激光器的增益与饱和

激光器的增益与饱和

激光器的增益和损耗是与工作物质直接有关的物理量,它们影响着激光器的工作条件和输出特性.研究激光器的增益与损耗可以加深对激光机制的认识,同时对器件的性能检测也有重要的实际意义.

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。

一、增益系数

如有一增益介质，光强为I。的准单色光自端面入射，由于受激辐射，在传播过程中光强将不断增加，通常可以用增益系数来描述光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数。

设在z出光强为I(z)，在z+dz出光强为I（z）+d I（z），则根据定义，介质对光的增益系数为G= d I（z）∕I（z）dz。

显而易见，激光介质增益系数正比于反转粒子数密度，其比例系数即为受激辐射截面积。而增益系数与频率的关系曲线有谱线的线性函数决定。

二、均匀加宽工作物质的增益系数和增益饱和

在连续激光器或长脉冲激光器中，我们可以认为各能级上的粒子数达到了稳定工作状态。

1、当光强很小时，即小信号运行情况下，由受激辐射对Δn 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。

2、 Δn=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Δn0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。

A 均匀加宽

B 、非均匀加宽情况

三、增益饱和现象及其物理机制

1、增益饱和现象

当入射光强I ν足够小时，G 为常数；

当入射光强I ν增大到一定的程度后，G 将会随着I ν的增加而下降，这种过程称为增益饱和现象。

2、产生增益饱和现象的物理机制

()002003

//d n dt n n W τ∆=-∆+()0/0

d n dt ∆=00032n n W τ∆=()()()()2

0220/2,/2H H H g νννννν∆=-+∆()()()()23002122230/24/2H H H H G n A v ννπννννν∆=∆∆-+∆()()

2

1/20024ln 22

ln 2,D D D g e νννννπν-⎛⎫=- ⎪∆∆⎝⎭

受激辐射几率与入射光强成正比， Iν足够大时，Δn下降的很快，因此G会随着Iν的增加而下降。

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；

如果Iν足够强，受激辐射对原子系统的各能级上的粒子数目的影响就必须考虑。

当一束强光Iν1入射的同时，一束频率为Iν的弱光入射到工作物质中，其增益系数会如何变化？

当强光Iν1入射时，会引起Δn的下降，这种下降是在整个原子发光谱线范围内的下降，即对应弱光频率ν的那部分反转粒子数也同时下降了，弱光入射时对应的反转粒子数不再是Δn0，而是Δn：四、反转粒子数的饱和

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作用。因此Δn按照ν有意分布，与均匀加宽类似，小信号时，其分布函数为gi(ν,ν0);

在ν→ν+dν范围内，其中Δn0为中心频率ν0处的反转粒子数。频率为νA的准单色光只能造成频率νA对应的那部分粒子的饱和；

均匀加宽是不可避免的，实际上与频率νA相应的粒子发射谱线将是以νA为中心频率，宽度为ΔνH的均匀加宽谱线。

我们知道，表观中心频率为v的粒子发射一条频率为v，线宽为△Vh的均匀加宽谱线。这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。当入射光频率为v1，且光强Iv1有足够强时，该入射光造成表观中心频率v=v1对应的那部分粒子饱和，由于饱和效应，表观中心频率为v1的反转粒子数密度将由原来的A点下降到A1点。若此入射光频率v1相当于均匀加宽中的中心频率。

由于强光饱和造成的反转粒子数减少，导致弱光的增益系数只能小于其小信号增益系数。然而，如果弱光频率落在烧孔范围之外，弱光的增益系数将不受强光饱和的影响，仍为小信号增益系数。这一现象称为烧孔效应。烧孔的宽度与反转粒子数饱和是的宽度一致，烧孔的深度决定于激光稳定振荡时的阈值增益。

在非均匀加宽谱线的情况下，每一振荡频率各自在其频率附近小范围内烧孔，只要均匀加宽宽度小于相邻纵模的频率间隔，则它们相互之间没有什么耦合影响，即一个模式振荡，不会影响另一个模式频率处的增益系数。

对于多普勒加宽的气体激光器中的烧孔效应，频率为v1的振荡模在增益曲线上会烧两个孔，这两个孔将对称地分布在中心频率的两侧。

若腔中有另一个频率为v的弱模存在，则该模沿+z和-z方向传输的光波受激辐射分别有不同的激活粒子贡献。如果弱模频率v和强模频率v1与中心频率不对称，而且频率间隔有足够宽，那么，强模由于增益饱和在增益曲线上烧两个孔，并不会影响到弱模做贡献的反转粒子数，弱模的小信号增益系数不变。如果弱模频率v与强模频率v1对称分布在中心频率两侧，于是，弱模的受激辐射也由vz的激活

粒子所贡献，这两各模的烧孔位置是重叠的。由于频率为v1的强模已小号了大量的激活粒子而发生增益饱和，因此，不仅强模的增益系数变小，而且弱模的在增益系数也受此影响而减小。所以在增益曲线上，在v1和（2v。）会出现两个烧孔。

激光原理技术及应用论文

080212537 谢欣欣