激光原理第18讲速率方程、小信号增益系数

激光原理与技术原理部分,第18讲 速率方程、小信号增益系数,18.1 单模振荡速率方程,1、三能级系统速率方程 W13为抽运几率 A31为自发辐射几率 S32、S31为热驰豫(无辐射跃迁)几率 S31S32、A31S32 S32远大于S31和A31，基态E1上的粒子被抽运到E3态后，会迅速通过S32到达E2能级； E2能级粒子寿命较长，被称为亚稳态，当没有形成受激辐射时，会主要以较小的A21回到基态，因此可以在E2和E1间形成粒子数反转； 一旦形成受激辐射，则W12和W21将占绝对优势。,18.1 单模振荡速率方程,例如，典型三能级系统的红宝石中有： 可以写出各能级粒子数变化速率的方程： 若第l个模的光子寿命为Rl，则第l模的光子数密度变化速率为：,同S32和A31相比，S31的 影响很小，因此忽略不计,粒子数守恒公式 n为系统内总粒子数,光子寿命的缩短是 由光腔的损耗引起的,18.1 单模振荡速率方程,三能级系统 速率方程,18.1 单模振荡速率方程,2、四能级系统速率方程 对于典型的四能级系统Nd:YAG激光器而言，S30KT，根据玻尔兹曼分布可知在热平衡状态下： 则E1能级上的粒子数可以忽略； 当粒子从E2能级跃迁到E1能级后，必须使其迅速的回到基态，即要求S10较大，S10称为下能级抽空速率；,18.1 单模振荡速率方程,四能级系 统速率方程 其中忽略了 n3W30，因 为n3太小,18.1 单模振荡速率方程,对于四能级系统，还有另一种速率方程的写法： 其中的R1、R2为单位体积中，单位时间内激励到E1、E2能级的粒子数，1、2为E1、E2能级的寿命，21表示E2上的粒子由于各种因素跃迁到E1造成的有限寿命； 这种表示方式采用激励速率和能级寿命来描述粒子数变化速率而不涉及具体的激励及跃迁过程，而前面给出的速率方程则忽略了激光下能级的激励过程。,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。,18.2 小信号增益系数,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n表达G？ n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,18.2 小信号增益系数,假设a很小，可以忽略，上式写成： 由于 ，且 其中的21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；,18.2 小信号增益系数,2、小信号反转粒子数n 从前面得到的式子： 可知G与n成正比，即n具有的特性，G就具有，因此G的特性同n紧密联系起来。 n如何求？,18.2 小信号增益系数,在连续运行状态下： 由于 ：,18.2 小信号增益系数,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n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。,18.2 小信号增益系数,2、 n=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n0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。,18.2 小信号增益系数,3、G与入射光频率的关系 小信号情况下， ，即n0与频率无关； 若采用G0()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。,18.2 小信号增益系数,A、均匀加宽,18.2 小信号增益系数,B、非均匀加宽情况,