二能级原子系统被光强为I的外来光照射,外来光的频率被调节为二能级跃迁的中心频率。因自发辐射及
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?
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。
用一脉宽τ=2ns的矩形光脉冲照射一个三能级(激光跃迁上、下能级的统计权重相等)增益盒,光脉冲的波长恰好等于增益物质中心波长(1μm),增益物质的中心波长发射截面σ=10-14cm2,增益盒的小信号增益为30dB,其损耗为零,单位截面光脉冲能量为W0,当(a)W0=2μJ/cm2;(b)W0=20μJ/cm2;(c)W0=200μJ/cm2时,试求增益盒输出脉冲在起始和终了时的光强I1和I2及功率增益Gp1和Gp2。
光泵浦的激光器结构如图4.3(a)所示,激光工作物质的有关参数如下:A20=5×107s-1;A21=1×108s-1;τ1=20ns;总粒子数密度n=n0+n1+n2=1014cm-3。泵浦波长351nm处的发射截面为10-14cm2,能级2→能级1的跃迁具有均匀加宽线型,中心波长为535nm,线宽△v=1GHz。忽略泵浦光传输到腔内时的损失,并假设此系统处于稳态,折射率η=1,各能级的统计权重如图4.3(b)所示。试计算:
(1)能级2→能级1中心波长的发射截面; (2)能级2→能级1的阈值增益系数; (3)该激光器振荡在λ21=535nm时的单位面积的阈值泵浦光强(单位:W/cm2)。
激光谐振腔内的光波电场强度满足下列微分方程
方程中忽略了自发辐射。式中τR为光子寿命,Es为与饱和光强有关的场强,它和饱和光强的关系为(η0为自由空间波阻抗常数);若下能级的集居数密度可忽略不计,则g(t)=n2(t)σ21。E2能级的集居数密度速率方程为下列不完整的微分方程
均匀加宽激光工作物质的能级图如图3.15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τ21-1及τ20-1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△v=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)求能级2→能级1跃迁的中心频率发射截面; (2)要使小信号中心频率增益系数g0(v0)=0.01cm-1,R2应有多大? (3)求能级2→能级1跃迁的中心频率饱和光强; (4)要得到上述小信号中心频率增益系数,需要多大的泵浦功率密度? (5)将线宽用nm及cm-1为单位表示。
若气体工作物质具有E2、E1二能级(统计权重相等),二能级的粒子数密度分别为n2≈0,n1=1018cm-3,E2能级的自发辐射寿命=10-4s。若吸收曲线为高斯型,线宽400cm-1,中心频率=3×1014HZ。试求频率为的弱光束穿过厚度d=1cm的上述介质时,光强衰减了多少dB。
若Is(v)=16W/cm2,g0(v)l=2,光放大器长l=5m。如果光放大器在未受激励时的透过率是0.85,并考虑到在四能级情况下可忽略吸收,因而可认为未受激励时g0(v)≈0。 (1)损耗系数α有多大? (2)计算光放大器的小信号增益(以dB计); (3)如果入射光太强,光放大器会变成衰减器,试问入射光强多大时能使放大器的增益保持1?
如图4.16所示的放大介质在1.05μm波长处的小信号增益为6dB(即G0=4),发射截面为10-17cm2,上、下能级寿命分别为500μs和10ns,增益介质每个端面的损耗为2%,环腔中光隔离器的损耗可忽略不计,试计算输出光强。
原子中束缚电子的能量Ebi和入射电子束中的电子能量Ein。如果Ein______Ebi,入射电子的能量不能使i能级上的电子激发,______产额为零。