Источник оптического усиления в лазере
Активная лазерная среда(также называется усиливающая средаили лазерная среда) является источником оптического усиления в лазере. Усиление возникает в результате стимулированного излучения электронных или молекулярных переходов в состояние с более низкой энергией из состояния с более высокой энергией, ранее заполненного источником накачки.
Примеры активной лазерной среды включают:
- Определенные кристаллы, обычно легированные редкоземельными ионами (например, неодимом, иттербием или эрбия ) или ионы переходного металла (титана или хрома ); чаще всего иттрий-алюминиевый гранат (Y 3Al 5O 12), ортованадат иттрия (YVO 4 ) или сапфир (Al 2O3); и не часто бромид цезия-кадмия (Cs Cd Br 3)
- Очки, например силикатные или фосфатные стекла, легированные лазерно-активными ионами;
- газы, например смеси гелия и неона (HeNe), азота, аргона, окиси углерода, углерода диоксид или пары металлов;
- полупроводники, например арсенид галлия (GaAs), арсенид галлия индия (InGaAs) или нитрид галлия (GaN).
- Жидкости в виде растворы красителей, используемые в лазерах на красителях.
Для того, чтобы активировать лазер, активная усиливающая среда должна иметь нетепловое распределение энергии, известное как инверсия населенностей. Подготовка этого состояния требует внешнего источника энергии и известна как лазерная накачка. Накачка может осуществляться электрическими токами (например, полупроводниками или газами через высоковольтные разряды ) или светом, генерируемым разрядными лампами или другими лазерами (полупроводниковыми лазерами ). Более экзотические усиливающие среды могут накачиваться химическими реакциями, ядерным делением или высокоэнергетическими электронными пучками.
Содержание
- 1 Пример модели усиления средняя
- 1.1 Поперечные сечения
- 1.2 Устойчивое решение
- 1.3 Идентификаторы
- 1.4 Эффективность усиливающей среды
- 2 См. также
- 3 Ссылки и примечания
- 4 Внешние ссылки
Пример модели активной среды
Рис.1. Упрощенная схема уровней усиливающей среды
Универсальной модели, подходящей для всех типов лазеров, не существует. Самая простая модель включает две системы подуровней: верхнюю и нижнюю. Внутри каждой подуровневой системы быстрые переходы обеспечивают быстрое достижение теплового равновесия, что приводит к статистике Максвелла – Больцмана возбуждений между подуровнями в каждой системе (рис.1). Предполагается, что верхний уровень - метастабильный. Кроме того, предполагается, что коэффициент усиления и показатель преломления не зависят от конкретного способа возбуждения.
Для хороших характеристик усиливающей среды расстояние между подуровнями должно быть больше рабочей температуры; тогда на частоте накачки преобладает поглощение.
В случае усиления оптических сигналов частота генерации называется частотой сигнала. Однако тот же термин используется даже в лазерных генераторах, когда усиленное излучение используется для передачи энергии, а не информации. Представленная ниже модель, кажется, хорошо работает для большинства твердотельных лазеров с оптической накачкой .
Поперечные сечения
Простую среду можно охарактеризовать с помощью эффективных сечений поглощение и излучение на частотах и .
- Имеет концентрацию активных центров в твердотельных лазерах.
- иметь быть концентрацией активных центров в основном состоянии.
- иметь - концентрация возбужденных центров.
- Имеют .
Относительные концентрации могут быть определены как и .
Скорость переходов активного центра из основного состояния в возбужденное состояние можно выразить с помощью и
Скорость переходов обратно в основное состояние можно выразить как , где и - эффективные сечения поглощения на частотах сигнала и накачки..
и - то же для вынужденного излучения;
- скорость самопроизвольного распада верхнего уровня.
Тогда кинетическое уравнение для относительных популяций можно записать следующим образом:
,
Однако эти уравнения сохраняют .
Поглощение на частоте накачки и усилении на частоте сигнала можно записать следующим образом:
, .
Стационарное решение
Во многих случаях усиливающая среда работает в непрерывном или квазинепрерывном режиме, в результате чего временные производные популяций пренебрегают ible.
Стационарное решение может быть записано:
,
Динамическая насыщенность интенсивности можно определить:
, .
Поглощение при сильном сигнале: .
Коэффициент усиления при сильном накачке: , где - определитель поперечного сечения.
Прирост никогда не превышает значения , а поглощение никогда не превышает значения .
При заданной интенсивности , накачки и сигнала, усиление и поглощение можно выразить следующим образом:
, ,
где , , , .
Идентичности
Имеют место следующие идентичности: ,
Состояние усиливающей среды может быть охарактеризовано одним параметром, например, населенностью верхнего уровня, усилением или поглощением..
Эффективность усиливающей среды
Эффективность усиливающей средыможно определить как .
В рамках той же модели эффективность может быть выражена следующим образом: .
Для эффективной работы обе интенсивности, накачки и сигнал должны превышать их интенсивности насыщения; и .
Приведенные выше оценки действительны для среды, равномерно заполненной насосом и сигнальной лампой. может немного снизить эффективность, потому что некоторые области хорошо накачаны, но накачка не эффективно отводится сигналом в узлах интерференции встречных волн.
См. Также
Ссылки и примечания
- ^Hecht, Jeff. Путеводитель по лазеру: второе издание. McGraw-Hill, 1992. (Глава 22)
- ^Hecht, Chapter 22
- ^Hecht, Chapters 7-15
- ^Hecht, Chapters 18-21
- ^F. Дж. Дуарте и Л. В. Хиллман (ред.), Принципы лазера на красителях (Academic, Нью-Йорк, 1990).
- ^Ф. П. Шефер (ред.), Лазеры на красителях, 2-е издание (Springer-Verlag, Берлин, 1990).
- ^Энциклопедия лазерной физики и техники
- ^А.Э. Зигман (1986). Лазеры. Книги университетских наук. ISBN 0-935702-11-3.
- ^Д.Кузнецов; Дж. Ф. Биссон; К. Такаичи; К.Уэда (2005). «Одномодовый твердотельный лазер с коротким широким нестабильным резонатором». ХОСА Б. 22(8): 1605–1619. Bibcode : 2005JOSAB..22.1605K. doi : 10.1364 / JOSAB.22.001605.
- [1] A.saharn Lasing action
- [2] Физическая энциклопедия онлайн [на русском языке]
Внешний ссылки
- Gain media Энциклопедия лазерной физики и технологий