《激光原理》課件：4-2

1、第第4章章 介質(zhì)對(duì)光的增益介質(zhì)對(duì)光的增益4.2 大信號(hào)增益大信號(hào)增益一、一、大信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)1、均勻加寬、均勻加寬（1）反轉(zhuǎn)粒子數(shù)表達(dá)式）反轉(zhuǎn)粒子數(shù)表達(dá)式022201222011)1 ()()()I ,(1HH1nIIns23024HshI : 頻率為頻率為 1、光強(qiáng)為、光強(qiáng)為 的強(qiáng)光入射時(shí)的的強(qiáng)光入射時(shí)的大信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)；Is:飽和光強(qiáng)參數(shù)飽和光強(qiáng)參數(shù)(W/mm2)。)I ,(11n1I第第4章章 介質(zhì)對(duì)光的增益介質(zhì)對(duì)光的增益4.2 大信號(hào)增益大信號(hào)增益證明：證明：0AnSn)(gmAndtdn323434323nn343432Sn 1)(gmnA0SnWnd

2、tdn4341414141434WnSn14132 1)(WngmnAm)(g1 AWnn32141E2E3E4W14S43A32W32W23E1S21第第4章章 介質(zhì)對(duì)光的增益介質(zhì)對(duì)光的增益4.2 大信號(hào)增益大信號(hào)增益m)(g1 AWnn32141小信號(hào)時(shí)小信號(hào)時(shí)有有 n1W14 = n3A32 = n0A32mgnn)(101H111H001223122211102( ,)21( )18( )HHnnnIgImh12138m111Ih H1HH22102022221022231( )I( )4Hnh第第4章章 介質(zhì)對(duì)光的增益介質(zhì)對(duì)光的增益4.2 大信號(hào)增益大信號(hào)增益0s22212122n)

3、II1 ()()(1HH00022201222012211HHH1)()(),(nIIIns23024HshI 1 1- 0, Is表達(dá)式中用表達(dá)式中用 0 1（2）飽和光強(qiáng)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式）飽和光強(qiáng)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式(a)He-Ne: Is=0.1-0.3 (W/mm2)(b)CO2: Is=72/d2 (d:mm， Is:W/mm2)第第4章章 介質(zhì)對(duì)光的增益介質(zhì)對(duì)光的增益4.2 大信號(hào)增益大信號(hào)增益（3）反轉(zhuǎn)粒子數(shù)飽和：）反轉(zhuǎn)粒子數(shù)飽和：當(dāng)入射光強(qiáng)當(dāng)入射光強(qiáng)I 1達(dá)到可與達(dá)到可與Is相相 比的程度時(shí)，比的程度時(shí)， n n0。反轉(zhuǎn)粒子數(shù)飽和與腔內(nèi)光強(qiáng)有關(guān)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)飽和與腔內(nèi)光強(qiáng)有關(guān) 同頻率不同光強(qiáng)情

4、況下：光強(qiáng)越強(qiáng)，飽和越深。同頻率不同光強(qiáng)情況下：光強(qiáng)越強(qiáng)，飽和越深。反轉(zhuǎn)粒子數(shù)飽和與入射光頻率有關(guān)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)飽和與入射光頻率有關(guān)10Inn | 0 - 1|)(g)(g0i1i 可將可將H1H2220320022220102()4( )(1)iHsAdGn gdIIH11H220122102( ,I )( )(1)HmsGGII200322204mHAnG 第第4章章 介質(zhì)對(duì)光的增益介質(zhì)對(duì)光的增益4.2 大信號(hào)增益大信號(hào)增益H1120213201102220221()411HHssiIIHIIAngtg12032120()81siIIAngsiIIG11)(10H11H202320112220

5、220012( ,)()4( )(1)iiHsAndGIgII 020321120()( )8 iin AGg第第4章章 介質(zhì)對(duì)光的增益介質(zhì)對(duì)光的增益4.2 大信號(hào)增益大信號(hào)增益討論：討論：0I1)(G)0(G10i1i ,當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí), , 線寬為線寬為i；sII1i當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí), , 線寬為線寬為 ；)(21)I , (10s1iiGG增益曲線增益曲線 的飽和下降均勻，線寬不變。的飽和下降均勻，線寬不變。)I ,(G11i 1 1 0 0i0I1mG)I ,(G11im21GsII1i第第4章章 介質(zhì)對(duì)光的增益介質(zhì)對(duì)光的增益4.2 大信號(hào)增益大信號(hào)增益2、對(duì)入射弱光（、對(duì)入射弱光（ 2）的增益

6、系數(shù)（燒孔效應(yīng)）的增益系數(shù)（燒孔效應(yīng)）（1）孔寬）孔寬:HsII11（2）孔深）孔深:)I ,()(1110iiGG（3）孔位置）孔位置: 1、2 0- 1兩處兩處注注:穩(wěn)定工作時(shí)有穩(wěn)定工作時(shí)有 ，即閾值增益系數(shù)，即閾值增益系數(shù)t1G)I ,(1iGtiGG)(10或或 2 2 0 0)I ,(G112i ,)I ,(11iG)(G10i 1 12 2 0 0- - 1 1)(G20i0mG第第4章章 介質(zhì)對(duì)光的增益介質(zhì)對(duì)光的增益4.2 大信號(hào)增益大信號(hào)增益 mHGG2220220HH)() (2i2024m0ieG)(G)(lnms2221221HG)II1 ()()I ,(G1HH10 )

7、()1 () () ()I , , (202220122201121HH1HsHGIIGsiiIIGG111)()I,(101HsII11tiGG)(10均勻加寬均勻加寬非均勻加寬非均勻加寬孔寬孔寬孔深孔深增益曲線非均勻下降增益曲線非均勻下降增益曲線均勻下降增益曲線均勻下降增益曲線均勻下降增益曲線均勻下降) (0G)I , (11G)I , , (112G增益曲線燒孔增益曲線燒孔第第4章章 介質(zhì)對(duì)光的增益介質(zhì)對(duì)光的增益4.2 大信號(hào)增益大信號(hào)增益例例1：He-Ne激光器入射光強(qiáng)為激光器入射光強(qiáng)為3Is時(shí)，求大信號(hào)增益時(shí)，求大信號(hào)增益曲線在中心頻率處所產(chǎn)生的燒孔寬度與深度（放電曲線在中心頻率處所產(chǎn)生的燒孔寬度與深度（放電管直徑管直徑d=2mm，長(zhǎng)度，長(zhǎng)度l=50cm，氣體壓強(qiáng)，氣體壓強(qiáng)p=200Pa，諧振腔單程損耗率諧振腔單程損耗率 =0.04， =0.75