工作物质的能级系统中E0是基态。E2及E1能级的寿命是τ2和τ1,E2→E1的自发辐射几率是τ21-1。三个能级
工作物质的能级系统如下图(b)所示。单位体积中自基态能级0→能级2的激励速率是R2,能级1的寿命极短,以至于该能级的粒子数密度n1≈0,能级2的寿命是τ2。今有一宽为T(T>τ2),光强为I,频率与能级2-能级1跃迁中心频率相应的矩形脉冲光照射该工作物质。观察者用光探测器检测其侧荧光并用示波器记录荧光波形。入射光脉冲及荧光波形图如图(a)所示,S0与S1分别为无光照及有光照时的侧荧光达到稳态时的光强。
工作物质的能级系统如图3.18(b)所示。单位体积中自基态能级0→能级2的激励速率是R2,能级1的寿命极短,以至于该能级的粒子数密度n1≈0,能级2的寿命是τ2。今有一宽为T(T>τ2),光强为I,频率与能级2一能级1跃迁中心频率相应的矩形脉冲光照射该工作物质。观察者用光探测器检测其侧荧光并用示波器记录荧光波形。入射光脉冲及荧光波形图如图3.18(a)所示,S0与S1分别为无光照及有光照时的侧荧光达到稳态时的光强。
(1)给出S0/S1的表达式; (2)光脉冲照射时,侧荧光光强以指数方式衰减至稳定值S1,试给出时间常数τa的表示式; (3)光脉冲结束后侧荧光光强按指数上升,最后恢复到稳定值S0,试给出时间常数τb的表示式; (4)利用上述实验,能测出该工作物质的哪些参数?
4.15光泵浦的激光系统如下图所示,激光工作物质能级示于图(a),在热平衡状态下,能级1,能级2上的粒子数可忽略不计。将泵浦光波长调到能级0→能级2跃迁中心频率,从一侧入射到工作物质上,将能级0的粒子抽运到能级2。能级2的粒子数通过自发发射和无辐射跃迁回到能级0,其跃迁几率分别为A20=106s-1,S20=5×106s-1;能级2和能级1之间存在自发发射和受激发射,其自发发射爱因斯坦系数A21为105s-1,能级1的寿命τ1=10-7s。为了简化,假定n2,n1n0,基态粒子数密度视为常数,n0=10-7cm-3。该激光工作物质为均匀加宽介质,能级2→能级0及能级2→能级1跃迁谱线具有洛伦兹线型,其线宽△=10GHz,激光器处于稳态工作。其他参数如下图(b)中所示。求:
气体介质中粒子数密度n=1023cm-1,E2能级比基态E1能级的能量高2.48eV(跃迁中心波长λ0=0.5μm),E2能级的自发辐射寿命=1ms,E2→E1能级的自发辐射谱线具有洛伦兹线型(线宽△=1GHz)。在热平衡温度为T1(kbT1=0.026eV)和T2(kbT2=0.26eV)(kb为玻耳兹曼常数)时,求:
均匀加宽激光工作物质的能级图如下图所示。单位体积中将原子自能级0(基态)激励至能级2的速率是R2。能级2的原子以几率及返回能级1和能级0。能级2→能级1的自发辐射几率A21=6×106s-1,线宽△=10GHz(假设具有洛伦兹线型)。能级1上的原子以极快的速率跃迁到能级0,所以能级1的原子数密度n1≈0。折射率为1。
(1)若系统未激发,求能级1→能级2的吸收系数; (2)若激励强度无限大,求可获得的最大的小信号增益系数。
均匀加宽气体激光工作物质的能级图如下图所示,其中能级0为基态。单位体积基态分子至上能级3的泵浦速率为R3,如果τ3/τ1合适,则可获得能级3→能级1跃迁的增益。然而基态分子也可被激励到能级2(单位体积的泵浦速率为R2),如有与λ21相应的谐振腔,能级2→能级1跃迁可形成激光,它将使能级1的分子数密度增加,并使波长λ31的增益下降。假设系统处于稳态,各能级的统计权重均为1,能级2→能级1的自发辐射可忽略不计,1/τ3=1/τ30+1/τ31。
光泵浦的激光系统如图4.9所示,激光工作物质能级示于图4.9(a),在热平衡状态下,能级1,能级2上的粒子数可忽略不计。将泵浦光波长调到能级0→能级2跃迁中心频率,从一侧入射到工作物质上,将能级0的粒子抽运到能级2。能级2的粒子数通过自发发射和无辐射跃迁回到能级0,其跃迁几率分别为A20=106s-1,S20=5×106s-1;能级2和能级1之间存在自发发射和受激发射,其自发发射爱因斯坦系数A21为105s-1,能级1的寿命τ1=10-7s。为了简化,假定n2,n1<<n0,基态粒子数密度视为常数,n0=1017cm-3。该激光工作物质为均匀加宽介质,能级2→能级0及能级2→能级1跃迁谱线具有洛伦兹线型,其线宽△vH=10GHz,激光器处于稳态工作。其他参数如图4.9(b)中所示。求:
(1)中心泵浦波长的吸收截面σp; (2)能级2→能级1的中心频率发射截面σ21; (3)能级2寿命; (4)泵浦光很弱并忽略受激发射时的n2/n1比值; (5)阈值增益和中心频率阈值反转粒子数密度; (6)写出用σp,Ip,σ21和I表示的能级2和能级1的速率方程,求阈值泵浦光强(其中Ip和I分别为泵浦光强和腔内激光光强); (7)如果泵浦光强是阈值的10倍,能级2→能级1跃迁以受激发射为主,估算该激光器的输出光强。
均匀加宽气体激光工作物质的能级图如图3.12所示
其中能级0为基态。单位体积基态分子至上能级3的泵浦速率为R3,如果τ3/τ1合适,则可获得能级3→能级1跃迁的增益。然而基态分子也可被激励到能级2(单位体积的泵浦速率为R2),如有与λ21相应的谐振腔,能级2→能级1跃迁可形成激光,它将使能级1的分子数密度增加,并使波长λ31的增益下降。假设系统处于稳态,各能级的统计权重均为1,能级2→能级1的自发辐射可忽略不计,1/τ3=1/τ30十1/τ31。 (1)假设R2=0,能级2→能级1的跃迁未形成激光,写出能级3→能级1跃迁的小信号中心频率增益系数g0(λ31)的表示式; (2)假设R2≠0,能级2→能级1跃迁被激光强烈饱和,并忽略能级2→能级1的自发辐射,写出小信号中心频率增益系数g0(λ31)的表示式。