一激光系统的有关参数如下图4.12(b)所示,能级2→能级1的自发发射爱因斯坦系数为5×104s-1,自发发射谱线线型近似为三角形,如图4.12(a)所示。若以泵浦速率R2将粒子激励到能级2后,粒子向下跃迁到能级1,能级1及能级2的寿命均为10μs。假设系统处于稳态,激活介质的折射率为1.76,统计权重f2=1,f1=2。
(1)求能级2→能级1跃迁中心频率的发射截面; (2)根据图4.13所示激光器参数,计算阈值泵浦速率; (3)从速率方程出发,推导大信号情况下的能级2一能级1反转粒子数密度和中心频率处增益系数表达式(表达式用泵浦速率、能级寿命、能级统计权重和发射截面来表示)。
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。