激光的三能級系統(tǒng)單模激光器速率方程

文章出處: 文章類型:原創(chuàng) 人氣：發(fā)表時間：2022-02-24 14:36:11

激光器的速率方程是從光子(量子化輻射場)與物質(zhì)原子的相互作用出發(fā),用量子理論的簡化形式來描述激光器特性的一種理論方法。這種方法最大優(yōu)點是可以上分簡單、明了地給出與激光強(qiáng)度有關(guān)的激光特性,但是,由于它忽略了光子的相位特性和光子數(shù)的起伏特性,所以不能揭示色散(頻率牽引)的本質(zhì),對于激光器中的燒孔效應(yīng)、蘭姆凹陷、多模竟?fàn)幍?只能給出粗略的激光器速率方程是表征激光器腔內(nèi)光子數(shù)和工作物質(zhì)內(nèi)與產(chǎn)生激光有關(guān)各能級上的粒子近似描述。數(shù)隨時間變化的微分方程組。雖然,不同激光器工作物質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)和躍遷特性很不相同且很復(fù)雜,但通常可以歸納為三能級和四能級系統(tǒng)。本文首先討于論三能級系統(tǒng)的單模激光器速率方程。其典型例子為紅寶石晶體和摻餌石英光纖能級系統(tǒng)單模速率方程。

參與產(chǎn)生激光的有三個能級:抽|4x|5運(yùn)高能級E3、激光上能級E2(也稱亞穩(wěn)態(tài)能級)和激光下能級E1(基態(tài)能級)。粒子在這些能級間的躍遷過程簡述如下。

①在激勵能源的作用下,基態(tài)E1上的粒子被抽運(yùn)到E3能級,抽運(yùn)幾率為W13,采用光激勵方式,則W即為受激吸收躍遷幾率。

②抽運(yùn)到E3能級的粒子數(shù)n3將以無輻射躍遷的形式極為迅速地轉(zhuǎn)移到E2能級,其幾率為Sx。另外也有極小部分E3能級上的粒子分別以自發(fā)輻射和無輻射躍遷方式返回基態(tài),其幾率分別為A3和S3,但對于一股激光工作物質(zhì)來說,有S3<Sn,A31<S32。

③激光的上能級E2一般為亞穩(wěn)態(tài),能級壽命較長。能級2上的粒子通過四個途徑返回基態(tài):自發(fā)輻射(幾率A)、受激輻射(幾率W2),受激吸收(幾率W12)和無輻射躍遷(幾率S12)般情況下A2>S2,若抽運(yùn)速率足夠高,才有可能在E2和E1能級間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(即n2>2an1),則兩能級間的受激輻射和受激吸收(W21和W2)占絕對優(yōu)勢。

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