Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Методичка.docx
Скачиваний:
25
Добавлен:
28.04.2022
Размер:
898 Кб
Скачать
☆
    1. Насыщениеусилениявактивнойсреде

n

и

2 1

n

Предположим, что в активной среде каким-либо образом создана ин-версия,нопотокквантовотсутствует:wν→0.Обозначимстартовыеконцен-

трациичастицнауровнях

0 0и,соответственно,дляисходногососто-

n

яния:Δn=

0 0>0.Пустьвкакой-томоментвремениплотностьпотока

n

–

2 1

квантов начинает увеличиваться:wν> 0. В условиях инверсии населенностиэто означает, что количествоиндуцированныхизлучательныхпереходовбудетпревышатьколичествовынужденныхпоглощательныхпереходов:

2

1

n0B21wν>n0B12wν.Витогеn2начнетуменьшаться,n1–увеличиваться,ин-

версияΔn=n2–n1падатьи,какследствие,снижатьсяпоказательусиленияχус=σинд(n2–n1).Дальнейшеевозрастаниеwνприведеткболеезаметному

спадуусиления,т.е. χус↓=f(wν↑).Спадусилениявследствиеповышенияплотностипотокаквантовназываетсянасыщениемусиленияактивнойсреды.

Рассмотримпростейшуюэнергетическуюдиаграмму,состоящуюиз

g(ν)B21n1wν

g(ν)B21n2wν

двух уровней(рис.2.8).

Коэффициентыγ1иγ2характеризуютэффективностьвозбуждения

каждого из уровней за счет мощностинакачки (Pнак). Произведение γiPнакопределяет количество частиц, возбуждаемых на данный уровень в единицувремени.Отношениеni/tiпоказывает,сколькочастицуходитвединицувре-

менисэнергетическогоуровняврезультатеспонтанныхпереходов.Количе-

ство индуцированныхпроцессовизлучения и поглощениясучетомB12=B21

находятся как произведенияnig(ν)B21wν.Составим уравнения для измене-ния концентрации (скоростные уравнения) на энергетических уровнях 2 и 1 встационарномрежиме(dni/dt=0).Будемвключатьвнихсознаком«плюс»

количествооптическихпроцессов,увеличивающеенаселенностьуровня,исо

знаком«минус»–уменьшающеенаселенность:

dn2/dt=γ2Pнак–n2/t2–n2g(ν)B21wν+n1g(ν)B12wν=0, (2.6)

dn1/dt=γ1Pнак–n1/t1+n2g(ν)B21wν–n1g(ν)B21wν= 0. (2.7)

Предположим,чтопотокквантовмал:wν→0.Врежимемалогоопти-ческогосигналатретьеичетвертоеслагаемыев(2.6)и(2.7)близкикнулю,

n1=n0,аn2=n0.Сучетомизложенного,длястартовыхконцентрацийча-

n

1

стиц получим

2

2

n

0=t2γ2Pнаки

0=t1γ1Pнак,а дляихразницы– инверсии

2

1

1

Δn0=(n0–n0)↑=(γ2t2↑–γ1t1↓)Pнак.Показательусиленияактивнойсре-

ды,соответствующийусловиюwν→0,называютненасыщеннымидлянегоможно записать

2

1

χ0=σинд(n0–n0)=σинд(γ2t2–γ1t1)Pнак. (2.8)

Произведение σинд(γ2t2– γ1t1) определяется только свойствамиак-тивной среды, не зависит отPнак, поэтому функция χ0=f(Pнак) на начальномучастке линейна. С ростом мощности накачки возможно уменьшение скоро-стивозбужденияверхнего уровня–уменьшениеγ2изамедлениеростаχ0.

Предположим теперь, чтоwν> 0.Из (2.6) и (2.7) получим выражениядлясоответствующихконцентраций:

n2=t2γ2Pнак–t2n2g(ν)B21wν+t2n1g(ν)B21wν, (2.9)

n1=t1γ1Pнак+t1n2g(ν)B21wν–t1n1g(ν)B21wν. (2.10)Вычтемиз(2.9) выражение (2.10):

n2–n1=(γ2t2– γ1t1)Pнак– (n2–n1)B21wνg(ν)t2– (n2–n1)B21wνg(ν)t1=

= (γ2t2– γ1t1)Pнак–(n2–n1)B21wνg(ν)(t2–t1). (2.11)

Преобразуем(2.11)квиду

n2–n1= (γ2t2– γ1t1)Pнак/ [1+B21wνg(ν)(t2–t1)].

Учтем(2.8),соотношениеIν=cwνи перепишем(2.11):

2

1

n2–n1=(n0–n0)/[1+B21g(ν)(t2–t1)/cIν]. (2.12)

Умножим (2.12) на σиндиполучим выражение для насыщенного пока-зателяусиления активной среды:

χус=χ0/ [1+B21g(ν)(t2–t1)/cIν]. (2.13)Введемобозначениес/B21g(ν)(t2–t1)=Iнас–параметрнасыщенияак-

тивнойсредыиполучимкраткуюформузаписи

ус.одн

0

1I/Iнас

. (2.14)

Из (2.14) следует, что при увеличении спектральной плотности мощно-стиIνиндуцированного излучения усиление в среде уменьшается. Выраже-ние(2.14)справедливодляоднородногоуширенияспектральнойлиниииз-

лучения.Длянеоднородногоуширенияиспользуетсявыражение

ус.нд 0 .

Соседние файлы в предмете Функциональные узлы и устройства микроэлектроники