均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和

本節(jié)導(dǎo)出激光工作物質(zhì)的增益系數(shù)表示式,分析影響增益系數(shù)的各種因素,著重討論光強(qiáng)增加時(shí)增益的飽和行為。具有均勻加寬譜線和具有非均勻加寬譜線的工作物質(zhì)的增益飽和行為有很大差別,由它們所構(gòu)成的激光器的工作特性也有很大不同,因此將分別予以討論。2.3均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和2.3均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和飽和效應(yīng):隨著I的增大,G和△n不增反降的現(xiàn)象飽和原因:入射光引起強(qiáng)烈的受激發(fā)射使激光上能級(jí)粒子數(shù)減少

標(biāo)志介質(zhì)受激放大能力的物理量─增益系數(shù)G,可以表示為I很小時(shí),

和

均為常數(shù);

時(shí),

和

均隨I增大而下降對(duì)于均勻增寬介質(zhì)：2.3.1均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)小訊號(hào)增益系數(shù)與介質(zhì)的線型函數(shù)1.

增益系數(shù)小訊號(hào)時(shí)的增益系數(shù)：由于值很大，線寬，所以可以用代替上式中的，即：上式說明小訊號(hào)的G與光強(qiáng)無關(guān)，僅為頻率的函數(shù)，且與有近似的變化規(guī)律。如圖所示?？梢?

與光強(qiáng)無關(guān),僅是頻率的函數(shù)圖(2-7)示意與譜線的線型函數(shù)有相似的變化規(guī)律。該曲線稱為小信號(hào)增益曲線,其形狀完全取決于線型函數(shù).二.均勻增寬介質(zhì)增益系數(shù)G的表達(dá)式綜合上兩式可得：

對(duì)均勻增寬型介質(zhì)有則中心頻率處小信號(hào)增益系數(shù)：中心頻率小信號(hào)增益系數(shù)決定于工作物質(zhì)特性及激發(fā)速率。

f

(v0)可由實(shí)驗(yàn)測出。圖2-7均勻增寬介質(zhì)小信號(hào)增益系數(shù)5增益系數(shù)G的測定增益系數(shù)是增益介質(zhì)的性質(zhì)

平均增益系數(shù)實(shí)驗(yàn)示意圖II0L2.3.2均勻增寬介質(zhì)的增益飽和均勻增寬型介質(zhì)的增益飽和1.

當(dāng)光強(qiáng)為I、頻率為的準(zhǔn)單色光進(jìn)入增益介質(zhì)，其增益系數(shù)為：其中為介質(zhì)譜線的中心頻率，為被放大的光波頻率2.增益飽和在抽運(yùn)速率一定的條件下，當(dāng)入射光的光強(qiáng)很弱時(shí)，增益系數(shù)是一個(gè)常數(shù)；當(dāng)入射光的光強(qiáng)增大到一定程度后，增益系數(shù)隨光強(qiáng)的增大而減小。3.

對(duì)飽和增益分三種情況討論（一）介質(zhì)對(duì)頻率為、光強(qiáng)為I的光波的增益系數(shù)介質(zhì)對(duì)此光波的增益系數(shù)為：增益飽和的物理解釋飽和光強(qiáng)Is：是激光工作物質(zhì)的一個(gè)重要參量。（二）介質(zhì)對(duì)頻率為、光強(qiáng)為I的光波的增益系數(shù)此時(shí)均勻介質(zhì)對(duì)光波的增益系數(shù)為：上表為各頻率光波的光強(qiáng)均為飽和光強(qiáng)時(shí)增益系數(shù)與頻率的關(guān)系。很明顯介質(zhì)對(duì)頻率為的光波的增益系數(shù)值最大，該光波的增益飽和作用也最大。同樣，當(dāng)時(shí)，介質(zhì)對(duì)光波的增益作用以及光波對(duì)介質(zhì)的增益飽和作用都很微弱。今后我們討論介質(zhì)對(duì)光波的增益作用以及光波對(duì)介質(zhì)的增益飽和作用都是對(duì)頻率在（三）在頻率為、光強(qiáng)為I的強(qiáng)光作用下的增益介質(zhì)對(duì)另一小訊號(hào)的增益系數(shù)在腔內(nèi)傳播著頻率為、強(qiáng)度為I的光波時(shí)，介質(zhì)中E2上能級(jí)上的粒子數(shù)密度在I的激勵(lì)下大大減少為：則此時(shí)介質(zhì)對(duì)光波的增益系數(shù)也下降為：對(duì)于均勻增寬型介質(zhì)來說，在光強(qiáng)I的作用下，介質(zhì)的光譜線型不變、線寬不變、增益系數(shù)隨頻率的分布也不變，它僅僅使增益系數(shù)在整個(gè)線寬范圍內(nèi)下降同樣的倍數(shù)討論:譜線中心頻率是和的對(duì)稱軸,在處它們有最大值;越大,和越小.(2)

時(shí),無飽和*(和I無關(guān));時(shí),有飽和*(隨I增大而下降)。

(3)I不同時(shí)增益曲線及其寬度(半幅全寬)：

a,小信號(hào)增益系數(shù)的寬度為;b,增益系數(shù)的寬度為原因:v偏離v0越大,飽和效應(yīng)越弱,曲線下降越緩慢.（2）物理意義：當(dāng)光強(qiáng)時(shí)，介質(zhì)只在范圍內(nèi)對(duì)光波有增益作用，在此范圍外增益可忽略不計(jì)，而光波也只在這個(gè)線寬范圍內(nèi)對(duì)介質(zhì)有增益飽和作用。

可見入射光強(qiáng)增大時(shí)益曲線寬度增大。(在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，激光器有更寬的增益線寬。）(3)原因:對(duì)均勻增寬工作物質(zhì),入射光所引起的飽和效應(yīng)使增益曲線整體下降;但在處,增益飽和最顯著;偏離中心頻率越遠(yuǎn),飽和越弱,增益下降越小,因此使增益曲線下降趨于平緩。以上我們討論了當(dāng)頻率為v,強(qiáng)度為Iv光入射時(shí),它本身所能獲得的增益系數(shù)G(ν)隨Iν增加而下降的規(guī)律?，F(xiàn)在我們提出另外一個(gè)問題:設(shè)有一頻率為v,強(qiáng)度變?yōu)镮ν的強(qiáng)光人射,同時(shí)還有一頻率為vi的弱光i入射,此弱光的增益系數(shù)G(vi)將如何變化?也就是說：在均勻加寬譜線情況下,由于每個(gè)粒子對(duì)譜線不同頻率處的增益都有貢獻(xiàn),所以當(dāng)某一頻率(v