激光原理与技术课件第19讲 增益饱和-FY(1).ppt

激光原理与技术激光原理与技术原理部分原理部分第第19讲讲增益饱和增益饱和19.1 均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和1、增益饱和现象及其物理机制、增益饱和现象及其物理机制增益饱和现象增益饱和现象增益饱和现象增益饱和现象 当入射光强当入射光强I I足够小时，足够小时，G G为常数；为常数； 当入射光强当入射光强I I增大到一定的程度后，增大到一定的程度后，G G将会随着将会随着I I的的增加而下降，这种过程称为增益饱和现象；增加而下降，这种过程称为增益饱和现象；产生增益饱和现象的物理机制：产生增益饱和现象的物理机制：产生增益饱和现象的物理机制：产生增益饱和现象的物理机制： 受激辐射几率与入射光强成正比，受激辐射几率与入射光强成正比， I I足够大时，足够大时，nn下降的很快，因此下降的很快，因此G G会随着会随着I I的增加而下降的增加而下降19.1 均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和2 2、均匀加宽下的、均匀加宽下的、均匀加宽下的、均匀加宽下的nnnn的饱和的饱和的饱和的饱和只要入射光的频率落在谱线线宽以内，就会产生受激只要入射光的频率落在谱线线宽以内，就会产生受激只要入射光的频率落在谱线线宽以内，就会产生受激只要入射光的频率落在谱线线宽以内，就会产生受激吸收和受激辐射；吸收和受激辐射；吸收和受激辐射；吸收和受激辐射；如果如果如果如果I I足够强，受激辐射足够强，受激辐射足够强，受激辐射足够强，受激辐射对对对对原子系统的各能级上的粒子原子系统的各能级上的粒子原子系统的各能级上的粒子原子系统的各能级上的粒子数目的影响就必须考虑。

数目的影响就必须考虑数目的影响就必须考虑数目的影响就必须考虑当我们考虑四能级系统：当我们考虑四能级系统：当我们考虑四能级系统：当我们考虑四能级系统： 且且且且 为什么？为什么？19.1 均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和 将线型函数将线型函数将线型函数将线型函数g gH H( (, , , ,0 0 0 0) )引入可得到：引入可得到：引入可得到：引入可得到： 其中其中其中其中 A A、当、当、当、当I I一定时，一定时，一定时，一定时，nnnnn n n n0 0 0 0，这种现象称为反转粒子数饱，这种现象称为反转粒子数饱，这种现象称为反转粒子数饱，这种现象称为反转粒子数饱和；和；和；和；19.1 均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和B、nn与与nn0 0有关，还与入射光的频率有有关，还与入射光的频率有关，不同频率的入射光对反转粒子数的影关，不同频率的入射光对反转粒子数的影响是不同的；响是不同的；C C、当、当=0 0时，时，表明强度为表明强度为表明强度为表明强度为 的入射光的入射光的入射光的入射光会会会会使使使使nnnn减小到小信减小到小信减小到小信减小到小信号号号号nnnn0 0 0 0时的时的时的时的 倍，当倍，当倍，当倍，当 时，时，时，时，n=nn=nn=nn=n0 0 0 0/2/2/2/2。

19.1 均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和D、当入射光频率偏离中心频率时，饱和作、当入射光频率偏离中心频率时，饱和作用较用较 时弱，如果时弱，如果且且 ，则，则 ，其饱和作，其饱和作用比中心频率处减小一半，可见偏离中心用比中心频率处减小一半，可见偏离中心频率越远饱和作用越弱通常认为在频率越远饱和作用越弱通常认为在 范围内，饱和作用明显范围内，饱和作用明显19.1 均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和均匀加宽工作物质的粒子反转数饱和E、饱和光强、饱和光强IS饱和光强是一个描述增益饱和程度的参量，它饱和光强是一个描述增益饱和程度的参量，它饱和光强是一个描述增益饱和程度的参量，它饱和光强是一个描述增益饱和程度的参量，它有着光强的量纲（是什么？）；有着光强的量纲（是什么？）；有着光强的量纲（是什么？）；有着光强的量纲（是什么？）；当入射光光强当入射光光强当入射光光强当入射光光强I I 可以与可以与可以与可以与I IS S相比拟时，受激辐射造相比拟时，受激辐射造相比拟时，受激辐射造相比拟时，受激辐射造成的上能级粒子数衰减率就可以与其他驰豫过成的上能级粒子数衰减率就可以与其他驰豫过成的上能级粒子数衰减率就可以与其他驰豫过成的上能级粒子数衰减率就可以与其他驰豫过程造成的衰减率相比拟；程造成的衰减率相比拟；程造成的衰减率相比拟；程造成的衰减率相比拟；当入射光强当入射光强当入射光强当入射光强I I 远小于远小于远小于远小于I IS S时，上能级粒子衰减率与时，上能级粒子衰减率与时，上能级粒子衰减率与时，上能级粒子衰减率与光强无关；光强无关；光强无关；光强无关；19.2 均匀加宽工作物质的增益饱和均匀加宽工作物质的增益饱和 均匀加宽大信号增益系数均匀加宽大信号增益系数均匀加宽大信号增益系数均匀加宽大信号增益系数 设光强为设光强为设光强为设光强为I I 的准单色光入射，且均匀加宽的大信号增益系数为的准单色光入射，且均匀加宽的大信号增益系数为的准单色光入射，且均匀加宽的大信号增益系数为的准单色光入射，且均匀加宽的大信号增益系数为GGH H( ( , I, I ) )，则：，则：，则：，则： 将线型函数以及小信号增益系数表达式带入可得：将线型函数以及小信号增益系数表达式带入可得：将线型函数以及小信号增益系数表达式带入可得：将线型函数以及小信号增益系数表达式带入可得： 在在在在I I IIS S时时，即小信号情况下，增益系数与光，即小信号情况下，增益系数与光，即小信号情况下，增益系数与光，即小信号情况下，增益系数与光强强无关，小信号增益无关，小信号增益无关，小信号增益无关，小信号增益系数系数系数系数为为：其中：其中：19.2 均匀加宽工作物质的增益饱和均匀加宽工作物质的增益饱和 当当当当I I 可以与可以与可以与可以与I IS S比比比比拟时拟时，GGH H( (,I) )的的的的值值将随着将随着将随着将随着I I 的增加而减少，的增加而减少，的增加而减少，的增加而减少，这这种种种种现现象就是增益象就是增益象就是增益象就是增益饱饱和和和和现现象；象；象；象； 当当当当 = = 0 0时时： 当当当当I I00=I=IS S时时： 上式可得到上式可得到上式可得到上式可得到结论结论，大信号增益系数，大信号增益系数，大信号增益系数，大信号增益系数为为小信号增益系数的一小信号增益系数的一小信号增益系数的一小信号增益系数的一半；半；半；半； 偏离中心偏离中心偏离中心偏离中心频频率越率越率越率越远远，饱饱和效和效和效和效应应就越弱；就越弱；就越弱；就越弱；19.2 均匀加宽工作物质的增益饱和均匀加宽工作物质的增益饱和 当一束强光当一束强光当一束强光当一束强光I I 1 1入射的同时，一束频率为入射的同时，一束频率为入射的同时，一束频率为入射的同时，一束频率为I I 的弱光入射到工的弱光入射到工的弱光入射到工的弱光入射到工作物作物作物作物质质中，其增益系数会如何中，其增益系数会如何中，其增益系数会如何中，其增益系数会如何变变化？化？化？化？ 当当当当强强光光光光I I 1 1入射入射入射入射时时，会引起，会引起，会引起，会引起nnnn的下降，的下降，的下降，的下降，这这种下降是在整个种下降是在整个种下降是在整个种下降是在整个原子原子原子原子发发光光光光谱线谱线范范范范围围内的下降，即内的下降，即内的下降，即内的下降，即对应对应弱光弱光弱光弱光频频率率率率的那部分的那部分的那部分的那部分反反反反转转粒子数也同粒子数也同粒子数也同粒子数也同时时下降了，弱光入射下降了，弱光入射下降了，弱光入射下降了，弱光入射时对应时对应的反的反的反的反转转粒子数粒子数粒子数粒子数不再是不再是不再是不再是nnnn0 0 0 0，而是，而是，而是，而是nnnn： 所以弱光的增益系数所以弱光的增益系数所以弱光的增益系数所以弱光的增益系数为为：19.2 均匀加宽工作物质的增益饱和均匀加宽工作物质的增益饱和如果如果如果如果 1 1= = 0 0， I I11=I=IS S，则则 ；每个粒子都每个粒子都每个粒子都每个粒子都对对GGH H()()有有有有贡贡献，当献，当献，当献，当I I11的受激的受激的受激的受激辐辐射消耗射消耗射消耗射消耗了激了激了激了激发态发态的粒子的粒子的粒子的粒子时时，nn也就减少了也就减少了也就减少了也就减少了对对其它其它其它其它频频率信率信率信率信号的增益起作用的粒子；号的增益起作用的粒子；号的增益起作用的粒子；号的增益起作用的粒子；整个增益曲整个增益曲整个增益曲整个增益曲线线以同等的份以同等的份以同等的份以同等的份额额均匀下降；均匀下降；均匀下降；均匀下降；均匀加均匀加均匀加均匀加宽宽激光器中，当一个模开始振激光器中，当一个模开始振激光器中，当一个模开始振激光器中，当一个模开始振荡荡后，就会后，就会后，就会后，就会使其它模的增益降低，从而阻止其它模的振使其它模的增益降低，从而阻止其它模的振使其它模的增益降低，从而阻止其它模的振使其它模的增益降低，从而阻止其它模的振荡荡，即即即即产产生了模式生了模式生了模式生了模式竞竞争；争；争；争；19.3 非均匀加宽工作物质的反转粒子数饱和非均匀加宽工作物质的反转粒子数饱和由非均匀加宽工作物质的特性可知，每一种特由非均匀加宽工作物质的特性可知，每一种特由非均匀加宽工作物质的特性可知，每一种特由非均匀加宽工作物质的特性可知，每一种特定类型的粒子只能和某一特定频率的光场相互定类型的粒子只能和某一特定频率的光场相互定类型的粒子只能和某一特定频率的光场相互定类型的粒子只能和某一特定频率的光场相互作用。

因此作用因此作用因此作用因此nnnn按照按照按照按照有意分布，与均匀加宽类有意分布，与均匀加宽类有意分布，与均匀加宽类有意分布，与均匀加宽类似，小信号时，其分布函数为似，小信号时，其分布函数为似，小信号时，其分布函数为似，小信号时，其分布函数为g g g gi i i i( ( ( (, , , ,0 0 0 0););););在在在在+d+d+d+d范围内，范围内，范围内，范围内， 其中其中其中其中nnnn0 0 0 0为中心频率为中心频率为中心频率为中心频率0 0 0 0处的反转粒子数频率处的反转粒子数频率处的反转粒子数频率处的反转粒子数频率为为为为A A A A的准单色光只能造成频率的准单色光只能造成频率的准单色光只能造成频率的准单色光只能造成频率A A A A对应的那部对应的那部对应的那部对应的那部分粒子的饱和；分粒子的饱和；分粒子的饱和；分粒子的饱和；均匀加宽是不可避免的，实际上与频率均匀加宽是不可避免的，实际上与频率均匀加宽是不可避免的，实际上与频率均匀加宽是不可避免的，实际上与频率A A A A相应相应相应相应的粒子发射谱线将是以的粒子发射谱线将是以的粒子发射谱线将是以的粒子发射谱线将是以A A A A为中心频率，宽度为为中心频率，宽度为为中心频率，宽度为为中心频率，宽度为H H H H的均匀加宽谱线。

的均匀加宽谱线的均匀加宽谱线的均匀加宽谱线19.3 非均匀加宽工作物质的反转粒子数饱和非均匀加宽工作物质的反转粒子数饱和这一部分粒子的饱和行为可以用均匀加宽情况下这一部分粒子的饱和行为可以用均匀加宽情况下这一部分粒子的饱和行为可以用均匀加宽情况下这一部分粒子的饱和行为可以用均匀加宽情况下得出的公式描述：得出的公式描述：得出的公式描述：得出的公式描述： 如果入射光频率为如果入射光频率为如果入射光频率为如果入射光频率为A A A A，则对中心频率为，则对中心频率为，则对中心频率为，则对中心频率为A A A A的粒子，相的粒子，相的粒子，相的粒子，相当于均匀加宽情况下的入射光频率等于中心频率，当当于均匀加宽情况下的入射光频率等于中心频率，当当于均匀加宽情况下的入射光频率等于中心频率，当当于均匀加宽情况下的入射光频率等于中。