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1、 (1)在激励泵源的作用下,基态E1上的粒子被抽运到能级E3上,抽运几率设为W13.在光激励情况下,W13即为受激吸收跃迁几率.对于其他激励方式,则W13只表示粒子在单位时间内被抽运到E3的几率。(2)到达高能级E3的粒子数将主要以无辐射跃迁(热弛豫)的形式极为迅速地转移到激光上能级E2,其几率设为S32.另外,n3也能以自发辐射(几率A31)无辐射跃迁(几率S31)等方式返回基态E1,但对于一般激光工作物质来说,这种消激励过程的几率很小,即S31S32,A31S32.(3)激光上能级E2一般都是亚稳能级,在未形成集居数反转之前,粒子将主要以自发跃迁(几率A21)形式返回E1,并且A21较小,
2、即粒子在E2上的寿命较长。另外,n2粒子也可能通过无辐射跃迁(几率S21)返回E1，一般情况下S21f2n1/f1).一旦出现这种情况,则在E2和E1间的受激辐射和吸收跃迁(W21和W12)将占绝对优。红宝石在室温下的一些跃迁几率数据红宝石在室温下的一些跃迁几率数据为为:S:S32320.50.510107 7s s-l,-l,A A31313310105 5s s-1-1,A A21210.30.310103 3s s-1-1,S,S2121,S,S31310.0.)(313231313ASNWNdtdN323212122121212)(SNASNWNWNdtdNNNNN321三能级系统激光
3、工作物质的典型例子是三能级系统激光工作物质的典型例子是红宝石晶体。红宝石晶体。激光器光腔内的光子数密度激光器光腔内的光子数密度(单位体积内单位体积内的光子数的光子数)如何随时间的变化呢如何随时间的变化呢?设腔内只存在一个模式设腔内只存在一个模式,其光子寿命为其光子寿命为,则光子数密度的增长率则光子数密度的增长率NWNWNdtdN121212vNWijij),(0323131313231313)(SNWNASNWNdtdN323220122),(SNNvNNdtdNNNNN321NvNndtdN),(021三能级系统速率方程组三能级系统速率方程组式中式中313232ASS为为E E3 3EE2
4、2的量子效率的量子效率为为E E2 2上粒子寿命上粒子寿命121212)(SA激光器的工作方式是由什么决定的呢激光器的工作方式是由什么决定的呢?-主要由外抽运速率主要由外抽运速率W W1313的时间行为决定的的时间行为决定的.0t0tW W131300脉脉冲冲W W1313=W W0 00tt0tt0 00 0t t为其它值为其它值连续连续单脉冲单脉冲重频脉冲重频脉冲W W1313=W W0 0t ti itttti i+T+T0 0t t为其它值为其它值求解方程时求解方程时由于由于E E3 3EE2 2无辐射跃迁极快，无辐射跃迁极快，03dtdN02323)(WNNSN设激光器工作在阈值附近
5、设激光器工作在阈值附近0201201213112222),(WNNWNvNNWNNdtdN,0,1)(001202012tteWNWtNtW可见，可见，t=tt=t0 0时获得最大值时获得最大值t tt t0 0时时W W1313=0=01222NdtdN20)()(022ttetNtN3231313SNWNdtdN三、激光器的工作状态三、激光器的工作状态1.1.短脉冲运转短脉冲运转设设2 2为为E E2 2能级上粒子寿命能级上粒子寿命t t0 02 2t t0 00 0t tW W1313(t)(t)W W0 0t t0 00 0t tn n2 2(t)(t)n n2 2(t(t0 0)t
6、tt t0 0时时20)()(022ttetNtNtWeWNWtN0121)(01202tttt0 0时时t=tt=t0 0时时)()(022tNtN最大最大重频脉冲重频脉冲t t0 00 0t tW W1313(t)(t)W W0 0t t0 00 0t tn n2 2(t)(t)n n2 2(t(t0 0)T TT+tT+t0 0T TT+tT+t0 02.2.长脉冲和连续运转长脉冲和连续运转若若t t0 02 2,则当则当t t增至增至t t1 1,以至于以至于2 2 tt1 1 t t0 0)()(0201202tNWNWtNt t0 00 0t tW W1313(t)(t)W W0
7、00 0t tn n2 2(t)(t)n n2 2(t(t0 0)t t0 02 22 2 tt1 1 t t0 0常数常数t t1 1t t0 020)()(022ttetNtNt t0 0连续连续一、稳态工作情况一、稳态工作情况稳态时稳态时0dtdN0323131SNWN022323NSN)(1()(212132311321213132133221312ASSAWASASWSWNNA31S32S21A21211312AWNN2211321131,1AWAW或二、瞬态工作情况二、瞬态工作情况03NtWtWeWeWNNNN)(012)(02120120121 11若若A31S32S21A21则
8、则1313232ASS121121212)(ASA21)(021 021AeWtWA一、阈值增益系数和粒子数一、阈值增益系数和粒子数2T)(200lGeIIlGGth)(0 不同纵模有近似相等的不同纵模有近似相等的G G,不同横模有不同的不同横模有不同的G G,高阶横模比低阶横模有较大的高阶横模比低阶横模有较大的G GlGGth)(0ululHNAgcG),(8)(02212ulAlgNth),(80202NNNNNNNNthththththth222122)(222NNNNthth二、连续二、连续/长脉冲光泵阈值功率长脉冲光泵阈值功率t t2 2,N,N1 1、N N2 2 均达稳态均达稳态
9、)()(0201202tNWNWtN0121221)(WNNNtN03N221NNNthth120thW这就是连续这就是连续/长脉冲长脉冲光泵阈值条件光泵阈值条件稳态时光泵功率稳态时光泵功率2131013310132)()(NVhVNWhVNNWhtPthPth三、短脉冲工作三、短脉冲工作t t0 0 2 2012W短脉冲短脉冲下下,tWeWNWtN0121)(01202tWeNtN01)(2tWNetN0)(1工作物质在每个脉冲内吸收光泵能量工作物质在每个脉冲内吸收光泵能量VtNheNVhdteNVWhVdtNNWhEtWttWtP)()1()(02131300130310130000213
10、NVhEPth 一、均匀加宽激光器中的模竞争一、均匀加宽激光器中的模竞争 1.1.稳态工作的增益曲线稳态工作的增益曲线G GththG G0A)(0G小信号稳态稳态2.模竞争由于饱和效应，增益曲线将随光强的上升而不断下降。如果有多个模式的谐振频率落在均匀加宽增益曲线范围内，且其小信号增益系数G0()均大于Gth那么,这些模式是否都能维持稳态振荡呢?设有频率为q-1、q和q+1的三个模式B0GAG Gq1q0C1qG Gthth开始时,对这三个模式来说,小信号增益系数都大于Gth,因而I(q-1)、I(q)、I(q+1)都逐渐上升。B0GAG Gq1q0C1qG Gthth当增益曲线下降到A时,
11、1qI不再增加不再增加.1qIqI当增益曲线下降到B时,增益曲线1qI0 01qI不再增加不再增加.qI增益曲线1qI0 0最后增益曲线下降到C时,qI达到稳定thqGIGq),(二、频率牵引二、频率牵引 1.1.无源腔和有源腔无源腔和有源腔激光腔内工作物质增益为激光腔内工作物质增益为0 0的腔就为的腔就为无源腔无源腔,激光腔内工作物质增益恒大于激光腔内工作物质增益恒大于0 0的腔就为的腔就为有源腔有源腔.2.色散现象色散现象 激光工作物质在增益激光工作物质在增益(或吸收或吸收)曲线中心频率曲线中心频率。附近呈现强烈的色散附近呈现强烈的色散,即折射率随频率而急剧变化。即折射率随频率而急剧变化。
12、色散随工作物质增益系数的增高而增大。增益系数为色散随工作物质增益系数的增高而增大。增益系数为 零时零时,折射率为常数折射率为常数,记为记为0。增益系数不为零时。增益系数不为零时,折折 射率是频率的函数射率是频率的函数,记为记为()。)()(0无源腔中有源腔中Lqcq00200000)(1)(112)(2)(2qqqqqLqcLqcLqc 3.3.频率牵引频率牵引000)(qqqq 对于均匀加宽工作物质对于均匀加宽工作物质),(2)()(0IGcHHlIGH),(稳态条件下稳态条件下令令为无源腔线宽为无源腔线宽Lcc02)(00qHcqq则)(0000qHqqHcHqq为牵引常量令由于讨论讨论0
13、00000,;,qqqqqq则若则若 在有源腔中在有源腔中,由于增益物质的色散由于增益物质的色散,使纵模频率使纵模频率比无源腔同序数纵模频率更靠近工作物质的中心频比无源腔同序数纵模频率更靠近工作物质的中心频率率,这种现象叫做这种现象叫做频率牵引频率牵引.频率牵引定义频率牵引定义:一、均匀加宽连续激光器的输出功率一、均匀加宽连续激光器的输出功率thGIG),(只要只要 ,I),(IGlGIGt),(直到直到稳态稳态 对于均匀加宽激光器对于均匀加宽激光器sHHIIGG1)()(02TlTIIGsH210 120TlGIIHS在驻波腔内对输出有贡献的在驻波腔内对输出有贡献的只有只有I I+,设设A
14、A为激光束的有效横截面积为激光束的有效横截面积I I+I I-1221210TlGATIATIATIPHST TP PI IP PT T有一最佳值有一最佳值0TP则则lGTHm02此时此时20)2(21lGAIPHSm 二、脉冲激光器的输出能量二、脉冲激光器的输出能量若若VNVNth22则则 I IN N2 2thNN22若若则则I I迅速衰减至熄灭迅速衰减至熄灭.E E2 2能级剩余的能级剩余的N N2th2thV V个粒子以较慢的速度自发辐射回基态个粒子以较慢的速度自发辐射回基态.所以所以,对激光能量有贡献的上能级粒子数为对激光能量有贡献的上能级粒子数为)(1322PtPthEEhVNVN
15、所以所以,腔内能量为腔内能量为输出能量为输出能量为)()(13212221PtPthinEEVNNhETTEEETTEPtPinout)(1321E E2 2E E1 1E E3 3自上而下自上而下泵浦泵浦转移转移激光激光横向转移横向转移H He eN Ne eE Ei iE El lE Eu u基态基态自下而上自下而上ArAr基态基态ArAr+基态基态E El lE Eu uE Eu uE El l1.1.请写出第一章小结请写出第一章小结.2.2.红宝石激光器是一个三能级系统红宝石激光器是一个三能级系统,设设CrCr3+3+的的N=10N=101919/cm/cm3 3,2121=3=31010-3-3s,s,今以波长今以波长=0.5100m=0.5100m的光泵激励。试估算单位体积的阈值抽运功率。的光泵激励。试估算单位体积的阈值抽运功率。
新激光ppt课件第一章 激光的基本原理及其特性03
