理论｜激光物理基础：增益系数饱和

由于反转集居数密度与光强有关, 使得增益系数也与光强有关。根据增益系数定义式(3 .4 .3 )和( 3 .4 .7) ,

(3 .4 .3 )

( 3 .4 .7)

有

(3 .4 .11)

其中为中心频率的小信号增益系数,

(3 .4 .12)

上式表明,增益系数随光强的增加而降低, 这种效应称为增益饱和效应。

1，时的增益系数

(3 .4 .13)

称为小信号增益系数。可见小信号增益系数与单色光频率有关,单色光频率越接近中心频率,增益系数越大;中心频率处的小信号增益系数最强。一般激光器中心频率处的小信号增益系数由实验测量。

2单色光频率越接近中心频率, 饱和效应越显著。当 ν1 = ν0 时

(3 .4 .14)

现在考虑一种特殊情况,由两束频率不同的单色光同时入射到均匀加宽增益介质中, 其中一束光频率为 ν1 保持不变,且为强光( Iν1～ Is ) ; 另一束光频率 ν可变, 为弱光 ( Iνn Is ) , 该光束称为探测光。

下面分析弱光的增益系数。在强光 Iν1的作用下, 反转集居数密度下降 (反转集居数密度饱和) , 因此探测光的增益系数为

由于强光的作用,Δn 是光强 Iν1的函数。代入式 ( 3 .4 .7 )和发射截面表达式, 得到弱光的增益系数为

(3 .4 .15)

可见无论弱光的频率为何值,由于强光的作用, 增益系数都要下降 ( 如图 3 -10 所示 )。这个效应是均匀加宽的性质决定的。在均匀加宽的情况下,每个原子对不同频率处的增益都有贡献。

由于强光有效地消耗了激发态的原子数, 原子对其他频率处增益的贡献就降低了。所以图 3 -10 所示的弱光的增益曲线整体下降, 即无论弱光的频率为何值, 增 益 系 数 都 被 强 光 压 制 在 小 信 号 增 益系数以下。这 种 情 况 与 非 均 匀 加 宽 结 果 有 本质区别。