光电子 第二章全部

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1、第二章 介质中的光增益光通过介质时，总是同时发生两种过程，即光的受激吸收和光的受激发射。前者使介质中传播的光不断减弱，后者使介质中传播的光不断增强，哪一个过程起主要作用决定于粒子数目按能级的分布情况。粒子数正常分布： 光衰减;高能级上的粒子数小于低能级上的粒子数。粒子数反转分布： 光放大。高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数。21 粒子数的反转分布22 光在介质中的小信号增益23 介质中的增益饱和与烧孔效应本章主要内容：21 粒子数的反转分布激发态能级寿命粒子数密度的差值三能级系统与四能级系统一、激发态能级寿命EmEnNmNnAmn两能级系统：两能级系统： mnmn=1/A=1/Amnmn是是

2、E Em m能级上粒子的平均寿命能级上粒子的平均寿命. . 的物理意义的物理意义: :在经过在经过t=t= 的一段时间后的一段时间后, ,停留在激发态能级上的粒子数由于停留在激发态能级上的粒子数由于自发跃迁已减少到自发跃迁已减少到t=0t=0时刻的该能级粒子数的时刻的该能级粒子数的1/e(1/e(约约36%).36%).它它反映了粒子在该能级上的平均寿命反映了粒子在该能级上的平均寿命. .EmEnEpNmNnNpAmnAmp三能级系统：三能级系统： =1/（Amn+Amp)EmEm-1Em-2Em-3E1NmNm-1Nm-2Nm-3N1Am=更一般的情况：更一般的情况：考虑其它的跃迁过程：考虑

3、其它的跃迁过程：结论结论: : 自发辐射跃迁的几率越大自发辐射跃迁的几率越大, ,粒子在激发态停留的时间粒子在激发态停留的时间越短越短, ,即寿命越短即寿命越短. .一般激发态能级的寿命：一般激发态能级的寿命： s亚稳态能级的寿命：亚稳态能级的寿命：10-3 -4s粒子数密度的分布微观粒子数按能量的分布-玻耳兹曼分布规律 若若 g g1 1 g g 2 2， 数量级估计：数量级估计：对于对于 氢原子氢原子k=1.3810-23 J/k ;1eV 1.6 10-19J;kT 0.026 eV;E 2-E 110.2eV；T 300 K；E 2-E 10.1eV；12m2E1E2E1E=e-0.1

4、/0.0260.02更一般的情况更一般的情况 g2 g 1N N1 1/g/g1 1,N,N2 2/g/g2 2分别表示分别表示E E1 1,E,E2 2中的一个能级上的粒子数中的一个能级上的粒子数. .N N1 1/g/g1 1NN2 2/g/g2 2：表明较低能量的一个能级上的粒子数大于较高能量的一个能级上的粒子数，为正常分布。N N1 1/g/g1 1NE1则必有则必有N1/g1N2/g2。如何实现粒子数反转分布如何实现粒子数反转分布? ?粒子数的正常分布粒子数的正常分布1E2E. .。 。1N2N12EE 粒子数反转分布粒子数反转分布2E1E.。 。2N1N12EE 在热平衡条件下，粒

5、子数的分布服从玻耳兹在热平衡条件下，粒子数的分布服从玻耳兹曼分布律，高能级的粒子数总小于低能级的粒子曼分布律，高能级的粒子数总小于低能级的粒子数。数。 借助于外界的激励能源，打破激活介质热平借助于外界的激励能源，打破激活介质热平衡时的粒子数分布，使高能级的粒子数大于低能衡时的粒子数分布，使高能级的粒子数大于低能级的粒子数。级的粒子数。 这种激活介质要具有合适的能级结构。这种激活介质要具有合适的能级结构。 激励能源（泵浦）激励能源（泵浦）n1n2n3n由外界能源向粒子系统由外界能源向粒子系统输入能量输入能量, ,使大量粒子使大量粒子跃迁到高能级。跃迁到高能级。激励方法激励方法( (按激励能源按激

6、励能源分类分类): ): 光激励、光激励、电激励电激励 ( (气体放电激气体放电激励励) )、化学激励、热激励等化学激励、热激励等粒子数密度的差值粒子数密度的差值激励（泵浦）激励（泵浦）：E2E1n20A21R两能级系统：两能级系统：三能级系统：三能级系统：因为E2能级向E1能级的自发跃迁几率A21远大于E2能级向基级能级E0的自发跃迁几率A20 ,所以这里没有考虑由A20引起的跃迁.3. 3. 选择合适的激励能源选择合适的激励能源, ,使它对介质的使它对介质的E2 2能级的抽运能级的抽运速率速率R2愈大愈好愈大愈好, ,而而E1 1能级的抽运速率能级的抽运速率R1愈小愈好愈小愈好. .粒子数

7、密度的差值：粒子数密度的差值：1. 1. 激光上能级激光上能级E2 2的寿命要长的寿命要长, ,使该能级上的粒子使该能级上的粒子不能轻易地通过非受激辐射而离开不能轻易地通过非受激辐射而离开; ;2. 2. 激光下能级激光下能级E1 1的寿命要短的寿命要短, ,使该能级上的粒子使该能级上的粒子很快地衰减很快地衰减; ;即满足条件即满足条件1212RR 实现粒子数反转的物理条件实现粒子数反转的物理条件粒子数密度的差值粒子数密度的差值同时受到外来光的照射同时受到外来光的照射：必须考虑受激吸收与受激辐射必须考虑受激吸收与受激辐射设外来光的谱线宽度远小于设外来光的谱线宽度远小于E2与与E1能级间辐射跃迁

8、的谱线宽度能级间辐射跃迁的谱线宽度设设g1=g2受激辐射与受激吸收的跃迁几率：受激辐射与受激吸收的跃迁几率：受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收三能级系统：三能级系统：粒子数密度的差值粒子数密度的差值(反转粒子数密度）：反转粒子数密度）：粒子数反转情况下，在形式上仍然使用热平衡分布公式：粒子数反转情况下，在形式上仍然使用热平衡分布公式：与粒子数反转对应的等效温度与粒子数反转对应的等效温度三、三能级系统与四能级系统三、三能级系统与四能级系统p 激励（泵浦）：激励（泵浦）：实现粒子数反转的必要条件。实现粒子数反转的必要条件。p 具有亚稳态的能级：具有亚稳态的能级：实现粒子数反转的可能性大大增加。实现粒

9、子数反转的可能性大大增加。p 激活介质：激活介质：能够产生粒子数反转的介质。能够产生粒子数反转的介质。红宝石晶体（三能级系统）红宝石晶体（三能级系统）EEE(10-8 10- s)EEE(10-3s)hEEE亚稳态能级亚稳态能级四能级系统四能级系统EEEEhEEEE(10-8s)(10-3s)介质中实现粒子数反转的条件：介质中实现粒子数反转的条件： 激励能源（泵浦）、亚稳态能级激励能源（泵浦）、亚稳态能级22 光在介质中的小信号增益1E2E. .。 。1N2N2E1E.。 。2N1N一、光的吸收与放大吸收系数光经过单位长度介质后，光强减弱的比率。代表介质对光波的吸收能力增益系数光经过单位长度介