第五章 连续激光器的增益和工作特性.ppt

第五章连续激光器的增益和工作特性
连续激光器的增益和工作特性
增益特性是分析激光器震荡条件、模式竞争、输出功率和激光放大器净增益系数的基础。
激光器可以运行于连续和脉冲工作方式,连续运行即稳定运行,也就是各能级的粒子数目以及腔内的辐射场有稳定分布,而增益饱和是形成稳定震荡的关键。
具有均匀加宽谱线和具有非均匀加宽谱线的工作物质的增益饱和行为有很大差别,由此构成的激光器的工作特性也有很大差别。

1、增益系数
如图的工作物质,假设已经形成粒子数反转,有强度为I0的准单色光入射,则:
如何用Δn表达G?
Δn可以用速率方程
表示,四能级系统中:
由损耗系数a决定
的光子平均寿命

假设a很小,可以忽略,上式写成:
由于,且
其中的σ21是碰撞截面;
此式是由四能级系统的速率方程推导出的,但是是一个具有普遍意义的公式;

2、小信号反转粒子数Δn
从前面得到的式子: 可知G与Δn成正比,即Δn具有的特性,G就具有,因此G的特性同Δn紧密联系起来。
Δn如何求?
W03
A30
S30
S32
S21
A21
W21
W12
S10
E3
E2
E1
E0

在连续运行状态下:
由于:

最后可得:
其中为E2能级粒子寿命
1、当光强很小时,即小信号运行情况下,由受激辐射对Δn造成的影响可以忽略,则:
考虑小信号稳态,有:
小信号增益时,反转粒子数是不发生变化的,尤其不会因为受激辐射而消耗反转粒子数。

2、Δn=n2说明E2能级上只要有粒子,实际上就已经实现了粒子数反转;
3、增益系数G和小信号反转粒子数Δn0在小信号情况下,与光强无关,仅与W03即受激吸收的跃迁几率成正比。

3、G与入射光频率的关系
小信号情况下, ,即Δn0与频率无关;
若采用G0(ν)表示小信号增益,则:
可知小信号增益与频率相关,
其曲线形状完全由谱线的线
型函数决定。

A、均匀加宽