽。光源光谱 线的线型函数取决于各发光粒 子中心频率的分布,它不再与 单个发光粒子的光谱线线型函 数相同,这种加宽称为非均匀
gi0(1)28A21 02n0
2
D
ln2exp(4[ln2)(10 )2]
D
gi0(0)exp(4[ln2)(1D0 )2]
gi0 ( 0 )为中 心频率处 的小信号 增益系数
gi(1,I1)g 1i0 (I1)1 g1i0 (I0 )1 exp (4l[n 2)( 1 D0)2]
Is
Is
二 烧孔效应 (Hole-burning)
(2)非均匀加宽工作物质的饱和作用弱

1

0
I1
I s时
GH
0 , I s
1 2
G
0 H
0
G i 0 , I s
1 2
G
0 i
0
(3)非均匀加宽工作物质的增益曲线是局部饱和
• 若非均匀加宽属多普勒加宽
gi0(0) n0 21 n042 0 2 A 21 D(ln 2)12
2
)2[1
I1 Is
]
n02A21 4202H
(H
2
)2 g%i(1,0)
H
2
1I1 Is
n02A21 802 1I1
Is
g%i(1,0)
gi0(1)
1I1 Is
+ dx
- x2 a2
a
非均匀加宽工作物质的增益饱和
• 在 I1 Is 时,得到与光强无关的的小信号增
益系数 g i0(1 )2 8 A 2 0 1 2 n 0g ~ i(1 ,0) n 02(11 ,0)
g i(1 ,I1)d g 4 n 2 00 2 2 A 2 H 1 ( 2 H )20 (10 g ) ~ 2 i( 0 (, 2 0 ) H d )2 0 [1 I Is 1]
gi (0)
i H
0
1
0
被积函数只在 10 H 2的很小范围内才有显
著值, 在
1 0
H
2
• 在非均匀加宽工作物质中,反转集居数密度 n按表观中心频率有一分布。在小信号情况 下,其分布函数为 g~i(,0),处在~+d范围 内的粒子的反转集居数密度为
n 0 () d n 0 g ~ i(,0 ) d
• 表观中心频率为的粒子发射一条中心频率为 、线宽为H的均匀加宽谱线。这部分粒子 在准单色光作用下的饱和行为可以用均匀加 宽情况下得出的公式描述。
增益曲线的烧孔效应
考察频率为1,强度为I1的强光入射对频率为的弱
光增益系数的影响。
在非均匀加宽工作物质中, 频率为 1的强光只引起 1附近的反转粒子数的饱和。
• 小信号增益系数和频率的关系完全取决于线
型函数 值将随
Ig~ 1i(的1,增0)。加当而I减 1 可少与,I强s比度拟为时I, 1的gi(光1,I入1)的射
时获得的增益系数是小信号时的(1I1 Is)12
倍。此即非均匀加宽情况下的增益饱和效应
• 饱和效应的强弱与频率无关。
(1)非均匀加宽工作物质的饱和效应强弱与频率 无关,仅取决于光强;
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