激光原理与技术第一章第二部分通俗讲解课件.ppt

1、 第一章第一章 第二部分第二部分总总 结（一）结（一）主要内容主要内容谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数激光器的速率方程激光器的速率方程均匀加宽工作物质的增益系数均匀加宽工作物质的增益系数非均匀加宽工作物质的增益系数非均匀加宽工作物质的增益系数n均匀加宽n自然加宽（寿命加宽）n碰撞加宽n晶格振动加宽n非均匀加宽n多普勒加宽n晶格缺陷加宽谱线加宽和线型函数谱线加宽和线型函数线型函数线型函数谱谱线线加加宽宽。个个很很小小的的频频率率范范围围内内，附附近近一一频频率率色色的的，而而是是分分布布在在中中心心所所以以自自发发辐辐射射并并不不是是单单由由于于能能级级有有一一定定宽宽度度，称称为为）（hE

2、E12000)(0P P()g引入谱线的线型函数，定义为：()()()PgPgs的量纲为线型函数线型函数0)(0g)(210g21 g均匀加宽均匀加宽根据Heisenberg测不准关系2htExP若某能级具有无限窄的宽度该能级具有无限长寿命若能级有有限自发辐射寿命能级应具有有限宽度E均匀加宽：自然加宽均匀加宽：自然加宽titeeEtE020)(heAntPt212 NNNN22N01 222 2g谱线宽度：均匀加宽：碰撞加宽均匀加宽：碰撞加宽222022 ()()21 LLLLg加宽的为：为：线线型型函函数数线线宽宽均匀加宽：气体工作物质均匀加宽：气体工作物质2202 ()()2112 ()2

3、HHHHNLsLg 均匀加宽线型函数为：线宽为：非均匀加宽：多普勒加宽非均匀加宽：多普勒加宽0 0zv当原子静止时，原子感受到的光波频率为当时，原子和光波有最大的共振相互作用 (1)zzzvvc当原子沿 方向以 运动时，原子感受到的光波频率变为：非均匀加宽：多普勒加宽非均匀加宽：多普勒加宽000022 (1)(1)11zzzzvvcvvccc当时，原子和光波有最大共振相互作用，即当光波的频率为：时，光波和运动原子有最大共振相互作用。001zv c定义：为为运运动动原原子子的的表表观观中中心心频频率率220201()22012000 ()()2 ()2mcKTDDPcmgePKTcmgKT 多普

4、勒加宽的线型函数为：当时，非均匀加宽非均匀加宽均匀加宽与非均匀加宽的区别均匀加宽与非均匀加宽的区别1、从谱线加宽角度看、从谱线加宽角度看均匀加宽：原子之间不可区分，每个原子的自发辐射具有完全相同的线型、线宽和中心频率非均匀加宽：原子之间可区分，每个原子的表观中心频率不同2、从单个原子谱线加宽与原子体系谱线加宽之间、从单个原子谱线加宽与原子体系谱线加宽之间 的关系看的关系看均匀加宽：原子体系的线型和线宽与单个原子的完全相同，每个原子以整个线型发射非均匀加宽：原子体系的线型和线宽与单个原子的不同均匀加宽与非均匀加宽的区别均匀加宽与非均匀加宽的区别3、从原子对谱线的贡献看、从原子对谱线的贡献看均匀加

5、宽：每个原子对谱线内的任一频率都有贡献，且对于某一频率的贡献是相同的非均匀加宽：某类原子仅对谱线内某一特定频率有贡献，例如仅对与其表观中心频率相同的频率有贡献均匀加宽与非均匀加宽的区别均匀加宽与非均匀加宽的区别4、从光和物质相互作用的角度看、从光和物质相互作用的角度看均匀加宽：入射的某一频率的准单色光场与介质中所有原子发生完全相同的共振相互作用，原子的受激跃迁几率相同非均匀加宽：入射场仅与介质中表观中心频率与其频率相应的某类原子发生共振相互作用，并引起这类原子的受激跃迁均匀加宽与非均匀加宽的区别均匀加宽与非均匀加宽的区别综合加宽：气体工作物质综合加宽：气体工作物质),(),()(),(0000

6、0dggPPgHD00),(0g),(00Dg),(0Hg激光器的速率方程 ()()()(8()()(88 A)(A(212121212133212121332133212121射几率。射几率。处单位频带内的受激辐处单位频带内的受激辐分配在频率分配在频率中，中，率率作用下，总受激辐射几作用下，总受激辐射几表示在辐射场表示在辐射场）布函数布函数，跃迁几率按频率的分，跃迁几率按频率的分）WgBBWAhcgBBgAhcAhcBg原子自发辐射、受激辐射和受激吸收几率的修正原子自发辐射、受激辐射和受激吸收几率的修正 212212211212121211212 (stabdnn Bgddtn B gdnn

7、 B gdtWB gWB g ）同理：在频率为 的单色光辐射场的作用下，受激跃迁几率：原子自发辐射、受激辐射和受激吸收几率的修正原子自发辐射、受激辐射和受激吸收几率的修正几率急剧下降。时，跃迁偏离时，跃迁几率最大；当当 00物理意义：由于谱线加宽，和原子相互作用的单色光辐射场的频率在原子发光的中心频率0附加一个频率范围时，即可引起原子的受激跃迁。受激跃迁几率存在着由工作物质谱线加宽函数所决定的频率响应特性。原子自发辐射、受激辐射和受激吸收几率的修正原子自发辐射、受激辐射和受激吸收几率的修正)(8A)(nA)(202212121gvgv)(8A)(nA)(202212112gvgv发射截面吸收截

8、面吸收截面与发射截面吸收截面与发射截面)()()()()()(211122321212122111223232313231313RlllllNvNnggndtdNnnnnSAnvNnggnSndtdnASnWndtdn三能级系统速率方程组三能级系统速率方程组1331AS3132SA2121S1221WWW1EE3E四能级系统速率方程组四能级系统速率方程组 )()()()()()()(2111223210033300101021212211122323212122123232112033233003RlllllNvNnggndtdNnnnnnAnWnSndtdnSAnvNnggnSnSAnWnS

9、nWndtdnASnWndtdnE10S0330AS3032SA2121S1221WWW0EE3E均匀加宽工作物质的增益系数均匀加宽工作物质的增益系数22121121221202211 ()()()()()8 ()dIGI z dzgnngnv Anggnnnng 为反反转转粒粒子子数数密密度度增益系数增益系数chBnnG/)(2101020反转粒子数密度反转粒子数密度的单色光入射时，可得的单色光入射时，可得，光强为，光强为当频率为当频率为1 1I02H2012H2011122nIIns2210 hIs其中饱和光强2030nWn 增益饱和增益饱和)(8 )(),(1212021211111HH

10、gAvnnIGI为：为：作物质时，其增益系数作物质时，其增益系数加宽工加宽工的准单色光入射到均匀的准单色光入射到均匀，光强为，光强为频率为频率为 sIIAvn112242H2012HH2022120增益饱和增益饱和2H2012H0010H20221200022)()(4)(HHHGGAvnG小信号增益为：为：中心频率处小信号增益模式竞争模式竞争0)(HG)(0HG1),(sHIG 在均匀加宽激光器中，当一个模式振荡后，就会使其它模的增益降低，因而阻止了其它模的振荡，这就是均匀加宽激光均匀加宽激光器中的模式竞争器中的模式竞争。非均匀加宽工作物质的增益系数非均匀加宽工作物质的增益系数增益系数增益系

11、数sDssDIIGIIeAvneIIAvnGDD1122012201111)(112ln4 2ln218)I,(10)(2ln421D202120)(2ln421D2021201）（）（。线型函数宽系完全取决于非均匀加小信号增益与频率的关）（增益。有：为中心频率处的小信号其中时，得：当)(2ln4)()()()(121021D2021200000)(2ln4001022011DDDDDsgnAvnGGeGGIID小信号增益系数小信号增益系数siisHHIIGGIIGIG111111)(I,122)(,1012H2012H201101 系数的表达式为：非均匀加宽大信号增益数的表达式为：均匀加宽大

12、信号增益系均匀加宽和非均匀加宽大信号增益系数的比较均匀加宽和非均匀加宽大信号增益系数的比较（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；（2）非均匀加宽工作物质的饱和作用弱；0000000121,21,1isiHsHsGIGGIGII时时，当当（3）非均匀加宽工作物质的增益曲线是局部饱和。均匀加宽和非均匀加宽大信号增益系数的比较均匀加宽和非均匀加宽大信号增益系数的比较烧孔效应：反转粒子数的烧孔效应烧孔效应：反转粒子数的烧孔效应100n00 10n 1n0烧孔效应：存在于非均匀加宽气体激光器中增益烧孔：增益曲线的烧孔效应增益烧孔：增益曲线的烧孔效应100),(1IGi)(0iG烧孔效应：反转粒子数按速度的分布曲线烧孔效应：反转粒子数按速度的分布曲线)(zv)(zv)(zv)(zvn0常用激光增益介质谱线线宽的比较常用激光增益介质谱线线宽的比较教材表1.3 几种气体激光增益介质谱线的自然线宽常用激光增益介质谱线线宽的比较常用激光增益介质谱线线宽的比较教材表1.4 几种气体激光增益介质谱线的多普勒线宽常用激光增益介质谱线线宽的比较常用激光增益介质谱线线宽的比较常用气体激光增益介质：He-NeCO2Ar+常用激光增益介质谱线线宽的比较常用激光增益介质谱线线宽的比较常用固体激光增益介质：常温下均匀加宽为主红宝石：Nd:YAG钕玻璃惨铒光纤